硬铝合金超精密车削残余应力的仿真及试验.pdf

第 4 7卷第 7期 2 0 1 5年 7月 哈尔滨工业大学学报 J OUR NAL OF HAR BI N I NS T I T U T E OF T E CHN0L OGY Vo 1 4 7 No 7 J u 1 2 01 5 d o i 1 0 1 1 9 1 8 j i s s n 0 3 6 7 6 2 3 4 2 0 1 5 0 7 0 0 6 硬铝合金超精密车削残余应力的仿真及试验 常艳艳 孙 涛 李增强 1 哈尔滨工业大学 机电工程学院 1 5 0 0 0 1哈尔滨 2 哈尔滨工程大学 机电工程学院 1 5 0 0 0 1哈尔滨 摘要 为满足超精密车削加工零件低表面应力的使用性能要求 采用有限元和试验相结合的方法 对硬铝合金进行微 米级的超精密车削仿真和试验 分析切削过程的切削力和切削温度 研究已加工表面残余应力产生的原因及残余应力的 性质 得到切削深度和切削速度对已加工表面残余应力的影响规律 仿真结果表明 金刚石刀具车削硬铝合金 切削温度 低 切削力小 但是单位切 削力大 切削力是 已加工表面形成残余压应力的主导因素 表层残余应力随着切削深度的增加 而变大 随着切削速度的增大反而有减小的趋势 在微米级硬铝合金 的超精密切削过程中 切削深度对 已加工表面残余 应力的影响更为显著 进行微米级的超精密车削试验 采用 X R D对表层残余应力进行测量 对有限元仿真结果进行了验 证 为硬铝合金超精密车削表面残余应力的控制打下理论基础 关键词 超精密车削 残余应力 硬铝合金 有限元仿真 切削试验 中图分类号 T G 5 0 1 3 文献标志码 A 文章编号 0 3 6 7 6 2 3 4 2 0 1 5 0 7 0 0 4 1 0 6 S i mu l a t i o n a n d e x p e r i me n t s o f r e s i d u a l s t r e s s e s o n u l t r a p i e c i s i o n t u r n i n g o f ha r d a l u mi nu m a l l o y C H A N G Y a n y a n l S U N T a o L I Z e n g q i a n g 1 S c h o o l o f Me c h a t r o n i c s E n g i n e e r i n g H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 1 5 0 0 0 1 H a r b i n C h i n a 2 C o l l e g e o f Me c h a n i c a l and E l e c t r i c al E n g i n e e ri n g H a r b i n E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y 1 5 0 0 0 1 Ha r b i n C h i n a Abs t r ac t T o me e t t h e r e q u i r e me n t s o f 1 O W s ur f a c e r e s i d ua l s t r e s s e s o n t h e p a r t s ma d e b y u l t r a p r e c i s i o n t ur n i n g b y fin i t e e l e me n t a n a l y s i s a nd t e s t s t he mi c r o n l e v e l u l t r a pr e c i s i o n t u rn i n g a n d s i mu l a t i o n o f a l u mi n u m a l l o y we r e d o n e Th e c u t t i n g f o r c e a nd t e mp e r a t u r e we r e a n a l y z e d t h e c a u s e a n d n a t u r e o f ma c hi n e d s u r f a c e r e s i d ual s t r e s s e s we r e s t ud i e d a nd t h e i n flu e n c e l a ws o f t h e c u t t i n g d e p t h a n d c u t t i n g s pe e d o n r e s i d u a l s t r e s s e s we r e g o t t e n S i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t i n t h e c u t t i n g p r o c e s s t h e c u t t i n g f o r c e w a s s ma l l a n d t h e c u t t i n g t e mp e r a t u r e wa s l o w b u t t h e u n i t c u t t i n g f o r c e wa s h i g h Th e c u t t i n g f o r c e wa s t h e l e a d i ng f a c t o r i n f o r mi n g t h e c o mp r e s s i v e s t r e s s o n t h e ma c h i n e d s u r f a c e Th e ma c h i n e d s u r f a c e r e s i d u a l s t r