（机械制造及其自动化专业论文）预拉伸夹紧铣削铝合金残余应力的基础研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 在机械加工后如何保证工件表层处于残余压应力状态是抗疲劳制造中的关 键问题。前人的研究表明，在加工中对工件进行预拉伸是在工件表面获得残余压 应力的有效手段之一。本文提出将预拉伸装夹应用到铣削加工中，希望将加工后 工件表层的应力状态控制在压应力水平，从而提高零件的疲劳强度。本文以铝台 金为研究对象，进行了数值仿真和试验研究，取得了一些阶段性结果。 首先，本文从残余应力产生的基本机理出发，采用有限元软件a n s y s 开展 了接触仿真研究，模拟了加工过程中残余应力的产生过程。通过仿真，分析了预 拉伸铣削铝合金时影响残余应力产生的主要因素，得出了各主要因素对残余应力 的影响趋势。 其次，本文对适用于铣削加工的预拉伸夹具进行了分析研究，提出了两种 新型夹具的设想，分别为基于热胀冷缩原理的夹具和基于超高压液压系统的夹 具。为了简便起见，本文试验研究中设计了机械式单向预拉伸夹具，并采用该夹 具进行了铣削试验。铣削过程中，通过监测贴在工件上应变片的应变对预拉伸力 的大小进行调整；采用x 射线衍射仪对加工后表面残余应力进行测量，并分析了 加工表面硬度。通过试验研究，得出了预拉伸力、工件厚度、加工参数等对表面 残余应力的影响趋势。 研究表明，通过单向预拉伸夹紧可以对铣削工件的表面残余应力实现有效 的控制，可以优选出满足目标应力水平要求的工艺参数。文章的最后对预拉伸夹 紧铣削的应用范围进行了探讨。 关键词：预拉伸装夹，铣削，有限元，仿真，残余应力 预拉伸夹紧铣削铝台金残余应力的基础研究 a b s t r a c t i ti sak e y p r o b l e mi na n t i - f a t i g u e m a n u f a c t u r eh o wt oo b t a i n c o m p r e s s i v e r e s i d u a ls t r e s s e si nw o r ks u r f a c ea f t e rm a c h i n i n g i ti ss h o w nb yt h ep r e v i o u ss t u d y t h a ti ti so n eo ft h ee r i e c t i v em e t h o d sf o ro b t a i n i n gt h ec o m p r e s s i v er e s i d u a ls t r e s s e s t ol e t w o r k p i e c eb es t r e t c h e dd u r i n gm a c h i n i n g t h ea p p l i c a t i o no ft h i s m e t h o d s o - c a l l e dp r e - s t r e t c h e df i x a t i o n ，i sp r o p o s e di nt h i sp a p e ri n t om i l l i n g ，s oa st oc o n t r o l t h er e s i d u a ls t r e s si nw o r ks u r f a c et oac o m p r e s s i v el e v e l ，a n dt oi m p r o v et h ef a t i g u e p e r f o r m a n c e o ft h ew o r k i nt h i s s t u d y , n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n a r ec a r r i e do u tf o ra l u m i n u m a l l o yw o r k p i e c e ，a n d s o m e p h a s i c c o n c l u s i o n sa r ed r a w n f i r s t l y , a f t e ra n a l y z i n gt h e m e c h a n i s mo fr e s i d u a ls t r e s s g e n e r a t i o n , c o n t a c t s i m u l a t i o ni ss t u d i e db y u s i n gc o m m e r c i a lf e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) s o f t w a r eo f a n s y s n l eg e n e r a t i o np r o c e s so ft h er e s i d u a ls t r e s sd u r i n gm a c h i n i n gi ss i m u l a t e d ； t h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h er