切削加工表面层温度场建模和应力分布演变机理研究

摘要

零件表面层的残余应力分布对其抗腐蚀、抗疲劳寿命有重大影响，表面层的残余拉应力加速零件服役过程中的腐蚀疲劳裂纹的萌生和扩展，缩短零件使用寿命；而表面层残余压应力则对腐蚀疲劳裂纹的萌生和扩展起抑制作用，延长零件服役寿命。对于切削加工零件而言，切削加工残余应力的主要来源是切削过程中工件表面层内形成的温度场和应力场，而温度场和应力场分布又受到刀具材料和几何、工件材料特性和切削工艺参数等因素的影响，因此开展这些因素对切削温度场和应力场形成的影响的研究，是揭示切削加工残余应力生成机理的前提。而对切削加工残余应力生成机理的揭示，可以把握对残余应力生成产生重要影响的敏感变量，再通过对跟这些敏感变量相关的可控切削工艺参数进行设定，来实现对切削加工残余应力的调控，使得残余应力分布有利于提高零件服役寿命。
　　面对工件切削温度在切削加工残余应力研究中的重要地位，和目前切削温度测量精度较差的问题，本文首先从实验研究的角度，引入物理气相沉积法开展了外圆车削工件表面层内温度分布的测量，获得了浅表层内温度渗透深度随切削速度的增大而减小、随进给量增大而增大、随切削深度的增大而增大的规律，将工件切削温度测量的空间分辨率提高到微米级。
　　其次从理论的角度采用解析法对切削温度场进行建模，针对目前 Komanduri和Hou的温度场模型缺少对工件冷却过程的考虑而导致温度场等温线不收敛的问题，引入加热时间建立的温度场模型考虑了切削热源对工件作用时间有限的问题，使得计算的等温线变得收敛，从而将工件的冷却过程考虑到切削过程中来，更符合文献上热红外实验测量结果，获得的温度渗透深度和物理气相沉积法实验结果一致。
　　在温度场解析建模的基础上，针对目前文献上在残余应力建模前缺少对切削过程应力场的分析的问题，利用所建立的温度场模型计算热应力，并与机械应力叠加形成工件内的应力场，开展对偏应力分量和主剪应力等值线分布的分析。分析表明偏应力分量和主剪应力均分布在有限的区域内，这比基于Komanduri和 Hou的温度场模型计算的应力场更符合有限元软件 ABAQUS仿真结果和光弹性实验的结果。应力场的分析验证为残余应力计算做了铺垫。
　　在切削应力场分析的基础上，开展了残余应力建模，针对原始残余应力模型中的应力释放方程缺少偏应力分量的约束条件而导致方程组无定解的问题，引入初始条件及其判据，即通过将计算的表面残余应力跟实验测量的表面残余应力进行比较，以其符合程度来判定初始条件。初始条件结合原始残余应力模型的边界条件，形成了应力释放方程组的定解条件。并用所建立的模型计算分析了残余应力在切削速度方向总是大于垂直方向的现象，和实验符合得较好。
　　利用以上所建立的解析建模，引入多变量解耦法，从三个角度开展了切削加工残余应力生成机理的分析：首先是解耦分析，开展热导率、切削力、后刀面摩擦系数、剪切角、切削宽度、后刀面磨损带长度、切削厚度、刀具前角和切削速度等基本变量对切削温度和残余应力的影响规律的研究；其次是溯源分析，详细分析了最高切削温度、温度分布深度、表面层内最大残余压应力分布深度和表面残余应力大小的影响机理；最后是耦合分析，利用实际切削中切削参数带来的基本变量耦合的现象，进一步讨论了进给量、后刀面磨损、刀具前角和切削速度对残余应力影响的内在机制，获得了基本变量的直接作用和耦合作用的叠加对残余应力的影响结果。
　　接着，在对切削加工残余应力生成机理分析的基础上，根据高品质制造对残余应力分布的需求，引入反演的理论方法，为实现切削表面层内最大残余压应力分布深度，提出了基于线性反演的切削参数反演的数学表达式并进行求解，解决了反演过程普遍出现的多解问题，并分析了反演的误差来源及减小误差的途径。该部分的工作建立了从残余应力到切削参数的映射关系，为实际加工中通过切削参数的选取来调控残余应力、减少试切次数提供了计算方法。并基于Matlab平台将温度场、应力场和残余应力的理论模型进行可视化，构建了图形操作界面。
　　最后，总结展望全文研究工作，指出本文对二维正交切削所进行的温度场、应力场、残余应力建模和验证方法，和开展的基于多变量解耦的残余应力生成机理分析、切削参数反演方法，均可拓展到三维的车削、铣削上来。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题来源

1.2 研究背景

1.3 国内外研究现状

1.4 本文的结构及研究内容

2 加工表面完整性与切削加工残余应力建模理论基础

2.1 引言

2.2 加工表面完整性概述

2.3 切削加工残余应力解析建模的理论基础

2.4 本章小结

3 切削加工表面层温度分布的实验研究

3.1 引言

3.2 基于PVD法的工件车削温度的测量

3.3 测量结果与结论

3.4 本章小结

4 切削加工表面层温度场的解析模型

4.1 引言

4.2 正交切削经典温度场解析模型

4.3 引入加热时间和后刀面摩擦热源改进的模型

4.4 关键输入变量取值的讨论

4.5 模型的验证与温度随深度的变化规律

4.6 本章小结

5 切削加工表面层应力场的解析模型

5.1 引言

5.2 工件内的加载应力

5.3 弹性变形下的应力

5.4 塑性变形下的应力

5.5 改进的模型与有限元、光弹性实验的对比

5.6 本章小结

6 已加工表面层残余应力建模

6.1 引言

6.2 残余应力模型中的边界条件

6.3 初始条件的引入

6.4 实验验证与残余应力分量大小关系的讨论

6.5 本章小结

7 基于多变量解耦的切削加工残余应力生成机理分析

7.1 引言

7.2 正交切削与车削、铣削残余应力的联系

7.3 多变量解耦与机理分析的关系

7.4 多变量解耦的灵敏度分析

7.5 切削温度和残余应力的溯源分析

7.6 基本变量耦合对残余应力的影响分析

7.7 本章小结

8 基于残余应力生成机理的切削参数反演

8.1 引言

8.2 正演问题和反演问题的概述

8.3 切削加工残余应力研究中的反演问题

8.4 切削参数反演的数学表达式和实验验证

8.5 解析模型图形交互界面的构建

8.6 本章小结

9 全文总结与展望

9.1 全文总结与创新点

9.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 参数符号命名列表

附录2 攻读博士学位期间发表的论文和申请的发明专利

附录3 博士生期间参与的课题研究情况