加工预测残余应力的转折点钛和镍基合金的实验和有限元模拟.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除英 文 文 献 翻 译课程：材料前沿与发展班级: 金属材料工程 姓名： 学号： 加工预测残余应力的转折点钛和镍基合金的实验和有限元模拟 关键词：车削、残余应力、有限元法摘要：钛和镍基合金所代表的飞机结构和发动机组件的重金属要部分，其诱导加工的残余应力是非常重要的，以至产生对安全和持续性的担忧。本文介绍了实验研究和有限元模拟车削Ti-6AL-4V钛合金和未涂TiAlN涂层的IN100镍基合金的工具。对Ti-6AL-4V和IN100采用未涂层的刀具和各种边缘半径有TiAlN涂层的硬质合金刀具进行面端车削;利用X射线衍射技术测得在径向和圆周方向的残余应力。三维有限元（FE）模型是用来预测力和加工引起的应力场。预测加工引起的残余应力的可行性和局限性，使用粘塑性有限元模拟和与温度相关的流动软化法，对构成材料模型进行了研究。摩擦测定方法用以测定存在刀具刃口半径上的摩擦系数。预测的应力场与测量残余应力相比。刀具刃口半径和涂层对预测的应力分布影响也进行了研究。结果发现预测诱发加工表面完整性是有用的，它是确定镍和钛的合金成分的疲劳寿命的关键。1、介绍钛和镍合金是难以加工的材料,存在相当大的生产问题，如机械加工引起的表面完整性和残余应力1。钛合金，具体的如Ti-6AL-4V，被用于许多行业，包括 航空航天、汽车和医疗设备，并能提供良好的机械特性，例如高的强度重量比、很好的韧性、极好的耐蚀性和生物相容性。镍基超合金经常是关键部位的组成成分，例如在飞机/工业燃气涡轮发动机。具体地说，通过粉末冶金方式制造的IN100镍基合金被认为是极难用机器加工的，由于高韧性和加工硬化行为，在表面下加工引起的热和塑性变形以加工硬化层的形式响应2。大多数这样的结构部件能完成加工。当工件材料的机械热载荷被释放时，残余应力保留在材料卸载后，这被认为主要是由于在表面下加工引起的塑性功和表面的摩擦和刀具磨损引起的热效应3。在高强度的拉伸应力情况下，这被认为不利于部件的疲劳寿命，被加工零件经受高昂的表面处理来建立一个压缩应力的表面。因此，在工业中此类部件制造时要达到高可靠性的水平，对这些部件的疲劳寿命最重要的是加工引起的表面完整性的相关参数。在一般情况下，在拉伸更多的工件表面上加工引起的残余应力会在工件增大到约为50 mm时变成压缩的深度2-4。此外，特别是在较高的切削速度下，增加进料速率，使拉伸越多的表面在峰值时的残余应力压缩深度越大；而在较低的切削速度下，增加进料速率，在峰值时的残余应力可能变成较小的压缩3-5。刀具的后刀面磨损存在时，残余应力分布改变和拉伸更多是因为发热及相关热效应增加。例如，侧翼的影响残余应力磨损（轴向方向）由陈等人研究了。6 对于Ti-6Al-4V和沙曼等。 7 对于IN718。当使用新的还没有磨损的工具时，周向或环向应力（在切割速度矢量的方向上），主要是要压缩在加工表面上。但是，当用磨损的刀具切削或在刀具后刀面的接触存在时，周向应力变成拉伸。Ti-6AL-4V钛合金和IN718镍合金加工时都是一致的。刀具材料也影响残余应力的形成。Outeiro等。8据报道：与没有碳化钨（WC/ Co）涂层的加工时相比，TiAlN涂层硬质合金刀具加工IN718镍基合金产生较高的表面拉伸残余应力。虽然切削刃有一定影响，但加工几何已经显示5，其对加工引起的残余应力的影响还没有得到充分的探讨。在这项研究中，各种边缘半径的无涂层的工具和TiAlN涂层硬质合金刀片（碳化钨/钴）已经过测试，研究刀具几何形状和涂层对加工Ti6Al-4V钛合金和IN100 基合金的残余应力的影响。有限元（FE）模拟是利用在预测加工产生的应力与实验相比较。三维有限元模拟已经设计并进行预测了应力，温度和应力场对研究微小几何形状和涂层的工具加工Ti-6AL-4V和IN100时的影响。2、实验工作钛合金材料，退火的Ti-6AL-4V，已经获得了直径为100 mm的圆柱形坯料在退火条件下的硬度为36 HRC。