陶亮¹　陳海虹¹　陳超²　劉愛軍¹
（1.貴州理工學(xué)院；2.襄陽(yáng)汽車軸承股份有限公司工具分廠）

　　摘　要：為了揭示軸承鋼硬態(tài)切削中切削用量對(duì)工件已加工表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，運(yùn)用金屬切削軟件AdvantEdge在不同切削用量條件下進(jìn)行了熱力耦合切削仿真。結(jié)果表明：硬態(tài)切削后工件已加工表面出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，隨著深度的增加殘余壓應(yīng)力值減小并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力；切削速度和進(jìn)給量對(duì)殘余壓應(yīng)力影響較大，殘余壓應(yīng)力值隨著切削速度的增加呈先減小后增加的趨勢(shì)，但作用深度變化較小，進(jìn)給量增加時(shí)殘余壓應(yīng)力值和作用深度均增加；背吃刀量增加時(shí)殘余壓應(yīng)力值和作用深度變化幅度很小。研究結(jié)果可為殘余應(yīng)力控制和工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

　　【關(guān)鍵詞】 切削用量；硬態(tài)切削；殘余應(yīng)力；AdvantEdge

　　從20世紀(jì)70年代開始硬態(tài)切削技術(shù)就得到了極大的關(guān)注，它能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)磨削方式對(duì)高硬度材料進(jìn)行精密切削加工，具有加工時(shí)間短、環(huán)境污染小、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車、模具、軸承等多個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。切削完成后會(huì)在工件已加工表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，給零件使用性能和疲勞壽命等帶來不利影響，因此開展工件已加工表面殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)和控制研究具有重要意義。

　　國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)硬態(tài)切削產(chǎn)生的殘余應(yīng)力開展了大量研究。Umbrello D.等采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和有限元技術(shù)開展了AISI 52100鋼硬態(tài)切削過程中工件已加工表面殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)和切削參數(shù)優(yōu)化研究；Dahlman D.等進(jìn)行了AISI 52100鋼硬態(tài)切削試驗(yàn)，研究了刀具前角、進(jìn)給量以及背吃刀量對(duì)已加工表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律；HuaJ.等利用倒棱和鈍圓刀具開展AISI 52100鋼硬態(tài)切削試驗(yàn)，研究了進(jìn)給量、工件材料硬度以及刀具幾何刃刃口形式對(duì)已加工表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律；Liu M.等完成了不同鈍圓半徑刀具對(duì)JISSUJ2鋼的硬態(tài)切削試驗(yàn)，分析了鈍圓半徑對(duì)殘余應(yīng)力的影響；彭銳濤等建立了預(yù)應(yīng)力切削的三維熱力耦合有限元模型，對(duì)軸承套圈的預(yù)應(yīng)力硬態(tài)切削過程進(jìn)行了模擬，獲得了不同預(yù)應(yīng)力條件下的切削力、切削溫度和已加工表面殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。

　　本文基于AdvantEdge金屬切削軟件對(duì)GCr15淬硬軸承鋼的干式硬態(tài)切削過程進(jìn)行仿真，分析切削過程中切削溫度和切削力的變化情況，研究切削用量對(duì)工件已加工表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，研究結(jié)果可為殘余應(yīng)力控制和工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

　　1　切削模型的建立

　　仿真刀具材料為CBN，工件材料為GCr15，刀具和工件材料主要力學(xué)、物理性能見表1。

表1　刀具和工件材料主要性能

　　（1）材料本構(gòu)模型

　　本文采用Johnson-Cook本構(gòu)模型描述工件材料本構(gòu)行為，它適用于高溫、大變形以及大應(yīng)變速率等場(chǎng)合，具體表達(dá)式為

　　式中，A、B、C、m、n分別為材料模型參數(shù)，數(shù)值如表2所示；為等效塑性應(yīng)變率，為參考塑性應(yīng)變率；σ為流動(dòng)應(yīng)力；ε為等效塑性應(yīng)變；Tr、Tm分別為環(huán)境溫度與材料熔點(diǎn)。

表2　工件材料J-C本構(gòu)參數(shù)

　?。?）切削模型與網(wǎng)格劃分

　　仿真中采用的切削參數(shù)如表3所示，工件模型長(zhǎng)4mm，高2mm，采用自適應(yīng)網(wǎng)格重劃分技術(shù)劃分刀具網(wǎng)格。為避免單元變形后網(wǎng)格重劃分降低仿真精度，在刀具切削刃圓弧處設(shè)置為三個(gè)以上單元。整個(gè)切削模型工件由高精度六節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變?nèi)切螁卧獦?gòu)成。單元最小尺寸0.02mm，尺寸0.1mm。網(wǎng)格劃分等級(jí)G取0.4，它決定了刀具切削刃處網(wǎng)格單元粗細(xì)轉(zhuǎn)變的快慢程度。建立的二維正交切削模型如圖1所示。

