球头铣刀加工后的构件表面残余应力实验研究.pdf

考虑不同切削条件（包括转速、切削深度及进给量）对球头铣刀加工表面残余应力影响的情况下，系统研究了抗氢脆不锈钢球头铣刀切削后的构件表面残余应力。结果显示：球头铣刀加工后的构件表面残余应力呈现压应力状态；亚表层残余应力随着亚表层厚度的增加而减小，最后趋于稳定，稳定值可认为是材料的初始残余应力；转速、轴向切削深度与构件的表面残余应力幅值正相关；进给速度与球头铣刀加工后的构件表面残余应力幅值负相关。研究结果可为球头铣刀加工表面残余应力的理论建模、抗氢脆不锈钢的切削参数优化以及实现抗氢脆不锈钢构件的高性能制造提供参考。关键词：切削残余应力；铣削；加工表面；曲面弱刚性构件；抗氢脆不锈钢中图分类号：；文献标志码：，：，（）（，）：，：；?引言曲面弱刚性薄壁构件被广泛应用于航天航空、武器装备等行业，如爆轰实验的曲面飞层以及发动机叶片等。目前，一般通过球头铣刀切削实现图 所示曲面弱刚性薄壁构件的成型。由于曲面弱刚性薄壁构件刚度较差，加工后容易产生变形和扭曲，导致其形位、尺寸精度难以满足要求，有时甚至导致构件报废。残余应力被认为是导致曲面弱刚性薄壁构件加工后变形和扭曲的根本原因，而残余应力包含初始残余应力和切削残余应力，其中，切削残余应力是导致曲面弱刚性薄壁构件加工变形的重要因素，对于难加工材料（如抗氢脆不锈钢、高强钢、钛合金、镍基耐热合金等）尤其如此。因此，研究球头铣刀加工表面的残余应力产生原因及其影响因素，对于揭示曲面弱刚性薄壁构件的变形和扭曲机制，并建立相应的变形和扭曲控制方法十分必要。图 常见曲面弱刚性薄壁构件当前关于切削残余应力的研究主要针对一些简单切削过程（如正交切削等），对于包含几何刀具的切削过程（如铣削、钻削等），由于刀具切削刃与构件表面之间复杂的空间相对位置关系和相互作用关工 具 技 术系，使得切削残余应力研究变得十分复杂和困难，因而相关研究仍然较为匮乏，仅有 等 、等 、等 研究了端铣刀侧铣加工后的表面残余应力，而关于球头铣刀加工后构件表面残余应力的系统研究更少。为此，本文针对球头铣刀加工过程，研究其加工后表面的残余应力，为研究曲面弱刚性薄壁构件的变形和扭曲行为及相应的控制方法提供参考。?国内外研究现状切削表层及亚表层残余应力是切削加工表面完整性的重要指标之一 ，同时也是高性能切削过程需要控制的关键参量 ，此外，表面残余应力的状态还与构件的疲劳寿命、抗腐蚀性能以及尺寸精度及稳定性等密切相关 ，因此，研究人员开展了大量关于切削表面残余应力的研究 ，但当前关于切削加工表面残余应力的研究主要集中在正交切削过程和车削过程，少量研究关注了铣削加工表面的残余应力。正交切削过程中，刀具的切削刃和进给速度垂直，如图 所示。正交切削具有最简单的切削几何关系，通常被用来研究金属切削的力学问题，是研究车削、铣削、钻孔等其他复杂金属加工过程的基础。因而，很多学者对正交切削加工后的构件表层及亚表层残余应力进行了研究。等 基于力热耦合模型，运用解析法建立了正交切削加工后工件表层及亚表层的残余应力预测模型，该模型预测的残余应力值与实验切削 （）轴承钢后的测量值十分接近。基于类似的研究思路，等 、等 、等 、等 考虑了后刀面磨损对加工表面残余应力的影响并进行了实验研究，结果显示，考虑刀具磨损后的残余应力预测模型更加精确，且磨损后的刀具会增加表层及亚表层残余应力的幅值。等 在进行正交切削加工构件表面残余应力的建模时考虑了刀尖圆角半径的影响，等 则考虑了正交切削过程的动态效应，即加工过程中刀具振动导致的切削力波动对加工表面残余应力状态的影响，等 及 等 的工作使得加工表面残余应力的研究更加接近真实切削过程。等 则考虑了刀尖圆角半径、切削速度、切削深度等对构件表面残余应力的影响，研究结果对于刀具的设计及切削参数的优化具有一定的参考意义。图 正交切削过程与二维正交切削过程不同，车削过程可认为是由一系列三维斜角切削（见图 ）叠加而成，车削过程相较于正交切削过程更加复杂，因而研究车削加工后的残余应力也变得较为困难。