铸造件切削加工残余应力及变形机理研究

技术
211 网格划分技术
1
V
V
σ ε dV + τsdV ∫ V ∫
p V
1
( 2)
112 有限元变形理论
基于有限变形理论 , 得到温度 2 应力耦合场计算的 基本方程为 :
p ・ σ = H (ε ,ε , T)
( 3)
σ = d
σ 5 5{σ}
p
T
5H ε 5H ε 5H p ・p d{σ} = + ・p d + dT pd 5T ε 5 ε 5
( 10 )
Leabharlann Baidu
5f 5H 其中 , A = p 5H 5 ε 势面及硬化参数 。
T
5g , f、 g、 H分别为加载曲面 、 塑性 σ 5
ε、 ε 分别表示屈服应力 、 式中 ,σ、 等效塑性应变和等 效塑性应变率 ; A, B , C, n, m 分别为材料常数 ; Tm 、 Tr、 T 分别为材料的熔点 、 转变温度 、 以及材料动态温度 。
收稿日期 : 2009 - 08 - 05 作者简介 : 刘书群 ( 1963 —) ,男 ,河南南阳人 ,河南职业技术学院机械电子工程系副教授 ,主要从事铸造及计算机辅助设计的研究和教学工作 , ( E - mail) lixia8523@163. com。
・22・
2010 年第 3 期
・ 设计与研究 ・
在铣削加工过程中 , 摩擦热的产生与切屑的形成和 刀具的运动有密切的关系 , 如果前刀面的摩擦边界条件 设置不当 , 不仅导致第一变形区剪切滑移的加剧 , 而且 影响第二变形区 (切屑进一步受到前刀面挤压和摩擦的 区域 ) 的变形 , 所以正确建立刀具与工件之间的摩擦关 ・2 3 ・
・ 设计与研究 ・
The Research of Ca stin gs Parts M ach in in g Residua l Stress and D eforma tion M echan ism L IU Shu 2qun (Mechanical and Electronic Engineering Departm ent of HENAN POLYTECHN I C, Zhengzhou 450046, China ) Abstract: The castings parts in corrected defor mation have a significant storage residual stress, when machining the residual stresses and cutting residual stresses will deter m ine the geometry . So how to p redict and control the cutting residual stresses distribution in casting parts, and with the Superposition of storage residual stresses to in2 fluence the geometry is the key point in machining . In this paper for big structural parts based on the finite ele2 ment technology we research the cutting residual stresses, give the relationship bet ween residual stress and de2 for mation. The model has a good guide for p revention the defor mation and op ti m ization the machining parameter . Key words: machining; residual stresses; finite element; deformation of casting parts
212 工件材料的流动应力模型
即
d{σ} = [D ] ( d{ε} - d{ε } ) + d{σ } + d{σ }
V′ = [D ] d{ε} + ( d{σ } ) - [D ] d{ε } ) + d{σ } ep T ep T
) + f2 ( H ′ ) + f3 ( H ′ ) = f1 ( H ′ , T′ , V′
{σ} e = [D ] [B ] {δ }
e
( 1)
e
( 8)
ρ 式中 , k是热导率 、 是密度 、 c是比热容 、 Q g 单位体积生 热。 在加工过程中 , 由于剪切区变形与摩擦的共同作 用生热为 :
Qg =
・
其中 , [D ] — — —弹性矩阵 ; [B ] — — —几何矩阵 。
2 切削加工表面残余应力的有限元模拟关键
ep
( 5)
其中 , D 为弹塑性应力张量可由式确定 , 第一项是流 动应力受应变硬化影响时的应力增量 , 第二项是流动 应力受温度和应变硬化同时作用而引起的表观应力增 量 , 第三项是流动应力受应变速率和应变硬化同时作 用的影晌而引起的表观应力增量 。
D
ep
金属切削过程虽然是在室温下进行的 , 但局部切 削变形区的温度却远远高于室温 。 因此 ,受切削温度的 影响 ,金属切削加工实际上是在热加工的范畴中进行 的 ,在局部高温下完成了切削层材料向切屑转变 。 故在 进行切削过程数值建模的设计时 , 应考虑切削过程中 工件材料温度一速度效应及物理一化学参量的变化对 切削过程物理现象的影响 。 本文利用 John son 2 Cook 材 料模型 ,该模型是一个能反映应变率强化效应和温升 软化效应的模型 ,能很好的模拟材料的应力流动特性 。
系是金属切削仿真是否成功的关键技术之一 。 大量实验 证明 , 前刀面上的应力分布是不均匀的 , 在前刀面上可 以分为两个工作区 :滑动区和粘结区 。 在滑动区 , 由于正 应力小所以摩擦较小 , 属于外摩擦 。 而在粘结区 , 由于刀 具前刀面和切屑间的高温高压 , 使得 前刀面和切屑之间变为内摩擦。 内摩 擦实际上就是金属内部的剪切滑移 , 它与材料的流动应力特性以及粘结面 积大小有关 , 所以其变化规律与外摩 擦不同。
