機(jī)械加工殘余應(yīng)力的生成機(jī)理研究綜述,機(jī)械工程論文

機(jī)械加工殘余應(yīng)力的生成機(jī)理研究綜述,機(jī)械工程論文先進(jìn)制造技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)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(xué)、金相等狀態(tài)量決定。殘存余留應(yīng)力作為外表質(zhì)量一個(gè)重要的評(píng)價(jià)參數(shù)，遭到越來越多的關(guān)注。機(jī)械加工經(jīng)過中，伴隨著高溫、高壓、高應(yīng)變率的塑性變形，在已加工外表會(huì)構(gòu)成一定層深的殘存余留應(yīng)力分布。切削加工外表殘存余留應(yīng)力分為殘存余留拉應(yīng)力和殘存余留壓應(yīng)力。殘存余留應(yīng)力會(huì)對(duì)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(xué)者對(duì)機(jī)械加工殘存余留應(yīng)力的生成機(jī)理進(jìn)行了研究，并獲得了令人矚目的成績(jī)。1對(duì)材料性能的影響殘存余留應(yīng)力是外部載荷卸去后保存在固體內(nèi)部的自平衡應(yīng)力，機(jī)械加工殘存余留應(yīng)力來源于機(jī)械加工經(jīng)過中機(jī)械載荷、溫度梯度、相變等導(dǎo)致的非均勻材料變形。關(guān)于內(nèi)應(yīng)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(yīng)力作用這個(gè)因素。1973年，德國學(xué)者M(jìn)acherauch對(duì)內(nèi)應(yīng)力重新定義，將宏觀殘存余留應(yīng)力稱為第一類殘存余留應(yīng)力，將微觀殘存余留應(yīng)力稱為第二、三類殘存余留應(yīng)力。宏觀殘存余留應(yīng)力存在于材料亞表層較大范圍內(nèi)，微觀殘存余留應(yīng)力存在于晶粒尺寸范圍內(nèi)。一般實(shí)際測(cè)量到的殘存余留應(yīng)力指第一類殘存余留應(yīng)力。殘存余留應(yīng)力根據(jù)其數(shù)值大小和形態(tài)分布對(duì)零件的性能影響有利有弊。很多情況下，殘存余留應(yīng)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(yīng)力對(duì)零件的疲憊壽命、蠕變壽命以及抗應(yīng)力腐蝕性能有利。Brinksmeier等[1]在1982年總結(jié)了殘存余留應(yīng)力對(duì)機(jī)電產(chǎn)品最主要的影響，如此圖1所示。殘存余留應(yīng)力不僅對(duì)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(biāo)準(zhǔn)。2殘存余留應(yīng)力的檢測(cè)在過去的幾十年里，發(fā)展了很多用于測(cè)量殘存余留應(yīng)力的先進(jìn)技術(shù)。通常，殘存余留應(yīng)力的測(cè)量能夠分為有損和無損兩類。對(duì)于殘存余留應(yīng)力在層深分布的測(cè)量需要對(duì)工件進(jìn)行一定程度的毀壞，因而需要一種直接或者間接有效的測(cè)量方式方法。Lu[2]總結(jié)了不同的殘存余留應(yīng)力測(cè)量方式方法以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，見表1.在當(dāng)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(yīng)力測(cè)量方式方法。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表示清楚，中子衍射法和X射線衍射法測(cè)量結(jié)果比擬接近。中子衍射測(cè)量法的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠到達(dá)毫米級(jí)的浸透深度，缺點(diǎn)是高成本和低空間分辨率。盲孔法合適用于對(duì)粗大晶體材料的殘存余留應(yīng)力測(cè)量，但是不能測(cè)量不同相之間的殘存余留應(yīng)力。相比擬而言，X射線衍射法既是一種無損測(cè)量方式方法，又能夠通過剝層法實(shí)現(xiàn)不同深度的殘存余留應(yīng)力測(cè)量，當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛。3殘存余留應(yīng)力的研究方式方法20世紀(jì)70年代提出的外表完好性概念的基本研究?jī)?nèi)容如此圖2所示，作為外表完好性的一個(gè)重要表征參數(shù)，殘存余留應(yīng)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(dǎo)率[11]〕等都會(huì)對(duì)殘存余留應(yīng)力的生成有影響，華而不實(shí)進(jìn)給速度、刀具邊緣圓角、刀具磨損對(duì)殘存余留應(yīng)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(yīng)力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的服役壽命成為當(dāng)下熱門的研究課題。本文主要從實(shí)驗(yàn)方式方法、解析模型、有限元方式方法等3個(gè)方面介紹切削加工殘存余留應(yīng)力的生成規(guī)律。3.1實(shí)驗(yàn)方式方法研究切削加工機(jī)理最常用且最實(shí)用的方式方法就是實(shí)驗(yàn)，通過設(shè)計(jì)不同工藝參數(shù)進(jìn)行比照總結(jié)，得出相應(yīng)結(jié)論具有較高的可信度。不過由于實(shí)驗(yàn)經(jīng)過中影響因素較多，很難做到精到準(zhǔn)確地控制變量，且考慮實(shí)驗(yàn)裝置、儀器、環(huán)境、實(shí)驗(yàn)樣品的一致性問題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性較差。在保證實(shí)驗(yàn)條件基本一致的前提下，實(shí)驗(yàn)仍然是研究工藝參數(shù)對(duì)殘存余留應(yīng)力影響最為可靠的一種方式。