基于力-热-组织多场耦合的铣削加工表面层残余应力预测方法

摘要

一种基于力‑热‑组织多场耦合的铣削加工表面层残余应力预测方法，通过构建力作用下、热作用下和组织作用下的残余应力模型，基于赫兹滚滑动接触理论构建弹性应力场，对切削机械载荷进行求解，分析应力加载和应力卸载过程，然后求解残余应力；分别对热，即温度场作用下残余应力以及对组织场作用下残余应力建模，计算任一点处因相变引起的体积改变比，基于线弹性胡可定律求解因相变体积变化带来的残余应力；最后在力‑热‑组织多场耦合作用下得到切削表面层的最终残余应力。本发明能够准确反映切削表面层残余应力受切削过程力、温度以及微观组织多场耦合影响的真实物理机制，并对切削表面残余应力场做出准确预测。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种基于力-热-组织多场耦合的铣削加工表面层残余应力预测方法。

背景技术

切削加工表面层残余应力的形成机理较为复杂，是在切削力、切削热以及表面层组织演变耦合作用下产生的。在不同的刀具结构、工艺参量和冷却润滑因素下，力、热、组织三场作用区范围和对残余应力形成的贡献也有所不同。一般地，热作用区贯穿于整个表面层，组织作用区与线速度和辅助冷却方式密切相关，力作用区与刃口钝圆半径密切相关。

现有有限元方法在计算切削力和切削温度场方面具有快速、直观的优势，然而，其内嵌的残余应力算法较为简单，具有较大的局限性，不能准确反映切削表面层残余应力受切削过程力、温度以及微观组织多场耦合影响的真实物理机制，导致最终计算获得的残余应力结果与实际不符。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于力-热-组织多场耦合的铣削加工表面层残余应力预测方法，根据切削表面层的材料流动和热力作用特点，对切削表面层材料受到的切削力、切削热以及微观组织三种物理场的作用机制分别进行分析并予以建模，能够准确反映切削表面层残余应力受切削过程力、温度以及微观组织多场耦合影响的真实物理机制，并对切削表面残余应力场做出准确预测。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于力-热-组织多场耦合的铣削加工表面层残余应力预测方法，通过构建力作用下、热作用下和组织作用下的残余应力模型，基于赫兹滚滑动接触理论构建弹性应力场，对切削机械载荷进行求解，分析应力加载和应力卸载过程，然后求解残余应力；分别对热，即温度场作用下残余应力以及对组织场作用下残余应力建模，计算任一点处因相变引起的体积改变比，基于线弹性胡可定律求解因相变体积变化带来的残余应力；最后在力-热-组织多场耦合作用下得到切削表面层的最终残余应力。

所述的模型包括：力作用下残余应力模型、热作用下残余应力模型和组织作用下残余应力模型。

所述的铣削加工，满足：1)钛合金的铣削加工过程保持为平面应变状态，即不考虑刀具轴向力给残余应力带来的影响；2)工件材料为连续介质。

所述的对力作用下残余应力建模，基于有效残余塑性应变的残余应力形成预测模型，在材料流动应力低于其单向准静态拉伸强度的范围内，工件发生的塑性应变都将被有效积累并最终成为有效残余塑性应变，即材料的单向准静态拉伸强度是用以判断材料变形过程中的塑性应变是将被视为有效而累加还是将被视为无效而忽略的量度。

所述的对力作用下残余应力建模，具体为：将刀齿高速移动并对工件材料进行切削的时变轨迹离散成一系列密集、有序排布的刀具位置点，并将刀具的动态运动切削过程近似看作为刀具在这些静态刀位点上的有序拼接，刀具在动态运动时的时变几何位姿和由此带来的时变力热载荷也被有序离散作用到各个对应刀位点处，当离散刀位点足够密集时，刀齿在刀位点之间的运动给工件带来的影响即可予以忽略。

所述的弹性应力场是指：在每个刀位点上，刀齿对工件作用产生的载荷场可采用赫兹滚滑动理论进行求解。滚滑动接触模型认为距离工件表面相同深度的所有点承受的外加应力历程是相同的，而沿不同深度上的点所受的应力状态则不相同。刀具切削工件时产生的变形区是切削力的主要来源，各变形区的切削力沿变形区按一定关系分布并可正交分解为切向应力p(s)和法向应力q(s)两个部分。根据赫兹滚滑动接触理论，外加载荷切向应力p(s)和法向应力q(s)作用在区域(-a

所述的对切削机械载荷进行求解是指：在刀具运动到刀位点k时，切削表面层微单元体的实际应力状态σ

所述的应力加载是指：将采用材料自身的准静态拉伸强度作为用于计算有效塑性应变的界限应力。当外加载荷应力超过该界限应力时，考虑到材料的大尺度塑性流动能够使应力集中得到缓和，将外加载荷应力实行“截断”处理，即对其超出界限应力的应力部分予以忽略，仅采用界限应力值计算与残余应力形成直接相关的有效塑性应变。当外加载荷应力小于该界限应力时，则按实际外加载荷应力计算有效塑性应变，即实际应力

