不锈钢切削表面残余应力的模拟
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Ｍｏｄｅ ｌｌｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅ ｓ ｉｄｕａ ｌ ｓ ｔｒｅ ｓ ｓ ｅ ｓ Ｉｎｄｕｃｅ ｄ ｉｎ ｃｕｔｔｉｎｇ ｏｆ ＡＩＳ Ｉ ３１６Ｌ ｓ ｔｅ ｅ ｌ
ＬＩ Ｊｉａｎ－ ｎａｎ， ＸＩＡＯ Ｌｉｎ－ ｊｉｎｇ， ＧＵＯ Ｐｅｉ－ ｙａｎ （ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ＳＤＵＳＴ， Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５１０， Ｃｈｉｎａ） !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" 【摘 要】建立了正交切削有限元模型， 结合热弹塑性理论， 利用有限元软件的 Ｌａｇｒａｎｇｅ 显式程 序模拟了切削过程， 研究了切削速度、切削厚度、刀具几何参数对 ＡＩＳＩ ３１６Ｌ 钢已加工表面残余应力 分布规律的影响， 并对比实验结果验证了模型的可行性。 关键词： 切削； 残余应力； 模拟 【Ａｂｓｔｒ ａｃｔ】 Ａｎ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ａ ｆｉ－ ｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ － ｅｌａｓｔｉｃ － ｐｌａｓｔｉｃ ＦＥＭ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｕｐｄａｔｅｄ Ｌａｇｒａｎｇｅ ｍｅｔｈｏｄ． Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｉｎ ｍａｃｈｉｎｅｄ ｌａｙｅｒ ｏｆ ＡＩＳＩ ３１６Ｌ ｓｔｅｅｌ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄｓ， ｃｕｔｔｉｎｇ ｄｅｐｔｈｓ ａｎｄ ｔｏｏｌ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｏｎ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｏ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ， ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｃｕｔｔｉｎｇ； Ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒ ｅｓｓ； Ｓｉｍｕｌａｔｅ
图 ２ 残余应力的模拟结果和实验结果对比 Ｆｉｇ．２．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ
ｏｂｔａｉｎｅｄ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ
４ 切削参数等对残余应力的影响
４．１ 切削参数的影响
保 持 切 削 厚 度 ０．１ｍｍ 不 变 ， 研 究 切 削 速 度 对 残 余 应 力 σｘ 的影响。图 ３ 中， 随着切削速度从 １００ｍ／ｍｉｎ 到 ２００ｍ／ｍｉｎ 增大， σｘ 呈 增 大 趋 势 ， 残 余 拉 应 力 层 的 厚 度 呈 减 小 趋 势 。 该 结 果 与 Ｍ＇ Ｓａｏｕｂｉ［２］的实验结果吻合。
×１－
Ｔ－ Ｔｒｏｏｍ Ｔｍ－ Ｔｒｏｏｍ
ｍ
（ １）
式中： "—塑性应变；
"" —塑性应变率（ ｓ－１） ；
"" ０—初始塑性应变率（ １ｓ－１） ；熔化温度、环境温度（ ２０℃） 。
图 １ 正交切削有限元模型 Ｆｉｇ．１ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ
保持切削速度 １００ｍ／ｍｉｎ 不变， 研究切削厚度的影响 。 图 ４ 中， 当切削厚度从 ０．１ｍｍ 增大到 ０．２ｍｍ 时， 残余应力 σｘ 增 大 了 ４００ＭＰａ。另外， 拉应力层厚度也增大。该结果与［２］的实验结果也 吻合。
面的残余应力。
图 ２ 所示为已加工表面残余应力的模拟结果和实验结果。
（ ２）
０
式中： εｆ —等效应变； σ１— 主 应 力 ； Ｃ—临界断裂值， 对于不锈钢， 该值为 ６８ＭＰａ。
上式说明， 当刀刃前方工件材料的最大主拉应力达到临界
值 Ｃ 时， 切屑开始与工件基体分离。
２．４ 模拟过程
模拟分两步： 一是进行足够长时间的模拟以达到稳定状态， 二是将刀具撤离已加工表面， 并冷却到室温， 从而获得残余应 力。数据采集时取几个时间步的平均值。
!!!!!!!!!!!!!!!!"