很多學(xué)者都開展了對(duì)機(jī)加工殘存余留應(yīng)力生成機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究，并獲得了不少成果。Dahlman等[5]發(fā)現(xiàn)一個(gè)大的負(fù)前角和大的進(jìn)給速度能夠產(chǎn)生很好的外表殘存余留壓應(yīng)力；最大應(yīng)力的深度隨著刀具前角的變大而增加，切削深度對(duì)殘存余留應(yīng)力影響不大。Toshiaki等[14]設(shè)計(jì)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(yīng)力，加工外表殘存余留應(yīng)力在-100~-200MPa,在外表下面0.05mm處殘存余留應(yīng)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(jìn)給速度、刀具圓角以及切入角對(duì)材料外表殘存余留應(yīng)力的影響，研究結(jié)果表示清楚，殘存余留應(yīng)力生成的基本原理與材料的力學(xué)性能無關(guān)，材料的力學(xué)性能只影響殘存余留應(yīng)力的平均水平；并且殘存余留應(yīng)力主要能夠通過進(jìn)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(shí)驗(yàn)，研究了加工工藝和刀具邊緣幾何參數(shù)對(duì)加工外表殘存余留應(yīng)力的影響，研究成果建設(shè)性地提出了切削3要素對(duì)加工外表殘存余留應(yīng)力的綜合影響作用，且建議在切削速度為475m/min,進(jìn)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(shí)，能夠得到較好的殘存余留壓應(yīng)力。覃孟揚(yáng)等[14]研究了切削刃鈍圓對(duì)殘存余留應(yīng)力的影響，結(jié)果表示清楚鈍圓半徑越大，殘存余留壓應(yīng)力越大，應(yīng)力層越厚。通過實(shí)驗(yàn)選定的工藝參數(shù)能夠得到比擬滿意的殘存余留應(yīng)力分布，但是并沒有從機(jī)理層面揭示機(jī)械加工經(jīng)過殘存余留應(yīng)力的生成原理。因而，在開展實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)該多進(jìn)行仿真建模工作，通過仿真建模和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比照揭示殘存余留應(yīng)力生成的基本原理，為得到適用性更好的預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)方式方法中最難實(shí)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(jiǎn)化。經(jīng)過簡(jiǎn)化后的模型得到的結(jié)果與實(shí)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(dǎo)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(jī)理。在過去的幾十年時(shí)間里，多數(shù)學(xué)者將外表完好性的建模經(jīng)過集中在殘存余留應(yīng)力建模上。Liang等[18]綜合了Oxley[19]的可預(yù)測(cè)剪切力模型、Waldorf等[20]的犁耕力模型及Komanduri的熱源模型[21-23]進(jìn)行力熱載荷的解析預(yù)測(cè)，并通過Mc-Dowell關(guān)于彈塑性滾/滑接觸問題的算法[24]計(jì)算了正交切削條件下的殘存余留應(yīng)力。Su[25]在預(yù)測(cè)切削加工外表殘存余留應(yīng)力的分布時(shí)，首先對(duì)切削加工經(jīng)過中的切削力和切削溫度分布進(jìn)行了預(yù)測(cè)，其次基于接觸力學(xué)理論計(jì)算了工件在切削中的機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)分布，并假設(shè)材料服從隨動(dòng)硬化規(guī)律，最終通過彈塑性加卸載混合算法預(yù)測(cè)出了殘存余留應(yīng)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(yīng)力預(yù)測(cè)中。Ulutan等[27]在用解析法對(duì)切削加工殘存余留應(yīng)力進(jìn)行建模時(shí)，先用有限差分法計(jì)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(yīng)力的計(jì)算，在計(jì)算塑性應(yīng)變?cè)隽繒r(shí)，假設(shè)材料服從等向硬化規(guī)律。最終運(yùn)用彈塑性模型和應(yīng)力釋放處理得到了殘存余留應(yīng)力的分布，模型預(yù)測(cè)的結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高。Agrawal等[28]基于Su的思想，提出了新的機(jī)械應(yīng)力的分布，進(jìn)而研究了直角切削AISI4340的殘存余留應(yīng)力的解析模型。Outeiro等[6]研究了涂層刀具和非涂層刀具對(duì)車削加工經(jīng)過中殘存余留應(yīng)力生成的影響，通過溫度和力測(cè)量以及建立一個(gè)熱分區(qū)的解析模型來計(jì)算車削經(jīng)過中殘存余留應(yīng)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(jī)理的一種有效方式方法，但是實(shí)現(xiàn)的經(jīng)過復(fù)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(dāng)前提出的解析模型大多只能保證預(yù)測(cè)趨勢(shì)的一致性，離模型的實(shí)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(shí)情況。