e s i d u a ls t r e s sd u r i n gp r e s t r e t c h e dm i l l i n go fa l u m i n u m a l l o ya r ea n a l y z e d ；t h ea f f e c t i n gt e n d e n c y f o re a c hf a c t o ri sm a d ec l e a r s e c o n d l y , f i x t u r e so fp r e s t r e t c h e df i x a t i o nw h i c ha r es u i t a b l e f o rm i l l i n ga r e s t u d i e d ，a n dt w on e wt y p e so f f i x t u r e sa r ep r o p o s e d o n ei sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo f t h e r m a le x p a n s i o n ，a n da n o t h e ri sb a s e do nt h es u p e r - h i g hh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m f o re x p e r i m e n t a lc o n v e n i e n c e ，o n e - d i m e n s i o n a lm e c h a n i c a lp r e s t r e t c h e df i x t u r ei s d e s i g n e da n du s e di nt h em i l l i n ge x p e r i m e n t s i nt h ee x p e r i m e n t s ，t h ep r e - s t r e t c h e d f o r c ei sa d j u s t e db ym e a n s o f m o n i t o r i n g t h es t r a i no b t a i n e db yt h es t r a i ng a u g e ss t u c k o nt h ew o r k p i e c e ；t h er e s i d u a ls t r e s si sm e a s u r e db ym e a n so fx - r a yd i f f r a c t o m e t e r ； t h es u r f a c eh a r d n e s si sa l s oa n a l y z e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，t h et e n d e n c yo ft h e e f f e c to fs u c hf a c t o r sa s p r e - s t r e t c h e df o r c e ，t h e w o r kt h i c k n e s sa n dt h em i l l i n g p a r a m e t e r so n t h er e s i d u a ls t r e s si nt h em i l l e ds u r f a c ei sm a d ec l e a r i ti ss h o w nt h a tt h er e s i d u a ls t r e s si nm i l l e d s u r f a c ec a i lb ec o n t r o l l e de f f e c t i v e l y b ym e a n so fo n e d i m e n s i o n a lp r e s t r e t c h e d f i x a t i o n i ti sf e a s i b l et o o p t i m i z et h e c o n d i t i o nt om e e tt h ed e m a n do fat a r g e ts t r e s sl e v e l l a s t l y ，t h ea p p l i c a b i l i t yo ft h e p r e s t r e t c h e dm i l l i n g i sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：p r e s t r e t c h e df i x a t i o n ，m i l l i n g ，f e a ，s i m u l a t i o n ，r e s i d u a ls t r e s s 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他入享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 神弓，c 0 南京航空航天大学硕学位论文 符号 仃l 、盯2 、口， s i 、s 2 、p 3 n ， 。 