!!!!!!!!!!!!!!!!"
－ ８６ －
机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
文章编号： １００１－ ３９９７（ ２００７） １０－ ００８６－ ０２
不锈钢切削表面残余应力的模拟
第 １０ 期 ２００７ 年 １０ 月
李建楠 肖林京 郭培燕 （ 山东科技大学 机电学院， 青岛 ２６６５１０）
Ａ、Ｂ、Ｃ、ｎ、ｍ—屈 服 强 度（ ＭＰａ） 、硬 化 模 量（ ＭＰａ） 、应 变 率 相 关系数、硬化系数、热软化系数。这些材料常数分别为 ５１４， ５１４， ０．５０８， ０．０４１７， ０．５３３。
２．２ 有限元模型
切削过程有限元模型见图 １。工件看作热弹塑性体， 划分为 ３０００ 个 等 参 矩 形 单 元 ； 刀 具 看 作 刚 性 体 ， 划 分 为 １０００ 个 单 元 。 采用平面应变热力耦合分析。采用简单的常剪切模型， 取摩擦系 数为 ０．８。
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机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
文章编号： １００１－ ３９９７（ ２００７） １０－ ００８８－ ０３
轴系专用 ＣＡＤ 系统的研究与开发
第 １０ 期 ２００７ 年 １０ 月
李伦平（ 华中光电技术研究所， 武汉 ４３００７４）
Ｔｈｅ ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒｃｈ ａ ｎｄ ｄｅ ｖｅ ｌｏｐｍｅ ｎｔ ｏｆ ｓ ｐｅ ｃｉａ ｌ ＣＡＤ ｆｏｒ ｓ ｈａ ｆｔｉｎｇ ｐａ ｒｔｓ
力层的厚度最大为 ５００μｍ。
图 ４ 对应两种切削厚度的残余应力 σｘ 分布规律 Ｆｉｇ．４ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ σｘ ｆｏｒ ｔｗｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｄｅｐｔｈｓ
４．２ 刀具几何形状的影响
切削速度为 １５０ｍ／ｍｉｎ， 切削厚度为 ０．１ｍｍ。保持前角 ０°不 变， 刀刃圆弧半径分别为 ０．０３ｍｍ、０．０５５ｍｍ 和 ０．１ｍｍ。图 ５ 中 ， σｘ 随着半径 ｒ 增大而增大， 另外， 拉应力层厚度减小。
奥氏体不锈钢的机械性能和抗腐蚀能力比较高， 是化学工 业和核电站常用的材料。但是， 该材料导热性低、对应变率敏感、 机械硬化严重， 所以属于难加工材料。另外， 由于低导热性引起 切削区热量集中， 导致表面残余应力较高。由于形成切削残余应 力的原理很复杂， 到目前为止， 对残余应力的研究以实验法为主［２］。 只有少量文献采用有限元法研究普通碳钢的切削残余应力［３］， 而 在不锈钢方面的研究少之又少。本文提出了不锈钢的正交切削 有限元模型， 通过模拟研究了已加工表面残余应力的变化规律。
关键词： 轴系 ＣＡＤ；系统建模；模型维护；基于知识 【Ａｂｓｔｒ ａｃｔ】 Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ＣＡＤ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｗｉｌｄｌｙ ｉｎ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ ｒｅｃｅｎｔｌｙ， ｔｈｅ ｃｏｎｆｌｉｃｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｌ ＣＡＤ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅ－ ｍｅｎｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｆｏｕｎｄ ｆｏｒ ａ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｌｏｎｇ ｔｉｍｅ． Ｉｔ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｗａｙ ｔｈａｔ ｈｏｗ ｔｏ ｉｎｈｅｒｉｔ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ａ ｎｅｗ ｓｐｅｃｉａｌ ＣＡＤ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｄｅｓｉｇｎ． Ａ ｓｙｓ－ ｔｅｍ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｓｈａｆｔｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ， ａｎｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ３Ｄ ＣＡＤ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ．Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｙ， ｍｏｄｅｌ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｓｈａｆｔｉｎｇ ＣＡＤ； Ｍｏｄｅｌｉｎｇ；Ｍｏｄｅｌ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ；Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ－ ｂａｓｅｄ
２．３ 分离准则
在 ＡＩＳＩ ３１６Ｌ 的切削过程中， 拉应力对材 料 断 裂 的 影 响 很
＊ 来稿日期： ２００６－ １２－ ２７
第 １０ 期
李建楠等： 不锈钢切削表面残余应力的模拟
－ ８７ －
大。本文中， 采用 Ｃｏｃｋｒｏｆｔ＆Ｌａｔｈａｍ 准则来预测切屑与工件基体
的分离：
!!ｆ σ１ｄε＝Ｃ
图 ５ 对应三种刀刃圆弧半径的残余应力 σｘ 分布规律 Ｆｉｇ．５ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ σｘ ｆｏｒ ｔｈｒｅｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｏｏｌ ｃｕｔｔｉｎｇ
ｅｄｇｅ ｒａｄｉｕｓ ｖａｌｕｅｓ
!!!!!!!!!!!!!!!!!"