镍基合金材料被用在这项研究中，IN100经由粉末冶金的制造方式，其化学成分为18.3Co、12.3Cr、4.9Al、4.3%Ti、3.3Mo、0.7V、0.1Fe、0.06C、0.02B、0.02Zr和Ni平衡。该物质由等静压和圆柱形钢坯分别组成。直径为113毫米的磁盘直从钢坯切割有线电极放电加工（WEDM）的过程。端面车削退火的Ti-6AL-4V钛合金和IN100镍基合金磁盘是用TPG432型刀片槽形（插入刀尖圆弧半径= 0.8毫米和后角=118）在干式加工条件下的刚性数控车床进行。如图 1。测量刀具刃口半径分别是RB=5，0.5 mm和RB =10，0.7 mm，且刀具刃口为锐利的未涂碳化钨涂层的（WC/ Co）和涂TiAlN涂层的（WC / Co）。此外，锋利的无涂层的工具的刃口准备使用研磨刷技术，刃口半径在RB=10 0.7 mm和RB =25 1.0 mm左右。该刀片被安装在一个CTFPR-164C的右侧刀柄上，并且能够提供，08领先、08侧耙和58回前角。两个或三个轨道使用不同的切削条件加工的面。在每个面对扭转测试，从圆筒状工件一直切出厚度大约为3 mm的磁盘。图1 端面车削实验配置图2 （a）Ti6Al-4V的端面车削力，(b) IN100的端面车削力3、残余应力测量所有对Ti6Al-4V合金盘的加工过程完成后，残余应力用X-射线衍射法测定在Bruker HiStar单元用CU-Ka辐射（=1.54）以及20 Kv，2 mA获得114和213衍射峰或在2U角度线对1158和14082分别使用光点大小为1 mm至2 mm平行光束，光束是由钨灯丝产生。为了防止检测产生的条纹，因为盘中存在Cu，镍箔用来筛选检测到的辐射束。不过滤这条带时，它会阻扰测量的准确度。通过测量盘上被化学蚀刻的连续层的深度分布，可以得到残余应力；超过100 mm的深度，使用钛蚀刻试剂（8-30HFL和70-92H 2 O）。在IN100盘上的残留应力采用X射线衍射技术测定，且X射线是原型为iXRD单元Mn-Cu-K的靶材，入射角（=2.1），1 7Kv，4 mA获取在311面的衍射峰或2u在1558使用光斑尺寸为1 mm至2 mm的光束时得到的衍射角。同样，通过去除材料的连续层对残余应力及深度分布进行了测量，深度超过100 mm通过的材料则用电解抛光。平面表面应力是在盘上端面车削加工过的轨道从内部到外部径向上选择性测量。3.1三维有限元模拟近日，有限元模拟芯片的成形已开始运用来预测加工引起的残余应力并且微几何和切削参数的优化工具用于实验也并不昂贵9。然而，3D有限元仿真模型任然存在着数值收敛问题（弹粘塑性变形），而且与计算输出变量的不确定性相关。为了确定预测精度，三维有限元模型采用了正在开发更新的拉格朗日软件（DEFORM-3D），其中从工件切屑分离实现了连续网格划分。这个模拟包括工件的粘塑性有1.5 105四边形单元的网格。工具建模是含1.0 105元素刚性的网格。工件由一个弯曲的模型表示，而且盘的表面有48段，盘直径用在实验条件下。工件的底表面被固定在各个方向上。在切削刀片的刀尖圆弧半径周围的一小部分（re = 0.8 mm和118后角）被建成一个在特定的切割速度下移动的刚体。如图 9。一个很细的网格密度在刀具的前端，并在切割区获得超细的过程输出分布。为了到达平均，工件的最小单元尺寸和刀具网格被分别设为0.005 mm和0.015 mm。表1 有限元模拟中使用的工件和刀具材料的机械性能和热物理性能。表2 在有限元模拟中使用的材料模型参数。热边界条件的确定，则是为了使产生的热从工件传递到切割工具。这个导热系数（H）被设定为100 kW/m2/C，以允许该工具的温度急剧上升。加工材料的机械与热物理属性取决于它的温度（T）。弹性的温度依赖性（T于8C），模量（E单位为 MPa），热膨胀（单位为1/），导热系数（L单位为W/m/）和热容（Cp 单位为N/mm2 / ）都列在表1。在三维有限元模型中，使用混合模型来处理刀具切屑的接触摩擦：（1）一个剪切摩擦区域（m =t/k其中t为剪切应力，k为剪切流动应力）工具边缘周围的曲率半径（m = 0.9）和（2）沿着所述滑动区域前刀面的剩余部分（0.6 m 0.8作为摩擦系数）。