注释表 物理意义 温度 切削速度 屈服极限 3 维主应力 3 维土应变 弹性模量 泊松比 试样表面法向 反射晶面法向 单位 m m i n m p a 埘p a o p a 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 疲劳及抗疲劳加工 第一章绪论 材料在某一点或某些点受到变化的应力和应变，经过足够次数的变化后， 最终产生裂纹或完全断裂，在材料结构中局部渐进发生这种永久变化的过程称 之为疲劳。 据1 5 0 多年来的统计，金属部件中有8 0 以上的损坏是由于疲劳而引起的， 并由此而产生了难以计数的灾难，从飞机失事到火车出轨，从电站的损坏到大 桥垮塌，几乎涉及到各个工业部门。这些恶果时时激励着人类不断地去探求和 奋斗，以便完全掌握疲劳破坏发生的规律。 尽管疲劳问题已经引起人们的重视，但疲劳破坏在国民经济各个部门仍不 断发生。因此认识疲劳、了解疲劳的破坏机理，探求抗疲劳的设计和制造方法 并去指导现代工业技术的发展已经成为一个重要课题。 1 1 1 抗疲劳加工及其原理 抗疲劳加工技术是指在不改变零件的材料和截面尺寸的前提下，通过在制 造工艺过程中改变材料的组织及应力分布来提高零部件疲劳寿命的制造技术。 如飞机起落架的内孔螺纹挤压成形技术，在超高强度钢的内孔采用丝锥挤压来 完成传统的车削螺纹，在成形出螺纹的同时对其根部实施强化，实现了起落架 和机身寿命相同的目标。 ( 1 ) 抗疲劳加工原则 根据金属疲劳机理及其影响因素可知，提高金属材料抗疲劳性能的原则主 要有以下四点： 合理选材，注意零件的细节设计，提高加工精度和降低表面粗糙度，尽 量减少形成应力集中的各种因素。 在金属材料表层，特别是局部应力集中的薄弱部位引入高的残余压应力。 细化材料表层显微组织，细化亚晶粒，减少材料内部的非金属夹杂物， 提高金属的冶炼精度。 在保证内部具有足够强度的前提下，提高材料表层的硬度和强度，抑制 在循环力作用下表层产生塑性变形。 ( 2 ) 表层残余应力对疲劳性能的影响 原则指出，在工件表层引入较高的残余压应力有助于寿命的提高。 预拉伸夹紧铣削铝合金残余应力的基础研究 表层残余应力对零件的影响主要有两种，一种是对疲劳等材料性能的影响， 另外一种是对加工时或者加工后产生尺寸偏差等的影响。作为对材料承受动载 荷性能的影响而言，残余应力对材料的疲劳强度影响是重要的。一般来说，表 层残余压应力的提高，能提高零件的疲劳强度。残余应力对有缺口的零部件的 疲劳强度的影响要比表面光滑零部件大，当呈现拉应力状态时，会增大疲劳缺 口敏感，在疲劳载荷作用下则会缩短疲劳裂纹的萌生期，增大裂纹扩展速率； 如为平均压应力，则能消除应力集中影响，减少疲劳缺口敏感，延长裂纹萌生 期，减慢或抑止裂纹扩展。当试样或者零部件表面已经存在缺陷或微裂纹且表 层残余应力层厚度超过裂纹深度时，残余压应力能减缓疲劳裂纹的扩展速率。 总之，零部件中残余应力的存在将在以下两个方面影响零部件的疲劳寿命： 改变了零部件的应力分布；改变了零部件的疲劳极限。零部件表层残余压 应力对疲劳强度特别是有缺口零件的疲劳强度有明显的增强作用。 如果能够在加工过程中很好地控制零部件表层残余压应力的大小、深度和 分布的话，就能大大地提高零部件的疲劳寿命。 1 1 2 抗疲劳加工的主要方法 抗疲劳加工方法多种多样，从能量获得方式上可以划分为：物理、化学、 机械、高能束流等四种类型。 表1 1 抗疲劳加工分类、作用机理及主要方法、 分类作用机理主要方法 物理通过表面层相变来提高零件的疲劳强度表面淬火处理 化学改变表面化学成分，形成单相或多相的扩散层渗碳、渗氮、碳氰共渗等 利用冷变形技术，使金属材料表面变形产生硬化滚压、挤压、喷丸、干涉配合 机械 层并引入高的残余压应力和抛光处理等 对材料的局部表面施加高密度能量使之发生物激光冲击、激光相变硬化、激 高能柬流 理、化学变化光台金化和等离子体冲击等 本文提出的预拉伸夹紧条件下铣削加工是一种机械的抗疲劳加工方法，通 过预拉伸应力使得工件表面层形成明显的具有一定深度的残余压应力，从而提 高零部件的寿命。 南京航空航天大学硕士学位论文 1 2 预拉伸夹紧实现抗疲劳高速铣削加工 高速切削加工技术是种用比常规切削高得多的切削速度进行切削加工的 高效新工艺技术，高速切削加工可用于加工有色金属、铸铁、钢、纤维强化复 合材料等，还可用于切削加工各种难加工材料。现在，高速切削技术已渐趋成 熟，并开始在制造领域中大显身手。 高速切削的起源可追溯到2 0 世纪2 0 年代末期。德国的切削物理学家萨洛 蒙( c a r ls a l o m o n ) 博士于1 9 2 9 年进行了模拟超高速切削试验。1 9 3 1 年4 月发 表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削假设。萨洛蒙指出：在常规切削 速度范围内，切削温度随着切削速度的增加而升高。对每一种工件材料，都存 在一个切削速度范围，在这个范围内，由于切削温度太高，任何刀具都无法承 受，导致切削加工最终不可能进行( 图1 1 中b 区) 。但当切削速度进一步提高， 超过这个速度范围后( 图1 1 中c 区) ，切削温度反而降低；同时，切削力也会 大幅度下降。