机械加工残余应力的生成机理研究综述

所属栏目:机械工程论文 论文作者:/
摘要

  先进制造技术的快速发展对零件的质量和性能提出了更高的要求,各种新兴加工工艺层出不穷,但是传统的材料去除加工工艺在制造领域仍然拥有不可取代的地位。制造零件的性能很大程度上受到加工表面质量的影响,加工表面质量是由表面层和亚表面层的几何、力学、金相等状态量决定。残余应力作为表面质量一个重要的评价参数,受到越来越多的关注。机械加工过程中,伴随着高温、高压、高应变率的塑性变形,在已加工表面会形成一定层深的残余应力分布。切削加工表面残余应力分为残余拉应力和残余压应力。残余应力会对零件的疲劳寿命,蠕变及抗腐蚀性能产生巨大影响。近几十年来很多学者对机械加工残余应力的生成机理进行了研究,并取得了令人瞩目的成绩。

  1 对材料性能的影响

  残余应力是外部载荷卸去后保留在固体内部的自平衡应力,机械加工残余应力来源于机械加工过程中机械载荷、温度梯度、相变等导致的非均匀材料变形。关于内应力概念,最早由德国铁路工程师 Woe-hler 于 1860 年提出的,他认为火车主轴的断裂有内应力作用这个因素。1973 年,德国学者 Macherauch对内应力重新定义,将宏观残余应力称为第一类残余应力,将微观残余应力称为第二、三类残余应力。宏观残余应力存在于材料亚表层较大范围内,微观残余应力存在于晶粒尺寸范围内。一般实际测量到的残余应力指第一类残余应力。

  残余应力依据其数值大小和形态分布对零件的性能影响有利有弊。很多情况下,残余应力是在零件发生故障或者破坏的情况下才被识别。一般认为,一定层深分布的残余压应力对零件的疲劳寿命、蠕变寿命以及抗应力腐蚀性能有利。Brinksmeier 等[1]在1982 年总结了残余应力对机电产品最主要的影响,如图 1 所示。残余应力不仅对产品的使用性能有重要影响,而且其大小和分布可以作为加工工艺参数选择的重要标准。

  

  2 残余应力的检测

  在过去的几十年里,发展了很多用于测量残余应力的先进技术。通常,残余应力的测量可以分为有损和无损两类。对于残余应力在层深分布的测量需要对工件进行一定程度的破坏,因此需要一种直接或者间接有效的测量方法。Lu[2]总结了不同的残余应力测量方法以及各自的优缺点,见表 1.

  在目前的研究中,X 射线衍射法、中子衍射法以及盲孔法是最常用的 3 种残余应力测量方法。实验测量结果表明,中子衍射法和 X 射线衍射法测量结果比较接近。中子衍射测量法的主要优点是可以达到毫米级的渗透深度,缺点是高成本和低空间分辨率。

  盲孔法适合用于对粗大晶体材料的残余应力测量,但是不能测量不同相之间的残余应力。相比较而言,X射线衍射法既是一种无损测量方法,又可以通过剥层法实现不同深度的残余应力测量,目前应用最为广泛。

  3 残余应力的研究方法

  20 世纪 70 年代提出的表面完整性概念的基本研究内容如图 2 所示,作为表面完整性的一个重要表征参数,残余应力的研究取得了令人瞩目的成果。切削加工过程中的切削参数、刀具(刀具几何[3-5]、涂层[3,6-9]、刀具磨损[10]等)、工件材料(硬度[9]、热软化率以及热导率[11])等都会对残余应力的生成有影响,其中进给速度、刀具边缘圆角、刀具磨损对残余应力的影响比较显着。如何通过控制工艺参数得到比较好的残余压应力,进而实现更长的服役寿命成为当下热门的研究课题。本文主要从实验方法、解析模型、有限元方法等 3 个方面介绍切削加工残余应力的生成规律。

  3. 1 实验方法

  研究切削加工机理最常用且最实用的方法就是实验,通过设计不同工艺参数进行对比总结,得出相应结论具有较高的可信度。不过由于实验过程中影响因素较多,很难做到精确地控制变量,且考虑实验装置、仪器、环境、实验样品的一致性问题,实验结果的可重复性较差。在保证实验条件基本一致的前提下,实验仍然是研究工艺参数对残余应力影响最为可靠的一种方式。很多学者都开展了对机加工残余应力生成机理的实验研究,并取得了不少成果。

  Dahlman 等[5]发现一个大的负前角和大的进给速度能够产生很好的表面残余压应力;最大应力的深度随着刀具前角的变大而增加,切削深度对残余应力影响不大。Toshiaki 等[14]设计了一种新型铣刀,这种刀具可以在切削层生成残余压应力,加工表面残余应力在 -100 ~ -200 MPa,在表面以下0. 05 mm 处残余应力大小在 -300 ~ -400 MPa 之间。Capello[15]研究了 3 种材料在切削加工过程中的进给速度、刀具圆角以及切入角对材料表面残余应力的影响,研究结果表明,残余应力生成的基本原理与材料的力学性能无关,材料的力学性能只影响残余应力的平均水平;并且残余应力主要可以通过进给速度和刀具圆角控制。