该变量作为假想载荷作用到物体上 , 按弹性理论求出 应力与应变 , 再从卸载前的相应的应力 、 应变中减去因 卸载而引起的应力 、 应变改变量 , 从而得到卸载后的应 力、 应变状态 , 即为残余应力和残余应变 。
{σ} r = {σ} - {σ} e ( 7)
1 切削加工残余应力的数值模拟计算原理
・ 设计与研究 ・
文章编号 : 1001 - 2265 ( 2010 ) 03 - 0022 - 03
组合机床与自动化加工技术
铸造件切削加工残余应力及变形机理研究
刘书群
(河南职业技术学院 机械电子工程系 ,郑州 450046 )
摘要 : 铸造件在变形矫正中会产生很大的寄存残余应力 , 当该铸造件进行切削加工时 , 由于切削加工的 作用会使构件内部残余应力重新分布 , 最终决定了构件的几何形状 。因此 , 如何更好的预测 、 控制切削 加工的残余应力 ,通过该残余应力与铸件寄存的残余应力的叠加 ,保证铸件切削加工后精确的几何形状 是当前切削加工研究的关键问题 。本文基于有限元仿真技术 ,针对于大型构件 ,从研究高速切削加工残 余应力的特性入手 ,分析了残余应力的产生特性 , 并进一步揭示了残余应力对构件变形的影响 , 得出了 仿真模型 ,对于预防铸造件加工变形 ,优化切削加工参数有很好的指导意义 。 关键词 : 切削加工 ; 残余应力 ; 有限元 ; 铸造件变形 中图分类号 : TH16; TG65 文献标识码 : A
・p
ε +V′ ε + T′ = H′ d d dT
( 4)
5H 式中 , H ′ = p— — —材料硬化曲线的斜率 , 成为硬化系数 ; ε 5
V′ =
5H — —与材料应变速率有关的系数 ; ・p — ε 5 5H T′ = — — —与材料温度有关的系数 。 5T
ep T T V′
采用自适应网格划分技术 , 主要包括任意拉格朗 日 2欧拉 (AL E ) 自适应 、 自适应网格重划分 (A dap tive R em e sh ing) 以及网格到网格 (M e sh 2to 2 m e sh ) 技术 。 这 三种技术各有优缺点 , 单纯的拉格朗日或者单纯的欧 拉方法效率不高 , 拉格朗日方法对于模拟不受约束的 切屑边界成形和接触长度的确定比较适用 , 而欧拉方 法对十研究稳定切削状态下刀尖周围的切屑流动比较 适用 。 因此 , 本文采用将两种方法混合使用 , 在一个 AL E 分析当中 , 有限元网格不像纯拉格朗日方法一样 始终跟随材料流动 ,也不像纯欧拉方法一样固定不动 ; 这种方法中网格可以独立十材料流动之外单独运动 。
σn < τ σn (表示滑动区 ) 当μ s 时 , Tf = μ
( 11 ) μ σ τ τ ( 当 n ≥ s 时 , Tf = s 表示粘结区 ) ( 12 )
组合机床与自动化加工技术 解器进行了加工的模拟仿真 , 该软件能很好的求解非 线性问题 ,具有良好的后处理功能 。根据一组切削的 参数 ,进行模拟分析得出了切削加工后的构件的变形 图 ,如图 3 所示 。
0 引言
工业上针对于大型的零件通常采用铸造的方法来 生成 ,而铸造变形是铸造生产中的一种常见的缺陷 ,人 们采用了很多的方法来消除铸造变形 , 最常用的方法 是冷态矫正和热态矫正 。在对铸件进行校正之后 , 不 可避免的铸件内部会产生残余的因矫正而产生的应 力 ,如图 1 所示由于内部的残余应力引起的结构的变 形 。铸件在矫正后 ,进行切削加工 ,切削加工及其本身 产生的残余应力会与铸件寄存的残余应力进行叠加 , 使整体构建的残余应力重新分配 , 最终决定了铸件的 变形 。因此 ,如何更好的预测 、 控制切削加工的残余应 力 ,是保证铸件切削加工后的几何形状的关键 。 对于切削加工的残余应力 , 国内外很多的学者进 行了研究 ,其中德国的 Capello 教授采用开展切削试验 的方法得出了切削加工残余应力的经验公式 。由于切 削试验的局限性 ,随着大型计算软件的发展 ,仿真分析
图 1 铸造件矫正残余应力引起的结构变形
预测残余应力的方法被大家广泛的采用 。用有限元方 法分析残余应力 , 是指首先建立切削模型 , 然后基于 弹— — — 塑性热力耦合理论 , 采用有限元方法对切削过 程进行模拟 , 从而得到工件表面残余应力的分布规律 等 。该方法涉及到工件材料特性 、 网格自适应划分 、 摩 擦模型和切屑分离准则等关键技术 。本文基于有限元 仿真技术 , 针对于大型构件 , 从研究高速切削加工残余 应力的特性入手 , 分析了残余应力的产生特性 , 并进一 步揭示了残余应力对构件变形的影响 , 得出了仿真模 型 , 对于预防铸造件加工变形 , 优化切削加工参数有很 好的指导意义 。
213 刀屑间的摩擦
pl
・
pl
113 残余应力的计算
在切削过程中 , 工件表面经受热 — — —力耦合的作 用 , 使表面产生压 、 拉残余应力 。 针对于仿真切削中的 残余应力 , 是个复杂的加 、 卸载作用的过程 。 工件在卸 载过程中 , 应力分量该变量与应变分量的该变量服从 广义胡克定律 , 卸载以后的应力和应变等于外载荷的
111 切削加工温度场有限元方程
金属切削过程具有高度非线性 、 动态性等特点 ,根 据它的特点可以建立无内热源非稳态热传导温度场的 微分方程如下 :
k
・ 52 T 52 T ρ 5T 5T + Q - c u +v g = 0 2 + 2 5 x 5 y 5x 5y ・
其中 , {σ} 为切削过程瞬时流动应力 , {σ} e 工件卸载 后的线弹性恢复应力 。
・ σ = f1 (ε) f2 (ε ) f3 ( T )
pl n σ = [A + B (ε ) ] 1 + C ln
=D - D
p
5g 5f D D σ 5 5 σ =D T 5f D 5g A + σ 5 σ 5
T
( 9) T - Tr Tm - T r
m
( 6)
ε pl ・ ε 0
・
1 -