2024铝合金超精密车削表面残余应力模拟及参数优化

基于ABAQUS软件对2024铝合金的超精密车削过程进行热力耦合仿真模拟,研究了切削三要素对工件表面残余应力的影响规律,并采用了评价函数的方法,以低残余应力为目标进行了切削参数优化。结果表明:2024铝合金已加工表面（切削稳定区域）以压应力为主,随着距已加工表面距离的增加,残余压应力值减小并逐渐变为拉应力,残余应力分布深度在10μm内。随着切削深度（10～30μm范围内）的增大、切削速度(50～150 m·min-1范围内)的减小、进给量（10～24μm范围内）的增大,2024铝合金工件表面残余应力呈现增大趋势,采用评价函数进行优化,确定了当切削速度129.865 0 m·min-1(实际切削加工可取130 m·min-1),进给量为8.9μm,背吃刀量为1μm时,总体表面残余应力最小,表面质量更优,经过车削实验也验证了结论的可靠性。     

钛合金的已加工表面残余应力的数值模拟

为了揭示高速切削对航空钛合金加工表面残余应力的影响，利用三维斜角切削有限元模型对钛合金Ti6Al4V的高速切削加工过程进行了模拟，获得了不同切削速度和不同切削深度下的已加工表面残余应力分布.模拟结果表明：切削速度对已加工表面残余应力具有重要影响，而切削深度对已加工表面残余应力影响较小; 已加工表面层残余应力为拉应力，沿深度方向由拉应力逐渐过渡到压应力; 3个主方向的残余应力值随切削速度的增加而增加，而随切削深度的增加无明显变化; 切削速度和切削深度对残余应力层的厚度影响都很小.     

镁合金低温切削性能及工艺参数优化

为改善镁合金的切削加工性能及加工表面完整性,优化切削加工工艺参数,基于拟水平法设计了四因素四水平正交车削试验,研究切削三要素以及切削介质（常温干切、液态二氧化碳和液氮）对ZK61M镁合金车削加工表面完整性的影响规律。实验结果表明：切削深度对切削力的影响最显著,进给量次之,切削速度的影响较小,低温切削能降低切削力,但对切削力的影响不显著;进给量对表面粗糙度和残余应力具有显著影响,随着进给量增大,表面粗糙度增大,并引入表面残余拉应力;冷却介质对表面粗糙度和表面残余应力具有次显著影响,相比于常温切削,采用低温切削能有效降低加工表面粗糙度,细化表层晶粒,增大表面残余压应力,同时,采用液态二氧化碳作为冷却介质的效果优于液氮。基于灰色关联分析得到ZK61M镁合金低温切削的最优工艺参数：v_c=100 m/min,f=0.05 mm/r,a_p=0.4 mm,采用液态二氧化碳作为冷却介质。用关联分析结果建立了工艺参数与加工质量间的响应预测模型,平均误差为7.93%。     

轴承淬硬钢硬车残余应力有限元仿真分析及实验验证

高速、小余量、硬车削是轴承淬硬钢加工的重要发展方向。为了研究小进给条件下轴承淬硬钢硬车加工后表层残余应力的分布问题,采用二维有限元方法对轴承淬硬钢AISI 52100硬车加工过程进行了仿真,获得了加工后材料表层残余应力。基于Konti Cut用户子程序对稳态切削过程进行建模,并对加工后的表面残余应力进行了预测。通过不同加工参数下的残余应力仿真与实验对比,得出仿真与实验预测趋势基本一致的结论,在工件表层0.02～0.06mm以上形成了较大数值的残余压应力。     

高速切削淬硬轴承钢的有限元仿真

采用ABAQUS/Explicit 6．5的剪切失效准则、单元去除和自适应重划分技术,考虑工件材料机械物理性能随时间的变化和流动应力受应变、应变速率和温度影响特性,建立了二维完全热-力耦合平面应变的有限元模型,模拟PCBN刀具高速硬态车削淬硬轴承钢GCr15加工过程中带状和锯齿状切屑的形成过程．仿真得到了切削宽度对切削温度、切削力和已加工表面残余应力的影响规律．通过对比,仿真结果与实验结果吻合较好．     

PCBN刀具硬态切削过程中金属软化效应的研究

通过分析PCBN刀具切削淬硬GCrl5轴承钢时，工件硬度和切削速度对切削力和切削温度的影响，给出了产生金属软化效应的条件．对比金属软化效应产生前后已加工表面粗糙度．硬化层深度和表层基体组织，得出了金属软化效应对已加工表面质量不存在负面影响的结论．     

