高速端面铣削加工引入残余压应力场的试验研究

第28卷 第2期
2008年4月
航 空 材 料 学 报
J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LS
V o l 28,N o 2 A pr il 2008
高速端面铣削加工引入残余压应力场的试验研究
龙震海, 赵文祥, 王西彬
(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京100081)
摘要:为研究高速铣削加工表面残余应力分布,在统计试验设计指导下,使用X 射线衍射/电解抛光方法对试样表层、次表层残余应力分布进行测量,得出残余应力分布曲线经验预报公式,探讨切削参数对残余压应力场特征指标的影响规律。

研究结果表明,合理的高速切削工艺将在加工表面内引入类似喷丸强化效果的残余压应力场;(3,1)有理式模型与三阶多项式模型是描述高速铣削引入残余应力分布曲线的有效拟合公式;高速切削工艺参数对加工表面残余应力场的产生有直接影响,每齿进给量是决定残余压应力分布的关键因素,每齿进给量的变化将引起残余应力场形成机理的改变。

关键词:高速加工;残余应力场;峰值应力作用深度;经验建模
中图分类号:TG506 7;TG 178 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2008)02-0024-06
收稿日期:2007-03-22;修订日期:2007-04-30
作者简介:龙震海(1974 ),男,博士,(E -m a il)l ong z hh @yahoo co m 。

表层残余应力分布是影响工件表面服役性能的重要指标之一,合理的表层残余压应力分布将大幅延长作用于交变载荷与微动磨损条件下工件的疲劳
寿命[1]。

在零件结构尺寸和材料机械性能一定的情况下,机械加工后的表面质量是影响零件疲劳寿命的关键因素。

当零件材料为高缺陷敏感度的高强度、超高强度钢时,对零件加工表面质量的要求更为严格。

美国军标为此特别规定,抗拉强度超过1500M Pa 的高强度钢/超高强度钢零件在服役前必须进行喷丸强化处理,通过调节零件表层的残余压应力分布,提高零件的抗疲劳与抗应力腐蚀性能
[2]。

随着高速切削系统技术的快速发展与深入推广,高速切削工艺技术已开始广泛应用于国防重点机械产品的批量生产加工。

尤其在工程结构材料关键承载件的高效精密加工过程中,高速切削工艺以其高效率、高质量以及高效益等特点,正在成为半精
加工、精加工工序的关键共性基础技术[3]。

从科学本质而言,金属切削过程是一种金属受摩擦与挤压作用而发生弹、塑性变形,进而发生断裂的物理过程。

因此,在金属材料的高速切削过程中,机械载荷与热载荷的耦合作用必将在表面层下引入一定程度的残余应力分布
[4]。

目前高速切削工艺技术的研究重点主要围绕刀
具系统的制备与使用技术、加工过程状态控制技术、加工精度与表面特征分析技术以及切削过程基础工艺规律探索等方面,而对于表面状态(加工表面以下金属组织特性的变化规律),尤其是加工过程引入残余应力方面的研究相对薄弱
[5~8]。

在国内外有
关加工残余应力的研究报告中,大多仅关注零件的表面残余应力,而对影响零件高频疲劳与尺寸变形量的主要因素 峰值残余应力及其作用深度的研究较少
[9,10]。

在研究手段方面,近期多数研究工作主要通过对直角自由切削(绝大多数切削加工为斜角非自由切削)过程数值模型的仿真分析,对理想切削条件下残余应力分布进行模拟预报[11~14]。

当工件与刀具的材料模型缺乏、主要切削特性(切屑形成机理、刀-工与刀-屑摩擦接触特性以及材料高温大应变率失效特性等)未知时,有限元仿真分析的准确性与对工业生产的指导意义将受到较大限制[15,16]。

因此,本工作拟通过对某国防新型超高强度钢进行斜角非自由切削试验研究,分析残余应力的产生机理,探讨高速切削过程引入残余应力场的变化规律,考查切削参数对残余应力场主要特征指标的影响效应,为工业生产中的高速切削工艺参数优化与加工质量控制提供必要的理论指导与试验依据。

