一种微铣削镍基高温合金加工硬化的预测方法

摘要

本发明一种微铣削镍基高温合金加工硬化的预测方法属于微切削加工领域，涉及一种微铣削加工镍基高温合金，通过仿真建模和理论推导加工硬化的预测方法。预测方法通过对工件和刀具进行三维宏观建模，考虑材料弹塑性本构关系，建立镍基高温合金模型、刀具工件摩擦类型、金属切削分离模型，输出有限元仿真不同切削参数下应变值，再通过联系应变与硬度的关系，得到不同切削参数下硬度预测值，预测加工硬化情况。预测方法用建立模型的方式数值化预测加工硬化情况，与试验和测量硬度相比可以节省人力，减少成本。采用预测方法硬度验证简单，准确性较好。

说明书

技术领域

本发明属于微切削加工领域，涉及一种微铣削加工镍基高温合金， 通过仿真建模和理论推导加工硬化的预测方法。

背景技术

随着科学技术的进步，航空航天、能源动力、生物医学等领域都 出现了微小结构/零件，此类微小结构/零件精度要求高，具有三维几 何结构形状如台阶面、深孔、薄壁等，有较大的深宽比和长径比，其 中部分零件不仅要求能承受较高的工作温度，而且需要具备较高的强 度和耐腐蚀性能。镍基高温合金Inconel718具有高强度、抗疲劳、 耐腐蚀、耐高温、抗氧化性等优良性能，是制造航空发动机、涡轮叶 片、发动机热端部件的理想材料。镍基高温合金微铣削技术是制备镍 基高温合金微小零件的高效技术手段。但由于镍基高温合金具有强度 高、粘性大、热传导性能低等特点，在微铣削过程会产生大变形，从 而产生晶格扭曲变形，导致加工硬化现象。对于微结构件适度的加工 硬化可以提高工件的强度、硬度和耐磨性，而过度的加工硬化给工件 进一步加工造成困难，特别是在微铣等精密加工中，刀具微小易于磨 损，加工硬化导致刀具快速磨损，严重影响刀具寿命、加工质量，过 度的加工硬化还会导致工件产生裂纹、尺寸发生变化等，所以对于加 工硬化的研究非常重要。在切削领域中，对于加工硬化研究已经具有 一定的规模，但是大多数研究是基于试验的预测模型，一般会考虑多 种因素对加工硬化的影响趋势以及硬化层的深度，却很少有人将材料 加工后的硬度进行数值化预测。而且试验方法费时费力，通用性差。 由于软件工程的发展，现代分析软件已经形成规模，已经有很多人使 用有限元软件的方法对切削过程进行仿真，其中有人模拟了切削过程 中应力、应变、温度、刀具磨损的变化情况，但使用仿真方法对切削 加工后硬度进行数值化预测的研究却是很少。例如N.BenMoussa等 人2012年在期刊《InternationalJournalofMechanicalSciences》中发 表的论文《Numericalandexperimentalanalysisofresidualstressand plasticstraindistributionsinmachinedstainlesssteel》，通过二维有限元 仿真方法预测塑性应变并用试验测量塑性应变验证模型合理性，然后 通过试验拟合硬度与塑性应变之间关系，而在实际加工后，对于材料 塑性应变测量没有对于硬度测量简单，使用塑性应变验证模型合理性 没有使用硬度验证简单，准确性较差，且没有建立塑性应变与硬度之 间的数值关系。

发明内容

本发明为了克服现有技术的缺陷，考虑微铣削加工尺度效应，进 行微铣削加工的有限元三维仿真，使用有限元技术及硬化、应变和硬 度之间的理论关系，建立微铣削镍基高温合金预测加工硬化的模型。 预测方法首先运用有限元仿真技术，对工件和刀具进行三维宏观建模， 考虑材料的弹塑性本构关系，建立镍基高温合金模型、刀具工件摩擦 模型、金属切屑分离模型，从而得到不同切削参数下镍基高温合金微 铣削加工过程有限元仿真。然后，根据镍基高温合金的硬化曲线和维 氏硬度测试原理，建立流动应力与维氏硬度的关系模型。在有限元仿 真输出应变的基础上，联系应变与硬度的关系，实现镍基高温合金微 铣削加工表面的硬度预测。采用预测方法硬度验证简单，准确性较好。

本发明采用的技术方案是一种微铣削镍基高温合金加工硬化的 预测方法，采用有限元仿真技术，其特征是，预测方法通过对工件和 刀具进行三维宏观建模，考虑材料弹塑性本构关系，建立镍基高温合 金模型、刀具工件摩擦类型、金属切削分离模型，输出有限元仿真不 同切削参数下应变值，再通过联系应变与硬度的关系，得到不同切削 参数下硬度预测值，预测加工硬化情况；预测方法的具体步骤如下：

