盧曉紅，王華，路彥君，司立坤，高路斯，曲成林

(大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024)*

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切削加工表面機(jī)械性能研究現(xiàn)狀

盧曉紅，王華，路彥君，司立坤，高路斯，曲成林

(大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024)*

論述了切削加工殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制、殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)研究、二維或三維切削過程有限元仿真研究及解析法研究現(xiàn)狀.從研究方法和切削參數(shù)、冷卻潤滑條件以及刀具參數(shù)等因素對金屬切削已加工表面的加工硬化的影響的角度介紹了國內(nèi)外傳統(tǒng)切削加工硬化的研究現(xiàn)狀.探討了微切削加工的殘余應(yīng)力及加工硬化研究.最后對傳統(tǒng)切削和微切削加工表面機(jī)械性能的研究方向進(jìn)行了展望.

表面機(jī)械性能；殘余應(yīng)力；加工硬化；切削

0 引言

金屬切削加工中，工件表面受到刀具作用后，其表面的機(jī)械性能會發(fā)生變化.殘余應(yīng)力和表面顯微硬度是零件表面機(jī)械性能重要組成部分.殘余壓應(yīng)力能有效抑制零件表面裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)而提高零件表面的耐疲勞性能；殘余拉應(yīng)力會加速表面裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)而使零件的疲勞破壞過早發(fā)生，當(dāng)有應(yīng)力集中或者有腐蝕性介質(zhì)時，殘余拉應(yīng)力對零件疲勞強(qiáng)度的破壞作用更嚴(yán)重.殘余應(yīng)力過大會引起薄壁件發(fā)生變形，影響尺寸精度和使用性能.加工硬化會降低零件表面的塑性和韌性，過度加工硬化的表面存在微裂紋，影響零件耐疲勞性能和耐腐蝕性能，還會加速刀具在加工過程中的磨損.但是表面存在適度且一致性較好的加工硬化時，其耐磨性會提高.因此，切削加工零件表面機(jī)械性能的預(yù)測和控制成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn).

1 切削加工殘余應(yīng)力研究現(xiàn)狀

物體在無外力作用或者將外力的作用卸除后，其內(nèi)部保持著的自相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)就是殘余應(yīng)力.金屬切削加工是刀具對工件進(jìn)行剪切和劇烈摩擦的過程，這一過程使得材料內(nèi)部產(chǎn)生高溫、高應(yīng)變和高應(yīng)變率，進(jìn)而引起已加工表面的殘余應(yīng)力.國內(nèi)外專家學(xué)者圍繞殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制和殘余應(yīng)力研究方法進(jìn)行了大量有意義的探索.

1.1 傳統(tǒng)切削加工中殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)制

傳統(tǒng)切削加工中在殘余應(yīng)力形成機(jī)制方面的研究主要有：Yao[1]研究了銑削鈦合金 TB6表面殘余應(yīng)力，指出形成加工表面殘余應(yīng)力的機(jī)制是受機(jī)械載荷和熱載荷影響的塑性凸出效應(yīng)以及受機(jī)械載荷影響的擠光效應(yīng)共同作用的結(jié)果.北京理工大學(xué)的辛民等[2]進(jìn)行了高速銑削高強(qiáng)高硬鋼的實(shí)驗(yàn)，在所有切削參數(shù)下均得到了殘余壓應(yīng)力，他認(rèn)為切削力的機(jī)械作用以及切削熱引起的金相變化是殘余壓應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因.

傳統(tǒng)切削加工殘余應(yīng)力的生成機(jī)理可分為三種[3].①機(jī)械應(yīng)力引起的塑性變形；②熱應(yīng)力引起的塑性變形；③相變引起的體積變化.這幾種機(jī)制綜合作用的結(jié)果決定已加工表層和次表層金屬殘余應(yīng)力性質(zhì)及大小.

1.2 傳統(tǒng)切削加工殘余應(yīng)力的研究方法

傳統(tǒng)加工中針對殘余應(yīng)力的研究方法主要有實(shí)驗(yàn)法、有限元法和解析法.

(1)殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)方法主要是研究切削參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響.國內(nèi)外學(xué)者針對切削加工殘余應(yīng)力進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究.

