后刀面磨損對加工表面殘余應力的影響研究*

康 強，李占平，李元芳

(1.中煤科工集團國際工程有限公司，北京 100013；2.中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

已加工表面質量是零件加工過程中的主要指標，其好壞直接影響到零件或機器的使用性能和工作壽命，而殘余應力又是衡量已加工表面質量的一項重要指標。切削是零件加工過程中一種重要的工藝手段，切削過程中多種因素會對零件的加工表面殘余應力產生影響，比如刀具磨損，而刀具后刀面磨損又是刀具磨損的重要表現形式；因此，有必要研究后刀面磨損對殘余應力的影響[1-2]。

齒圈是典型的弱剛度高精度零件，由于受工作環境的空間約束和使用的特殊要求，結構上采用薄壁設計，弱剛度，高加工精度。其加工過程中易變形，加工精度不易控制[3]。

龍震海等[4]研究了涂層硬質合金刀具銑削30CrNi4MoV材料時的磨損機理，結果表明，造成刀具磨損的主要原因是磨粒磨損、擴散磨損和氧化磨損，而刀具磨損的主要形式是前刀面磨損、后刀面磨損以及主切削刃上的涂層脫落和微崩刃；因此，后刀面磨損是刀具磨損的重要形式。M. Liu 等[5]研究了車削軸承鋼時刀具磨損對加工表面殘余應力的影響，研究表明，不同的刀具磨損對殘余應力有顯著的影響。J. D. Thiele等[6]研究了刀具幾何形狀和材料硬度對加工表面殘余應力的影響。M. Jacobson[7]通過改變刀具和切削深度進行車削加工的試驗研究，發現了切削深度對表層殘余應力不存在影響。R. M’Saoubih等[8]和D. Y. Yang等[9]研究了不同工件材料車削時各種切削因素對殘余應力分布的影響，為殘余應力的理論研究和提高加工表面質量提供了試驗依據。

弱剛度結構件在切削過程中材料的去除量大，加工后的殘余應力更容易導致其加工變形，可以說，弱剛度件更易于觀察殘余應力的變化，因此，本文以弱剛度件齒圈為研究對象，建立齒圈切削過程的二維有限元模型，研究不同磨損量下齒圈加工表面殘余應力的變化規律，為工藝參數確定奠定基礎。

1 建立仿真模型

1.1 刀具幾何模型

在零件切削加工過程中，磨損后的刀具刀體幾何形狀發生改變，故本文只針對磨損所造成的刀具幾何形狀方面的變化進行研究，對于其他方面的屬性變化不予考慮。以刀具后刀面磨損為研究對象，采用國標75°外圓車刀，其前角為15°，后角為5°，仿真所用刀具幾何模型如圖1所示。實際中，刀具后刀面磨損的主要形式是后刀面溝槽磨損，本文參考不同文獻中車削刀具后刀面磨損量VB值，分別選擇0.1、0.15和0.2 mm作為二維切削仿真中磨損刀具幾何模型中的后刀面磨損量。

圖1 刀具幾何模型

1.2 齒圈材料特性

工件材料為20Cr2Ni4合金鋼，彈性模量為226 GPa，泊松比為0.28，密度為7 850 kg/m3。材料的本構關系模型為Johnson-Cook模型，模型參數見表1。材料的比熱為502 J/(kg·℃)，熱膨脹系數α(T)和熱導率β(T)分別見表2和表3[10]。

表1 20Cr2Ni4合金鋼的Johnson-Cook模型參數

表2 20Cr2Ni4合金鋼的熱膨脹系數

表3 20Cr2Ni4合金鋼的熱導率

1.3 仿真模型

選擇齒圈毛坯作為工件進行仿真模擬，工件尺寸為394 mm×90 mm。切削速度為v=2 mm/s，切削深度為ap=1 mm。刀具材料為硬質合金，牌號為YT15。選擇國標75°外圓車刀，前角為15°，后角為5°，圓角半徑為0.4 mm。忽略車削過程中車床的振動、刀具的磨損變形對切削結果的影響，由于刀具剛度比工件剛度大，導致刀具的變形遠小于工件的變形[11]，因此，將刀具設置為剛體，工件設置為塑性體，環境溫度設置為25 ℃。在普通車削條件下的二維正交切削模型如圖2所示。