按照他的假设，在具有一定速度的高速区进行切削加工，会有较 低的切削温度和较小的切削力，有可能用现有的刀具就可进行超高速切自，从 而大幅度减少切削时间，成倍地提高生产率。 p u 世 硝 最 恳 ” 切削速度v ( r r d m i n ) 图1 1切削温度与切削速度的关系( 萨洛蒙曲线) 高速切削最常见的实现方式为高速铣削。高速铣削技术作为一种先进制造 技术群中的一项关键技术，在工业发达国家获得了成功应用，在航空航天、电 子、汽车等零部件加工以及模具制造中发挥出巨大优势。 虽然高速铣削技术在生产中获得了成功的应用，但是由于这项技术在我国 还很年轻，研究还不够深入系统，目前仍对高速铣削的机理缺乏深入系统的理 解，特别缺乏系统的能直接为生产加工使用的技术数据，严重制约了引进的高 速铣削机床优势的充分发挥。近年来，上海交通大学、同济大学、浙江大学， 预拉伸夹紧铣削铝台金残余应力的基础研究 山东大学、南京航空航天大学等在高速铣削加工的机理、表面加工质量、刀具 磨损、安全性及其高速铣削技术在模具制造和航空难加工材料加工以及薄壁件 加工变形等方面开展了卓有成效的研究工作，取得了重要成果，加深了人们对 高速铣削这项崭新技术的认识，有力地推动了高速铣削技术在我国制造业中的 应用。 但是，到目前为止人们对高速铣削加工中工件残余应力的分布规律仍然缺 乏深入的理解，不知道高速铣削加工后工件的疲劳裂纹扩展特性，不了解高速 切削加工时工件疲劳性能如何受到影响，从而无法预测工件的疲劳寿命。这对 于很多以零部件疲劳破坏为主要失效形式的航空航天、兵器、高速列车、模具 等领域来说，高速铣削技术的优势被大打折扣。因为在高速铣削后，人们为了 抗疲劳的需要，仍然与普通加工一样需要采用喷丸强化等后续强化工艺，从而 不能充分发挥高速铣削加工技术的高效特性。在国防领域，这一问题尤为突出。 如何在铣削过程中提高零部件的抗疲劳性能成为一个紧迫问题。 抗疲劳高速铣削的主要目的就是通过一定的工艺手段，实现工件表层残余 应力的控制，并能形成较为均匀的具有一定深度的表层残余压应力，从而大幅 度地提高零部件的疲劳寿命。 为了实现上述目的，本文采用了预拉伸夹紧铣削的方法较大的提高表面残 余压应力，并控制其分布。 上世纪8 0 年代，华南理工大学的周泽华教授提出了预应力加工理论。所谓 预应力加工就是在加工( 切削、磨削) 之前，预先在工件待加工表面一定深度 内( 也可以是整层厚度内) 施加一弹性范围的拉伸应力，然后，保持工件在该 应力作用下进行切削或磨削加工。加工完毕，撤除此预置应力，这样就可以改 变已加工表面残余应力状态，使已加工表面产生残余压应力。从原理上来讲， 这是在已加工表面获得残余压应力的一种有效的加工方法，比通常的残余应力 调整和控制方法具有更多的优点。实验证明，这种方法对提高零件的疲劳性能 具有很好的效果。 南京航空航天大学的王珉教授对预应力加工也进行了相关研究，主要研究 了预拉伸应力磨削，在对预拉伸应力作用下的低碳钢进行磨削时成功地获得了 2 0 0 m p a 的残余压应力( 普通磨削时为残余拉应力) 。不同条件下的磨削试验表 明，预拉伸应力只有大于工件屈服应力盯。的2 0 以上时，工件表面残余拉应力 才开始下降，而预拉伸应力一般大于盯。的3 0 以上，可使表面残余拉应力为0 甚至出现残余压应力，当预拉伸应力进一步提高时将获得稳定的表面残余压应 力。 目前，预拉伸应力高速铣削加工的方面研究目前还未见报道。 南京航空航天大学硕士学位论文 高速铣削相对于一般铣削加工的个主要优点是表层残余应力相对较小、 分酃深度较浅( 对于铣削钛合金时，二者均约为常规铣自q 的1 ，2 左右) 。也就是 说高速铣削加工残余压应力形成能力是比较弱的。施加预拉伸夹紧力后，利用 刀具对加工表面的挤压作用将部分预拉伸应力通过塑性变形固化在工件表层 部分。通过调整预拉伸应力的大小和施加方式，达到对残余应力大小和深度的 控制。这也就实现了高速铣削加工的抗疲劳加工。 1 3 论文研究的意义及内容 本文提出基于高速铣削的预拉伸夹紧工件的抗疲劳加工，拟将铝合金材料 工件铣削加工后的残余应力可靠地控制在所需水平，从而显著提高工件铣削加 工后的疲劳性能。 然而，由于前人对预拉伸加工研究的比较少，普通铣削加工的预拉伸加工 的一些基本规律还没有摸清，所以本文进行了预拉伸高速铣削研究的一些预先 研究工作。 如前所述，人们已经认识到表层残余压应力有助于改善疲劳寿命。但是， 残余压应力处于什么样状态，什么样的分布能最大地提高疲劳寿命，现在还没 有搞清楚，这很难短时间内明晰。本研究跳过此障碍，直接研究表层残余应力 的分布，通过预拉伸强制改变铣削工件表面应力场，从而实现工件表层残余压 应力的可控。通过仿真和试验研究，找出表层残余应力与预拉伸应力、刀具参 数及加工条件等的关系。待表层残余应力与疲劳寿命关系明了后，根据零部件 疲劳寿命要求，给出一定的残余应力需求，就可以确定相应的预拉伸铣削参数。 本文的主要工作是，通过理论分析、仿真研究和试验研究，对单向预拉伸 铣削加工时铝合金工件的应力分布进行探讨；设计面向铣削加工的工件预拉伸 夹紧装置。研究的主要内容是： ( 1 ) 单向预拉伸铣削时工件的残余应力分布规律 对铝合金工件进行试验铣削，研究预拉伸应力、加工工艺参数对工件表层 残余应力的影响。