硬铝合金超精密车削残余应力的仿真及试验

发布时间：2020-10-24 18:42

　　 为满足超精密车削加工零件低表面应力的使用性能要求,采用有限元和试验相结合的方法,对硬铝合金进行微米级的超精密车削仿真和试验.分析切削过程的切削力和切削温度,研究已加工表面残余应力产生的原因及残余应力的性质,得到切削深度和切削速度对已加工表面残余应力的影响规律.仿真结果表明:金刚石刀具车削硬铝合金,切削温度低,切削力小,但是单位切削力大.切削力是已加工表面形成残余压应力的主导因素.表层残余应力随着切削深度的增加而变大,随着切削速度的增大反而有减小的趋势.在微米级硬铝合金的超精密切削过程中,切削深度对已加工表面残余应力的影响更为显著.进行微米级的超精密车削试验,采用XRD对表层残余应力进行测量,对有限元仿真结果进行了验证,为硬铝合金超精密车削表面残余应力的控制打下理论基础.
【部分图文】：

?D=∑iΔεpiεpfi．式中:D为失效参数，Δεpi为瞬时应变增量，εpfi为瞬时失效应变．在切削过程中网格单元的应变值不断累积增加，当失效参数D＞1时单元失效．1.3摩擦模型和自适应网格划分AdvantEdge中采用库伦摩擦模型:Ff≤μFn．式中:Ff为摩擦力，Fn为法向作用力，μ为摩擦系数．AdvantEdge软件基于显式动力学和热力耦合建立金属切削的有限元模型，并采用了自适应网格划分技术［12］．1.4正交切削仿真参数在AdvantEdge中建立二维正交切削有限元模型如图1所示，长80μm，高30μm．工件材料选取美国标准的AL2024－T3511，该牌号对应中国硬铝合金牌号LY12．刀具材料选择天然单晶金刚石;刀具几何角度设置为:前角0°，后角9°．切削刃钝圆半径为60nm．刀具和工件的初始温度为20℃，选择微切削仿真，不使用冷却液，根据金刚石和铝合金的摩擦系数范围0.06～0.13，设置摩擦系数为0.1．!"#""!$%&"$%&#"!"’"("图1正交切削有限元模型2超精密车削过程的模拟与分析设置机床的切削参数为:切削速度125.6m/min，进给量6μm/r，切削深度1μm．超精密车削LY12的模拟仿真过程如图2所示，从图2中可以看出，随着刀具的切入，工件材料首先被刀具前面推挤，之后，在工件的未加工表面形成一个突起，突起逐渐增长，开始与前刀面分离，形成一个卷曲的切屑．当切削到指定的切削长度时，切屑断裂，刀具回到初始位置．金刚石切削硬铝合金LY12时将产生连续的带状切屑．2.1超精密车削切削力分析在AdvantEdge二维仿真中可以输出主切削力和吃刀抗力．超精密切削过程中由于切削深度和进给量小，切削面积很小，切削力的数值很小．虽然金刚石车削时的切削力不大，但由于切?

!"!#!$#%#&!’()"’()#’*+#+"+&+%%$%#(a)刀具切入!!"#$%&’$($(&)$)&*$"!+,#!+,(b)切屑形成!!""!#$#!#$%&’(’)’%’*’&*(+&+,(&(c)切屑打卷!!"#$%$&$$"!’(#!’(&$%$#$)$(d)切屑断裂图2LY12铝合金超精密切削过程仿真!"#$%&’("&(’&("%(’!)&’*"+’"#!"$),-"#"$图3切削力输出2.3超精密车削已加工表面残余应力的数值模拟工件已加工表面的残余应力是指产生应力的各种因素不复存在时，在物体内部依然存在并自身保持着平衡的应力．残余应力成因可以归结为机械应力引起的塑性变形，热应力引起的塑性变形和相变引起的体积变化．由金刚石切削硬铝合金的仿真分析可知，切削温度远远达不到铝合金的相变温度，切削产生的热应力远未超过金属材料的屈服极限，表层将不会因为热应力而引起塑性变形．残余应力产生的主导因素应该为机械应力，由仿真分析可知，金刚石切削硬铝合金时，单位切削力很大．机械效应在已加工表面引起塑性变形的主要原因是由于刀具的钝圆以及后刀面对已加工表面产生的挤压和摩擦作用．金属表层的塑性变形过程是在里层金属处于弹性变形的情况下发生的．如果里层的弹性变形是压缩变形，则在表层产生残余拉应力;如果里层的弹性变形是拉伸变形，则在表层产生残余压应力．参数设置同图2，提取超精密切削仿真过程的塑性应变图，如图4所示，可以看出，在金刚石切削铝合金的过程中，塑性应变最大值发生在刀具与工件的接触区域，而并不发生在切削温度最高的第一变形区．由此可知，机械效应引起的塑性变形是已加工表面产生残余应力的主要原因．提取切削过程中的最大主应力云?

!"!#!$#%#&!’()"’()#’*+#+"+&+%%$%#(a)刀具切入!!"#$%&’$($(&)$)&*$"!+,#!+,(b)切屑形成!!""!#$#!#$%&’(’)’%’*’&*(+&+,(&(c)切屑打卷!!"#$%$&$$"!’(#!’(&$%$#$)$(d)切屑断裂图2LY12铝合金超精密切削过程仿真!"#$%&’("&(’&("%(’!)&’*"+’"#!"$),-"#"$图3切削力输出2.3超精密车削已加工表面残余应力的数值模拟工件已加工表面的残余应力是指产生应力的各种因素不复存在时，在物体内部依然存在并自身保持着平衡的应力．残余应力成因可以归结为机械应力引起的塑性变形，热应力引起的塑性变形和相变引起的体积变化．由金刚石切削硬铝合金的仿真分析可知，切削温度远远达不到铝合金的相变温度，切削产生的热应力远未超过金属材料的屈服极限，表层将不会因为热应力而引起塑性变形．残余应力产生的主导因素应该为机械应力，由仿真分析可知，金刚石切削硬铝合金时，单位切削力很大．机械效应在已加工表面引起塑性变形的主要原因是由于刀具的钝圆以及后刀面对已加工表面产生的挤压和摩擦作用．金属表层的塑性变形过程是在里层金属处于弹性变形的情况下发生的．如果里层的弹性变形是压缩变形，则在表层产生残余拉应力;如果里层的弹性变形是拉伸变形，则在表层产生残余压应力．参数设置同图2，提取超精密切削仿真过程的塑性应变图，如图4所示，可以看出，在金刚石切削铝合金的过程中，塑性应变最大值发生在刀具与工件的接触区域，而并不发生在切削温度最高的第一变形区．由此可知，机械效应引起的塑性变形是已加工表面产生残余应力的主要原因．提取切削过程中的最大主应力云?
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