所述的借鉴纯弹性的Mcdowell混合算法模型具体为：

所述的应力卸载是指：当刀齿在第k个刀位点对工件表面层的微单元体加载完成即将移动到第k+1个刀位点时，对第k步的特定应力应变进行卸载以求出当前步的残余应力

所述的求解残余应力是指：在第k步的应力卸载完成后，刀具即将进入到第k+1个刀位点时，工件表面层的残余应力

所述的温度场作用下残余应力是指：在机械残余应力基础上，对X和Y两个方向叠加热残余应力，Z方向则不予考虑；使用界限应力方法对最终残余应力大小进行判断和修正，其中：切削温度降低引起的热残余应力

所述的组织场作用下残余应力是指：根据各相在等质量条件下的体积比，得到加工表面层某点处因相变引起的体积改变比，根据线弹性胡克定律求解由相变体积变化带来的残余应力

所述的最终残余应力为：

技术效果

本发明整体上解决了现有技术无法对铣削加工表面层形成的残余应力预测的技术问题。与现有技术相比，本发明可准确预测铣削加工表面残余应力值，为实现加工表面残余应力主动调控来提高服役零件的疲劳寿命提供了依据。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2是本发明的铣削过程表面残余应力形成过程示意图；

图3是本发明的赫兹应力边界示意图；

图4是本发明的切削第一变形区和第三变形区的机械应力分布示意图；

图5是本发明的钛合金各相的点阵结构图。

图6是本发明的沿进给方向的浇注式铣削表面层残余应力预测值和试验值对比图

图7是本发明的垂直于进给方向的浇注式铣削表面层残余应力预测值和试验值对比图

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种基于力-热-组织多场耦合的铣削加工表面层残余应力预测方法，通过构建力作用下、热作用下和组织作用下的残余应力模型，基于

赫兹滚滑动接触理论构建弹性应力场，对切削机械载荷进行求解，分析应力加载和应力卸载过程，然后求解残余应力；分别对热，即温度场作用下残余应力以及对组织场作用下残余应力建模，计算任一点处因相变引起的体积改变比，基于线弹性胡可定律求解因相变体积变化带来的残余应力；最后在力-热-组织多场耦合作用下得到切削表面层的最终残余应力。

如图2所示，当刀齿切入工件并运动到某一刀位点时，刀齿对工件产生应力作用，工件表面层上位于刃口附近的微小单元体将经历一个加载过程；当刀齿离开该刀位点时，工件表面层上的微小单元体将经历一个卸载过程，并在工件表面层生成对应该刀位点的残余应力；随后，刀齿移动至下一刀位点并首先执行应力加载，产生的新应力场同上一刀位点对应的残余应力叠加即为当前刀位点对应的实际加载应力，应力加载完毕后即执行应力卸载过程。如此对刀齿运动轨迹上的所有刀位点进行遍历并在每个刀位点处分别执行一个应力加载与卸载循环，直至刀具刃口完全切出工件为止。经历上述系列加载和卸载过程后最终残留在工件表面层上的应力即为刀具对工件进行动态切削导致的残余应力。

如图3所示，根据赫兹滚滑动理论可以认为距离工件表面相同深度的所有点承受的外加应力历程是相同的，而沿不同深度上的点所受的应力状态则不相同。

如图4所示，刀具切削工件时中能够对已加工表面产生影响的机械载荷主要包括作用在第一变形区的切屑形成力和作用在第三变形区的刃口耕犁力，由于第一变形区的应力包含了第二变形区产生的应力成分，因此对第二变形区的应力场不作分析。

如图5所示，相变发生后，表面层材料的体积有所变化，若体积增大，则会带来残余压应力；若体积减小，则会带来残余拉应力。

本实施例以工艺参数fz＝0.1mm，vc＝0.75m/min，刀具后角为6°，刃口半径为10μm，开展浇注式切削实验。

在本实施例参数范围内，铣削已加工表面的温度峰值较低，在升温过程中无高温β相析出，导致后续急速降温阶段无亚稳β相存在，因而不会出现马氏体相变。在本发明研究工艺参数范围内，表面层组织物相转变引起的残余应力作用为零。在本发明后续理论技计算中，铣削表面层残余应力主要由机械作用和热作用构成，不再考虑相变的作用。

在浇注式切削条件下，沿进给方向和垂直于进给方向的铣削表面层残余应力理论预测值和试验测量值对比如图6和图7所示。可见，表面层残余应力深度接近40μm，以压应力为主，沿进给方向上，最外表面残余压应力约为287MPa左右，而在垂直于进给方向上，最外表面残余压应力则达到420MPa。从最外表面向内，残余压应力的数值逐渐减小并趋向于零，并且在两个不同方向上的变化趋势近似相同。

综上所述，本发明基于力-热-组织多场耦合的铣削加工表面层残余应力可准确预测铣削加工表面残余应力值，大大减小了人力物力成本，同时为实现加工表面残余应力主动调控来提高服役零件的疲劳寿命提供了依据。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。