金属切削中工件表层加工硬化模拟.pdf

收稿日期：!#年$月金属切削中工件表层加工硬化模拟李德宝合肥工业大学摘要：根据金属塑性理论，分析了金属切削变形区内的弹塑性应力场，拟定了金属在低速正交切削时工件表面产生加工硬化深度的预报准则；利用有限元软件%&(模拟出了金属切削的动态过程，同时获得已加工表面的加工硬化变形图及其数值解。关键词：金属切削，加工硬化，有限元法!#$%&()(*!$+*&,-.(+/01&+2-)3 4&$5-2 67 8-&%4$)3)*+,-./965+&,：0.1,2/3 45,45,/67/8 9,4.:;:.14*8/69.4*/3，45,:.14*=;:.14*146,11 8*,:2*3 45,9,4.:44*3?2,8/69.4*/3/3,*1 2,16*-,2A%6*4,6*/3 8/6;6,2*68.,5.62,3*3?2,;45*3:/B 1;,2/645/?/3.:44*3?*1 B/6C,2/4A D5,273.9*;6/,11/8 9,4.:44*3?*1 1*9:.4,2-7 1*3?EFG 1/84B.6,%&(A%4 45,1.9,4*9,，45,2,8/69.4*/3?6.;5*68.9,6*4*/3.6,/-4.*3,2A:-7;(+25：9,4.:44*3?，5.62,3*3?，EFGC,6 公式认为，仅在加载过程中才能产生新的塑性变形；塑性变形功恒大于零且不可逆。因此，#点在位置!以后再继续移动时，由于应力值的减小将不可能激励起新的塑性变形；#点在位置!所具有的塑性变形功及加工硬化是位置!以前运动过程的积累，它们将保持不变。因此，加工硬化是沿实际应变线路积分所得的全部塑性功$K的函数，可表达为!L%（$K）$KL!&(2&(（H）式中!&(应力偏量2&(应变偏量增量因此，当用锋利刀具进行低速正交切削时，表面层加工硬化的深度必然等于刃前区塑形变形层的深度，其等效应力满足 M/3=G*1,1 屈服准则)（!(，*）L!NN+（*）L（!）式中)（!(，*）屈服函数!(应力张量*硬化参数!等效应力OH工 具 技 术!（）材料硬化后的屈服极限图!金属切削变形区图 有限元模拟单元变形图#弹塑性应力理论如前所述，切削变形区内材料的加工硬化与流动应力有着密切的关系。!#$%&()*+,塑性流动理论认为，物体内一点的总应变增量%!#$应由弹性应变增量%!*#$和塑性应变增量%!-#$两部分组成.%!#$/%!*#$0%!-#$（1）式（1）中的第一项服从虎克定律；在引入 23$(45,*,屈服准则后，第二项塑性应变增量和应力偏量#$之间的关系为%!-#$/%!6!%!#$（7）式中%!6 等效应变增量对于各向同性硬化材料，硬化曲线的斜率为&8/%6%!6（9）式中%6 等效应力增量综合式（1）、（7）和（9）可以得到切削变形区内变形时的弹塑性增量的本构关系方程%!#$/:0#%(#$0:6.#1$#$%;01.%66&8(#$（*记号%(#$应力偏量增量%;平均应力增量$加工硬化深度的有限元分析模拟$%!金属切削形成过程的有限元模拟由于变形状态、加工硬化和流动应力间存在着相互影响又相互依赖的关系，因此在分析时应同时考虑，综合分析。理想的切削模拟分析应该是从刀具刚刚切入切削层时开始进行分析计算，直至切屑已经形成、切削过程已经成为一个稳定的塑性流动过程。图.是利用有限元分析软件?ABA 对刀具切削模拟后的网格变形图，模型为正交自由切削。工件被划分为:C9D 个单元，刀具分成:DD 个单元。工件底部约束)和*两个自由度，左侧约束)方向的自由度；刀具约束*方向的自由度。刀具在给定的速度和不同的位移边界条件下向左移动，通过计算软件的解算器进行综合计算。