1 试验方案与设计
1 1 试验条件
本次研究中所有的高速端面铣削试验均在
第2期高速端面铣削加工引入残余压应力场的试验研究
D MU70e V olution5轴加工中心中进行。

刀盘选择
50mm高效铣刀盘,刀片为A l2O3+Si3N4复合陶瓷
铣刀片。

铣削方式采用端面中心对称方式,切削过
程不使用切削液。

工件材料为某新型超高强度钢,
材料力学性能为: b=1780M Pa, 0 2=1720M Pa,
硬度为50 1HRC,断面收缩率 =53%。

工件规
格为120mm 30mm 45mm。

工件加工表面试验
样本的制备使用汉川H C KK400型线切割机床。

残
余应力的测量则使用芬兰产X3000型X射线应力
分析仪。

1 2 试验方案
为了有效考查切削参数(切削速度v c,每齿进
给量f z和背吃刀量a p)对加工表面残余应力分布的
影响规律,选用23-1析因试验设计方案,进行四组高
速端面铣削试验。

试验中随机安排切削试验顺序。

各组试验的切削条件示于表1。

表1 试验所选切削参数
T ab l e1 Cutting para m eters for tests
T ests v
c /m m i n-1f
z
/mm too t h-1a
p
/mm
11570.10.8
23140.20.8
33140.10.3
41570.20.3
在各组切削试验结束后,使用线切割机将工件加工表面中心区域切割出15mm 15mm 8mm规格的残余应力测量试样,并按试验序号分别进行标号。

测量残余应力分布曲线时,试样采用逐层电解抛光法逐层在X射线应力仪中按切削速度垂直方向测定残余应力沿层深的分布。

当残余应力测量值到达0MPa左右时停止电解剥离过程,并结束此试样的残余应力分布测量实验。

残余应力测试条件为:C r-K 靶,衍射面(211),管流6mA,管压25kV,转角0~45 ,采用交相关法定峰。

2 试验结果与讨论
2 1 残余应力分布的经验模型
图1~4为超高强度钢工件经高速铣削加工后,各试样沿层深方向的残余应力分布曲线。

在上述各图中,圆点为残余应力X射线衍射仪的实际测量值,实线为采用最小二乘法拟合所得经验模型的特征曲线,虚线为拟合经验模型的95%置信度预报边界线。

图1
为一号试样加工残余应力分布曲线。

在该
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组切削条件下,层深各处残余应力测量值均为压应
力,即应力场为残余压应力场。

该残余压应力场的
最大分布深度为238 m,表面残余应力测量值为
-133M Pa,峰值残余应力测量值为-602M Pa,峰
值残余应力出现在表层下27 m处。

以测量点距加工表面的层深x为自变量,残余
应力测量值 为因变量,采用最小二乘法对实验测
得残余应力分布进行经验建模,发现(3,1)有理式
模型[公式(1)],对试验原始数据点的拟合效果较
为理想,拟合曲线整体误差较小,且残差分布均匀。

=p1 x 3+p2 x2+p3 x+p4
x+q1
(1)
公式(1)中各系数分别为p1=-0 002361,p2 =4 536,p3=-916,p4=-1564,q1=11 72。

该拟合模型的均方差平方根RM SE=50 08M Pa,回归系数平方值R2为0 9682。

图2为二号试样残余应力分布曲线。

各实际测量点的残余应力也均为压应力。

该试样残余压应力分布的最大深度为364 m,表面残余应力测量值为-1117M Pa,峰值压应力测量值为-1138M Pa,峰值压应力值位于层深31 m处。

值得注意的是,二号试样的残余应力测量曲线在层深50 m附近处有一突变阶跃区。

该区域的存在表明,工件的表面状态在此处发生了显著改变,表层组织(0~50 m)与次表层组织(50~350 m)的物理特性明显不同,阶跃区左右两侧残余压应力测量值相差近1倍。