步骤1：建立微铣刀模型，通过扫描电镜将试验用微铣刀拍摄成 图片，使用软件将图片绘制成微铣刀实体模型，导入ABAQUS中；

步骤2：考虑铣刀尺寸及切削参数等条件，选取合适尺寸建立被 加工工件三维模型；

步骤3：对微铣刀和工件进行网格划分，设置微铣刀和工件刚体 类型，选择网格划分方式及单元类型；

步骤4：材料性能参数设置，将刀具视为刚体，工件材料类型定 义为弹塑性，采用J-C模型模拟真实切削材料内流动应力与应变的本 质方程，以J-C模型的切屑分离准则作为判据模拟切削碎片形成过程；

其中，所述的材料的本构模型为：

式中，σ_Y为流动应力，A为参考温度和参考应变速率下的屈服 强度，B为应变强化系数，为等效塑性应变，n为应变硬化指数， C为应变速率硬化系数，为等效塑性应变率，为参考应变率，m 为加热软化指数，为无量纲的值，与温度有关；

采用的分离准则为J-C断裂失效准则，其失效模型是基于单元积 分点上的等效塑性应变，其失效系数ω定义如下：

$\omega =\Sigma \left(\frac{\Delta {\overline{ϵ}}^p}{{\overline{ϵ}}_f^p}\right)---\left(2\right)$

式中，为等效塑性应变增量，为发生断裂时的应变值，

${\overline{ϵ}}_f^p=[d_1+d_2\exp (d_3\frac{p}{q}\left)\right][1+d_4\ln (\frac{{\stackrel{·}{\stackrel{‾}{ϵ}}}^p}{{\stackrel{·}{ϵ}}_0}\left)\right](1+d_5\hat{T})---\left(3\right)$

式中，d₁～d₅为在低于参考温度下测得的失效常数，p/q为压偏 应力比，p为压应力，q为Von-Mises应力，当失效参数ω大于1时， 单元积分点达到了失效标准，单元所有应力均被设置为0，单元从网 格中删除，也就是工件材料发生断裂，开始形成切削屑片；

步骤5：导入刀具和工件模型，进行装配；调整微铣刀和工件的 相对位置，确定切削深度及进给距离；

步骤6：定义分析步和输出步，使用ABAQUS/Explicit进行显式 状态分析，依次插入加工分析步、退刀分析步、转换约束分析步，分 别设置分析步时间及增量步类型，输出变量设为等效塑性应变；

步骤7：定义表面和接触性质，在接触模块设置刀具约束类型， 接触类型选择罚模型，将摩擦系数设置为0.4，然后定义刀具集合和 参考点集合；

步骤8：定义边界条件，首先定义刀具速度变化幅度曲线，然后 在参考点集合上设置刀具进给速度和主轴转速，定义工件底面和侧面 节点集合，严格约束工件自由度，在各分析步中分别设置约束条件；

步骤9：创建任务并递交运算，分别提交不同切削参数组合的微 铣削镍基高温合金仿真模型，从而得到不同切削参数组合下材料塑性 应变；

步骤10：仿真结束后，在加工槽底面上随机选择若干个点，求 均值后表征表面的等效塑性应变；

步骤11：采用Hollomon公式得到应力-应变关系，将仿真所得等 效塑性应变代入公式得微铣削镍基高温合金槽底面应力值，Hollomon 公式如下：

σ＝Kεⁿ(4)

式中，σ为塑性真应力，ε是塑性真应变，K是强度系数，n是应 变强化指数；σ＝Kεⁿσ＝Kεⁿ

步骤12：采用压痕试验所得判别式Δ判断材料弹塑性变形，判别 式如下：

式中，E为杨氏模量，v是泊松比，σ_Y是流动应力，β是压痕试验 中硬度计压头与未变形表面形成的夹角；当Δ≤3时，材料发生微小 塑性变形，须进行弹性分析；当3≤Δ≤30时，塑性变形扩展；当Δ＞30 时，对于大多数金属或合金弹性不再对硬度有任何影响，硬度值和流 动应力值成严格正比，由此可得：

H＝Cσ_e(6)

式中，H为硬度值，C为常数，由硬度计压头的几何形状决定， 在计算中取2.4；σ_e为应力和，在使用硬度计测量时，σ_e＝σ_repr+σ_res， σ_repr为硬度计压头引起的应力，σ_res为原有的应力；

步骤13：由公式(4)和公式(6)及Inconel718应力-应变曲线 推导应变与硬度关系，得硬度值计算公式如下所示，

H＝Cσ_e＝C(σ_repr+σ_res)＝CK(ε_repr+ε_res)ⁿ(7)

式中，ε_repr为压头引入的残余应变，其值由压痕试验获取为0.08， ε_res为原有残余应变；

步骤14：代入仿真所得槽底塑性应变值及相关系数，即得微铣 削镍基高温合金槽底硬度值。通过建立有限元仿真模型和应力硬度关 系模型，实现镍基高温合金微铣削加工硬化预测。

本发明的有益效果是首先解决了对于精密加工的微沟道等微小 结构零件，由于其沟道或槽底尺寸为微米级，硬度计压头无法压入进 行测量的问题。以及对一些工件侧壁无法使用硬度计直接测量的问题。 而且在使用硬度计测量时，产生压痕长及深度均为微米级，与微铣加 工尺寸在同一数量级，对微小结构/零件已加工表面破坏不能忽略。 同时，通过建立加工硬化预测模型对不同切削参数下加工硬度值进行 预测，可以为选择合理的切削参数组合提供参考。用建立模型的方式 数值化预测加工硬化，与试验和测量硬度相比可节省人力，减少成本。