图 三维斜角切削目前主要通过数值仿真和切削实验 应力测量的方法研究车削加工表面的残余应力。在数值仿真方面，等 及 等 基于有限元法详细研究了车削加工后构件表面的残余应力。在文献 的研究中，切削力、切削热等变量与加工表面的残余应力一并作为 计算过程的输出量，与文献 的研究不同，娄忠波等 基于二维正交切削模型计算了切削过程的力、热载荷，然后根据车削刀具的几何参数及刀具与工件的相对位置，将二维的力、热载荷关系映射到三维空间，之后建立工件的有限元模型，将三维空间分布的力、热载荷施加到工件表面，应用有限元方法计算了纯铁表面的残余应力。，通过实验研究了车削参数（包括进给量、刀尖圆角、切入角、切削深度）、被车削工件材料（机械性能差异较大的三种钢）对车削加工后构件表面残余应力的影响，实验结果表明：影响切削残余应力的主要因素为刀尖圆角和进给量，次要因素为切入角，而切削深度不影响切削表面的残余应力。对于不同的被切削工件材料，切削参数对残余应力的影响机制相似。等 系统地实验研究了车削刀尖圆角半径 年第 卷 对 加工表面的残余应力的影响，残余应力的幅值及应力分布深度总体上随着刀尖圆角半径的增加而增加。等 实验研究了车削刀具几何参数对被切削工件材料表面残余应力的影响，建立了残余应力与切削刀具几何参数之间的映射关系，研究结果对于切削刀具的优化设计有很好的理论指导。相比于正交切削过程和车削过程，铣削加工过程更加复杂，一是因为铣削过程的切削运动学几何模型相比于车削和正交切削更加复杂，二是因为铣削过程是断续切削，这使得铣削加工表面的创成机制与车削、正交切削过程不同，上述原因使得铣削加工表面残余应力的建模十分困难，因而关于铣削加工后构件表面的残余应力研究较匮乏。目前，由于 在数值模拟铣削过程中存在计算时间长、置信度不高的问题，因而主要通过基于力热耦合模拟预测切削加工后构件表面的残余应力，等 、等 基于力热耦合法建立了端铣刀面铣、槽铣加工后工件底部、侧壁的残余应力模型，预测结果与实验结果的差别仍然较大。等 、等 、等 、等 在文献 的基础上详细研究了端铣刀切削后构件表面的残余应力，但他们的预测结果存在较大差别。球头铣刀铣削加工过程相比于其他加工过程还要复杂，因而当前关于球头铣刀加工后构件表面的研究更少，等 基于 研究了球头铣刀加工后构件表面的残余应力，等 则将切削力和切削热作为有限元计算过程输入来计算球头铣刀加工后构件表面的残余应力，等 通过实验对比了正交切削和球头铣刀加工构件表面的残余应力，虽然他们分别从数值和实验方面开展了关于球头铣刀加工后构件表面的残余应力研究，但相关研究仍不深入、不充分，为此有必要针对球头铣刀的切削过程系统而深入地开展构件表面残余应力的研究。?实验材料与方法本研究基于图 所示基本思路对球头铣刀加工表面残余应力开展试验研究。通过进行球头铣刀切削实验，获得不同切削条件下的球头铣刀加工的构件表面；利用残余应力测试仪器对不同切削条件下的表层及亚表层残余应力进行测试；对测试得到的残余应力数据进行分析，研究球头铣刀加工表面的切削残余应力状态以及切削条件对切削残余应力的影响。图 残余应力实验研究的基本思路本研究使用的切削试件材料为锻造的抗氢脆不锈钢（），该材料被广泛应用于制造战略装备的关键构件，是典型的难加工材料，其在切削加工过程中产生的切削力大、切削热多，因而刀具磨损较严重，加工后构件的表面完整性差。切削实验前，锻造尺寸为（）（）（）的抗氢脆不锈钢毛坯件见图 ，该毛坯件的尺寸较大，为方便球头铣刀切削实验，将大块的锻造毛坯件线切割为（）（）（）的小块样品（见图 ）。（）锻造毛坯实物（）试件尺寸及线切割后的实物图 试件材料刀具选用耐高酷乐的双刃球头铣刀，其产品编号为 ，直径为 ，总长为 ，刃长为 ，螺旋角为 ，该刀具材质为超细颗粒硬质合金刀具，适合切削不锈钢、高强钢等难加工材料。