采用有限元技术对预拉伸铣削工件残余应力场进行分析，初 步建立包含工件初始应力场的高速切削加工工件残余应力模型。 ( 2 ) 预拉伸夹紧夹具设计的初步探讨 从工业应用出发，基于热胀冷缩和高压液压系统分别探讨预拉伸装夹系统 的设计可能，并对单向预拉伸铣削加工的应用进行了初步探讨。 预拉伸夹紧铣削铝台金残余应力的基础研究 第二章铣削加工残余应力形成机理及其影响因素分析 2 1 铣削加工残余应力 各种机械工艺( 如锻造、切削、热处理等) 都会使零件内部出现不同程度 的残余应力，其大小及分布对零件性能有着不容忽视的影响。在铣削过程中的 残余应力来源主要有两个：一是，被加工零件的毛坯内部携带有残余应力，这 种残余应力随着材料去除的进行，不断的释放和重新分布；二是，加工过程中 产生新的残余应力。这些残余应力在零件约束去除后最终会影响到零件的几何 变形。 铣削过程是个复杂的过程，研究铣削残余应力及初始残余应力重新分布的 规律就更为复杂，是典型的非线性力学问题，它涉及材料科学、工程弹塑性力 学、机械加工工艺学及金属切削理论等多个交叉学科，关联介质有毛坯残余应 力分布状态、毛坯材料特性等：是被加工工件内部残余应力、铣削残余应力等 相互影响的综合结果。 2 1 1 残余应力的定义 残余应力是当没有外力作用时，在物体内部保持平衡的应力，是固有应力 的一种。没有通过物体表面向物体内部传递垂直应力和切应力的外力作用时， 物体内部保持平衡的应力系统，称为固有应力( 初始应力) 。 2 1 2 残余应力的分类 通常将残余应力分为三类。以冷加工为例，材料在变形加其内部便产生塑 性变形，实质就是晶粒内部产生滑移，晶粒形状发生变化，如伸长或缩短，其 变化程度取决于施加在材料上的应力大小和相邻晶粒由于滑移方向的不同而产 生的约束，在这种约束下，晶格将发生晶格拉伸、均匀压缩、弹性弯曲或扭转 等，从而造成内应力。作用在材料内的众多晶粒内并处于平衡状态的内应力， 称为第1 类残余应力，也就是宏观内应力，是本文研究的主要残余应力。作用 在晶粒、亚晶粒内部的微观内应力为第1 i 类残余应力。作用在复合材料界面、 析出相周围、晶界附近、位错线附近等若干个原子尺度内平衡着的超微观( 范 围为微米纳米) 内应力，称之为第1 i i 类残余应力，其原因是由于不同种原 子移动、扩散和原子重新排列使晶格畸变所造成的。 上述三种残余应力往往同时存在，互相影响。有人给出了如图2 1 所示的模 南京航空航天大学硕士学位论文 型，个晶粒内的第1 i i 类残余应力在不同的空间位置有不同应力值，它的波 动幅度的平均值表现为第1 i 类残余应力；第1 i 类残余应力在晶粒的内部是平衡 的，相邻的几个晶粒的第1 i 类残余应力值可能有较大的差别，但各个应力的平 均值体现为第1 类残余应力，即宏观应力。 0 第1 类残余应山( 多品粒) 第1 i 娄残余脚力( 晶粒、亚晶粒) 力 图2 1 残余应力的分类和作用范围 2 1 3 铣削加工残余应力产生的机理 工件在铣削加工过程中，由于铣刀前刀面与切屑的摩擦，铣刀后刀面对已 加工表面的挤压以及后刀面与已加工表面之间的摩擦等综合作用，使零件已加 工表面在一定厚度内出现塑性变形( 即加工变质层) ，该变质层在铣刀离开后， 限制了与其相邻部分向原始状态恢复，其结果就是使零件表层内部产生新的残 余应力，这就是铣削残余应力。如图2 2 所示，当切削层金属以速度v 逐渐接 近刀刃时，由于刀尖圆弧半径的存在，整个切削层厚度将有一层金属无法沿着 o m 方向滑移，而是从刀刃钝圆部分。点以下挤压过去，即切削层金属在。点 分离为两部分，o 点以上部分成为切屑并沿着前刀面流出，o 点以下部分经过 刀刃挤压而留在已加工表面上，该部分金属经过刀刃钝圆b 点以后，又受到后 刀面上v b 一段棱面的挤压并相互摩擦，这种剧烈摩擦又使表层金属受到剪切 应力，随后开始弹性恢复，假设弹性恢复的高度为h ，则己加工表面在c d 长 度上继续与后刀面摩擦。o b 、v b 必及c d 三部分构成后刀面上的总接触长度。 铣刀刃口圆弧对已加工表面的挤压作用和铣刀后刀面对已加工表面强烈的机械 摩擦作用，使工件表面产生不均匀的塑性变形，从而产生表层残余应力。其中 预拉伸夹紧铣削铝合金残余应力的基础研究 有已加工表面的塑性凸起效应引起的拉应力和铣刀后刀面对工件的挤压效应产 生的压应力。 铣刀前刀面与切屑层、后刀面与已加工表面存在剧烈摩擦以及切屑本身的 激烈塑性变形，都产生大量热，使被n t 零件基体产生明显的温度梯度，这也 会导致铣削过程产生残余应力。 图22 铣削表层残余应力形成的原理 如上所述，在铣削加工过程中，在切削层趋近铣削刃时，切屑表面以下有 一层薄层金属没有被铣削刃切下，而是从铣削刃圆弧半径下面挤压过去，从而 产生很大的附加塑性变形，随后由于弹性恢复，铣刀的后刀面继续与已加工表 面摩擦，使已加工表面再次发生剪切变形，经过以上几次变形，使表层金属的 晶格发生扭曲，晶粒拉长、破碎、阻碍了金属进一步变形而使金属硬化、硬度 提高。同时，已加工表面还受到铣削温度影响，铣削温度低于相变点时，椿使 金属弱化，硬度降低而更高的温度将引起相变。因此，已加工表面的加工变 质层就是这种硬化、弱化和相变作用的综合结果。 