切屑与产生的已加工表面间的对应节点在初始时是联系在一起的，通过选取合适的分离准则为 23$(45,*,分离准则（等效塑性应变）。随着刀具的移动，计算出对应节点的应变，当等效塑性应变值达到分离准则值时，节点对分开。随着节点对的连续分离，就形成了切削过程1。$%提取工件表面应力、应变和加工硬化图在形成稳定的切削状态以后，其计算结果可以按需要从?ABA 后处理器进行提取。由于在建模分析时已经综合应用金属切削变形理论、弹塑性理论以及有限元理论等，所以在结果分析时可以直接引用各种变形图和数据图表。图 1 是形成稳定切屑后工件内部等效应力线图，由图可以看出，由+、,和-几条等效应力线所构成的狭窄带状区，将其化为一个理想平面，就是用来反映切削变形的剪切面。同时在已加工表面上，由于速度较低，在表层上有较大的应力，从而产生加工硬化。为了获得加工硬化深度的数值，再提取其等效应变分布图（见图 7），从图 7 可以清楚地看到剪切面变形区和已加工表面加工硬化区的等效应变。对于已加工表面，为了求出其加工硬化深度，将应变分布图输出到?+&3E?F 中，测量出硬化区域的深度值即可。很显然，这种方法所求得数值其精度不是很高，要想获得更高的精度，需要察看?ABA 的结果输出数据，找出符合加工硬化预报准则的对应节点，以进一步判定加工硬化区域。%/:DG，&/9G，./.;H;5$图#切削时的等效应力分布图9:.DD7 年第 1I 卷J7!#$，!%$，!&()*图!切削时的等效应变分布图理论分析与试验结果低速切削时，表面层塑性变形与加工硬化主要由机械应力所引起。因此，可以由刀具参数和切削用量诸要素来描述其关系。改变刀具的前角分别建立多个模型，求出对应条件下的硬化深度值，得到图%所示模拟结果。从图%可以看到，硬化深度随刀具前角的增大而减小，且成线性关系。这是因为当前角增大，剪切角变大，切削力减小，导致第一变形区的塑性变形范围变窄变浅，加工硬化深度相应减小+。图,为加工硬化深度的理论预报值与试验结果的比较，由图可知，两者有着良好的一致性。因此，本文所进行的模拟可以有效地减少繁重的试验工作，能较好地获取金属切削的动态过程及表面层硬化深度的预测%。!%$，!&()*，!#-&.，材料：+%/钢图 前角对加工硬化深度的影响!#$，!%$，!&()*!理论分析实验结果图#理论预报与实验结果的比较通过上述分析及结论可知，这种方法可实现对刀具切削过程的模拟，同时获得其加工过程中的有关应力、应变分布和加工硬化变形等图，并在此基础上，进一步测得其加工硬化深度值。其模拟求解过程是建立在直接模拟的基础上，对于理论计算涉及较少，故具有快捷和直观的特点。但同时该方法也有其不足之处，一方面加工硬化深度数值的测量精确度不高，具体应用主要体现在定性预测方面；另一方面切削过程的模拟有待进一步优化，从而使模拟的切削过程更符合实际的切削状况。参考文献0112)*31 4，567*5 589:7;621=?A;B=C6=)=C)D?E);*?)*3;C?)*3894FG，H G*3*3 I*，J.，JK&王祖唐等8 金属塑性成形理论8 北京：机械工业出版社，JLJK谢峰等8 金属切削刀具的虚拟设计方法初探8 工具技术，&#，#+臼井英治8切削磨削加工学8北京：机械工业出版社，JL&%杨继昌等8低速正交金属切削中工件表层加工硬化深度的预报8应用科学学报，JJ%，K作者：李德宝，硕士，合肥工业大学机械与汽车工程学院，&K#J 合肥市中国制造业不可小视越来越多的国内外经济界人士认为，依照目前的发展势头以及中国自身所具备的潜力，中国必将会成为一个世界制造业中心。对于这一判断，部分国内人士对此并不以为然，认为中国现在的制造业太低级，产品附加值不高，应该提升产业结构，在高科技、产品品牌、金融行业多下功夫。