基于ABAQUS的超声椭圆振动车削钛合金TC4数值分析

钛合金TC4在加工过程中会出现工件变形及黏结等问题,因此加工难度较大。利用ABAQUS软件创建仿真模型,对比了超声椭圆振动车削和常规切削对钛合金TC4力学特点的影响,并对比分析了超声椭圆振动车削钛合金TC4的切削速度、切向幅值、频率和切削深度对切削力的影响。结果表明,超声椭圆振动切削平均切削力随着切削深度及切削速度的增加而增加;随着切向幅值及振动频率的增加而减小;与常规切削相比,超声椭圆振动切削能够明显降低切削力,改善表面加工质量,提高加工效率。     

金刚石车削表面微观形貌形成机理的研究

为了在超精密加工前预测并控制表面粗糙度，提出一种建立圆弧刃车刀金刚石车削表面微观形貌的几何模型的新方法，开发并编写了表面微观形貌的仿真程序，在程序中考虑了刀具几何参数、振动和最小切削厚度对已加工表面特性的影响，通过理论分析和试验研究确定了最小切削厚度与切削刃钝圆半径之间的关系，分析了影响已加工表面粗糙度的若干因素，并在仿真生成的表面微观形貌中成功地加入了随机振动信号，大量切削试验是在自行研制的亚微米CNC超精密机床上进行的，结果表明：利用所建立的表面微观形貌几何模型，能够预测金刚石车削加工将要获得的表面粗糙度。     

高速铣削淬硬钢切削力及表面粗糙度研究

使用铣削方法加工P20模具钢,分析高速切削加工中,切削速度、进给量、切削深度对切削力、被加工零件的表面粗糙度的影响.研究结果表明:切削力受切削速度影响较小,进给量和切削深度的增大会引起切削力的成倍增大;被加工零件表面粗糙度受进给量影响最大,其次是切削速度,影响最小的是切削深度.     

基于ANSYS环境切削刃温度的有限元建模与多步反向仿真

使用PCBN刀具对淬硬工具钢Crl2MoV（62±1HRC）进行了精密干式硬态车削试验．依据精密干式硬态车削的特点,建立了小切深．大刀尖圆弧半径一斜角车削条件下的切削层几何模型,提出半月牙形区域为刀具的主要吸热区,并建立了PCBN刀片的有限元模型．在人工热电偶测得的刀具指定点温度的基础上,运用多步反向仿真法,利用ANSYS软件仿真了四种不同切削速度下的切削刃温度,结果表明,切削刃温度在725-1053℃之间变化,仿真值与试验值的绝对误差小于5％,满足目标要求．该方法在生产实践中具有实际的指导意义与参考价值．     

Elastic-plastic finite element simulation for diamond turning process

Diamondturningprocessischaracterizedbyhigh dimensionalaccuracyandgoodsurfaceintegrityandhasbeenappliedinmanyadvancedindustrialfields,such ascomputer,automobile,opticsmanufacturing,etc.Usingthistechnology,thesoftmetal,suchasalumi numorcopperoritsalloys,can…     

基于Deform-3D的镍基高温合金残余应力仿真分析

GH4169镍基高温合金应用广泛,但是属于难以加工的材料,而且已加工表面的残余应力很容易导致工件变形,从而影响工件的加工质量。应用Deform 3D软件,研究了不同切削用量下残余应力的变化规律。研究结果表明,切削速度的变化对表面残余应力的影响甚小|背吃刀量和进给量增大,表面残余应力随之增大|随着切削用量的增加,工件内部残余应力亦随之增加。     

PCBN刀具切削淬硬GCr15轴承钢的切削力研究

通过系统的切削试验，研究了PCBN刀具硬态切削淬硬GCr15轴承钢时切削用量对切削力的影响规律，结果表明：径向力最大，其次是主切削力和轴向力；硬态切削粗加工时的切削力大致为精加工时的3倍；硬态切削力与切削深度和进给量在一定范围内呈线性上升的关系，而与切削速度呈非线性关系．     

基于ANSYS的细长轴双刀车削刀具退让量误差优化研究

通过建立细长轴对称式双刀车削模型,推导出刀具加工点理论退让量公式。对细长轴双刀车削进行静力学仿真分析,得到刀具在加工点退让量数据。结合刀具径向力与背吃刀量的关系,以及引起刀具退让量误差的其他因素,在刀具加工点理论退让量公式中引入修正系数k,通过对比分析仿真曲线和预测理论曲线,确定修正系数k的大小,为细长轴数控车削误差补偿提供理论依据。     

车削加工残余应力分布规律的实验研究

为了解决X射线车削剥层法残余应力测试中剥层方案的选择和抛光深度的确定的问题,应用单因素实验法研究了φ120低碳钢圆筒在不同车削条件下的残余应力分布状态,分析了进给量、车削速度和车削深度3个参量的变化对车削加工残余应力分布的影响规律．结果表明：车削参量对残余应力的分布影响很大,随车削深度的增加,残余应力影响层深度明显增加,当车削深度为0．25、0．75mm时,应力影响层深度分别为0．2、0．8mm;进给量和车削速度对表面残余应力影响较大,随进给量和车削速度的增大．表面残余拉应力增大．     