从工程塑性力学角度，切削加工变质层的性质属于弹塑性小变形问题。这 种状态下，应力应变呈非线性性质。应变不仅与应力状态有关，而且还与变形 历史有关。 2 2 影响铣削加工残余应力的主要因素 从残余应力形成的理论体系来看，由于机械加工过程中切削刀具的作用， 零件已加工表面发生弹塑性变形而产生残余应力；同时也由于加工过程中切削 力和切削热的综合作用，加之原有材料的部分去除，使得材料毛坯内部原有残 余应力的平衡规律被打破而重新分布。在机床和刀具参数确定的前提下影响残 南京航空航天大学硕士学位论文 余应力分布及其规律的主要因素有以下几点：铣削力、铣削热、装夹方式、走 刀路径。 2 2 1 铣削力 零件在进行铣削过程中，由于铣刀刀齿的刀刃以及后刀面的挤压而使已加 工表面发生塑性变形。待铣刀离开后，塑性变形部分限制了与其相邻部分变形 的恢复，这种限制使零件表面产生了残余应力。同时由于铣削力在切削过程中 以进给速度v 在工件表面连续移动，对工件原有残余应力起着扰动的作用，导 致其进行重新分布。 铣削过程是断续切削，随着切削刃个数的不同和机床的转速不同，形成了 切削过程中的不同频率的冲击力。这种冲击力会对工件内已有应力场产生扰动， 从而导致应力场的重新平衡，即残余应力的重新分布。 2 2 2 铣削热 在铣削过程中，由于切屑变形和铣刀前刀面与切屑以及后刀面与已加工表 面之间摩擦，产生大量的铣削热，使已加工表面产生很高的温度，但零件里层 温度很低，从而形成不均匀温度分布，导致表层体积膨胀的趋势受到里层金属 的阻碍，这种阻碍使零件表层产生热应力；热应力使工件表面和基体产生不同 程度的膨胀，表层膨胀大( 其热应力超过材料的屈服极限时，产生塑性变形) ， 里层膨胀小( 其热应力未超过材料的屈服极限，处于弹性状态) 。待零件冷却至 室温时，表层金属体积自由收缩趋势又受到里层金属的牵制而导致零件表层产 生残余应力。同时由于铣刀本身温度很高，相当于在工件表面有一个以进给速 度v 移动的热源，它使工件基体产生不断变化的温度场，对工件原有残余应力 产生干扰，从丽使其重新分布。 目露圈 切削过程中切削过j i 吾 图2 3 铣削热对表层残余应力的影响 表层金属相变 若表层温度大于相变温度，则表层组织发生相变，由于各种金相组织的体 积不同而使各组织层之间产生相互牵制的作用，这种作用同样导致表层产生残 ( | | 船 预拉伸夹紧铣削铝台金残余麻力的基础研究 余应力的重新分布，如图2 3 所示。 2 2 3 装夹方式 夹紧方式有两种，压紧式夹紧和拉紧式夹紧。夹紧力会在工件内部产生应 力场虽然其强度没有超过工件材料的弹性极限，但由于其自身的作用及其与 切削力波动效应间的相互制约作用，势必引起工件内部残余应力的重新分布。 常规的装夹方式为压紧式夹紧。周泽华和王珉两位老师分别对切削加工和 磨削加工提出了预拉伸夹紧的加工方法，进行了试验研究并获得了很好的效果。 预拉伸夹紧是在工件内部生成均匀的预拉伸应力场或在工件的被加工表面生成 预拉伸应力场。预拉伸装夹应力的强度不超过材料的弹性极限。试验表明，预 拉伸装夹力会明显地改变表层残余应力的状态和大小。 预拉伸应力场的作用是：平衡材料内部原有的残余拉应力( 如果此应力 存在的话) ，使工件内部的应力分布均匀；为表层残余压应力的形成提供必要 的预先变形；受刀具运动引起的干扰导致应力的重新分布。 2 2 4 走刀路径 走刀路径是铣削加工中特有的一种工艺方式。由于应力传播现象的存在， 铣削加工中零件己加工表面残余应力的分布态势和量级均与走刀路径密切相 关。文献【4 】研究发现，在铣削加工中走刀路径对加工残余应力及原有残余应力 重新分布等方面具有与切削力和切削热同等重要的作用。 走刀路径主要是通过以下两个方面来影响残余应力的。一是，不同的走刀 路径有着不同的材料去除方式，随着材料的去除，工件材料的原有残余应力得 到释放，这种释放的过程受到材料去除路径的制约，主要是对应力释放方向的 影响。二是，不同的走刀路径导致挤压力的形成路径不同，根据前人的试验结 果，环切影响较大，而行切相对较小。且在环切时，外环和内环的影响是不同 的。 在本文的试验中发现，当走刀路径方向与预拉伸方向平行时产生的残余压 应力远大于垂直于预拉伸方向的残余压应力。 2 3 工件表层残余应力的分析方法 加工完成后，准确地测定表层的残余应力是本研究的关键。目前广泛应用 的残余应力测定方法有很多，选取一种方便的残余应力测定方法，测定工件表 面和一定深度的残余应力分布是试验成功的主要因素之。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 3 1 残余应力测定方法 残余应力测定方法大致可分为机械法和物理法。机械法的测量原理是将具 有残余应力的部分，用一定的方法进行局部的分割或分离，从而使残余应力在 局部释放，测定这时的变形，然后由弹性力学求出残余应力。物理的方法是利 用x 射线、磁性及光学等方法来测定残余应力，此时不需要将材料进行分离或 者分割即可求得残余应力。机械法是以材料宏观残余应力为对象的，而物理的 方法既可以测量微观残余应力又可以测量宏观残余应力。表2 1 是各种测定方 法的比较。 