抗氢脆不锈钢属于难加工材料，加工过程中由于产生大量切削热导致刀具的化学磨损十分严重，降低了刀具的使用寿命，同时也造成加工表面完整性差（如表面光洁度低、加工表面存在残留物等）。为提高加工表面完整性，避免刀具磨损等因素对切削残余应力的影响，加工过程中使用切削液进行润滑和降低切削温度，切削液的使用方式为浇注润滑。如图 所示，加工装备为北京精雕的 四轴加工中心，三个平动轴的移动范围分别为：方向 ，方向 ，方向 ，通过外接旋转台可实现绕 轴或 轴的工 具 技 术转动。图 切削实验用加工装备由于球头铣刀刀尖点半径为 ，因此，球头铣刀在加工过程中刀具的轴线需要与被加工表面成一定角度，以避免切削过程中出现刀尖点对工件材料的挤压，因此使用特定的切削试件夹具进行球头铣刀切削实验。在加工过程中，夹具被装夹在能沿自身轴线旋转的三爪卡盘上，试件通过夹具一侧的螺钉紧固于夹具上，通过转动三爪卡盘可获得刀具轴线与切削试件间的任意角度。切削前，将刀具装夹于加工中心主轴，刀具悬长 。试件毛坯通过夹具安装于加工中心的转动轴，夹具装夹于三爪卡盘时注意确保夹具的轴线与三爪卡盘的轴线重合，之后调平试件的上表面，上表面的波动范围为 。确定工件坐标原点并旋转工件，使刀具轴线与工件表面法向矢量的夹角成 。图为加工时刀具的走刀路径，图为切削实验现场。加工过程采用逆铣加工，切削时刀具磨损可忽略不计，实验过程中不更换刀具。从表 中选择第一组加工参数，打开切削液，走刀完成后取下工件并选择新的切削试件，依次选择下一组加工参数，重复前述步骤直至完成所有切削参数。图 球头铣刀的加工路径加工后，在每个试件表面选取三个点（标记为 ，）作为残余应力测试的目标点，每个试件所选取的三个点在加工表面内的坐标相同。使用 射线残余应力分析仪对每个点的表面和亚表面残余应力进行逐点测量并记录测量值（见图）。该设备在测量过程中将角度固定的 射线入射到样件表面，经过一段时间曝光后，利用二维 全向探测器获得完整德拜环，将得到的德拜环与无应力状态下的德拜环进行比较，通过两者的差别计算晶面间距的变化及对应的应力。测量不同工件材料表面残余应力时需要使用不同的 射线靶材，本实验 射线的靶材为 。在测试亚表层的残余应力时，用质量分数为 的食盐水对试件表面进行电化学腐蚀，每次采用 的电压腐蚀 ，腐蚀深度为 ，腐蚀后分别用残余应力测试装置测试加工表面亚表层（，）的残余应力值并记录测试数据。图 切削现场表 球头铣刀切削实验的切削参数编号转速（）进给速度（）径向切削深度（）轴向切削深度（）年第 卷 图 球头铣刀加工表面及亚表面的残余应力测量?结果分析与讨论基于 软件对残余应力实验数据进行分析，分别研究残余应力随测试深度的变化规律，切削参数（包括切削深度、转速及进给速度）对切削残余应力的影响规律。构件表面及亚表面的残余应力分别针对每个试件（共计 件）的三个测试点（，）表面及亚表面的残余应力进行总结，结果如图 所示（只列出一幅图作为示例，图 图 同理）。图 球头铣刀加工构件后的表面残余应力分析发现，球头铣刀加工后构件表面的点均受到残余压应力，随着距离表面深度的增大，压应力逐渐减小至 ，然后转变为拉应力，随后拉应力缓慢趋于稳定，与 等 、等 及 等 的研究结论一致。因此，球头铣刀铣削加工后，构件表面受到残余压应力作用。在本实验的切削条件下，亚表层残余应力约在距离表层 处趋于 ，而在 后趋于稳定，因此可认为球头铣刀加工残余应力的作用范围处于距离构件表面 的范围内，而距离表面更深层则是滞留于工件内部的初始残余应力，即毛坯残余应力。三点趋于稳定后的稳定值不相同，说明毛坯上不同点的初始残余应力有较大差异。同一构件不同点的表层残余应力有差异，最大值与最小值之差为 ，这可能是球头铣刀切削过程中与构件切削区域所受载荷（切削力和切削热）不同造成。主轴转速对构件表面及亚表面残余应力的影响为研究主轴转速对球头铣刀加工后构件表面及亚表面残余应力的影响，提取转速不同而进给速度和切削深度相同条件下的表层残余应力值进行统计分析，结果如图 所示。