e s s e s i n c r e a s e d wi t h t h e i n c r e a s e o f c u t t i n g d e p t h a n d d e c r e a s e d w i t h t h e i n c r e a s e o f c u t t i n g s p e e d T h e c u t t i n g d e p t h o b v i o u s l y i n flu e nc e d t h e r e s i du a l s t r e s s e s T he e x p e r i me n t s o f u l t r a p r e c i s i o n t u r n i n g i n mi c r o n l e v e l we r e d o n e a n d t h e ma c h i ne d s u r f a c e r e s i d ua l s t r e s s e s we r e me a s u r e d b y XRD Th e r e s u l t s o f s i mu l a t i o n we r e v e r i fie d Ke y wo r d s u l t r a p r e c i s i o n t u r ni n g r e s i d u a l s t r e s s a l u mi n u m a l l o y fin i t e e l e me n t a n a l y s i s t u rni n g t e s t 已加工表面残余应力是加工表面质量的一个 重要标志 对机械零部件 的使用性能有着重要影 响 并 日益受到 国内外 的关注 经超精密车削 收稿 日期 基金项 目 作者简介 通信作者 2 01 4 1 2 2 2 中央高校基本科研业务费专项资金资助 H E U C F 1 4 0 7 1 4 常艳艳 1 9 7 7 一 女 博士 讲师 孙涛 1 9 6 4 一 男 教授 博士生导师 常艳艳 c h a n g y a n y a n h r b e u e d u c a 加工 的零件多服役于条件要求比较苛刻的如航空 航天 核工业 精密仪器等领域 这些尖端工业领 域对机械零件使用性能的要求越来越 高 不仅要 求尺寸精度 形状精度和表面粗糙度 而且要求加 工表面的残余应力也能达到规定要求 因此 分析 超精密车削表面残余应力的产生原因 研究其分 布规律对超精密车削表面质量的控制具有重要的 理论与实际意义 国内外学者对车削表面残余应力的研究多集 哈尔滨工业大学学报 第 4 7卷 中于传统车削 J 目前 由于实际的超精密车削 多采用微米级的切削尺度 而对微米级超精密车 削表面残余应力的报道并不多见 需要进一 步系统研究 本文选用航空常用材料 L Y1 2硬铝合金作为 研究材料 使用有 限元仿真和切削试验相结合的 方法 采用微米级的切削深度 对超精密加工表面 的残余应力进行研究 通过对 L Y 1 2 超精密车削过 程的有限元模拟 分析切削过程的切削力和切削 温度 研究已加工表面残余 应力 的产生原 因及残 余应力的性质 仿真得到了切削深度和切削速度 对已加工表面残余应力 的影 响规律 针 对切 削深 度和切削速度对已加工表面残余应力的影响进行 试验 对有限元模拟的结果进行验证 1 超精密车削的有限元模型 选用 T h i r d Wa v e S y s t e ms 公 司 的 A d v a n t E d g e 对超精密车削过程进行模 拟仿 真 A d v a n t E d g e在 建立二维切削有限元模型时遵循以下规则 1 1 材料本构模型 A d v a n t E d g e中的材料本构模型 o r T g 厂 式中 g 为应变硬化 函数 厂 占 为应变率敏 感 函数 为热软化函数 为塑性应变 为 塑性应变率 为温度 1 2材料断裂准则 A d v a n t E d g e中断裂准则为 式 中 D为失效参数 为瞬时应变增量 为 瞬时失效应变 在切削过 程中网格单元 的应变值 不断累积增加 当失效参数 D 1 时单元失效 1 3 摩擦模型和自适应网格划分 A d v a n t E d g e中采用库伦摩擦模型 Ff 式 中 为摩擦力 F 为法 向作用力 为摩擦 系数 A d v a n t E d g e 软件基于显式动力学和热力耦合 建立金属切削的有 限元模型 并采用了 自适应 网 格划分技术 1 4 正交切削仿真参数 在 A d v a n t E d g e中建立二维 正交 切削有限元 模型如图 1 所示 长 8 0 m 高 3 0 f x m 工件材料 选取美国标准的 A L 2 0 2 4 T 3 5 1 1 该牌号对应中国 硬铝合金牌号 L Y 1 2 刀具材料选择天然单晶金刚 石 刀具几何角度设置为 前 角 0 后角 9 切削 刃钝 圆半径 为 6 0 n m 刀具 和工件 的初始 温度为 2 0 选择微切削仿真 不使用冷却液 根据金刚 石和铝合金的摩擦系数范围 0 0 6 0 1 3 设置摩 擦系数为 0 1 4 0 王2 O 0 2 0 4 O 6 0 8 O x l 1 m 图 1 正交切 削有限元模型 2 超精密车削过程的模拟与分析 设 置 机 床 的 切 削 参 数 为 切 削 速 度 1 2 5 6 m m i n 进给量 6 n l r 切 削深度 1 m 超 精密车削 L Y1 2的模拟仿 真过程如图 2所示 从 图 2中可以看出 随着刀具的切人 工件材料首先 被刀具前面推挤 之后 在工件 的未加工表面形成 一 个突起 突起逐渐增长 开始 与前刀面分离 形 成一个卷曲的切屑 当切削到指定的切削长度 时 切屑断裂 刀具 回到初始位置 金 刚石切削硬铝合 金 L Y1 2时将产生连续的带状切屑 