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轴承钢硬态切削表面残余应力的研究

发布时间:2020-02-22
陶亮1 陈海虹1 陈超2 刘爱军1
(1.贵州理工学院;2.襄阳汽车轴承股份有限公司工具分厂)
  摘 要:为了揭示轴承钢硬态切削中切削用量对工件已加工表面残余应力的影响规律,运用金属切削软件AdvantEdge在不同切削用量条件下进行了热力耦合切削仿真。结果表明:硬态切削后工件已加工表面出现残余压应力,随着深度的增加残余压应力值减小并逐渐转变为拉应力;切削速度和进给量对残余压应力影响较大,残余压应力最大值随着切削速度的增加呈先减小后增加的趋势,但作用深度变化较小,进给量增加时残余压应力最大值和作用深度均增加;背吃刀量增加时残余压应力最大值和作用深度变化幅度很小。研究结果可为残余应力控制和工艺参数优化提供理论指导。
  【关键词】 切削用量;硬态切削;残余应力;AdvantEdge
  从20世纪70年代开始硬态切削技术就得到了极大的关注,它能够代替传统磨削方式对高硬度材料进行精密切削加工,具有加工时间短、环境污染小、生产成本低等优点,在航空航天、汽车、模具、轴承等多个行业得到了广泛的应用。切削完成后会在工件已加工表面产生残余应力,给零件使用性能和疲劳寿命等带来不利影响,因此开展工件已加工表面残余应力预测和控制研究具有重要意义。
  国内外学者对硬态切削产生的残余应力开展了大量研究。Umbrello D.等采用人工神经网络和有限元技术开展了AISI 52100钢硬态切削过程中工件已加工表面残余应力预测和切削参数优化研究;Dahlman D.等进行了AISI 52100钢硬态切削试验,研究了刀具前角、进给量以及背吃刀量对已加工表面残余应力的影响规律;HuaJ.等利用倒棱和钝圆刀具开展AISI 52100钢硬态切削试验,研究了进给量、工件材料硬度以及刀具几何刃刃口形式对已加工表面残余应力的影响规律;Liu M.等完成了不同钝圆半径刀具对JISSUJ2钢的硬态切削试验,分析了钝圆半径对残余应力的影响;彭锐涛等建立了预应力切削的三维热力耦合有限元模型,对轴承套圈的预应力硬态切削过程进行了模拟,获得了不同预应力条件下的切削力、切削温度和已加工表面残余应力的分布规律。
  本文基于AdvantEdge金属切削软件对GCr15淬硬轴承钢的干式硬态切削过程进行仿真,分析切削过程中切削温度和切削力的变化情况,研究切削用量对工件已加工表面残余应力的影响规律,研究结果可为残余应力控制和工艺参数优化提供理论指导。
  1 切削模型的建立
  仿真刀具材料为CBN,工件材料为GCr15,刀具和工件材料主要力学、物理性能见表1。
表1 刀具和工件材料主要性能
  (1)材料本构模型
  本文采用Johnson-Cook本构模型描述工件材料本构行为,它适用于高温、大变形以及大应变速率等场合,具体表达式为
  式中,A、B、C、m、n分别为材料模型参数,数值如表2所示;为等效塑性应变率,为参考塑性应变率;σ为流动应力;ε为等效塑性应变;Tr、Tm分别为环境温度与材料熔点。
表2 工件材料J-C本构参数
  (2)切削模型与网格划分
  仿真中采用的切削参数如表3所示,工件模型长4mm,高2mm,采用自适应网格重划分技术划分刀具网格。为避免单元变形后网格重划分降低仿真精度,在刀具切削刃圆弧处设置为三个以上单元。整个切削模型工件由高精度六节点平面应变三角形单元构成。单元最小尺寸0.02mm,最大尺寸0.1mm。网格划分等级G取0.4,它决定了刀具切削刃处网格单元粗细转变的快慢程度。建立的二维正交切削模型如图1所示。
表3 刀具参数和切削用量

图1 二维正交切削模型
  2 仿真结果与分析
  图2为不同切削用量条件下已加工表面的残余应力分布曲线。由图可以看出,在选定的切削用量条件下,工件已加工表面均出现残余压应力,随着深度的增加残余压应力值减小并逐渐转变为拉应力。产生该现象的原因主要为:刀具后刀面与已加工表面的摩擦产生塑性变形,即“挤光”效应,此时“挤光”效应引起的残余压应力大于热载荷引起的拉应力,从而在已加工表面形成残余压应力;随着深度的增加,“挤光”效应减弱,热载荷产生的残余拉应力影响逐渐增强,使残余压应力逐渐减小。
  (a)切削速度的影响(ap=0.25mm、f=0.3mm/r)
  (b)进给量的影响(ap=0.25mm、Vc=150m/min)
  (c)背吃刀量的影响(f=0.3mm/r、Vc=150m/min)
图2 不同切削用量对残余应力分布的影响
  (1)切削速度对残余应力的影响
  图3为切削速度对残余应力的影响规律。由图可知,随着切削速度的增加,残余压应力最大值呈先减小后增加的趋势,但其作用深度变化幅度较小,因此可以认为切削速度对残余压应力的影响较大。产生该现象的原因主要为:在50-150m/min速度范围内,切削速度增加时切削温度上升较快,工件表层内热载荷产生的残余拉应力增加导致残余压应力最大值减小;150-250m/min速度范围内,随着切削速度的进一步增加,切削温度上升速率减缓(见图4),“挤光”效应强于热效应的作用,因此残余压应力的最大值反而增加。
图3 切削速度对残余应力的影响
图4 切削速度对切削温度的影响
  (2)进给量对残余应力的影响
  图5为进给量对残余应力的影响规律。由图可知,残余压应力最大值和作用深度均随进给量的增加而增加,可认为进给量对残余压应力的影响较大。这是因为进给量的增加在一定程度上使切削温度升高(见图6),增强了热效应作用,导致残余拉应力增加,也增大了切削力,加大工件材料塑性变形程度(见图6),最终“挤光”效应占主导地位,使残余压应力最大值增加。
图5 进给量对残余应力的影响
图6 进给量对切削温度和切削力的影响
图7 背吃刀量对残余应力的影响
图8 背吃刀量对切削力的影响
  (3)背吃刀量对残余应力的影响
  图7为背吃刀量对残余应力的影响图,从图可以看出,背吃刀量增加时残余压应力最大值和作用深度变化幅度均很小,因此可以认为背吃刀量对残余应力的影响不明显。其主要原因为:背吃刀量增加,切削力随之增大(见图8),但刀刃在单位长度上对切削力的影响变化不大,所以对塑性变形影响较小,因此残余压应力值变化较小。
  小结
  本文基于AdvantEdge金属切削软件对GCr15淬硬轴承钢的硬态切削过程进行仿真,研究了切削用量对工件已加工表面残余应力的影响规律,得出以下结论:
  (1)淬硬轴承钢硬态切削后工件已加工表面出现残余压应力,随着深度的增加残余压应力值减小并逐渐转变为拉应力。
  (2)切削速度和进给量对残余压应力影响较大:切削速度增加时,残余压应力最大值呈先减小后增加的趋势,作用深度变化幅度较小;进给量增加时残余压应力最大值和作用深度均增加。
  (3)背吃刀量对残余应力的影响不明显:背吃刀量增加时残余压应力最大值和作用深度变化幅度均很小。
来源:《工具技术》2018年第12期
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