機械加工殘余應力的生成機理研究綜述,機械工程論文

機械加工殘余應力的生成機理研究綜述,機械工程論文先進制造技術(shù)的快速發(fā)展對零件的質(zhì)量和性能提出了更高層次的要求，各種新興加工工藝層出不窮，但是傳統(tǒng)的材料去除加工工藝在制造領(lǐng)域仍然擁有不可取代的地位。制造零件的性能很大程度上遭到加工外表質(zhì)量的影響，加工外表質(zhì)量是由外表層和亞外表層的幾何、力學、金相等狀態(tài)量決定。殘存余留應力作為外表質(zhì)量一個重要的評價參數(shù)，遭到越來越多的關(guān)注。機械加工經(jīng)過中，伴隨著高溫、高壓、高應變率的塑性變形，在已加工外表會構(gòu)成一定層深的殘存余留應力分布。切削加工外表殘存余留應力分為殘存余留拉應力和殘存余留壓應力。殘存余留應力會對零件的疲憊壽命，蠕變及抗腐蝕性能產(chǎn)生宏大影響。近幾十年來很多學者對機械加工殘存余留應力的生成機理進行了研究，并獲得了令人矚目的成績。1對材料性能的影響殘存余留應力是外部載荷卸去后保存在固體內(nèi)部的自平衡應力，機械加工殘存余留應力來源于機械加工經(jīng)過中機械載荷、溫度梯度、相變等導致的非均勻材料變形。關(guān)于內(nèi)應力概念，最早由德國鐵路工程師Woe-hler于1860年提出的，他以為火車主軸的斷裂有內(nèi)應力作用這個因素。1973年，德國學者Macherauch對內(nèi)應力重新定義，將宏觀殘存余留應力稱為第一類殘存余留應力，將微觀殘存余留應力稱為第二、三類殘存余留應力。宏觀殘存余留應力存在于材料亞表層較大范圍內(nèi)，微觀殘存余留應力存在于晶粒尺寸范圍內(nèi)。一般實際測量到的殘存余留應力指第一類殘存余留應力。殘存余留應力根據(jù)其數(shù)值大小和形態(tài)分布對零件的性能影響有利有弊。很多情況下，殘存余留應力是在零件發(fā)生故障或者毀壞的情況下才被辨別。一般以為，一定層深分布的殘存余留壓應力對零件的疲憊壽命、蠕變壽命以及抗應力腐蝕性能有利。Brinksmeier等[1]在1982年總結(jié)了殘存余留應力對機電產(chǎn)品最主要的影響，如此圖1所示。殘存余留應力不僅對產(chǎn)品的使用性能有重要影響，而且其大小和分布能夠作為加工工藝參數(shù)選擇的重要標準。2殘存余留應力的檢測在過去的幾十年里，發(fā)展了很多用于測量殘存余留應力的先進技術(shù)。通常，殘存余留應力的測量能夠分為有損和無損兩類。對于殘存余留應力在層深分布的測量需要對工件進行一定程度的毀壞，因而需要一種直接或者間接有效的測量方式方法。Lu[2]總結(jié)了不同的殘存余留應力測量方式方法以及各自的優(yōu)缺點，見表1.在當前的研究中，X射線衍射法、中子衍射法以及盲孔法是最常用的3種殘存余留應力測量方式方法。實驗測量結(jié)果表示清楚，中子衍射法和X射線衍射法測量結(jié)果比擬接近。中子衍射測量法的主要優(yōu)點是能夠到達毫米級的浸透深度，缺點是高成本和低空間分辨率。盲孔法合適用于對粗大晶體材料的殘存余留應力測量，但是不能測量不同相之間的殘存余留應力。相比擬而言，X射線衍射法既是一種無損測量方式方法，又能夠通過剝層法實現(xiàn)不同深度的殘存余留應力測量，當前應用最為廣泛。3殘存余留應力的研究方式方法20世紀70年代提出的外表完好性概念的基本研究內(nèi)容如此圖2所示，作為外表完好性的一個重要表征參數(shù)，殘存余留應力的研究獲得了令人矚目的成果。