附图说明

图1为冷拔态时镍基高温合金应力-应变曲线图，其中，横坐标为 应变，无量纲，纵坐标为应力，单位为Mpa。

图2为硬度应力变化与基于压痕试验的判别式之间的关系，其中， 横坐标为判别式Λ对数值，纵坐标为硬度与流动应力比值，Ⅰ-弹性 变形阶段，Ⅱ-塑性扩展阶段，Ⅲ-塑性变形阶段。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施，使用有限 元计算软件ABAQUS，对微铣削镍基高温合金加工过程进行三维有限 元仿真，预测槽底塑性应变，然后根据理论推导应变与硬度关系，由 仿真所得塑性应变获得加工后硬度值，建立微铣削镍基高温合金预测 加工硬化情况模型，具体操作步骤如下：

(1)三维有限元仿真中刀具模型参照试验用刀具建模，本发明建模 过程中采用日本NS生产的微铣刀MX230，刀具直径D＝1mm，刃口 圆弧半径0.002mm，螺旋角β＝30°，刃长L＝2mm。为保证几何模型 与真实刀具形状和参数相同，采用扫描电子显微镜拍摄微铣刀图像。 使用CAD对图像临摹，按照比例尺换算，获得实际参数。使用Inventor 螺旋扫掠工具对刀具三维建模，螺旋刃线方程如下：

式中，r为铣刀圆柱半径，为回转角度，β是螺旋 升角；

代入数据，r＝0.5mm,z＝2mm,β＝30°,得

(2)根据刀具尺寸和切削参数建立工件几何模型。采用ABAQUS 自带的CAE功能建立尺寸为2mm×1.5mm×1mm的长方形工件模型。

(3)对微铣刀进行网格划分。将微铣刀设置为离散刚体，不再考虑 变形，减少计算量，对刀具进行分区划分网格，对于除切削刃外设置 全局种子数量，对于切削刃上设置边上种子，整个刀具使用三角形单 元，采用自由网格划分技术，选取刚体单元为单元类型。

(4)对工件进行网格划分。选择设置边上种子，在工件中间适当加 密，对于两边的种子适当疏一下，以减少计算量。由于工件形状规则， 选择六面体结构单元划分技术，选择explicit中的单元类型。

(5)设置材料性能参数。输入密度为8190Kg/m³，弹性模量2.1e+11， 泊松比为0.3。使用J-C本构模型模拟切削过程塑性变形，依次输入 模型参数A为700Mpa，B为1798Mpa，C为0.0312，n为0.9143， m为1.3。采用J-C分离准则模拟切削形成过程，依次输入公式(3) 中失效常数d₁～d₅，分别为0.239、0.456、-0.3、0.07、2.5。

(6)导入工件和刀具模型进行装配。根据切削深度及进给距离调整 微铣刀和工件的相对位置。

(7)定义分析步和输出步。在Step模块中，插入微铣削加工分析 步、退刀分析步、约束转换分析步，过程类型选择Dynamics,Explicit。

(8)定义刀具与工件之间接触性质为罚模型，摩擦系数设置为0.4， 摩擦副为刀具外表面和工件表层。

(9)定义刀具速度变化幅度曲线，在参考点集合上设置进给速度和 主轴转速，为了限制工件的移动，在工件的底面和侧面设置约束。在 铣削加工分析步中，设置微铣刀转速n和进给速度v_f，沿进给方向铣 削通槽，工件移动速度和旋转速度设置为0，工件夹紧，分析步时间 为t＝l/f(l为进给距离，f为进给速度)；在退刀分析步中，设置主轴转 速为0，进给速度仍为v_f，夹紧约束持续，分析步时间为0.001s；在 约束转换分析步中，工件夹紧状态停止，进给速度和主轴转速设为0， 工件移动速度和旋转速度设置为0，分析步时间为1。设置输出变量 为等效塑性应变。

(10)在Job模块中创建数据。主轴速度60000r/min,切削深度为 30μm，每齿进给量分别为0.5μm/z,0.9μm/z,1.1μm/z,1.3μm/z。检查无 误后递交任务，进行有限元分析。

(11)仿真完成后，随机选择40个点的等效塑性应变，求均值后 表征表面的等效塑性应变。

(12)根据试验所得判别式(5)判断材料弹塑性变形，代入镍基 高温合金材料相关参数，E＝205Gpa、σ_Y＝1290MPa、β＝22°、v＝0.30， 得：

根据应力硬度与判别式的关系，见图2，得到Δ落入塑性变形Ⅲ 阶段，硬度值和流动应力值成正比。

由公式(7)代入参数即得硬度值，以每齿进给量为0.5μm/z，主轴转 速为60000r/min,切深30μm为例，此时仿真输出等效应变为0.31，硬 度计算如下，

H＝CK(ε_repr+ε_res)ⁿ＝2.4×2487×(0.310+0.08)^0.153＝4952MPa＝495.2kg/mm^2。