微量潤(rùn)滑切削表面殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)建模.pdf

1、加工件表面的殘余應(yīng)力是衡量加工件表面完整性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，嚴(yán)重影響加工件的靜力強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及抗腐蝕性能，進(jìn)而影響零件的使用壽命。同時(shí)，殘余應(yīng)力也是影響加工件幾何尺寸穩(wěn)定性的主要因素。另外，不同于零件的其他性能指標(biāo)，加工件表面的殘余應(yīng)力無(wú)法仿造或復(fù)制。因此，實(shí)現(xiàn)加工件表面殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)和控制對(duì)提高加工產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。
　　切削過(guò)程中影響加工件表面殘余應(yīng)力的因素很多，主要包括切削參數(shù)、刀具幾何形狀、材料性能及潤(rùn)滑條件等。微量潤(rùn)滑

2、切削將極少量的切削液與壓縮空氣混合，以氣霧的方式噴射到切削區(qū)域。與傳統(tǒng)大流量潤(rùn)滑加工相比，微量潤(rùn)滑加工不僅降低成產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染，而且加工質(zhì)量能夠達(dá)到甚至超過(guò)傳統(tǒng)大流量潤(rùn)滑的加工質(zhì)量。此外，微量潤(rùn)滑裝置成本低，操作簡(jiǎn)單。因此，利用微量潤(rùn)滑控制加工件表面的殘余應(yīng)力對(duì)工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)具有強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
　　本文采用解析建模的方法建立了基于切削參數(shù)、刀具幾何形狀、材料參數(shù)以及微量潤(rùn)滑參數(shù)的殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)模型。主要研究工作包括:

3、　　一、微量潤(rùn)滑對(duì)切削模型摩擦特性的影響分析。(1)比較了傳統(tǒng)大流量潤(rùn)滑加工以及微量潤(rùn)滑加工條件下切削介質(zhì)的滲透機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)大流量潤(rùn)滑條件下切削介質(zhì)的滲透過(guò)程分為三個(gè)階段:液相滲透、液滴蒸發(fā)和氣相填充。微量潤(rùn)滑條件下油霧混合物以氣液兩相的方式直接滲透到金屬摩擦接觸面。(2)分別討論了微量潤(rùn)滑的潤(rùn)滑和冷卻效應(yīng)?？紤]到微量潤(rùn)滑切削過(guò)程中的切削液用量極少，因此采用邊界潤(rùn)滑模型預(yù)測(cè)微量潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)，從而預(yù)測(cè)由于微量潤(rùn)滑產(chǎn)生的摩擦力

4、的變化?？紤]到微量潤(rùn)滑切削過(guò)程中油霧混合物以高壓方式噴射到切削區(qū)域，因此采用強(qiáng)迫對(duì)流冷卻模型預(yù)測(cè)切削區(qū)域的傳熱系數(shù)，從而預(yù)測(cè)由于微量潤(rùn)滑產(chǎn)生的切削溫度的變化。
　　二、基于“熱-力”耦合的切削溫度和切削力預(yù)測(cè)建模。(1)基于材料流動(dòng)應(yīng)力模型建立了切削力和切削溫度的耦合預(yù)測(cè)模型。切削過(guò)程中，由于切削力產(chǎn)生切削熱，根據(jù)Johnson-Cook材料本構(gòu)模型，切削溫度的變化又會(huì)導(dǎo)致切削過(guò)程中流動(dòng)應(yīng)力發(fā)生變化，從而產(chǎn)生切削力的變化，切削力變

5、化的同時(shí)又會(huì)影響切削溫度。切削力和切削溫度如此耦合，從而達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。(2)建立了微量潤(rùn)滑條件下切削力和切削溫度的耦合預(yù)測(cè)模型。首先，將干切削條件下的切削力作為初始切削力用來(lái)預(yù)測(cè)潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)。其次，將預(yù)測(cè)到的摩擦系數(shù)代入修正的Oxley模型預(yù)測(cè)微量潤(rùn)滑條件下的切削力，并將預(yù)測(cè)得到的切削力代入溫度預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)剪切面以及刀具-切屑界面的平均溫度。然后將預(yù)測(cè)到的溫度以及摩擦系數(shù)代入修正的Oxley模型預(yù)測(cè)潤(rùn)滑和冷卻兩方面作用下的切

6、削力。最后將切削力和切削溫度循環(huán)迭代從而達(dá)到切削力的穩(wěn)定狀態(tài)，最終獲得微量潤(rùn)滑條件下的切削力和切削溫度。
　　三、綜合考慮“熱-力”效應(yīng)的殘余應(yīng)力解析建模。(1)基于預(yù)測(cè)到的微量潤(rùn)滑條件下的切削力和切削溫度，利用赫茲接觸模型計(jì)算由于機(jī)械載荷和熱載荷兩方面作用下工件表面產(chǎn)生的應(yīng)力分布，并對(duì)工件表面應(yīng)力進(jìn)行分析。(2)采用McDowell混合算法考慮微量潤(rùn)滑切削過(guò)程中載荷大范圍變化下材料的隨動(dòng)硬化，利用“熱-彈-塑”增量塑性模型，分別

7、對(duì)應(yīng)力加載和釋放兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測(cè)加工件表面的殘余應(yīng)力分布，建立殘余應(yīng)力與切削參數(shù)、刀具參數(shù)、材料性能和微量潤(rùn)滑參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。
　　四、基于AISI4130合金鋼直角車削試驗(yàn)的預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證。(1)采用三種潤(rùn)滑方式:干切削、微量潤(rùn)滑以及傳統(tǒng)大流量潤(rùn)滑加工對(duì)AISI4130合金鋼進(jìn)行直角車削試驗(yàn)，利用壓電式測(cè)力儀測(cè)量切削過(guò)程中的切削力。采用熱電偶和紅外熱成像儀測(cè)量加工過(guò)程中的切削溫度。利用X射線衍射法測(cè)量加工件沿層深方向的應(yīng)

8、力分布。(2)根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，分析不同切削參數(shù)和潤(rùn)滑條件對(duì)實(shí)際測(cè)量的切削力、切削溫度和殘余應(yīng)力的影響。(3)將模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證微量潤(rùn)滑的切削力、切削溫度和殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)模型。
　　五、微量潤(rùn)滑切削表面殘余應(yīng)力的敏感性分析。(1)基于試驗(yàn)驗(yàn)證的微量潤(rùn)滑殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)模型，利用主成分分析法對(duì)微量潤(rùn)滑切削表面殘余應(yīng)力的可控性因素進(jìn)行分析，確定了影響加工表面殘余應(yīng)力的主要因素。(2)根據(jù)主成分分析結(jié)果，研究了加工件表