切削加工經(jīng)過中的切削參數(shù)、刀具〔刀具幾何[3-5]、涂層[3,6-9]、刀具磨損[10]等〕、工件材料〔硬度[9]、熱軟化率以及熱導率[11]〕等都會對殘存余留應力的生成有影響，華而不實進給速度、刀具邊緣圓角、刀具磨損對殘存余留應力的影響比擬顯著。怎樣通過控制工藝參數(shù)得到比擬好的殘存余留壓應力，進而實現(xiàn)更長的服役壽命成為當下熱門的研究課題。本文主要從實驗方式方法、解析模型、有限元方式方法等3個方面介紹切削加工殘存余留應力的生成規(guī)律。3.1實驗方式方法研究切削加工機理最常用且最實用的方式方法就是實驗，通過設(shè)計不同工藝參數(shù)進行比照總結(jié)，得出相應結(jié)論具有較高的可信度。不過由于實驗經(jīng)過中影響因素較多，很難做到精到準確地控制變量，且考慮實驗裝置、儀器、環(huán)境、實驗樣品的一致性問題，實驗結(jié)果的可重復性較差。在保證實驗條件基本一致的前提下，實驗仍然是研究工藝參數(shù)對殘存余留應力影響最為可靠的一種方式。很多學者都開展了對機加工殘存余留應力生成機理的實驗研究，并獲得了不少成果。Dahlman等[5]發(fā)現(xiàn)一個大的負前角和大的進給速度能夠產(chǎn)生很好的外表殘存余留壓應力；最大應力的深度隨著刀具前角的變大而增加，切削深度對殘存余留應力影響不大。Toshiaki等[14]設(shè)計了一種新型銑刀，這種刀具能夠在切削層生成殘存余留壓應力，加工外表殘存余留應力在-100~-200MPa,在外表下面0.05mm處殘存余留應力大小在-300~-400MPa之間。Capello[15]研究了3種材料在切削加工經(jīng)過中的進給速度、刀具圓角以及切入角對材料外表殘存余留應力的影響，研究結(jié)果表示清楚，殘存余留應力生成的基本原理與材料的力學性能無關(guān)，材料的力學性能只影響殘存余留應力的平均水平；并且殘存余留應力主要能夠通過進給速度和刀具圓角控制。Pawade等[16]開展了高速車削718鉻鎳鐵合金的實驗，研究了加工工藝和刀具邊緣幾何參數(shù)對加工外表殘存余留應力的影響，研究成果建設(shè)性地提出了切削3要素對加工外表殘存余留應力的綜合影響作用，且建議在切削速度為475m/min,進給速度為0.05mm/rev,切削深度為0.5/0.75mm,配合使用打磨過的刀具邊緣時，能夠得到較好的殘存余留壓應力。覃孟揚等[14]研究了切削刃鈍圓對殘存余留應力的影響，結(jié)果表示清楚鈍圓半徑越大，殘存余留壓應力越大，應力層越厚。通過實驗選定的工藝參數(shù)能夠得到比擬滿意的殘存余留應力分布，但是并沒有從機理層面揭示機械加工經(jīng)過殘存余留應力的生成原理。因而，在開展實驗的基礎(chǔ)上，應該多進行仿真建模工作，通過仿真建模和實驗結(jié)果比照揭示殘存余留應力生成的基本原理，為得到適用性更好的預測模型奠定理論基礎(chǔ)。3.2解析方式方法解析方式方法是所有預測方式方法中最難實現(xiàn)的，由于切削加工經(jīng)過中存在很多不確定因素，這些不確定因素需要通過其他方式方法表征或者假設(shè)來簡化。經(jīng)過簡化后的模型得到的結(jié)果與實際情況相差很大。但是解析模型是通過物理基礎(chǔ)理論推導得到，能夠反映切削經(jīng)過中的物理本質(zhì)和外表完好性生成機理。在過去的幾十年時間里，多數(shù)學者將外表完好性的建模經(jīng)過集中在殘存余留應力建模上。Liang等[18]綜合了Oxley[19]的可預測剪切力模型、Waldorf等[20]的犁耕力模型及Komanduri的熱源模型[21-23]進行力熱載荷的解析預測，并通過Mc-Dowell關(guān)于彈塑性滾/滑接觸問題的算法[24]計算了正交切削條件下的殘存余留應力。