Influences of Tool Wear on Residual Stress and Fatigue Life of Workpiece in Hard Cutting Process

硬态车削过程刀具磨损对残余应力和工件寿命的影响

岳彩旭,朱磊,冯磊,刘俊,郝胜宇,任广旭

（1. 哈尔滨工程大学 机电工程学院, 哈尔滨 150001;

2. 哈尔滨理工大学 机械与动力工程学院,哈尔滨 150080）

创新点说明：

本文主要研究淬硬钢Cr12MoV车削加工刀具磨损对加工表面残余应力和疲劳寿命的影响,研究结果为实际工况下工件已加工表面应力状态的控制和疲劳性能的控制提供了理论支持。

研究目的：

疲劳在金属零部件所有的失效形式中占有很大比例。特别是轴类零件,由于这类零件大多承受着不同的外载荷甚至多种载荷的交加,这种实际工况下的部件的意外事故多数是由于疲劳失效。由于疲劳失效给国家财产以及人身安全造成了巨大的隐患,因此有效的精确的预测与延长疲劳寿命成为制造工作者的一种使命。

残余应力是影响零部件疲劳性能最关键的因素之一,同时也是作为加工参数与表面性能中连接的桥梁。在传统的研究工作中达成的共识是残余压应力在延迟疲劳裂纹扩展与延长疲劳寿命中起着积极作用,但是没有整体的考虑残余应力的波动性与压应力分布模式在加工参数与疲劳性能中扮演的角色。

故本文主要研究硬态车削过程刀具磨损对残余应力和工件寿命的影响,研究结果为实际工况下工件已加工表面应力状态的控制和疲劳性能的控制提供了理论支持。

研究方法：

（1）采用不同磨损量的PCBN刀具,对淬硬模具钢Cr12MoV硬态车削过程展开实验研究。通过对残余应力离散度进行分析,拟合不同刀具磨损下的离散度指标与分布曲线,进而分析了刀具磨损对已加工表面残余应力分布的影响机制。

（2）结合疲劳力学与数理统计理论建立了应力离散度-疲劳寿命差异的数学模型,对切削后的标准试件进行了旋转弯曲实验研究,通过工件断口形貌和疲劳寿命的研究揭示了刀具磨损这一关键切削条件对工件疲劳寿命的影响。

（3）主要设备或仪器：大连机床厂生产的型号为CK6150的机床、株钻石公司牌号为MVJNR2020K16的PCBN刀具、加拿大PROTO公司的iXRD型X射线衍射应力测试系统和螺旋测微仪。

结果：

（1）残余应力离散度随着刀具磨损的增加而增大;同理,当刀具磨损在一定限度内,残余应力也随着刀具磨损的增加而增大,刀具磨损的增加会引起已加工表面压应力面积的增大和压应力层深度的增加;

（2）提出并建立了应力离散度-疲劳寿命差异数学模型,分析出残余应力引起应力幅值的波动与疲劳呈线性关系,通过疲劳弯曲试验验证了该模型的科学性和准确性。

（3）通过旋转弯曲疲劳断口裂纹特征分析,得到本文试件断口裂纹源区为半圆形,扩展区域类似沙滩粒;并且随着残余压应力面积增大,裂纹扩展距离增大,疲劳寿命越长。

（4）旋转弯曲疲劳实验结果表明刀具磨损量越大,疲劳寿命越长;反之,试件寿命越短。

结论：

（1）当刀具磨损在一定限度内,残余应力离散度和残余应力都随着刀具磨损的增加而增大,并且两者机理相同,主要是因为刀具磨损的增加会引起已加工表面压应力面积的增大和压应力层深度的增加;

（2）旋转弯曲疲劳试件断口的裂纹源区为半圆形,裂纹源区呈现的特点是较为光亮与平滑,这是由于其最先断裂扩展速度较为迟缓。随着旋转弯曲疲劳实验的进行,试件裂纹由裂纹源不断扩展,进而形成扩展速率较慢的裂纹扩展区,这里与裂纹扩展方向垂直的弧形线为该区域的重要标志,因为可以从其形状的变化来观察线端处所受应力的大小和组织形态。

（3）在刀具磨损在合理的范围内,当刀具磨损量增加时,使表面残余压应力面积越大,进而使得疲劳寿命越长;反之,试件寿命越短。为实际工况下工件已加工表面应力状态的控制和疲劳性能的控制提供了理论支持。

关键词：硬态车削,刀具磨损,表面残余应力,残余应力离散度,疲劳寿命