其实，中国在未来成为科技大国、品牌大国或者金融大国与成为制造业大国并不相悖。制造业成为中国经济增长的基础性行业，同时也是出口的基础性行业。在现代技术条件下，如果不成为制造业大国，很难相信它能成为科技大国。制造业是科研发展的一个环节。在制造业的成长进程中，科研也会向它逐步靠拢。目前许多跨国公司都是先把制造环节放到中国，研发部门也随后进入，正说明两者相辅相成，科研也需要制造业对它的推动。制造业是运用使用技术的过程，是培养科研能力的过程。忽视制造业兴旺发达的必然性，片面强调科学技术，这对优化资源的配置会造成一定的损害。在国际市场缺乏营销能力是现阶段中国企业的一个普遍特点。而我们现实的优势是本土优势，国内企业在积极走出去的同时更要关注并做好国内市场。不能小看了自己的制造业，对企业而言，所谓竞争力到最后就是能否挣钱。浙江义乌是中国小商品交易最发达的地方，阿富汗国内爆发战争时，仍旧有几十个阿富汗商人驻守在义乌做生意。连阿富汗人都买得起的产品，一定是全世界最有竞争力的产品。,工 具 技 术金属切削中工件表层加工硬化模拟金属切削中工件表层加工硬化模拟作者：李德宝作者单位：合肥工业大学刊名：工具技术英文刊名：TOOL ENGINEERING年，卷(期)：2004，38(4)被引用次数：1次 参考文献(5条)参考文献(5条)1.Ramalingam S.Lehn L L A photoelastic study of srtess distribution duing orthogonal cutting 19712.王祖唐 金属塑性成形理论 19893.谢峰 金属切削刀具虚拟设计方法初探期刊论文-工具技术 2001(10)4.臼井英治 切削磨削加工学 19825.杨继昌 低速正交金属切削中工件表层加工硬化深度的预报期刊论文-应用科学学报 1995(03)相似文献(4条)相似文献(4条)1.学位论文 王慧东 高锰钢钻削加工仿真与实验研究 2009 高锰钢在较大的冲击载荷或接触应力作用下，其表面迅速产生加工硬化，并有高密度位错形变孪晶生成，形成高耐磨的表面层，从而具有很好的耐磨性。因此被广泛应用于冶金、矿山、建材、铁路、电力、煤炭等机械装备中，如铁路道叉、挖掘机的铲斗、破碎机锤头、球磨机衬板和坦克的履带板等。高锰钢的原始硬度并不高，但其抗拉强度较高（约为45钢的2倍），塑性很大（约为45钢的4倍），韧性也特别高（约为45钢的8倍）。实验表明，在经受塑性变形之后，其奥氏体组织容易转变为细晶粒的马氏体组织，致使加工硬化特别严重，其硬化程度超过奥氏体不锈钢，能使硬度从原来的200HB左右提高到550OB左右，冷硬层深度可达03mm以上，高温下还容易形成高硬的氧化层。高锰钢的这些力学物理性能，决定了它是一种很难加工的材料。使用常规实验方法研究高锰钢，研究周期长，刀具材料耗费严重，实验成本高。而有限元方法作为实验方法的有效补充，能够动态模拟会属切削过程，有助于理解材料去除过程中发生的物理变化。如果能够使用有限元方法研究高锰钢钻削加工，则对选择刀具材料，优化刀具几何形状，降低研究成本，节省时间等有很大的帮助。本文研究了高锰钢钻削加工过程的数值模拟问题，寻找合适的数值模拟方法，以替代传统的实验方法，从而缩短研究时间，降低研究成本。围绕高锰钢钻削加工过程的仿真与实验，研究了仿真过程中模型建立的方法及相关理论。利用商用塑性成形有限元DEFORM软件，建立高锰钢（ZGMn13）材料的有限元模型。研究了麻花钻常规建模方法，并以麻花钻的刃磨原理及数学模型为理论基础建立了麻花钻的几何模型。动态模拟高锰钢钻削加工过程，获得了连续切屑、钻削力和扭矩等数据。