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２ 残余应力的有限元模拟过程
２．１ 工件材料特性
工件材料为 ＡＩＳＩ ３１６Ｌ， 其等轴晶粒粒度为 ５０μｍ， 硬度 １７０
ＨＶ。为了模拟工件材料的热弹塑特性， 采用方程（ １） 所示的 Ｊｏｈｎ－
ｓｏｎ－ Ｃｏｏｋ 本构方程［４］：
% # $&% % && !＝（ Ａ＋Ｂ"ｎ） １＋Ｃ１ｎ "" "" ０
切削速度为 ２００ｍ／ｍｉｎ， 切削厚度为 ０．１ｍｍ。可见， 模拟结果与实
验结果吻合， 所以有限元模型可以用来研究切削参数对残余应
力的影响。ｘ 向残余应力 σｘ 和 ｙ 向表面残余应力 σｙ 基本上都是 拉应力。σｘ 决定 σｙ 的产生， 对零件的实用性能影响较大， 所以本 文只研究 σｘ。图 ２ 中， σｘ 最大值为 １０００ＭＰａ， 随着与工件表面距 离的 增 加 而 减 小 ， 到 ２００ＭＰａ 时 趋 于 稳 定 ， 最 终 减 小 至 ０。 拉 应
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
中图分类号： ＴＧ５０１．１ 文献标识码： Ａ
１ 引言
机械零件在切削加工后， 表面会产生较大的残余应力。残余 拉应力会降低零件在运行中承载疲劳、蠕变和应力腐蚀裂变的 能力 ， 也造成加工 后 的 尺 寸 不 稳 定 性［１］。 所 以 ， 预 测 和 控 制 残 余 应力是非常必要的。
为了节省和存储空间， 需要合理的分配网格密度， 所以本文 定义了网格密度窗口， 如图 １ 所示的 １－ ４ 四个黑框。切削过程 中， 在局部区域内材 料 易 产 生 高 温 、大 变 形 ， 随 着 刀 尖 前 端 材 料 的变形， 单元变形或扭曲， 使计算结果严重失真或计算不收敛。 所以本文采用网格重划分技术， 以提高计算和模拟的精度。
ＬＩ Ｌｕｎ－ ｐｉｎｇ（ Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏ－ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
【摘 要】研发实用的基于通用 ＣＡＤ 平台的零部件 ＣＡＤ 系统是深化 ＣＡＤ 应用、进一步提高企业 设计效率的有效途径。以常用传动轴系为范例， 深入研究了轴系专用 ＣＡＤ 的系统建模技术、系统模型 的维护算法以及基于知识的计算机辅助设计技术。
３ 实验结果和模拟结果进行对比
为了验证正交切削模型， 本文将模拟结果与 Ｊ．Ｃ．Ｏｕｔｅｉｒｏ 等 的实验结果进行了对比。Ｊ．Ｃ．Ｏｕｔｅｉｒｏ 在 １５ＨＰ 数控机床上进行了 ＡＩＳＩ ３１６Ｌ 的正交切削实验， 通过 ｘ 射线衍射法测量了已加工表
图 ３ 对应三种切削速度的残余应力 σｘ 分布规律 Ｆｉｇ．３ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ σｘ ｆｏｒ ｔｈｒｅｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄｓ
ＬＩ Ｊｉａｎ－ ｎａｎ， ＸＩＡＯ Ｌｉｎ－ ｊｉｎｇ， ＧＵＯ Ｐｅｉ－ ｙａｎ （ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ＳＤＵＳＴ， Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５１０， Ｃｈｉｎａ） !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" 【摘 要】建立了正交切削有限元模型， 结合热弹塑性理论， 利用有限元软件的 Ｌａｇｒａｎｇｅ 显式程 序模拟了切削过程， 研究了切削速度、切削厚度、刀具几何参数对 ＡＩＳＩ ３１６Ｌ 钢已加工表面残余应力 分布规律的影响， 并对比实验结果验证了模型的可行性。 