在有限元模拟，构成模型的材料被要求涉及流动应力与应变，应变速率和温度，这是通常从斯普利特 - 霍普金森压杆（SHPB）试验中获得。这个试验需在各种应变速率和温度下进行。对于Ti6Al-4V钛合金的动态材料行为已在学术文章上广泛发表以及这种称为应变（流）软化的现象也被观察到9。另一方面，镍基合金的动态材料行为的数据不会出现在已发表的学术文章中，除极少数例外。如：张等人，10研究了IN718在高温下的应变率敏感性，同时也观察到流动软化行为。因此，在本文中，给出一个被修饰的材料模型在方程式（1）中用到。除了应变和应变率硬化和热软化效应11以外，它包括随温度变化的流动软化作用。其中S是流动应力，e是真实应变，e是真实应变率，e o是参照真实应变，T，Tm，为了工做，材料的熔化和环境温度要区分开。用于Ti-6Al-4V合金和IN100镍基合金模型中的一组模型参数在表2中列出。Ti6Al-4V和IN100的熔融温度分别为Tm=1604 和1490 。所有的模拟都在相同的试验条件下进行。在表3和表4中，模拟切屑应力的平均值和标准偏差（FC，切削力;闪点，推力;和FF，进给力）都与已给出的实验值进行了比较。在同一表格中也给出了模拟的工具和工作温度的均值和标准偏差值。对于IN100，切削力存在大约5的预测误差的协议。对推力和进给力预测，显示有1-15的误差。对TI-6AL-4V，切割力显示有约4的预测误差。对推力和进给力预测，显示有20-45的误差。当IN100的温度大于600 和Ti6Al-4V的温度大于550时，温度在切削区域可以产生显著的热应力，因此造成加工时会产生应变场和应力场。表3 对IN100力和温度的有限元模拟预测的总结（F= 0.05mm/rev和vc= 24m/min）。表4对Ti-6AL-4V力和温度有限元模拟预测的总结（F= 0.1mm/rev）。4、加工引起的残余应力预测有限元模拟预测在加工的Ti-6Al-4V合金中表明，在表面的圆周残余应力随着切割速度的增加而增加，而刀具涂层和刃口半径的变化并没有影响这些值。如图3。在所有测试中，在圆周方向上的压缩峰的残余应力并不显著，但他们都表明残余应力在这个峰周围80 mm内大约为100 MPa。涂层刀具与未涂覆的刀具相比，这个峰值表明更加的抗压。在径向方向上，所有的测试表明：无论是在材料的表面或材料的内部都存在残余压应力。他们都发生在大约250400 MPa时。试验发现圆周上的残余应力比径向方向上的残余应力的模拟预测精度更好，而径向方向上残余应力的模拟预测精度则相对较差。在IN100试验中，模拟的预测精度较好的两个是圆周和径向方向（图4）。在圆周和径向方向上，表现为表面拉伸残余应力随着刀具切削刃的半径增加而增加，已经涂覆的刀具的表面拉伸残余应力比25 mm刃口半径的刀具的表面拉伸残余应力略少。无涂层的刀具的抗压峰值残余应力变化为400至600 MPa，而TiAlN涂层刀具却并不显著。图、 3 Ti6Al-4V的端面车削残余应力比较。图、 4 IN100的端面车削残余应力比较。5、结论在这项研究中，三维有限元模拟被运用到预测钛6Al-4V和IN100合金因加工引起的残余应力当中。可以得出结论，预测残余应力则受到工具微几何形状的影响，因为它们随着边缘半径的增抗压强度会变得更大，但在表面上有涂层时，则会是拉伸得更多。感谢笔者非常感谢美国国家科学基金的承认与支持（批准号CMMI-1130780）。参考文献1 Jawahir IS, Brinksmeier E, MSaoubi R, Aspinwall DK, Outeiro JC, Meyer D,Umbrello D, Jayal AD (2011) Surface Integrity in Material Removal Processes:Recent Advances. 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