模拟结果显示钻削高锰钢时进给量的增加导致钻削力增大，切削速度的增加使得钻削力减小。为了验证仿真的结果，采用与仿真相同的切削用量参数，进行高锰钢钻削实验。仿真结果与实验结果较接近，验证了仿真的有效性。可以为铁路道岔的生产实践提供理论指导和技术支持。为了配合课题组的研究工作，本文利用实验室现有的钻削测力仪组建了新的测试系统。现有的测量仪是大连理工大学设计生产的YDZ-II02压电钻削测力仪，其量程不能满足课题组实验要求。为此设计并增加了一些外围机构，组建了新的测试系统，扩展了测量范围，及时满足课题进展的需要，节省了开支。2.学位论文 邓文君 切削-滚压复合工艺的有限元建模与分析 2005 滚压加工是一种利用硬度高且表面光滑的滚球/滚轮滚压材料粗糙表面，致使材料表面的粗糙峰产生塑性流动并填补到波谷中，从而达到改变工件表面质量的精密成形方法。与其它切削方式的精加工工艺相比，滚压工艺可获得很高的表面光洁度、表面硬度以及在工件表层残留有利的压应力。与喷丸加工相比，滚压加工可以节省时间，提高生产效率，对于表面结构复杂的零件同样可以保持高加工精度，设备简单，节省成本，易于与切削工艺组成复合工艺和实现自动化。随着滚压加工的广泛应用以及使用要求的提高，与之相对应的理论研究，也显得越来越紧迫和重要。传统的解析法在求解考虑材料加工硬化以及几何非线性等复杂滚压模型时往往导致不可解。实验方法，虽然行之有效，但是工作量非常大，延长了试验周期，增加了生产成本。而采用有限元法对滚压加工进行建模和分析，不但可以求解复杂的材料非线性问题以及几何非线性问题，而且可以减少试验周期，降低费用，在分析多因素影响的时候优势尤为明显。本文主要研究了切削加工过程以及考虑切削加工历史数据的滚压加工过程的力学建模理论以及数值模拟方法，并在此基础上，分析了滚压工艺参数对加工表面质量的影响规律，探索出将切削加工与滚压加工相结合的复合工艺及其装置。分析了切削加工过程有限元分析的关键技术(切削条件下的工件材料本构关系以及流动应力模型、切屑分离及断裂模型、刀屑接触及摩擦模型、热产生机理及热传导模型以及热力耦合分析模型)。并在此基础上，建立了二维、三维非自由单次以及三维非自由多次切削的有限元分析模型。模拟分析了切削加工过程中切屑形成过程及其机理，以及其它各种变量(切削力、切削温度、残余应力、残余应变以及剪切角)的变化规律。采用与模拟分析相同的条件进行物理试验，并将测量得到的切削力、切削温度、残余应力与模拟分析结果进行比较。发现模拟计算得到的切削力以及切削温度跟实测结果具有很好的一致性；比较模拟分析与试验测量得到的残余应力沿深度变化曲线，发现两者在数值上存在一定的差异，但分布规律具有很好的一致性。分析了影响切削加工表面粗糙度的主要因素，建立了待加工表面的粗糙峰几何模型。分析了滚压加工条件下工件材料的本构关系以及流动应力模型、滚球与工件表面的接触及摩擦模型、热产生机理及热传导模型。建立了三维滚压加工有限元分析模型，分析了工件表面粗糙峰的变形机理以及滚压力、温度、应力、应变等变量的变化规律。分析了滚压工艺参数(滚压力、速度、进给量、滚球直径、滚压次数)对表面粗糙度以及工件表层残余应力的影响规律。并将切削加工模拟完成后得到的加工历史数据导入到滚压加工有限元分析模型中，与不考虑加工历史数据情况下的分析结果进行对比分析，研究了切削加工历史数据对滚压加工的影响。采用与模拟分析相同的试验条件进行物理试验，并将测量得到的滚压力、粗糙度以及残余应力跟试验结果进行比较，发现滚压力之间存在较小的偏差，残余应力在数值上有一定的差异，但分布规律相近。最后分析了切削加工表面残余应力的形成机理以及调整和控制已加工表面残余应力的方法。设计了手动式切削-滚压复合刀具以及液压式切削-滚压复合刀具。