表2 1残余应力测定方法对比 所属 适用 测定方法 特点局限性 类别 范围 简单，精度高，对构件破坏程每次逐层钻孔，钻孔 钻孔法 度小深度影响误差 机 全面测量内部残余癍力破坏 械 剥层法 三维费时 法 性大 有 裂纹柔需专门的设备，试件 损 简单，灵敏度高 一 度法必须是平板或圆筒 电化学每层的剥除量在 精度高 腐蚀法i m m 以下 x 射线 二维 不大适台测第1 i 、i l l 简单，快捷，不损伤试件 衍射法类残余应力 物 测量材料必须是铁 理 磁性法方便，适用于特大型工件 法 磁性材料 ，、 无 中子法穿透厚度深，对钢可达5 0 r a m有辐射 损 三维 、一超声法穿透工件的任意深度没成熟的仪器 光弹贴方便，直观，测大面积残余应 二维误差较大 片法力 2 3 2x 射线衍射法测残余应力的基本原理 x 射线只能测到1 0 3 0 胛左右的深度，测的是接近二维平面的应力。由弹 性力学可知，在二维应力( 主应力口，= 0 ) 状态下如图2 4 所示，表层主应力 一塑垫堡壅鉴筻型塑鱼全壁叁些垄塑苎型堑窒 仃、仃：与表面平行，但垂直于试样表面的应变岛并不为零，当材料各向同性 时，岛由下式决定 e 3 = - - v ( q ，) 一言( 吼+ ( 2 1 ) 式中v 是材料的泊松比，e 是材料的弹性模量。 图2 4 表层应力 如果矗是受力后某晶面间距d 值的变化，氏是它的初始距离，那么上式可以改 写为 生鱼：一兰( 仃；+ 仃：) (22，d o e 、 2 一7 这时测得的是正应力之和，工程中人们关心的是某方向上的应力，如与盯夹角 为中的o b 方向上的应力盯。，这个方向的应力可以按照图2 5 所示的顺序测定。 ( a ) 测量与表面平行的晶面 ( b ) 测量与表面有一定角度的晶面 图2 5 残余应力测试的基本顺序 ( 1 ) 先测与表面平行的( h k l ) 晶面的应变岛( 毛的方向垂直于表面，图 中n 矿n ，分别为试样表面法线和反射晶面法线) 。是由与表面平行的( h k i ) 南京航空航天大学硕士学位论文 晶面间距的变化求出的。 s ，：型! 二鱼( 2 3 ) 。d o ( 2 ) 测定与表面呈任意的妒角上的( h k l ) 晶面s 。应变g 。的方向既n 。方 向与n 。方向所成的夹角妒。 旷生粤 ( 2 4 ) ( 3 ) 由岛、s 。计算出盯。，对于各向同性的弹性体，由弹性力学原理有 一巳= ( 1 + v ) s i n 2 伊 ( 2 5 ) 将式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 带入式( 2 5 ) 中得到 盟一生直：旦( 1 + v ) s i nz p ( 2 6 ) d od o e 、 71 已知d o 测定d 。、d 。即可算出盯。但有时想得到无应力状态下的( h k l ) 晶面的 面间距是很困难的，于是将上式简化，因为d 。z d 。zd 。，d 。一d 。 0 时，材料 表面为拉应力，当m 0 时，则为压应力。 2 4 本章小结 本章首先介绍了残余应力的产生机理和分类，然后介绍了铣削过程中残余 应力产生的机理和影响因素，最后介绍了残余应力的测试方法，重点说明了x 射线衍射测量残余应力的原理。 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章单向预拉伸铣削仿真研究 3 1 切削加工的数值模拟 切削工艺主要是通过刀具在材料表面切除多余的材料层来获得理想的工件 形状、尺寸及表面粗糙度的机械加工方法。为了提高切削加工质量和速度，需 要深入地研究切削机理、切削加工过程和切屑形成理论。实际上，切削过程是 一个很复杂的工艺过程，它不但涉及到弹性力学、塑性力学、断裂力学，还有 热力学、摩擦学等。切削质量受到刀具形状、切屑流动、温度分布、热流和刀 具磨损等影响。但是，利用传统的解析方法，很难对切削机理进行定量的分析 和研究。切削操作人员和刀具制造商往往是利用试错法( t r i a l a n d e r r o rm e t h o d ) 来获取一些经验值，既费时又费力，还增加了生产成本，严重阻碍了切削技术 的发展。 计算机技术的飞速发展使得利用数值模拟的方法来研究切削加工过程以及 各种参数之间的关系成为可能。近年来，有限元方法在切削工艺中的应用表明， 切削工艺和切屑形成的有限元模拟对了解切削机理，提高切削质量是很有帮助 的。这种数值模拟方法适用于分析弹塑性大变形问题，包括分析与温度相关的 材料性能参数和很大的应变速率问题。 有限元最早被应用在切削工艺模拟是在上世纪7 0 年代，与其它传统方法相 比，它大大提高了分析精度。表3 1 给出了切削有限元仿真发展的历程。 