切削加工表面層溫度場建模和應(yīng)力分布演變機理研究.pdf

1、零件表面層的殘余應(yīng)力分布對其抗腐蝕、抗疲勞壽命有重大影響，表面層的殘余拉應(yīng)力加速零件服役過程中的腐蝕疲勞裂紋的萌生和擴展，縮短零件使用壽命；而表面層殘余壓應(yīng)力則對腐蝕疲勞裂紋的萌生和擴展起抑制作用，延長零件服役壽命。對于切削加工零件而言，切削加工殘余應(yīng)力的主要來源是切削過程中工件表面層內(nèi)形成的溫度場和應(yīng)力場，而溫度場和應(yīng)力場分布又受到刀具材料和幾何、工件材料特性和切削工藝參數(shù)等因素的影響，因此開展這些因素對切削溫度場和應(yīng)力場形成的影響的

2、研究，是揭示切削加工殘余應(yīng)力生成機理的前提。而對切削加工殘余應(yīng)力生成機理的揭示，可以把握對殘余應(yīng)力生成產(chǎn)生重要影響的敏感變量，再通過對跟這些敏感變量相關(guān)的可控切削工藝參數(shù)進行設(shè)定，來實現(xiàn)對切削加工殘余應(yīng)力的調(diào)控，使得殘余應(yīng)力分布有利于提高零件服役壽命。
　　面對工件切削溫度在切削加工殘余應(yīng)力研究中的重要地位，和目前切削溫度測量精度較差的問題，本文首先從實驗研究的角度，引入物理氣相沉積法開展了外圓車削工件表面層內(nèi)溫度分布的測量，獲得

3、了淺表層內(nèi)溫度滲透深度隨切削速度的增大而減小、隨進給量增大而增大、隨切削深度的增大而增大的規(guī)律，將工件切削溫度測量的空間分辨率提高到微米級。
　　其次從理論的角度采用解析法對切削溫度場進行建模，針對目前 Komanduri和Hou的溫度場模型缺少對工件冷卻過程的考慮而導(dǎo)致溫度場等溫線不收斂的問題，引入加熱時間建立的溫度場模型考慮了切削熱源對工件作用時間有限的問題，使得計算的等溫線變得收斂，從而將工件的冷卻過程考慮到切削過程中來，更

4、符合文獻(xiàn)上熱紅外實驗測量結(jié)果，獲得的溫度滲透深度和物理氣相沉積法實驗結(jié)果一致。
　　在溫度場解析建模的基礎(chǔ)上，針對目前文獻(xiàn)上在殘余應(yīng)力建模前缺少對切削過程應(yīng)力場的分析的問題，利用所建立的溫度場模型計算熱應(yīng)力，并與機械應(yīng)力疊加形成工件內(nèi)的應(yīng)力場，開展對偏應(yīng)力分量和主剪應(yīng)力等值線分布的分析。分析表明偏應(yīng)力分量和主剪應(yīng)力均分布在有限的區(qū)域內(nèi)，這比基于Komanduri和 Hou的溫度場模型計算的應(yīng)力場更符合有限元軟件 ABAQUS仿真結(jié)

5、果和光彈性實驗的結(jié)果。應(yīng)力場的分析驗證為殘余應(yīng)力計算做了鋪墊。
　　在切削應(yīng)力場分析的基礎(chǔ)上，開展了殘余應(yīng)力建模，針對原始?xì)堄鄳?yīng)力模型中的應(yīng)力釋放方程缺少偏應(yīng)力分量的約束條件而導(dǎo)致方程組無定解的問題，引入初始條件及其判據(jù)，即通過將計算的表面殘余應(yīng)力跟實驗測量的表面殘余應(yīng)力進行比較，以其符合程度來判定初始條件。初始條件結(jié)合原始?xì)堄鄳?yīng)力模型的邊界條件，形成了應(yīng)力釋放方程組的定解條件。并用所建立的模型計算分析了殘余應(yīng)力在切削速度方向總是

6、大于垂直方向的現(xiàn)象，和實驗符合得較好。
　　利用以上所建立的解析建模，引入多變量解耦法，從三個角度開展了切削加工殘余應(yīng)力生成機理的分析：首先是解耦分析，開展熱導(dǎo)率、切削力、后刀面摩擦系數(shù)、剪切角、切削寬度、后刀面磨損帶長度、切削厚度、刀具前角和切削速度等基本變量對切削溫度和殘余應(yīng)力的影響規(guī)律的研究；其次是溯源分析，詳細(xì)分析了最高切削溫度、溫度分布深度、表面層內(nèi)最大殘余壓應(yīng)力分布深度和表面殘余應(yīng)力大小的影響機理；最后是耦合分析，利用

7、實際切削中切削參數(shù)帶來的基本變量耦合的現(xiàn)象，進一步討論了進給量、后刀面磨損、刀具前角和切削速度對殘余應(yīng)力影響的內(nèi)在機制，獲得了基本變量的直接作用和耦合作用的疊加對殘余應(yīng)力的影響結(jié)果。
　　接著，在對切削加工殘余應(yīng)力生成機理分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)高品質(zhì)制造對殘余應(yīng)力分布的需求，引入反演的理論方法，為實現(xiàn)切削表面層內(nèi)最大殘余壓應(yīng)力分布深度，提出了基于線性反演的切削參數(shù)反演的數(shù)學(xué)表達(dá)式并進行求解，解決了反演過程普遍出現(xiàn)的多解問題，并分析了反

8、演的誤差來源及減小誤差的途徑。該部分的工作建立了從殘余應(yīng)力到切削參數(shù)的映射關(guān)系，為實際加工中通過切削參數(shù)的選取來調(diào)控殘余應(yīng)力、減少試切次數(shù)提供了計算方法。并基于Matlab平臺將溫度場、應(yīng)力場和殘余應(yīng)力的理論模型進行可視化，構(gòu)建了圖形操作界面。
　　最后，總結(jié)展望全文研究工作，指出本文對二維正交切削所進行的溫度場、應(yīng)力場、殘余應(yīng)力建模和驗證方法，和開展的基于多變量解耦的殘余應(yīng)力生成機理分析、切削參數(shù)反演方法，均可拓展到三維的車削、