  Pawade 等[16]开展了高速车削 718 铬镍铁合金的实验,研究了加工工艺和刀具边缘几何参数对加工表面残余应力的影响,研究成果建设性地提出了切削 3 要素对加工表面残余应力的综合影响作用,且建议在切削速度为 475 m/min,进给速度为 0. 05 mm/rev,切削深度为 0. 5/0. 75 mm,配合使用打磨过的刀具边缘时,可以得到较好的残余压应力。覃孟扬等[14]研究了切削刃钝圆对残余应力的影响,结果表明钝圆半径越大,残余压应力越大,应力层越厚。

  通过实验选定的工艺参数可以得到比较满意的残余应力分布,但是并没有从机理层面揭示机械加工过程残余应力的生成原理。因此,在开展实验的基础上,应该多进行仿真建模工作,通过仿真建模和实验结果对比揭示残余应力生成的基本原理,为得到适用性更好的预测模型奠定理论基础。

  3. 2 解析方法

  解析方法是所有预测方法中最难实现的,因为切削加工过程中存在很多不确定因素,这些不确定因素需要通过其他方法表征或者假设来简化。经过简化后的模型得到的结果与实际情况相差很大。但是解析模型是通过物理基础理论推导得到,能够反映切削过程中的物理本质和表面完整性生成机理。在过去的几十年时间里,多数学者将表面完整性的建模过程集中在残余应力建模上。

  Liang 等[18]综合了 Oxley[19]的可预测剪切力模型、Waldorf 等[20]的犁耕力模型及 Komanduri 的热源模型[21-23]进行力热载荷的解析预测,并通过 Mc-Dowell 关于弹塑性滚 / 滑接触问题的算法[24]计算了正交切削条件下的残余应力。Su[25]在预测切削加工表面残余应力的分布时,首先对切削加工过程中的切削力和切削温度分布进行了预测,其次基于接触力学理论计算了工件在切削中的机械应力场分布,并假设材料服从随动硬化规律,最终通过弹塑性加卸载混合算法预测出了残余应力分布。Su 等[26]在原有研究的基础上考虑了立铣刀的几何条件,并将该方法拓展到铣削加工的残余应力预测中。Ulutan 等[27]在用解析法对切削加工残余应力进行建模时,先用有限差分法计算出切削区域工件、刀具以及切屑的温度分布,并用于热应力的计算,在计算塑性应变增量时,假设材料服从等向硬化规律。最终运用弹塑性模型和应力释放处理得到了残余应力的分布,模型预测的结果与文献中的实验数据吻合度较高。Agrawal 等[28]基于Su 的思想,提出了新的机械应力的分布,进而研究了直角切削 AISI 4340 的残余应力的解析模型。Outeiro等[6]研究了涂层刀具和非涂层刀具对车削加工过程中残余应力生成的影响,通过温度和力测量以及建立一个热分区的解析模型来计算车削过程中残余应力变化。

  总的说来,解析建模是研究切削加工过程表面形成机理的一种有效方法,但是实现的过程复杂。切削加工过程中产生的力,通过剪切和摩擦过程生成热,在力和热的综合作用下,材料发生塑性变形和相变。

  塑性变形和相变使材料表面生成加工硬化层。目前提出的解析模型大多只能保证预测趋势的一致性,离模型的实用性还有一定的距离。在将来的研究过程中,需要在解析模型中将切削过程中的几何、力热、硬度、相变等纳入建模过程中,使建模过程更贴近切削过程真实情况。

  3. 3 有限元方法

  由于机械加工过程中残余应力的生成受多方面因素影响,解析模型不能完整地表征工艺参数与残余应力之间的对应关系。自 1980 年以来,很多学者开始通过有限元技术仿真切削加工过程中残余应力的生成。有限元仿真作为研究切削加工的一种方法,由于相对准确、简易、成本低等优势,得到越来越多学者的青睐。

  部分学者研究了刀具几何对残余应力生成的影响。Sasahara 等[29]提出了一种将正交切削模型和刀具圆角压痕模型结合的表面残余应力预测模型,该模型考虑了刀具圆角和进给速度对表面残余应力的影响。结果表明,一个小的刀具圆角可以在垂直切削方向生成较好的残余压应力;随着进给速度的减小,表面残余应力由拉应力向压应力转变。T. zel[30]通过建立三维有限元模型模拟切削过程,并通过 JNAK(Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov) 模型完成对金相组织和晶粒尺寸的建模[31],结果表明,残余压应力随着切削刃钝圆半径的增大而增大。