表3 1切削有限元仿真的发展时间表 年代主要代表人物土要研究内容 1 9 7 3b e k l a m e c k i 切屑形成理论 1 9 8 0m rl a j c z o k 分析了切削工艺 1 9 8 2s h i r a k a s h i 和 第一次提出刀面角、切屑几何形状和流线等，建立稳态的正交切削模型 u s u i 预测了压力应变和温度这些参数 1 9 8 41 w a t a 利用刚塑性有限元方法分析了在低切削速度、应变速率条件下的稳态正 交切削 1 9 8 4 s t r c b j i w s j u m 工件材料假定为弹塑性，在工件和切屑之问采用绝热模型，采用等效塑 和c a r r o l l性应变作为切屑分离的准则，模拟了从切削开始到切屑稳态形成的过 程在模拟中，等效塑性应变值的选择影响了加工表面的应力分布 1 9 9 0s t r e n k o w s k i 忽略了弹性变形，用e u l e r 有限元模型研究正交切削，模拟了切屑形状， 和m 0 0 1 3 预测了工件、刀具以及切屑中的温度分布 预拉伸夹紧铣削铝台金残余应力的基础研究 续表31 1 9 9 0u s u i 等人 首次将低碳钢流动应力设为麻变、应变速率和温度的函数，用有限元方 法模拟了连续切削中产生的积屑瘤，而且在刀具和切屑接触面上采用库 仑摩捧模型，利用正应力、鼙擦力和摩擦系数之间的关系模拟了切削工 艺 1 9 9 0h a s s h e m i 等用弹塑性材料的本构关系和临界等效塑性应变准则模拟了切削工艺，主 要模拟了切屑的连续和不连续成形现象 19 9 0 正 k o m v o p o u l o s 用库仑摩擦定律通过正交切削解析方法得到丁刀具与切屑之间的法向 咀后和e r p e n b e c k力和摩擦力。用弹塑性有限元模型研究了钢质材料正交切削中刀具侧面 磨损、积屑瘤及工件中的残余应力等 f u r u k a w a和用有限元方法研究了铝合金超精密切削中工件表面的光洁度对加工质 m o r o n u k i 量的影响。分析表蜡，当切削深度在1 0 - 6 m 左右时，最小切削力的范 围在1 0 。1 n 左右 s a s a h a r a和 利用弹塑性有限元方法，忽略了温度和应变速率的效果，模拟了低速连 o b i k a w a 等续切削时被加工表面的残余应力和应变 3 2 残余应力研究中的力学基础 由前文可知，残余应力问题主要是塑性变形问题，那么塑性力学问题就是 研究的关键问题之一。 3 2 1 屈服准则 受的拉应力或者压应力超过其屈服极限后，材料就会发生屈服。对于屈服 条件的研究，已经有两个多世纪了，经过许多试验检验，证明既符合工程材料 特性，又便于应用的常用屈服准则主要有两种：最大剪应力准则和畸变能准则 ( 又称米赛斯准则，v o n - m i s e s ) 。本文使用的是v o r t - m i s e s 准则。 v o n m i s e s 准则认为，与物体中一点的应力状态对应的畸变能达到某一数值 时该点便屈服。以主应力表示畸变能屈服条件为： j ：= 去峙，一盯：) 2 + 忙：吧) 2 + ( 一o 1 ) 2 j ：k 2 ( 3 1 ) 其中k 为表征材料屈服特征的参数，可由简单拉伸屈服试验确定。此时q = c r 0 ， 仃，= = 0 ，c r n 为简单拉伸屈服应力。将此值带入式( 3 1 ) 中可得： 1 i = o o ( 3 ，2 ) 南京航空航天大学硕十学位论文 在纯剪状态下，盯，= 一，以；o ，则k 恒等于纯剪应力状态的最大剪应力。因 而k 可由纯剪试验( 例如薄管受扭试验) 得到。式( 3 2 ) 说明，根据畸变能条 件，纯剪屈服应力是简单拉伸屈服应力仃。的0 5 7 7 倍。 对于二维应力状态，v o n m i s e s 条件为： 盯? 一盯l 仃2 + 盯；= 盯； ( 3 3 ) 可以看出此方程为一椭圆。如图3 1 所示，该椭圆称为屈服椭圆。 当应力点落在屈服椭圆以内( 即盯? 一仃，吼+ 盯； 2 ) 时，材料处于弹性状 态；当应力点落到屈服椭圆上( 仃? 一qc r 2 + 盯净“2 ) ，材料进入塑性状态。 对于三维应力状态，屈服面是一个以正= 盯，= 以为轴的圆柱面，对于二维 应力状态，屈服面是一个椭圆，在屈服面内部的任何应力状态，都是弹性的， 屈服面外部的任何应力状态都会引起屈服。m i s e s 屈服准则是一种除了土壤和 脆性材料外典型适用的屈服准则。 0 30 2 3 2 2 强化模型 图3 1m i s e s 屈服准则的三维和二维状态 0 1 一般来说，屈服面的变化是以前应变历史的函数。材料微元在初始屈服后 继续加载时，随着塑性应变的发展，其性质发生变化。材料在简单拉压过程时， 经过塑性变形后，屈服应力提高了，称之为应变强化。在复杂应力状态下发生 塑性变形，屈服条件将发生变化，不但是发生塑性变形这个屈服应力提高了， 而且所有其他应力组合的屈服也发生了变化。经过变化的屈服条件称之为加载 条件。在应力空间对应的表面称之为加载表面。 人们在对金属材料进行拉压试验时发现，当金属材料承受拉力至产生塑性 变形，卸载后，再使其受拉，其受拉的屈服强度将提高至卸载点( 冷作硬化现 预拉伸夹紧铣削锅合金残余应力的基础研究 象) ：而当卸载后使其受压，其受压的屈服强度将低于一次受压时所获得的值。 这种经预拉后抗拉强度提高，抗压强度降低的现象称为包辛格效应 ( b a u s c h i n g e re f f e c t ) ，如图3 2 ( a ) 所示。在交变荷载作用下，随着应变幅值 的增加，钢材的应力应变曲线将形成滞回环线( h y s t e r e s i sl o o p s ) ，如图3 2 ( b ) 所示。 盯 。 立 j d 货。可厂 世涉。 ( a ) 包辛格效应( b ) 多次的包辛格效应形成滞回环线 图3 2 包辛格效应 强化准则描述了初始屈服准则随着塑性应变的增加是怎样发展的。强化准 则