3.3有限元方式方法由于機(jī)械加工經(jīng)過中殘存余留應(yīng)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(yīng)力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。自1980年以來，很多學(xué)者開場(chǎng)通過有限元技術(shù)仿真切削加工經(jīng)過中殘存余留應(yīng)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(duì)準(zhǔn)確、簡(jiǎn)易、成本低等優(yōu)勢(shì)，得到越來越多學(xué)者的青睞。部分學(xué)者研究了刀具幾何對(duì)殘存余留應(yīng)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(yīng)力預(yù)測(cè)模型，該模型考慮了刀具圓角和進(jìn)給速度對(duì)外表殘存余留應(yīng)力的影響。結(jié)果表示清楚，一個(gè)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(yīng)力；隨著進(jìn)給速度的減小，外表殘存余留應(yīng)力由拉應(yīng)力向壓應(yīng)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(duì)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(yīng)力隨著切削刃鈍圓半徑的增大而增大。也有一部分學(xué)者將改良材料的特性如硬度、J-C本構(gòu)模型、熱導(dǎo)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(dòng)應(yīng)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(duì)殘存余留應(yīng)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(yù)測(cè)了切削力、切屑形態(tài)、溫度分布以及殘存余留應(yīng)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(duì)正交切削經(jīng)過中殘存余留應(yīng)力生成的影響，通過該模型預(yù)測(cè)了熱導(dǎo)率和熱軟化率對(duì)殘存余留應(yīng)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(jī)理一種切實(shí)有效的方式方法，在今后的研究中，應(yīng)該將更多的精神投入到對(duì)材料特性的建模中，當(dāng)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(shí)，成本低、結(jié)果與實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚍系酶?，是今后研究切削機(jī)理的一個(gè)重要手段。4對(duì)疲憊壽命的影響切削加工后會(huì)在零件外表構(gòu)成一層殘存余留應(yīng)力場(chǎng)，殘存余留應(yīng)力場(chǎng)會(huì)對(duì)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(yīng)力會(huì)提高零件的疲憊壽命，而殘存余留拉應(yīng)力的作用恰好相反。國內(nèi)外很多學(xué)者研究了殘存余留應(yīng)力對(duì)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(yīng)力峰值對(duì)疲憊壽命有很大的影響。Sasahara等[40]發(fā)現(xiàn)了當(dāng)殘存余留應(yīng)力為壓應(yīng)力且試樣的硬度高于290HV時(shí)，疲憊壽命最長(zhǎng)。Schwach等[41]通過聲發(fā)射技術(shù)對(duì)疲憊毀壞進(jìn)行檢測(cè)，研究了硬車削外表完好性對(duì)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(yīng)力能夠提高滾動(dòng)接觸疲憊壽命，亞外表層的最大殘存余留壓應(yīng)力的深度和數(shù)值對(duì)滾動(dòng)接觸疲憊壽命的影響不明顯。Liu[42]耦合了殘存余留應(yīng)力和顯微硬度，并修正了基于斷裂力學(xué)的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)了套圈的疲憊壽命。Javidi等[43]發(fā)現(xiàn)了刀具圓角和進(jìn)給速度是影響加工零件表層殘存余留應(yīng)力的兩個(gè)重要參數(shù)，通過對(duì)兩者的控制能夠生成比擬好的殘存余留壓應(yīng)力，進(jìn)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(yīng)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(xué)者通過不同工藝方式方法研究了工藝對(duì)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(duì)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(yīng)力，疲憊壽命相應(yīng)提高了35%.Hashimoto等[46]研究了硬車削和磨削對(duì)外表完好性及滾動(dòng)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(xué)者也開展了殘存余留應(yīng)力對(duì)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(yīng)力對(duì)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(yīng)力場(chǎng)對(duì)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(yīng)變特征的二維滾動(dòng)接觸疲憊壽命預(yù)測(cè)模型。劉彥臣[50]通過公式擬合了殘存余留應(yīng)力對(duì)疲憊壽命的影響。高玉魁[51]發(fā)現(xiàn)噴丸強(qiáng)化和擠