圖2 二維正交切削仿真模型

2 仿真結果分析

2.1 仿真過程中應力的變化

齒圈二維切削仿真過程中某時刻的應力場如圖3所示。從圖3中可以看出，刀尖處的應力切削區域為應力的最大值，該值為2 062 MPa，在此處切屑與工件開始分離不再相互接觸。隨著刀具后刀面磨損量的增大，切削區域對應的最大應力值也不斷增大，其變化趨勢如圖4所示。因此，刀具后刀面磨損的增加導致切削區域環境逐漸惡劣，刀具受到的壓力也不斷增大，從而又導致刀具后刀面磨損的加劇，使得切削過程環境更加惡劣。

圖3 仿真過程中某時刻的應力場

圖4 最大應力值隨磨損量的變化

2.2 仿真加工表面殘余應力的形成過程分析

齒圈二維切削仿真完成后，由于邊界條件約束及熱應力仍然存在，此時的工件并不能完全代表實際加工后的工件，因此，先去除切削仿真過程中的邊界條件，再經過冷卻后，工件表層的殘余應力將釋放、下降且趨于均勻，此時工件的應力狀態稱為最終殘余應力。工件冷卻后加工表面殘余應力分布云圖如圖5所示。從圖5中可以看出，殘余應力主要分布在工件表層，越往里殘余應力越小。這主要是因為加工過程發生在工件表面，其所產生的高熱量也就集中在工件表層，所以表層的殘余應力更大。

圖5 齒圈切削仿真完成后已加工表面殘余應力云圖

2.3 不同后刀面磨損量下殘余應力的變化

應用ABAQUS軟件對刀具后刀面磨損量VB為0.1、0.15和0.2 mm時分別進行齒圈切削過程二維仿真，得到了切削深度方向的殘余應力沿層深的分布(見圖6)。

圖6 不同磨損量下殘余應力沿層深的分布

從圖6中可以看出，齒圈二維仿真切削加工產生的殘余應力在由壓應力逐漸變為拉應力，并隨著深度的增加而增加，當增大到一定數值后又開始下降。對不同刀具后刀面磨損量產生的殘余應力進行比較可以看出，隨著刀具磨損量的增加，最大殘余應力所處位置的深度也在增加。磨損量為0.15 mm時與磨損量為0.1 mm時相比，最大殘余應力所處位置的深度值增大的并不明顯，都在距已加工表面0.3 mm處；但當磨損量為0.2 mm時，最大殘余應力所處位置的深度明顯增大，在距已加工表面0.6 mm處。隨著切削深度的增加，殘余應力的最小絕對值所處位置的深度也在不斷增大。仿真結果表明，隨著刀具磨損量增大，最大殘余應力所處位置的深度也在增大；同時，從不同磨損量產生的殘余應力曲線來看，增大刀具后刀面磨損量會使殘余應力從壓應力向拉應力轉變。

3 殘余應力檢測試驗

殘余應力檢測試驗系統如圖7所示。機床型號為CA6140，主軸轉速為20～1 400 r/min，機床功率為7.5 kW。工件材料為20Cr2Ni4合金鋼(調質)，工件尺寸為394 mm×90 mm。刀具參數如下：國標75°外圓車刀，前角15°，后角5°，圓角半徑為0.4 mm，后刀面磨損量為0.05 mm，刀具材料為硬質合金，牌號為YT15。采用超聲波法測量工件不同深度上的殘余應力的分布，儀器為北京理工大學檢測與控制研究所研制的超聲波殘余應力測量儀。

圖7 殘余應力檢測試驗系統

在后刀面磨損量為0.05 mm，切削速度v=2 mm/s，切削深度ap=1 mm的條件下，齒圈表面殘余應力的仿真計算結果與試驗數據的對比曲線如圖8所示。

圖8 后刀面磨損量為0.05 mm時仿真值與試驗值對比情況

通過上述試驗可知，雖然由于試驗所用工件材料中存在初始殘余應力導致仿真值與試驗值存在差距，但是齒圈二維切削仿真得到的殘余應力沿工件深度方向的分布規律與試驗結果基本一致，從而驗證了本文所建立的殘余應力有限元模型的正確性和可行性。

4 結語

本文以弱剛度件齒圈為研究對象，通過仿真分析不同后刀面磨損量條件下齒圈加工表面殘余應力，得到了殘余應力隨后刀面磨損量的變化規律，即殘余應力主要分布在工件表層并隨著刀具后刀面磨損量的增加，殘余應力有從壓應力向拉應力轉變的趨勢。本文研究成果對弱剛度高精度工件加工工藝規劃具有參考價值。