刀具磨損對加工Inconel 718殘余應力影響的研究

王文豪，吳永杰，王琛，高娟，李龍，陳典典

1中國重型機械研究院股份有限公司；2太原科技大學環(huán)境科學與工程學院

1 引言

Inconel 718是Fe-Ni-Cr基沉淀硬化型變形高溫合金，在650℃以下時，具有較高強度，良好的韌性、耐氧化和耐腐蝕性，常被應用于制作石油化工中的環(huán)件、緊固件和結構件等，如采氣(油)樹中油管掛和閥桿等零件。但由于其難加工特性，導致刀具磨損嚴重、加工效率低和加工成本高，并且Inconel 718經機械加工后，表面殘余應力對其抗疲勞強度和抗腐蝕性也有較大影響。

很多學者對Inconel 718的切削性能和金屬表面殘余應力進行了研究，馮新敏等[1]通過有限元模擬汽霧冷卻下切削GH4169合金，提供了優(yōu)選的切削參數(shù)。姚倡鋒等[2]結合DEFORM仿真和切削試驗，說明刀具磨損對主切削分力和車削溫度的影響非常顯著，且刀具磨損會導致GH4169合金殘余拉應力峰值增大。盧曉紅等[3]通過ABAQUS軟件對Inconel 718微銑削展開仿真研究，證明刃口圓弧半徑和每齒進給量會顯著影響微銑削鎳基高溫合金的殘余應力。Thrinadh J.等[4]通過實驗研究了在干燥條件下使用無涂層碳化鎢刀片加工Inconel 718時的不同刀具磨損形式。齊廣霞等[5]通過金屬高溫塑性變形—傳熱—微觀組織演變耦合，得到了GH4169合金熱擠壓過程中擠壓件微觀組織的演變規(guī)律。楚滿福等[6]研究切削參數(shù)對加工表面硬化程度及殘余應力的影響規(guī)律。秦海龍等[7]采用原位中子衍射法研究了固溶水淬后的GH4169合金殘余應力的演化規(guī)律和松弛機制。馬世玲等[8]建立了GH4169合金三維微銑削有限元模型，運用神經網(wǎng)絡群遺傳算法對殘余應力進行了預測和切削參數(shù)優(yōu)化，得到了最佳切削用量組合。

以上學者對Inconel 718的切削過程進行了詳盡研究，但不同刀具磨損形態(tài)對其切削加工性能影響的研究較少。本文基于金屬切削原理，借助有限元仿真和實驗的方法，研究Inconel 718高溫合金的車削過程，探討刀具前、后刀面和刀尖刃口等因素在不同程度磨損狀態(tài)下對工件表面殘余應力的影響，為最優(yōu)工藝參數(shù)的選擇提供參考。

2 有限元仿真

2.1 有限元模型

如圖1所示，借助ABAQUS有限元軟件建立二維切削模型，對Inconel 718高溫合金車削過程進行模擬。刀具前角為10°，后角為5°，刀尖圓角半徑為0.01mm。刀具沿著-X方向做進給運動，進給速度為30m/min，切削深度為0.2mm。

圖1 二維切削模型

2.2 材料參數(shù)

為了更好分析鋸齒的磨損情況和應力分布情況，設置刀具為彈性體，牌號為YG8，設置工件為彈塑性體。刀具和工件的材料參數(shù)如表1所示。

表1 Inconel 718和YG8材料性能[9]

2.3 材料的本構關系

金屬材料的本構關系反映了流動應力隨外部變形的變化規(guī)律[10]。J-C模型不僅公式簡易(變量較少)，而且可以較為詳盡地表征材料在高應變率與高應變時的本構行為，其表達式為

(1)

Inconel 718材料的本構參數(shù)見表2。

表2 Inconel 718的Johnson-Cook本構參數(shù)[9]

3 實驗驗證

為了驗證有限元模擬的可靠性，在全功能數(shù)控車床上進行Inconel 718切削實驗。機床型號為Quick Turn Nexus200-IIL/1000，回轉直徑660mm，X/Z行程350mm×1300mm。實驗參數(shù)和仿真參數(shù)一致。

圖2為試驗參數(shù)及試驗過程，圖3為仿真得到的刀具磨損及切屑形態(tài)。從圖2可以看出，刀具磨損主要集中在刀具前、后刀面和刀尖刃口處，與有限元仿真中刀具高應力集中區(qū)域(磨損嚴重區(qū)域)相同；車削后的切屑形態(tài)呈卷曲狀，與圖3中有限元仿真的切屑形態(tài)一致，從側面驗證了有限元模擬的可靠性。

圖2 切削實驗

圖3 切削過程仿真

4 仿真結果分析

殘余應力影響著工件表面疲勞裂紋的形成與擴展，進而影響工件疲勞壽命，但切削過程中，刀具在切削力的作用下，其前、后刀面和刀尖刃口附近會產生嚴重磨損，進而影響成品工件的表面殘余應力。因而利用仿真技術研究不同刀具磨損形態(tài)對Inconel 718工件殘余應力的影響規(guī)律。

4.1 建立刀具磨損模型

根據(jù)實驗和有限元分析發(fā)現(xiàn)，刀具磨損主要集中在前刀面、刀尖刃口圓角處和后刀面，因此，本文通過改變月牙洼深度KN、刀尖刃口圓弧半徑r和后刀面磨損長度VB等參數(shù)變量，建立不同刀具磨損模型來研究不同刀具磨損對成品工件表面殘余應力的影響，刀具不同磨損位置如圖4所示。