关键词： 切削； 残余应力； 模拟 【Ａｂｓｔｒ ａｃｔ】 Ａｎ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ａ ｆｉ－ ｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ － ｅｌａｓｔｉｃ － ｐｌａｓｔｉｃ ＦＥＭ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｕｐｄａｔｅｄ Ｌａｇｒａｎｇｅ ｍｅｔｈｏｄ． Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｉｎ ｍａｃｈｉｎｅｄ ｌａｙｅｒ ｏｆ ＡＩＳＩ ３１６Ｌ ｓｔｅｅｌ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄｓ， ｃｕｔｔｉｎｇ ｄｅｐｔｈｓ ａｎｄ ｔｏｏｌ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｏｎ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｏ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ， ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｃｕｔｔｉｎｇ； Ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒ ｅｓｓ； Ｓｉｍｕｌａｔｅ
图 ２ 残余应力的模拟结果和实验结果对比 Ｆｉｇ．２．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ
ｏｂｔａｉｎｅｄ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ
４ 切削参数等对残余应力的影响
４．１ 切削参数的影响
保 持 切 削 厚 度 ０．１ｍｍ 不 变 ， 研 究 切 削 速 度 对 残 余 应 力 σｘ 的影响。图 ３ 中， 随着切削速度从 １００ｍ／ｍｉｎ 到 ２００ｍ／ｍｉｎ 增大， σｘ 呈 增 大 趋 势 ， 残 余 拉 应 力 层 的 厚 度 呈 减 小 趋 势 。 该 结 果 与 Ｍ＇ Ｓａｏｕｂｉ［２］的实验结果吻合。
×１－
Ｔ－ Ｔｒｏｏｍ Ｔｍ－ Ｔｒｏｏｍ
ｍ
（ １）
式中： "—塑性应变；
"" —塑性应变率（ ｓ－１） ；
"" ０—初始塑性应变率（ １ｓ－１） ；熔化温度、环境温度（ ２０℃） 。
图 １ 正交切削有限元模型 Ｆｉｇ．１ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ
保持切削速度 １００ｍ／ｍｉｎ 不变， 研究切削厚度的影响 。 图 ４ 中， 当切削厚度从 ０．１ｍｍ 增大到 ０．２ｍｍ 时， 残余应力 σｘ 增 大 了 ４００ＭＰａ。另外， 拉应力层厚度也增大。该结果与［２］的实验结果也 吻合。
面的残余应力。
图 ２ 所示为已加工表面残余应力的模拟结果和实验结果。
（ ２）
０
式中： εｆ —等效应变； σ１— 主 应 力 ； Ｃ—临界断裂值， 对于不锈钢， 该值为 ６８ＭＰａ。
上式说明， 当刀刃前方工件材料的最大主拉应力达到临界
值 Ｃ 时， 切屑开始与工件基体分离。
２．４ 模拟过程
模拟分两步： 一是进行足够长时间的模拟以达到稳定状态， 二是将刀具撤离已加工表面， 并冷却到室温， 从而获得残余应 力。数据采集时取几个时间步的平均值。
!!!!!!!!!!!!!!!!"
!!!!!!!!!!!!!!!!"