不仅如此,在该组试验条件下所获得的残余压应力场作用深度可达加工表面下364 m。

这一结果大幅超过国内外各类文献中所报道的0 25mm左右层深,并已接近该类材料的传统喷丸强化效果[17]。

同样以测量点距加工表面的层深x为自变量,残余应力测量值 为因变量,采用最小二乘法对残余应力分布进行经验建模后,发现三阶多项式模型,如公式(2)所示,能够有效拟合层深50 m至364 m范围内的实验数据点。

=p1 x3+p2 x2+p3 x+p4(2) 公式(2)中各系数分别为p1=-0 00004367, p2=0 03626,p3=-7 042,p4=-140 2。

该多项式拟合模型的均方差平方根RM SE=25 16M Pa,回归系数平方值R2为0 9895。

如果将层深0~50 m范围的测量点并入后进行回归拟合,可以看到,由于突变阶跃层的存在,各类回归模型的拟合效果均十分不理想,拟合所得均方差平方根R M SE最低也将高于100M Pa。

图3为三号试样残余应力分布曲线。

该试样的表面状况也表现为残余压应力分布,压应力场的最大作用深度为169 m,表面残余应力测量值为-437M Pa,峰值压应力的测量值为-743MPa,峰值压应力值位于层深37 m处。

由图3显见,三号试样的残余应力分布规律与一号试样非常类似。

(3,1)有理式模型,[公式(1)],对测量数据点的拟合效果也较为理想,得到光滑的残余应力分布拟合曲线。

在三号试样的(3,1)有理式拟合曲线中,各系数分别为p1=-0 04646,p2=19 86,p3= -1929,p4=-2696,q1=62 09。

该经验模型的均方差平方根RM SE=35 61MPa,回归系数平方值R2为0 9912。

图4为四号试样残余应力分布曲线。

该试样同样表现为残余压应力分布,压应力场的最大作用深度为189 m,表面残余应力测量值为-411M Pa,峰值压残余压力测量值为-625M Pa,峰值压应力值位于层深68 m处。

通过对四号试样的残余应力场测量点的回归分析表明,采用三阶多项式模型可获得比较理想的残余应力分布拟合曲线。

在四号试样的三阶多项式拟合曲线中,各系数分别为p1= -0 00004367,p2=0 03626,p3=-7 042,p4= -140 2。

该拟合公式的均方差平方根RMSE= 16 84MPa,回归系数平方值R2为0 997。

综合上述试样残余应力分布曲线的回归分析结果,可以得出,当每齿进给量f z=0 1mm/tooth时,试样1和试样3的加工表面残余应力分布曲线能够用(3,1)有理式模型进行有效拟合。

而当每齿进给量f z=0 2mm/tooth时,试样2和试样4的残余应力分布曲线则能够用三阶多项式模型进行有效拟合。

作为残余应力分布真实函数的简单近似模型, (3,1)有理式模型与三阶多项式模型虽不能全面揭示高速切削引入残余应力场的形成机理,但可以为准确预报工件表层、次表层内部各处的残余应力提供必要的分析工具。

公式(1)表明,试样1和试样3的表层、次表层内残余应力为层深x的二次函数。

与此同时,试样2和试样4的表面、次表面层内残余应力虽然为层深x的三次函数,但其三次项系数却相对较小。

因此,在试验2和试验4的切削条件下,残余应力分布也可近似为二次函数。

再结合描述金属热传导过程的数学物理模型通常表现为椭圆型函数[18],可以推断出,高速切削条件下切削温度场所带来的热效应是制约残余应力分布的关键因素之一。

另一方面,(3,1)有理式模型毕竟不同于二次
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第2期高速端面铣削加工引入残余压应力场的试验研究函数,也不能用二阶多项式模型代替,故试样1和3与试样2和4的残余压应力分布存在差异。