2 1 超精密车削切削力分析 在 A d v a n t E d g e二维仿 真 中可 以输 出主切 削 力和吃刀抗力 超精密切削过程中 由于切 削深度 和进给量小 切削面积很小 切削力的数值很小 虽然金 刚石车削时的切削力不大 但 由于切削面 积很小 单位切削力很大 如图 2中的切削参数设 置 当进入稳态切削时 主切削力约为0 0 0 6 6 N 吃 刀 抗 力 约 为 0 0 0 1 2 N 单 位 切 削 力 可达1 1 0 0 MP a 切削过程 中输 出的切 削力如图3 所 示 2 2 超精密车削切削温度分析 在 A d v a n t E d g e二维仿 真 中可以输出全部切 1 l IJ 过程 的切削温度 如图 2所示 从图 2的温度输 出可以看出 在全部切削过程中切削温度不高 仅 为2 5 左右 略高于初始温度 2 0 同时 最高 切削温度集 中在第一变形区 而不是位于刀具 和 工件接触的区域 这主要是 由于金 刚石切 削硬铝 合金时 切削面积小 摩擦系数小 切削过程中产 生的切削热少 而同时金刚石具有较高的热导率 铝合金本身的导热系数也较大 因此 金刚石切削 铝合金时切削温度较低 第 7 期 常艳艳 等 硬铝合金超精密车削残余应力的仿真及试验 4 5 温度增加 切 削力随切削速度 的增加变化不大 从 图 8 可看出 工件表面冷却 卸载后 表层存在残余 压应力 采用不 同的切削速度进行超精密车削 随 着切削速度的增大 表层的残余压应力有减小趋 势 另外 残余应力随着距表面距离的加大 应力性 质由压应力转化为拉应力 随着距表面距离继续加 大 残余应力的绝对数值逐渐减小 并且 不同切削 速度其转化规律基本一致 4 超精密车削残余应力的试验研究 切削机床为实验室 自行设计制造的超精密金 刚石车削机床 刀具选用英 国 C o n t o u r T o o l s 公 司 制造的天然单 晶金 刚石刀具 刀具前角为 0 后 角为 9 实验样件材 料为国产 的 2 A1 2 样件采用 端面切削 切削前 选用 P C D刀具 在一定 的切削 参数下进行端面平整 然后 对切削样件进行去应 力退火的热处理 最后 选用不同的切削深度对样 件进行超精密车削 得到镜面 使用 X S T R E S S R O B O T应力分析仪 采用 x 射线应力测定方法 测量样件的残余应力 该仪器 所测应力为二维平面应力 测量深度为 1 0 Ix m以 内 残余应力 的测试如 图 9 所示 图 9残余应力测试 设定机床切削速度为 1 2 5 6 m mi n 进给量 为 6 I x m r 切削深度分别为 1 3 5 8 1 0 m 工 件已加工表面残余应力的检测结果如图 1 0 所示 设定进给量 6 Ix m r 切削深度为 3 m 切削 速 度 分 别 为3 1 4 6 2 4 9 4 2 1 2 5 6 1 8 8 4 m mi n 工件已加工表面残余应力的检测结 果如图 1 1 所示 从图 1 0和图 1 1 残余应力 的检测结果可 以看 出 采用不同的切削深度或切削速度 工件已加工 表面残余应力的测量值都为负 说 明加工表面存 在残余压应力 工件表面 的压应力随着切削深度 的增加有 增 加 的趋 势 另外 切 削深 度 为 1 m 时 已加工表面残余应力 明显减小 对 比图 1 O和 图 1 1 切削深度的改变对表面残余应力的影 响比 切削速度的改变对表面残余应力 的影响要 大 与 上述有 限元仿真的结果是一致的 同时 有限元仿 真因为能显示残余应力距表面深度的分布情况 对切削试验是一个有力 的补充 实验与仿真数值 上的偏差与加工材料 工件的初始残余应力以及 检测误差有关 另外 笔者认为在有限元 仿真 中 提取的残余应力消除了切削力和切削热 的影响 与实际存在差异 仿真只能定性说明切削参数对 残余应力的影响 图 1 O 切 削深度对 残余应力的影响 图 1 1切 削 速 度 对 残 余 应 力 的 影 响 5 结 论 1 采用 A d v a n t E d g e对微米级切削深度的超精 密车削过程进行了模拟 仿真结果表明采用金刚石 刀具车削硬铝合金 切削温度较低 切削力很小 但 单位切削力大 切削力是已加工表面产生残余应力 的主导因素 已加工表面将产生残余压应力 2 通过有限元仿真 得到了切削深度和切削 速度对已加工表面残余应力的影响规律 切削深 度增大 切削温度升高 切削力增大 表面残余压 应力随着切削深度的增大而变大 应力性质由压 应力转化 为拉应力 随着距 表面距离继续加大 残余应力的绝对值逐渐减小 在 1 0 m以内的超 4 6 哈尔滨工业大学学报 第 4 7卷 精密车削中 切削深度对 已加工表面残余应力有 明显影响 切削速度增大 切削温度增加 切 削力 随切削速度 的增加变化不大 表面残余压应力有 减小趋势 切削速度对表面残余应力 的影响 比切 削深度对表面残余应力的影响要小 3 针对切 削深度和切削速度对 已加工表 面 残余应力的影响进行了车削实验和应力检测 检 测结果在一定程度上验证 了有限元仿 真的结论 二者相结合 为超精密车削表面残余 应力的控制 打下 一定基 础 参考文献 1 B E N MO U S S A N S I D HO M H B R A H A M C N u m e ri c al a n d e x p e r i me n t a l a n aly s i s o f r e s i d u a l s t r e s s a n d p l a s t i c s t r a i n d i s t ri b u t i o n s i n ma c h i n e d s t a i n l e s s s t e e l J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Me c h a n i c a l S