Su[25]在預測切削加工外表殘存余留應力的分布時，首先對切削加工經(jīng)過中的切削力和切削溫度分布進行了預測，其次基于接觸力學理論計算了工件在切削中的機械應力場分布，并假設(shè)材料服從隨動硬化規(guī)律，最終通過彈塑性加卸載混合算法預測出了殘存余留應力分布。Su等[26]在原有研究的基礎(chǔ)上考慮了立銑刀的幾何條件，并將該方式方法拓展到銑削加工的殘存余留應力預測中。Ulutan等[27]在用解析法對切削加工殘存余留應力進行建模時，先用有限差分法計算出切削區(qū)域工件、刀具以及切屑的溫度分布，并用于熱應力的計算，在計算塑性應變增量時，假設(shè)材料服從等向硬化規(guī)律。最終運用彈塑性模型和應力釋放處理得到了殘存余留應力的分布，模型預測的結(jié)果與文獻中的實驗數(shù)據(jù)吻合度較高。Agrawal等[28]基于Su的思想，提出了新的機械應力的分布，進而研究了直角切削AISI4340的殘存余留應力的解析模型。Outeiro等[6]研究了涂層刀具和非涂層刀具對車削加工經(jīng)過中殘存余留應力生成的影響，通過溫度和力測量以及建立一個熱分區(qū)的解析模型來計算車削經(jīng)過中殘存余留應力變化。總的講來，解析建模是研究切削加工經(jīng)過外表構(gòu)成機理的一種有效方式方法，但是實現(xiàn)的經(jīng)過復雜。切削加工經(jīng)過中產(chǎn)生的力，通過剪切和摩擦經(jīng)過生成熱，在力和熱的綜合作用下，材料發(fā)生塑性變形和相變。塑性變形和相變使材料外表生成加工硬化層。當前提出的解析模型大多只能保證預測趨勢的一致性，離模型的實用性還有一定的距離。在將來的研究經(jīng)過中，需要在解析模型中將切削經(jīng)過中的幾何、力熱、硬度、相變等納入建模經(jīng)過中，使建模經(jīng)過更貼近切削經(jīng)過真實情況。3.3有限元方式方法由于機械加工經(jīng)過中殘存余留應力的生成受多方面因素影響，解析模型不能完好地表征工藝參數(shù)與殘存余留應力之間的對應關(guān)系。自1980年以來，很多學者開場通過有限元技術(shù)仿真切削加工經(jīng)過中殘存余留應力的生成。有限元仿真作為研究切削加工的一種方式方法，由于相對準確、簡易、成本低等優(yōu)勢，得到越來越多學者的青睞。部分學者研究了刀具幾何對殘存余留應力生成的影響。Sasahara等[29]提出了一種將正交切削模型和刀具圓角壓痕模型結(jié)合的外表殘存余留應力預測模型，該模型考慮了刀具圓角和進給速度對外表殘存余留應力的影響。結(jié)果表示清楚，一個小的刀具圓角能夠在垂直切削方向生成較好的殘存余留壓應力；隨著進給速度的減小，外表殘存余留應力由拉應力向壓應力轉(zhuǎn)變。T.zel[30]通過建立三維有限元模型模擬切削經(jīng)過，并通過JNAK〔Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov〕模型完成對金相組織和晶粒尺寸的建模[31],結(jié)果表示清楚，殘存余留壓應力隨著切削刃鈍圓半徑的增大而增大。也有一部分學者將改良材料的特性如硬度、J-C本構(gòu)模型、熱導率以及熱軟化率納入有限元的建模中。Hua等[32-33]在彈-粘塑性〔elastic-viscoplastic〕有限元模型的基礎(chǔ)上參加了基于流動應力的硬度模型，研究了刀具幾何、工件硬度以及切削參數(shù)對殘存余留應力的影響。