这两种复合刀具结构简单，操作方便，对操作工人要求低，可实现在切除工件加工余量的同时压延已加工表面，达到降低工件表面粗糙度，形成表面硬化层，并在工件表层残留有利的残余压应力，从而强化零件的耐磨性能和抗疲劳性能。3.学位论文 刘亚俊 金属切削加工中切屑卷曲机理的研究 1999 该文在Lee和Shaffer滑移线场模型基础上,充分考虑切削变形过程中材料的加工硬化,提出了一个改进的切削模型并用该模型对切屑的卷曲现象加以解释.理论分析与试验结果是一致的,说明该切削模型具有合理性.该文在所建立的切削模型基础结合热源温度场叠加法推导了切屑内温度分布并分析了该温度场对切屑卷曲变形的影响.刀屑前刀面接触区摩擦边界条件对切屑的卷曲影响非常大.作者定义了刀屑接触长度比,认为该参数是表征刀屑接触区摩擦条件的重要参数.理论分析和试验结果证明与切屑卷曲存在密切关系,可以做为切屑卷曲的控制参数.在此基础上作者设计了一种可调式断屑装置.运用热耦合弹塑性模型结合计算机有限元分析方法,该文对切削变形区温度场和应力分布加以计算分析,建立了一个基本的分析计算系统,并给出了一个具体算例.计算表明切削变形区温度分布和应力分布都是非均匀的.4.学位论文 詹斌 基于有限元法的Ti（C，N）基金属陶瓷刀具切削质量研究 2007 金属切削加工是制造业中一种应用非常普遍的重要加工工艺。各种精密设备及仪器迅速发展，对其零件质量提出的要求也越来越高，而残余应力和加工硬化已成为严重制约其零件使用性能和寿命的重要因素。因此，研究新型材料刀具切削加工后的工件表面质量，对于优化切削参数和提高工件质量具有非常重要的意义。本文首先基于液相烧结法制备出了新型Ti(C，N)基金属陶瓷材料刀具，并结合试验和计算的方法得出了该材料的性能。其次，建立了不同切削速度和进给量的切削有限元模型，得到了切削速度和进给量对已加工工件表面残余应力和深层残余应力的影响规律，并从机械应力和热应力影响因素的角度综合分析了规律产生的原因。根据实际的车削条件，建立了不同切削速度和进给量的切削有限元模型，得到了切削速度和进给量对已加工工件表面等效应变和应变层深度的影响规律。其次，使用制备出的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具对45钢进行切削物理试验，并对所得试样进行金相观测和显微硬度测试，最终得出切削速度和进给量对表面加工硬化程度和硬化层深度两项加工硬化指标的影响规律，验证了有限元模拟结果。最后，从微观角度解释了切削表面加工硬化产生的机理，并全面分析了切削加工表面硬化的热一力耦合机理。本文通过上述研究，得出以下结论：工件表面均为残余拉应力，且在进给量不变的情况下，表面最大拉应力和深层最大压应力及压应力水平均随切削速度的增大而增大，切削速度对拉应力层厚度的影响不大；残余压应力水平随进给量增大而增大，但是，在不同切削速度的条件下，表面最大残余拉应力随进给量的变化规律是不一致的；切削速度和进给量对工件的硬化层深度和表面加工硬化程度的影响规律不一致：硬化层深度和表面加工硬化程度均随切削速度的增大而先增大后减小：硬化层深度随进给量增大而先减小后增大，表面加工硬化程度先减小后增大。通过对试验结果进行进一步探讨后得出结论：较为严重的加工硬化易发生于中速的半精车中，且高速车削中工件己加工表面可能会发生软化。研究得出的各项结论表明，切削有限元模拟的方法已经能够对工件的残余应力和加工硬化现象进行定性及定量的分析，为采用各种新型材料刀具的切削加工表面质量提供预报，这对实际生产具有重大的指导意义。引证文献(1条)引证文献(1条)1.胡韦华.王秋成.胡晓冬.刘云峰 切削加工过程数值模拟的研究进展期刊论文-南京航空航天大学学报 2005(z1)本文链接：http:/