  也有一部分学者将改进材料的特性如硬度、J-C本构模型、热导率以及热软化率纳入有限元的建模中。Hua 等[32-33]在弹-粘塑性(elastic-viscoplastic)有限元模型的基础上加入了基于流动应力的硬度模型,研究了刀具几何、工件硬度以及切削参数对残余应力的影响。Umbrello 等[34]在数值模拟切削加工的过程中,加入了 5 种不同材料的 J-C 本构模型来描述加工材料的行为,并且通过弹-粘塑性有限元模型预测了切削力、切屑形态、温度分布以及残余应力。Nasr等[35]提出了一种 ALE(Arbitrary-Lagrangian-Eulerian)有限元模型,研究了切削刃钝圆对正交切削过程中残余应力生成的影响,通过该模型预测了热导率和热软化率对残余应力生成的影响。孙雅洲[36-39]等在切削加工的有限元建模上做了大量实质性的工作。

  有限元方法是研究切削机理一种切实有效的方法,在今后的研究中,应该将更多的精力投入到对材料特性的建模中,目前的研究没有考虑切削过程中的相变问题。相比解析建模,有限元方法能够较为直观地观察切削过程中材料表面的变化情况,且能够将多种材料特性融入其中,成本低、结果与实验能够符合得更好,是今后研究切削机理的一个重要手段。

  4 对疲劳寿命的影响

  切削加工后会在零件表面形成一层残余应力场,残余应力场会对零件的疲劳寿命产生明显影响。一般认为,一定层深分布的残余压应力会提高零件的疲劳寿命,而残余拉应力的作用刚好相反。国内外很多学者研究了残余应力对疲劳寿命的影响,并取得了阶段性的成果。

  Matsumoto 等[4]发现了次表面层的残余压应力峰值对疲劳寿命有很大的影响。Sasahara 等[40]发现了当残余应力为压应力且试样的硬度高于 290HV 时,疲劳寿命最长。Schwach 等[41]通过声发射技术对疲劳破坏进行检测,研究了硬车削表面完整性对疲劳寿命的影响,研究结果表明,表面附近的残余压应力可以提高滚动接触疲劳寿命,亚表面层的最大残余压应力的深度和数值对滚动接触疲劳寿命的影响不明显。

  Liu[42]耦合了残余应力和显微硬度,并修正了基于断裂力学的预测模型,预测了套圈的疲劳寿命。Javidi等[43]发现了刀具圆角和进给速度是影响加工零件表层残余应力的两个重要参数,通过对两者的控制可以生成比较好的残余压应力,进而提高零件的疲劳寿命。Li 等[44]发现硬车削后得到的高残余压应力和加工硬化使加工表面的疲劳寿命超过了 106 次循环载荷作用。

  也有部分学者通过不同工艺方法研究了工艺对疲劳寿命的影响。Ghanem 等[45]研究了两种不同加工工艺(电火花加工和铣削加工)对疲劳寿命的影响。分析发现,相比电火花加工,传统铣削加工可以在表面层附近生成很好的残余压应力,疲劳寿命相应提高了 35%.Hashimoto 等[46]研究了硬车削和磨削对表面完整性及滚动接触疲劳寿命的影响,研究结果表明,在表面粗糙度相差不大的情况下,硬车削比磨削生成的零件疲劳寿命提高了一倍。

  国内很多学者也开展了残余应力对疲劳寿命影响的研究工作。张定铨[47]发现表层残余压应力对于承受轴向载荷且疲劳裂纹萌生于表面的零件有益。

  王欣等[48]研究了圆磨和喷丸生成的残余应力场对疲劳寿命的影响。李振[49]基于有限元软件 MARC,建立了具有平面应变特征的二维滚动接触疲劳寿命预测模型。刘彦臣[50]通过公式拟合了残余应力对疲劳寿命的影响。高玉魁[51]发现喷丸强化和挤压强化得到的表层残余压应力能够显着延长带孔构件的疲劳寿命。曾泉人等[52]建立了 GH4169 高温合金外圆模型疲劳试件的疲劳寿命随表面残余应力变化的线性回归经验模型。杨文玉课题组[53-54]针对核电关键组件与海洋重载装备对制造零件的高服役性能要求,系统地研究了切削加工表面完整性的形成机理,通过对切削过程的建模研究了切削参数对残余应力的影响,并且通过实验的方法研究了残余应力对疲劳寿命的影响。

  残余应力对零件的疲劳寿命影响很大,目前多数工作都是通过实验的方法研究残余应力对疲劳寿命的影响,不能从机理层面揭示残余应力对疲劳寿命的作用机理。同时,残余应力的检测,特别是层深分布残余应力的测量以及疲劳试验的开展成本高、周期长。今后的工作应多开展建模仿真工作,把实验作为一种辅助验证手段。

  5 结语

  目前我国制造业正处在由低端向中高端转型阶段,苛刻的现实条件要求制造厂开始关注关键零部件的表面完整性,并将产品的表面完整性纳入到产品的质量验收环节。残余应力作为表面完整性一个重要的评价参数,其科学价值和经济价值日益凸显。切削加工过程中残余应力的生成伴随着剧烈的热力耦合变化过程,将解析模型的建立作为理论的突破口,采取有限元仿真辅助切削实验的研究方法越来越受重视。与此同时,了解残余应力对疲劳寿命的影响可以指导工艺参数的制定,具有重要的现实意义。

'); })();