Umbrello等[34]在數(shù)值模擬切削加工的經(jīng)過中，參加了5種不同材料的J-C本構(gòu)模型來描繪敘述加工材料的行為，并且通過彈-粘塑性有限元模型預測了切削力、切屑形態(tài)、溫度分布以及殘存余留應力。Nasr等[35]提出了一種ALE〔Arbitrary-Lagrangian-Eulerian〕有限元模型，研究了切削刃鈍圓對正交切削經(jīng)過中殘存余留應力生成的影響，通過該模型預測了熱導率和熱軟化率對殘存余留應力生成的影響。孫雅洲[36-39]等在切削加工的有限元建模上做了大量本質(zhì)性的工作。有限元方式方法是研究切削機理一種切實有效的方式方法，在今后的研究中，應該將更多的精神投入到對材料特性的建模中，當前的研究沒有考慮切削經(jīng)過中的相變問題。相比解析建模，有限元方式方法能夠較為直觀地觀察切削經(jīng)過中材料外表的變化情況，且能夠?qū)⒍喾N材料特性融入華而不實，成本低、結(jié)果與實驗能夠符合得更好，是今后研究切削機理的一個重要手段。4對疲憊壽命的影響切削加工后會在零件外表構(gòu)成一層殘存余留應力場，殘存余留應力場會對零件的疲憊壽命產(chǎn)生明顯影響。一般以為，一定層深分布的殘存余留壓應力會提高零件的疲憊壽命，而殘存余留拉應力的作用恰好相反。國內(nèi)外很多學者研究了殘存余留應力對疲憊壽命的影響，并獲得了階段性的成果。Matsumoto等[4]發(fā)現(xiàn)了次外表層的殘存余留壓應力峰值對疲憊壽命有很大的影響。Sasahara等[40]發(fā)現(xiàn)了當殘存余留應力為壓應力且試樣的硬度高于290HV時，疲憊壽命最長。Schwach等[41]通過聲發(fā)射技術(shù)對疲憊毀壞進行檢測，研究了硬車削外表完好性對疲憊壽命的影響，研究結(jié)果表示清楚，外表附近的殘存余留壓應力能夠提高滾動接觸疲憊壽命，亞外表層的最大殘存余留壓應力的深度和數(shù)值對滾動接觸疲憊壽命的影響不明顯。Liu[42]耦合了殘存余留應力和顯微硬度，并修正了基于斷裂力學的預測模型，預測了套圈的疲憊壽命。Javidi等[43]發(fā)現(xiàn)了刀具圓角和進給速度是影響加工零件表層殘存余留應力的兩個重要參數(shù)，通過對兩者的控制能夠生成比擬好的殘存余留壓應力，進而提高零件的疲憊壽命。Li等[44]發(fā)現(xiàn)硬車削后得到的高殘存余留壓應力和加工硬化使加工外表的疲憊壽命超過了106次循環(huán)載荷作用。也有部分學者通過不同工藝方式方法研究了工藝對疲憊壽命的影響。Ghanem等[45]研究了兩種不同加工工藝〔電火花加工和銑削加工〕對疲憊壽命的影響。分析發(fā)現(xiàn)，相比電火花加工，傳統(tǒng)銑削加工能夠在外表層附近生成很好的殘存余留壓應力，疲憊壽命相應提高了35%.Hashimoto等[46]研究了硬車削和磨削對外表完好性及滾動接觸疲憊壽命的影響，研究結(jié)果表示清楚，在外表粗糙度相差不大的情況下，硬車削比磨削生成的零件疲憊壽命提高了一倍。國內(nèi)很多學者也開展了殘存余留應力對疲憊壽命影響的研究工作。張定銓[47]發(fā)現(xiàn)表層殘存余留壓應力對于承受軸向載荷且疲憊裂紋萌生于外表的零件有益。王欣等[48]研究了圓磨和噴丸生成的殘存余留應力場對疲憊壽命的影響。李振[49]基于有限元軟件MARC,建立了具有平面應變特征的二維滾動接觸疲憊壽命預測模型。劉彥臣[50]通過公式擬合了殘存余留應力對疲憊壽命的影響。高玉魁[51]發(fā)現(xiàn)噴丸強化和擠