表3　刀具參數(shù)和切削用量

圖1　二維正交切削模型

　　2　仿真結(jié)果與分析

　　圖2為不同切削用量條件下已加工表面的殘余應(yīng)力分布曲線。由圖可以看出，在選定的切削用量條件下，工件已加工表面均出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，隨著深度的增加殘余壓應(yīng)力值減小并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要為：刀具后刀面與已加工表面的摩擦產(chǎn)生塑性變形，即“擠光”效應(yīng)，此時(shí)“擠光”效應(yīng)引起的殘余壓應(yīng)力大于熱載荷引起的拉應(yīng)力，從而在已加工表面形成殘余壓應(yīng)力；隨著深度的增加，“擠光”效應(yīng)減弱，熱載荷產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力影響逐漸增強(qiáng)，使殘余壓應(yīng)力逐漸減小。

　?。╝）切削速度的影響（ap=0.25mm、f=0.3mm/r）

　?。╞）進(jìn)給量的影響（ap=0.25mm、Vc=150m/min）
　　（c）背吃刀量的影響（f=0.3mm/r、Vc=150m/min）

圖2　不同切削用量對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響

　?。?）切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

　　圖3為切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。由圖可知，隨著切削速度的增加，殘余壓應(yīng)力值呈先減小后增加的趨勢(shì)，但其作用深度變化幅度較小，因此可以認(rèn)為切削速度對(duì)殘余壓應(yīng)力的影響較大。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要為：在50-150m/min速度范圍內(nèi)，切削速度增加時(shí)切削溫度上升較快，工件表層內(nèi)熱載荷產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力增加導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力值減?。?50-250m/min速度范圍內(nèi)，隨著切削速度的進(jìn)一步增加，切削溫度上升速率減緩（見圖4），“擠光”效應(yīng)強(qiáng)于熱效應(yīng)的作用，因此殘余壓應(yīng)力的值反而增加。

圖3　切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

圖4　切削速度對(duì)切削溫度的影響

　?。?）進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力的影響

　　圖5為進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。由圖可知，殘余壓應(yīng)力值和作用深度均隨進(jìn)給量的增加而增加，可認(rèn)為進(jìn)給量對(duì)殘余壓應(yīng)力的影響較大。這是因?yàn)檫M(jìn)給量的增加在一定程度上使切削溫度升高（見圖6），增強(qiáng)了熱效應(yīng)作用，導(dǎo)致殘余拉應(yīng)力增加，也增大了切削力，加大工件材料塑性變形程度（見圖6），最終“擠光”效應(yīng)占主導(dǎo)地位，使殘余壓應(yīng)力值增加。

圖5　進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力的影響

圖6　進(jìn)給量對(duì)切削溫度和切削力的影響

圖7　背吃刀量對(duì)殘余應(yīng)力的影響

圖8　背吃刀量對(duì)切削力的影響

　?。?）背吃刀量對(duì)殘余應(yīng)力的影響

　　圖7為背吃刀量對(duì)殘余應(yīng)力的影響圖，從圖可以看出，背吃刀量增加時(shí)殘余壓應(yīng)力值和作用深度變化幅度均很小，因此可以認(rèn)為背吃刀量對(duì)殘余應(yīng)力的影響不明顯。其主要原因?yàn)椋罕吵缘读吭黾樱邢髁﹄S之增大（見圖8），但刀刃在單位長(zhǎng)度上對(duì)切削力的影響變化不大，所以對(duì)塑性變形影響較小，因此殘余壓應(yīng)力值變化較小。

　　小結(jié)

　　本文基于AdvantEdge金屬切削軟件對(duì)GCr15淬硬軸承鋼的硬態(tài)切削過程進(jìn)行仿真，研究了切削用量對(duì)工件已加工表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

　?。?）淬硬軸承鋼硬態(tài)切削后工件已加工表面出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，隨著深度的增加殘余壓應(yīng)力值減小并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。

　?。?）切削速度和進(jìn)給量對(duì)殘余壓應(yīng)力影響較大：切削速度增加時(shí)，殘余壓應(yīng)力值呈先減小后增加的趨勢(shì)，作用深度變化幅度較??；進(jìn)給量增加時(shí)殘余壓應(yīng)力值和作用深度均增加。

　?。?）背吃刀量對(duì)殘余應(yīng)力的影響不明顯：背吃刀量增加時(shí)殘余壓應(yīng)力值和作用深度變化幅度均很小。

來源：《工具技術(shù)》2018年第12期