分析可认为：表层残余应力的幅值与转速呈现正相关关系，即表层残余应力随着转速的增加而增加。图 主轴转速对构件表面切削残余应力的影响通常认为，切削过程产生的热量将导致残余拉应力而切削力将导致残余压应力，切削过程中，转速高意味着切削速度快，可能接近高速切削，高速切削过程中，较大比重的热量被切屑带走，因而切削热所导致的残余拉应力较小，拉、压应力抵消后留下残余压应力。随着转速增大，切削热导致的残余拉应力比重逐渐变小，因而导致残余压应力变大，因此，切削表层表现出残余压应力，且压应力有随着转速增大而增大的趋势。该结论与 等的 的研究结果一致。进给速度对构件表面及亚表面残余应力的影响在对应的切削参数下，取每个试件表面三点的残余应力值，将进给量不同而转速和切削深度相同条件下的表层残余应力值进行统计分析，结果如图 所示。分析认为：球头铣刀加工后构件的表层残余应力幅值与进给量呈负相关关系，即构件表层残余应力幅值随着进给量的增大而减小，这与 等 的研究结论有较大区别，这或是由于球头铣刀与构件切削区域几何特征不同导致，等 的研究针对端铣刀侧壁铣削加工后的表面工 具 技 术残余应力，这与球头铣刀加工构件表面的去除几何形态存在较大区别，如图 所示，但相关假设仍需进一步的理论研究与数值验证。图 进给量对构件表面残余应力的影响（）球头铣刀材料（）端铣刀材料去除几何 图 材料去除过程 轴向切削深度对构件表面及亚表面残余应力的影响为研究轴向切削深度对球头铣刀加工构件后表面及亚表面残余应力的影响，取每个试件表面三点的残余应力值，并对轴向切削深度不同而转速和进给速度相同条件下的构件表层残余应力进行统计分析，结果如图 所示。分析认为：切削表面残余应力幅值与轴向切削深度呈正相关关系，即增大轴向切削深度会增大加工表面残余应力。这是由于切削过程中增大轴向切削深度会增加切削力，进而引起残余压应力增加。图 轴向切削深度对构件表面残余应力的影响?结语一般来说，加工表面残余应力对构件性能的影响指标主要有：加工表面残余应力的状态（压应力或拉应力）、最大应力幅值以及最大应力幅值的深度 。对于抗氢脆不锈钢材料，球头铣刀加工后的表面残余应力呈现如下状态规律：球头铣刀加工表面的残余应力呈现出残余压应力状态；总体而言，球头铣刀加工亚表层的残余应力随着亚表层厚度的增加而减小，最后趋于稳定，稳定到材料的初始残余应力状态，在距离切削表面 时的残余应力值接近于 ；总体而言，主轴转速、轴向切削深度与球头铣刀加工后构件的表面残余应力幅值呈正相关，而进给速度与球头铣刀加工后构件的表面残余应力幅值呈负相关。由于球头铣刀加工过程的切削运动学相比于端铣刀、车削加工过程及正交切削过程更加复杂，因而开展球头铣刀加工表面的残余应力的理论和数值建模等研究十分困难，因此，本文基于实验手段，开展了球头铣刀加工表面残余应力的实验研究，对球头铣刀加工后构件的表面残余应力进行了表观和现象级认识。基于本文的实验结果，后续将重点针对球头铣刀加工构件表面的残余应力的理论及数值方面开展研究，具体包括：球头铣刀加工过程的运动学模型与加工表面几何形貌的映射关系，球头铣刀加工过程的力、热模型建模、基于力热耦合的球头铣刀加工表面残余应力预测方法，考虑球头铣刀加工表面几何形貌的加工表面残余应力分布模型等。参考文献 ，：，（）：，：，年第 卷 ：，（）：，（）：，：，：，（）：，（）：黄信达 切削加工残余应力解析预报的特征应变方法及其实验验证 武汉：华中科技大学，（）：，：，：，（）：，：，（）：，：，：娄忠波，闫舒洋，孙玉文 纯铁车削加工残余应力的仿真模型 机械工程师，（）：，（）：，（）：，：，：，（）：，：，：，：，：，：，：第一作者：蒋萍，硕士，工程师，中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川省绵阳市 ：，工 具 技 术