c i e n c e s 2 0 1 2 6 4 82 9 3 2 A G R A WA L S J O S H I S S A n a l y t i c a l m o d e l i n g o f r e s i d u a l s t r e s s e s i n o r t h o g o n a l ma c h i n i n g o f AI S I 4 3 4 0 s t e e l J J o u r n a l o f M a n u f a c t u r i n g P r o c e s s e s 2 0 1 3 1 5 1 6 7 1 7 9 3 C A P E L L O E R e s i d u a l s t r e s s e s i n t u r n i n g P a r t I I i n fl u e n c e o f t h e m a c h i n e d mat e r i al J J o u r n a l o f M a t e ri a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y 2 O O 6 1 7 2 3 3 1 9 3 2 6 4 徐飞飞 张效栋 房丰洲 金刚石刀具单点切削单晶 硅加工表面特性的实验研究 J 纳米技术与精密工 程 2 0 1 3 6 4 8 5 4 9 1 5 F A N G F Z WU H L I U Y C M o d e l l i n g a n d e x p e ri m e n t al i n v e s t i g a t i o n o n n an o me t r i c c u t t i n g o f mo n o c r y s t all i n e s i l i c o n J I n t e ma fi o n a l J o u rna l o f Ma c h i n e T o o l s Manu f a c t u r e 2 O 0 5 4 5 1 5 1 6 8 1 1 6 8 6 6 孔庆华 于云鹤 车削加工残余应力的实验研究 J 同济大学学报 1 9 9 9 2 7 5 5 4 9 5 5 2 7 S A S A H AR A H T h e e ff e c t o n f a t i g u e l i f e o f r e s i d u al s t r e s s a n d s u r f a c e h a r d n e s s r e s u l t i n g f r o m d i f f e r e n t c u t t i n g c o n d i t i o n s o f 0 4 5 C s t e e l J I n t e rna t i o n a l J o u rnal o f Ma c h i n e T o o l s a n d Ma n ufa c t u r e 2 0 0 5 4 5 2 1 3 1 1 3 6 8 J A C O B S O N M S u r f a c e i n t e g r i t y o f h a r d t u rne d M5 0 s t e e l J J o u rna l o f E n g i n e e ri n g M a n u f a c t u r e 2 0 0 2 21 6 1 4 7 5 4 9 S A S A HA R A H O B I K A WA T S H I R A K A S H I T Pr e d i c t i o n mo de l o f s urfa c e r e s i du al s t r e s s wi t hi n a ma c h i n e d s ur f a c e by c o mbi ni n g t wo o r t ho g o na l p l a ne mo d e l s J I n t e rna t i o n a l J o u rna l o f Ma c h i n e T o o l s a n d Ma n u f a c t u r e 2 0 0 4 4 4 7 8 8 1 5 8 2 2 1 0 Y A N J i w a n g Z HA O H o n g w e i K U R I Y A G A WA T E f f e c t s o f t o o l e d g e r a d i u s o n d u c t i l e ma c h i n i n g o f s i l i c o n a n i n v e s t i g a t i o n b y F E M J S e m i c o n d u c t o r S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y 2 0 0 9 2 4 1 1 1 1 1 N G C K ME L K O T E S N R AH MA X M e t a 1 E x p e ri me n t al s t u d y o f mi c m an d n a n o s c ale c u t t i n g o f alu mi n u m 7 0 7 5 一T 6 J I n t e rna t i o n al J o u r n al o f Ma c h i n e T o o l s Ma n u f a c t u r e 2 0 o 6 4 6 9 2 9 9 3 2 1 2 赵云琨 钛合金金刚石精密切削表面质量研究 D 哈尔滨 哈尔滨工业 大学 2 0 1 3 1 3 王神洲 徐人平 郭淼 L Y 1 2硬铝合金高速切削加工 残余应力的研究 J 机械设计与制