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机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
文章编号： １００１－ ３９９７（ ２００７） １０－ ００８６－ ０２
不锈钢切削表面残余应力的模拟
第 １０ 期 ２００７ 年 １０ 月
李建楠 肖林京 郭培燕 （ 山东科技大学 机电学院， 青岛 ２６６５１０）
Ａ、Ｂ、Ｃ、ｎ、ｍ—屈 服 强 度（ ＭＰａ） 、硬 化 模 量（ ＭＰａ） 、应 变 率 相 关系数、硬化系数、热软化系数。这些材料常数分别为 ５１４， ５１４， ０．５０８， ０．０４１７， ０．５３３。
２．２ 有限元模型
切削过程有限元模型见图 １。工件看作热弹塑性体， 划分为 ３０００ 个 等 参 矩 形 单 元 ； 刀 具 看 作 刚 性 体 ， 划 分 为 １０００ 个 单 元 。 采用平面应变热力耦合分析。采用简单的常剪切模型， 取摩擦系 数为 ０．８。
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机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
文章编号： １００１－ ３９９７（ ２００７） １０－ ００８８－ ０３
轴系专用 ＣＡＤ 系统的研究与开发
第 １０ 期 ２００７ 年 １０ 月
李伦平（ 华中光电技术研究所， 武汉 ４３００７４）
Ｔｈｅ ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒｃｈ ａ ｎｄ ｄｅ ｖｅ ｌｏｐｍｅ ｎｔ ｏｆ ｓ ｐｅ ｃｉａ ｌ ＣＡＤ ｆｏｒ ｓ ｈａ ｆｔｉｎｇ ｐａ ｒｔｓ
力层的厚度最大为 ５００μｍ。
图 ４ 对应两种切削厚度的残余应力 σｘ 分布规律 Ｆｉｇ．４ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ σｘ ｆｏｒ ｔｗｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｄｅｐｔｈｓ
４．２ 刀具几何形状的影响
切削速度为 １５０ｍ／ｍｉｎ， 切削厚度为 ０．１ｍｍ。保持前角 ０°不 变， 刀刃圆弧半径分别为 ０．０３ｍｍ、０．０５５ｍｍ 和 ０．１ｍｍ。图 ５ 中 ， σｘ 随着半径 ｒ 增大而增大， 另外， 拉应力层厚度减小。
奥氏体不锈钢的机械性能和抗腐蚀能力比较高， 是化学工 业和核电站常用的材料。但是， 该材料导热性低、对应变率敏感、 机械硬化严重， 所以属于难加工材料。另外， 由于低导热性引起 切削区热量集中， 导致表面残余应力较高。由于形成切削残余应 力的原理很复杂， 到目前为止， 对残余应力的研究以实验法为主［２］。 只有少量文献采用有限元法研究普通碳钢的切削残余应力［３］， 而 在不锈钢方面的研究少之又少。本文提出了不锈钢的正交切削 有限元模型， 通过模拟研究了已加工表面残余应力的变化规律。
关键词： 轴系 ＣＡＤ；系统建模；模型维护；基于知识 【Ａｂｓｔｒ ａｃｔ】 Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ＣＡＤ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｗｉｌｄｌｙ ｉｎ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ ｒｅｃｅｎｔｌｙ， ｔｈｅ ｃｏｎｆｌｉｃｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｌ ＣＡＤ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅ－ ｍｅｎｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｆｏｕｎｄ ｆｏｒ ａ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｌｏｎｇ ｔｉｍｅ． Ｉｔ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｗａｙ ｔｈａｔ ｈｏｗ ｔｏ ｉｎｈｅｒｉｔ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ａ ｎｅｗ ｓｐｅｃｉａｌ ＣＡＤ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｄｅｓｉｇｎ． Ａ ｓｙｓ－ ｔｅｍ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｓｈａｆｔｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ， ａｎｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ３Ｄ ＣＡＤ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ．Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｙ， ｍｏｄｅｌ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｓｈａｆｔｉｎｇ ＣＡＤ； Ｍｏｄｅｌｉｎｇ；Ｍｏｄｅｌ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ；Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ－ ｂａｓｅｄ
２．３ 分离准则
在 ＡＩＳＩ ３１６Ｌ 的切削过程中， 拉应力对材 料 断 裂 的 影 响 很
＊ 来稿日期： ２００６－ １２－ ２７
第 １０ 期
李建楠等： 不锈钢切削表面残余应力的模拟
－ ８７ －
大。本文中， 采用 Ｃｏｃｋｒｏｆｔ＆Ｌａｔｈａｍ 准则来预测切屑与工件基体
的分离：
!!ｆ σ１ｄε＝Ｃ
图 ５ 对应三种刀刃圆弧半径的残余应力 σｘ 分布规律 Ｆｉｇ．５ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ σｘ ｆｏｒ ｔｈｒｅｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｏｏｌ ｃｕｔｔｉｎｇ
ｅｄｇｅ ｒａｄｉｕｓ ｖａｌｕｅｓ
!!!!!!!!!!!!!!!!!"