试验2和4条件下,切削速度与进给速度的比值是试验1和3条件下该比值的一半。

这表明在高速切削条件下,较高的每齿进给量能够有效降低随切削速度升高所带来的切削热效应,即随着切削热源的移动速度(进给速度)加快后,热传导的作用时间也将大幅缩短。

考虑到金属切削过程所伴生的大应变塑性变形也是残余压应力产生的一个主要因素,因而能够影响加工表面机械力载荷的背吃刀量与每齿进给量,成为控制残余压应力分布的重要工艺参数。

2 2 切削参数对残余应力场特征指标的影响效应 机械加工引入残余应力通常可以归结为表面层
金属相对于里层金属伸张或收缩的结果[19]。

切削热在加工表面的热传导、第三剪切变形区塑性变形,以及表层、次表层金属的组织相变等是产生表面残余应力的主要原因。

因此,工件材料的机械物理性
能、切削工艺参数,以及加工工艺条件等成为决定工件表面层残余应力分布的主要影响因素。

工件材料与刀具几何参数为一定时,材料塑性流动所引起的热迁移和沿层深方向的热传导是切削加工过程中主要的热量散播方式,第一剪切变形区的塑性变形与后刀面和工件加工表面的相对滑动摩擦是决定加工表面切削热生成与传导的关键因素,切屑的截面面积与切屑的流动方式则能够对切削热的分配产生重要影响。

因此,切削参数成为决定工件表层、次表层中残余应力分布规律的重要因素。

本次研究中,考查切削参数对残余压应力场主要特征指标(表面残余压应力、峰值残余压应力、峰值压应力作用深度以及压应力场最大作用深度等)的影响效应是一个主要内容。

但限于篇幅,仅对影响零件高频疲劳性能的峰值残余压应力及其作用深度与切削参数之间的联系展开讨论。

图5和6分别为切削参数对峰值残余压
应力和峰值压应力作用深度的统计效应分析结果。

图5中,当切削速度提高1倍后,峰值残余压应力均值将由-656M Pa 降低为-614M Pa 。

此现象表明,伴随切削速度提高而带来的切削温度升高将在表层内产生残余拉应力,从而降低残余压应力的最大值。

当每齿进给量提高1倍时,峰值残余压应力的均值则由-597MPa 升高至-672MPa ,增加了13%。

进给速度的增加虽然同样会引发切削温度的升高,进而引入残余拉应力,但就其带来塑性变形程
度的提高和切削热源移动速度的改变,能够引入残余压应力。

两方面综合作用的结果是提高峰值残余压应力。

随着背吃刀量由0 3mm 提高到0 8mm,表层内部残余压应力的平均峰值提高17%,由-585M Pa 提高至-684M Pa 。

上述分析表明,塑性变形压应力是高速切削表层残余压应力的一个主要组成部分,而切削参数的改变对峰值残余压应力的变化有一定的影响。

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图6中,当切削速度提高1倍时,峰值残余压应力作用深度的均值由48 5 m增加至80 m,增长67%;当每齿进给量提高1倍时,峰值压应力的作用深度均值由32 m增加至96 m,增长203%,当背吃刀量由0 3mm提高到0 8mm时,峰值压应力的作用深度均值由52 m增加至75 m,增长44%。

该现象表明,切削参数的增大将导致峰值残余压应力作用深度的显著提高,其中,每齿进给量是影响峰值压应力作用深度的主要工艺参数。

由此可见,合理控制切削参数将能够在大幅提升材料去除率的同时,有效改善零件的高频疲劳性能。

3 结 论
(1)合理的高速切削工艺将在加工表面下产生残余压应力场。

(2)(3,1)有理式拟合与三阶多项式拟合是描述高速切削引入残余压应力分布曲线的有效经验模型。

(3)每齿进给量是决定残余压应力场特征指标的决定性因素,不同的每齿进给量将改变残余应力的形成机理。

(4)增加背吃刀量能够提高峰值残余压应力及其作用深度,但对表面残余压应力的影响效果并不显著。

(5)高水平切削参数的组合不仅能够大幅提高零件材料去除率,还将在零件表层组织产生超过材料屈服极限65%的最大残余压应力。

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