(a)后刀面磨損 (b)刀尖刃口磨損 (c)前刀面磨損

4.2 前刀面磨損

在切削力的作用下，刀具前刀面會產生月牙洼磨損，通過改變月牙洼深度KN(0.01mm，0.02mm，0.03mm，0.04mm)，得到了殘余應力沿已加工表面深度的分布規(guī)律，如圖5和圖6所示。其它的切削參數(shù)為切削速度30m/min，切削深度0.2mm。

圖5 不同月牙洼深度KN對殘余應力σy的影響

如圖5所示，殘余應力σy隨著已加工表面深度的增加，先降低至一定數(shù)值后再上升，最后趨于穩(wěn)定。這說明切削加工過程中，沿切削深度方向的殘余應力σy由拉應力逐漸變?yōu)閴簯?，到達一定數(shù)值后壓應力逐漸減小，在深度為0.5mm附近消失。隨著月牙洼磨損深度KN增加，工件殘余壓應力最大值先增加后減小。這是因為月牙洼深度KN增加，刀具的有效前角先增大后減小[11]，使得刀具和工件擠壓的變形狀態(tài)發(fā)生變化，最終造成在切削深度方向殘余壓應力先增大后減小。

如圖6所示，殘余應力σx隨著已加工表面深度的增加，先降低至一定數(shù)值后再上升，最后趨于穩(wěn)定。隨著月牙洼深度KN增加，殘余應力σx增加，月牙洼深度較小時，殘余應力σx主要表現(xiàn)為壓應力；月牙洼深度較大時，殘余應力σx主要表現(xiàn)為拉應力。

圖6 不同月牙洼深度KN對殘余應力σx的影響

4.3 后刀面磨損

在切削速度為30m/min，切削深度為0.2mm條件下，后刀面磨損量VB分別為0.05mm，0.1mm，0.15mm，0.2mm，得到的殘余應力沿已加工表面深度的分布規(guī)律，如圖7和圖8所示。

圖7 不同后刀面磨損長度對殘余應力σy的影響

圖8 不同后刀面磨損長度對殘余應力σx的影響

由圖7可以看出，殘余應力σy隨著已加工表面深度的增加，先減小至一定數(shù)值之后再上升，最后趨于穩(wěn)定，這說明殘余應力σy由開始的拉應力變?yōu)閴簯?，最后消失。隨著后刀面磨損程度增加，沿切削深度方向的最大殘余應力σy增加。這是因為磨損加劇導致后刀面與加工表面的接觸摩擦增大，摩擦和變形產生的熱量傳入工件和刀具，造成工件溫度進一步增高，里層金屬在熱傳遞過程中收縮變化加劇，使得殘余應力增加。

由圖8可以看出，殘余應力σx隨著已加工表面深度的增加，先上升至最高點，再逐漸降低至一定數(shù)值后又再次上升。這說明殘余應力σx在工件表面為壓應力，隨著已加工表面深度增加，變?yōu)槔瓚Γ詈笞優(yōu)閴簯?。隨著后刀面磨損程度增加，沿切削進給方向的最大殘余拉應力σx減小。

4.4 刀尖刃口磨損

在切削速度為30m/min，切削深度為0.2mm條件下，刀尖刃口圓弧半徑r分別取0.01mm，0.02mm，0.03mm，0.04mm，得到的殘余應力沿已加工表面深度的分布規(guī)律如圖9和圖10所示。

圖9 不同刀尖磨損圓弧半徑對殘余應力σy的影響

圖10 不同刀尖磨損圓弧半徑對殘余應力σx的影響

由圖9可以看出，殘余應力σy隨著已加工表面深度的增加，先降低至一定數(shù)值，然后逐漸上升，最后趨于平穩(wěn)直至數(shù)值為0，這說明加工表面附近材料存在拉應力，遠離加工表面的材料存在壓應力，當已加工表面深度大于0.4mm時，材料中不存在殘余應力。隨著刀尖圓弧半徑磨損程度增加，沿切削深度方向的最大殘余壓應力σy增加，這是因為刀尖磨損加劇導致刀尖圓弧半徑增加，切屑與工件基體分離點上移，工件表面受到刀具擠壓的材料增多，致使最大殘余壓應力σy增加。

由圖10可以看出，殘余應力σx隨著已加工表面深度的增加，先上升至最高點再逐漸降低，這說明殘余應力由拉應力變?yōu)閴簯?。隨著刀尖圓弧半徑磨損程度增加，沿切削深度方向的最大殘余壓應力σx增加，這是因為刃口半徑的增加造成刃口處工件材料流動緩慢區(qū)域增加。工件材料與刀具表面的黏結提供了小于實際值的有效前角，這種效應導致殘余壓應力增加[12]。

5 結語

(1)建立了Inconel 718高溫合金車削仿真模型，并利用車削實驗從側面驗證了仿真模型的可靠性。

(2)隨著月牙洼深度KN增加，最大殘余應力σy先增加后減小，最大殘余應力σx增加，且殘余應力影響深度最大為0.5mm；月牙洼深度較小時，殘余應力σx主要表現(xiàn)為壓應力；月牙洼深度較大時，殘余應力σx主要表現(xiàn)為拉應力。

(3)隨著后刀面磨損程度增加，沿切削深度方向的最大殘余壓應力σy增加，沿切削進給方向的最大殘余拉應力σx減小。

(4)隨著刀尖圓弧半徑磨損程度增加，沿切削深度方向的最大殘余壓應力σy增加，沿切削深度方向的最大殘余壓應力σx增加。