!!!!!!!!!!!!!!!!!"
２ 残余应力的有限元模拟过程
２．１ 工件材料特性
工件材料为 ＡＩＳＩ ３１６Ｌ， 其等轴晶粒粒度为 ５０μｍ， 硬度 １７０
ＨＶ。为了模拟工件材料的热弹塑特性， 采用方程（ １） 所示的 Ｊｏｈｎ－
ｓｏｎ－ Ｃｏｏｋ 本构方程［４］：
% # $&% % && !＝（ Ａ＋Ｂ"ｎ） １＋Ｃ１ｎ "" "" ０
切削速度为 ２００ｍ／ｍｉｎ， 切削厚度为 ０．１ｍｍ。可见， 模拟结果与实
验结果吻合， 所以有限元模型可以用来研究切削参数对残余应
力的影响。ｘ 向残余应力 σｘ 和 ｙ 向表面残余应力 σｙ 基本上都是 拉应力。σｘ 决定 σｙ 的产生， 对零件的实用性能影响较大， 所以本 文只研究 σｘ。图 ２ 中， σｘ 最大值为 １０００ＭＰａ， 随着与工件表面距 离的 增 加 而 减 小 ， 到 ２００ＭＰａ 时 趋 于 稳 定 ， 最 终 减 小 至 ０。 拉 应
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中图分类号： ＴＧ５０１．１ 文献标识码： Ａ
１ 引言
机械零件在切削加工后， 表面会产生较大的残余应力。残余 拉应力会降低零件在运行中承载疲劳、蠕变和应力腐蚀裂变的 能力 ， 也造成加工 后 的 尺 寸 不 稳 定 性［１］。 所 以 ， 预 测 和 控 制 残 余 应力是非常必要的。
为了节省和存储空间， 需要合理的分配网格密度， 所以本文 定义了网格密度窗口， 如图 １ 所示的 １－ ４ 四个黑框。切削过程 中， 在局部区域内材 料 易 产 生 高 温 、大 变 形 ， 随 着 刀 尖 前 端 材 料 的变形， 单元变形或扭曲， 使计算结果严重失真或计算不收敛。 所以本文采用网格重划分技术， 以提高计算和模拟的精度。
ＬＩ Ｌｕｎ－ ｐｉｎｇ（ Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏ－ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
【摘 要】研发实用的基于通用 ＣＡＤ 平台的零部件 ＣＡＤ 系统是深化 ＣＡＤ 应用、进一步提高企业 设计效率的有效途径。以常用传动轴系为范例， 深入研究了轴系专用 ＣＡＤ 的系统建模技术、系统模型 的维护算法以及基于知识的计算机辅助设计技术。
３ 实验结果和模拟结果进行对比
为了验证正交切削模型， 本文将模拟结果与 Ｊ．Ｃ．Ｏｕｔｅｉｒｏ 等 的实验结果进行了对比。Ｊ．Ｃ．Ｏｕｔｅｉｒｏ 在 １５ＨＰ 数控机床上进行了 ＡＩＳＩ ３１６Ｌ 的正交切削实验， 通过 ｘ 射线衍射法测量了已加工表
图 ３ 对应三种切削速度的残余应力 σｘ 分布规律 Ｆｉｇ．３ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ σｘ ｆｏｒ ｔｈｒｅｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄｓ