微量潤滑切削表面殘余應(yīng)力預(yù)測建模.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重要指標，嚴重影響加工件的靜力強度、疲勞強度及抗腐蝕性能，進而影響零件的使用壽命。同時，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，加工件表面的殘余應(yīng)力無法仿造或復(fù)制。因此，實現(xiàn)加工件表面殘余應(yīng)力的預(yù)測和控制對提高加工產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。
　　切削過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、材料性能及潤滑條件等。微量潤滑

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)大流量潤滑加工相比，微量潤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)量能夠達到甚至超過傳統(tǒng)大流量潤滑的加工質(zhì)量。此外，微量潤滑裝置成本低，操作簡單。因此，利用微量潤滑控制加工件表面的殘余應(yīng)力對工業(yè)生產(chǎn)來說具有強有力的競爭優(yōu)勢。
　　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)以及微量潤滑參數(shù)的殘余應(yīng)力預(yù)測模型。主要研究工作包括:

3、　　一、微量潤滑對切削模型摩擦特性的影響分析。(1)比較了傳統(tǒng)大流量潤滑加工以及微量潤滑加工條件下切削介質(zhì)的滲透機理，研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)大流量潤滑條件下切削介質(zhì)的滲透過程分為三個階段:液相滲透、液滴蒸發(fā)和氣相填充。微量潤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)分別討論了微量潤滑的潤滑和冷卻效應(yīng)?？紤]到微量潤滑切削過程中的切削液用量極少，因此采用邊界潤滑模型預(yù)測微量潤滑條件下的摩擦系數(shù)，從而預(yù)測由于微量潤滑產(chǎn)生的摩擦力

4、的變化?？紤]到微量潤滑切削過程中油霧混合物以高壓方式噴射到切削區(qū)域，因此采用強迫對流冷卻模型預(yù)測切削區(qū)域的傳熱系數(shù)，從而預(yù)測由于微量潤滑產(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)測建模。(1)基于材料流動應(yīng)力模型建立了切削力和切削溫度的耦合預(yù)測模型。切削過程中，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導(dǎo)致切削過程中流動應(yīng)力發(fā)生變化，從而產(chǎn)生切削力的變化，切削力變

5、化的同時又會影響切削溫度。切削力和切削溫度如此耦合，從而達到一個動態(tài)平衡。(2)建立了微量潤滑條件下切削力和切削溫度的耦合預(yù)測模型。首先，將干切削條件下的切削力作為初始切削力用來預(yù)測潤滑條件下的摩擦系數(shù)。其次，將預(yù)測到的摩擦系數(shù)代入修正的Oxley模型預(yù)測微量潤滑條件下的切削力，并將預(yù)測得到的切削力代入溫度預(yù)測模型預(yù)測剪切面以及刀具-切屑界面的平均溫度。然后將預(yù)測到的溫度以及摩擦系數(shù)代入修正的Oxley模型預(yù)測潤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)迭代從而達到切削力的穩(wěn)定狀態(tài)，最終獲得微量潤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)測到的微量潤滑條件下的切削力和切削溫度，利用赫茲接觸模型計算由于機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，并對工件表面應(yīng)力進行分析。(2)采用McDowell混合算法考慮微量潤滑切削過程中載荷大范圍變化下材料的隨動硬化，利用“熱-彈-塑”增量塑性模型，分別

7、對應(yīng)力加載和釋放兩個過程進行計算，預(yù)測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的預(yù)測模型驗證。(1)采用三種潤滑方式:干切削、微量潤滑以及傳統(tǒng)大流量潤滑加工對AISI4130合金鋼進行直角車削試驗，利用壓電式測力儀測量切削過程中的切削力。采用熱電偶和紅外熱成像儀測量加工過程中的切削溫度。利用X射線衍射法測量加工件沿層深方向的應(yīng)

8、力分布。(2)根據(jù)試驗測量結(jié)果，分析不同切削參數(shù)和潤滑條件對實際測量的切削力、切削溫度和殘余應(yīng)力的影響。(3)將模型預(yù)測結(jié)果與試驗測量結(jié)果進行對比，驗證微量潤滑的切削力、切削溫度和殘余應(yīng)力預(yù)測模型。
　　五、微量潤滑切削表面殘余應(yīng)力的敏感性分析。(1)基于試驗驗證的微量潤滑殘余應(yīng)力預(yù)測模型，利用主成分分析法對微量潤滑切削表面殘余應(yīng)力的可控性因素進行分析，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