切削加工表面層溫度場(chǎng)建模和應(yīng)力分布演變機(jī)理研究.pdf

1、零件表面層的殘余應(yīng)力分布對(duì)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(guò)程中的腐蝕疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，縮短零件使用壽命；而表面層殘余壓應(yīng)力則對(duì)腐蝕疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展起抑制作用，延長(zhǎng)零件服役壽命。對(duì)于切削加工零件而言，切削加工殘余應(yīng)力的主要來(lái)源是切削過(guò)程中工件表面層內(nèi)形成的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，而溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)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(kāi)展這些因素對(duì)切削溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)形成的影響的

2、研究，是揭示切削加工殘余應(yīng)力生成機(jī)理的前提。而對(duì)切削加工殘余應(yīng)力生成機(jī)理的揭示，可以把握對(duì)殘余應(yīng)力生成產(chǎn)生重要影響的敏感變量，再通過(guò)對(duì)跟這些敏感變量相關(guān)的可控切削工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(cè)量精度較差的問(wèn)題，本文首先從實(shí)驗(yàn)研究的角度，引入物理氣相沉積法開(kāi)展了外圓車(chē)削工件表面層內(nèi)溫度分布的測(cè)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(jìn)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(cè)量的空間分辨率提高到微米級(jí)。
　　其次從理論的角度采用解析法對(duì)切削溫度場(chǎng)進(jìn)行建模，針對(duì)目前 Komanduri和Hou的溫度場(chǎng)模型缺少對(duì)工件冷卻過(guò)程的考慮而導(dǎo)致溫度場(chǎng)等溫線不收斂的問(wèn)題，引入加熱時(shí)間建立的溫度場(chǎng)模型考慮了切削熱源對(duì)工件作用時(shí)間有限的問(wèn)題，使得計(jì)算的等溫線變得收斂，從而將工件的冷卻過(guò)程考慮到切削過(guò)程中來(lái)，更

4、符合文獻(xiàn)上熱紅外實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，獲得的溫度滲透深度和物理氣相沉積法實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。
　　在溫度場(chǎng)解析建模的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前文獻(xiàn)上在殘余應(yīng)力建模前缺少對(duì)切削過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)的分析的問(wèn)題，利用所建立的溫度場(chǎng)模型計(jì)算熱應(yīng)力，并與機(jī)械應(yīng)力疊加形成工件內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)，開(kāi)展對(duì)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(chǎng)模型計(jì)算的應(yīng)力場(chǎng)更符合有限元軟件 ABAQUS仿真結(jié)

5、果和光彈性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。應(yīng)力場(chǎng)的分析驗(yàn)證為殘余應(yīng)力計(jì)算做了鋪墊。
　　在切削應(yīng)力場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了殘余應(yīng)力建模，針對(duì)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(wú)定解的問(wèn)題，引入初始條件及其判據(jù)，即通過(guò)將計(jì)算的表面殘余應(yīng)力跟實(shí)驗(yàn)測(cè)量的表面殘余應(yīng)力進(jìn)行比較，以其符合程度來(lái)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(gè)角度開(kāi)展了切削加工殘余應(yīng)力生成機(jī)理的分析：首先是解耦分析，開(kāi)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(zhǎng)度、切削厚度、刀具前角和切削速度等基本變量對(duì)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(jī)理；最后是耦合分析，利用

7、實(shí)際切削中切削參數(shù)帶來(lái)的基本變量耦合的現(xiàn)象，進(jìn)一步討論了進(jìn)給量、后刀面磨損、刀具前角和切削速度對(duì)殘余應(yīng)力影響的內(nèi)在機(jī)制，獲得了基本變量的直接作用和耦合作用的疊加對(duì)殘余應(yīng)力的影響結(jié)果。
　　接著，在對(duì)切削加工殘余應(yīng)力生成機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)高品質(zhì)制造對(duì)殘余應(yīng)力分布的需求，引入反演的理論方法，為實(shí)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(jìn)行求解，解決了反演過(guò)程普遍出現(xiàn)的多解問(wèn)題，并分析了反

8、演的誤差來(lái)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(shí)際加工中通過(guò)切削參數(shù)的選取來(lái)調(diào)控殘余應(yīng)力、減少試切次數(shù)提供了計(jì)算方法。并基于Matlab平臺(tái)將溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和殘余應(yīng)力的理論模型進(jìn)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(duì)二維正交切削所進(jìn)行的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、殘余應(yīng)力建模和驗(yàn)證方法，和開(kāi)展的基于多變量解耦的殘余應(yīng)力生成機(jī)理分析、切削參數(shù)反演方法，均可拓展到三維的車(chē)削、