Pawade[4]研究高速車削 Inconel 718已加工表面殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)切屑散熱能力決定熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，采用最高切削速度、最低進(jìn)給速度和適中的切深可以得到殘余壓應(yīng)力. Carl- Frederik Wyen[5]研究刀刃鈍圓對順銑和逆銑鈦合金 Ti- 6Al- 4V表面殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)逆銑側(cè)表面殘余壓應(yīng)力隨刀刃鈍圓半徑的增大而增大，而順銑側(cè)表面的殘余應(yīng)力隨刀刃鈍圓變化不顯著. Edoardo Capello[6]研究車削鋼件時切削參數(shù)與加工表面殘余應(yīng)力之間關(guān)系.通過車削實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)給速度、刀尖圓弧半徑和切入角是影響加工表面殘余應(yīng)力的主要因素，切削深度對其影響不是很大.但是在 Berruti[7]銑削鋁合金表面殘余應(yīng)力的研究發(fā)現(xiàn)切削深度是殘余應(yīng)力大小的主要影響因素，在較低切削深度下能夠得到最高殘余應(yīng)力值，且沿著進(jìn)給方向和垂直于進(jìn)給方向的殘余應(yīng)力值之比要比較大切削深度時恒定. Sridhar[8]采用直徑 50 mm的面銑刀銑削鈦合金，研究表面殘余應(yīng)力受切削參數(shù)的影響.在所有切削參數(shù)下，已加工表面均呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，并且在距離表面 100 μm深度處測得最大殘余壓應(yīng)力.在較低的進(jìn)給速度下，表面殘余應(yīng)力隨著其增大而減小，在較高的進(jìn)給速度下，表面殘余應(yīng)力隨其增大而增大.當(dāng)切削速度的增大，表面殘余壓應(yīng)力的絕對值變大，當(dāng)切削深度減小，表面殘余壓應(yīng)力的絕對值變小.

Yao[1]在銑削鈦合金 TB6后得出銑削速度對殘余應(yīng)力的影響占主導(dǎo)作用，銑削參數(shù)增大時，表層殘余壓應(yīng)力也變大，并在次表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力.南京航空航天大學(xué)的耿國盛[9]研究了高速銑削鈦合金加工表面殘余應(yīng)力.發(fā)現(xiàn)隨著切削速度的提高，殘余應(yīng)力的絕對值增大；徑向切深和每齒進(jìn)給量增大時，殘余應(yīng)力的絕對值也變大.中物院機(jī)制工藝研究所的孔金星[10]進(jìn)行了鋁合金 ZL101側(cè)銑實(shí)驗(yàn)，研究了表層殘余應(yīng)力在銑刀轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量下的變化情況.發(fā)現(xiàn)在各轉(zhuǎn)速下(除n= 1 000 r/ min),表層殘余應(yīng)力均為殘余拉應(yīng)力，當(dāng)切削速度增大，工件表層殘余應(yīng)力先減小后增大.在較低和較高的切削速度范圍內(nèi)，工件表層的殘余應(yīng)力值、分布深度和梯度都較小.中國燃?xì)鉁u輪研究院的羅秋生[11]做了高速銑削鈦合金實(shí)驗(yàn)研究，分析了加工表面殘余應(yīng)力在銑削速度、銑削深度和每齒進(jìn)給量下的變化情況.發(fā)現(xiàn)當(dāng)銑削速度和每齒進(jìn)給量增大，工件表面的殘余壓應(yīng)力變小.北京理工大學(xué)的龍震海[12]采用銑刀盤進(jìn)行對某新型超高強(qiáng)度鋼的銑削實(shí)驗(yàn)，研究切削參數(shù)對加工表面殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律，得出被銑削工件在深度方向的殘余應(yīng)力的分布.發(fā)現(xiàn)當(dāng)切削速度、每齒進(jìn)給量和背吃刀量增大，殘余壓應(yīng)力的作用深度將增大.其中，每齒進(jìn)給量影響最為顯著.切削速度的增大將導(dǎo)致峰值殘余壓應(yīng)力減小，而每齒進(jìn)給量和背吃刀量的增大會導(dǎo)致峰值殘余應(yīng)力增大.

綜上所述，殘余應(yīng)力隨著切削參數(shù)的變化規(guī)律并不唯一，有的得出的結(jié)論甚至是截然相反的.可能是受加工參數(shù)范圍以及加工材料的影響.

(2)殘余應(yīng)力的有限元仿真研究

采用有限元切削仿真可以得到加工表面以及表面以下材料內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度分布，省去了實(shí)驗(yàn)法加工后測量這一步驟，無論在成本還是效率上都優(yōu)于實(shí)驗(yàn)法.目前很多學(xué)者采用 ABAQUS，Deform，AdvantEdge等有限元分析軟件仿真切削加工過程，部分采用 MSC.Superform仿真軟件.此外，采用基于 Ls-Dyna軟件的光滑粒子群法 (Smooth Partical Hydrodynamic-SPH)仿真切削過程也越來越成為研究熱點(diǎn)，也可以得到已加工表面的應(yīng)力情況.一般來說，有限元仿真是一種加工殘余應(yīng)力的預(yù)測方法，這種方法可以直接輸出不同點(diǎn)的應(yīng)力情況.國內(nèi)外學(xué)者針對切削加工殘余應(yīng)力進(jìn)行了大量有限元仿真研究.

浙江大學(xué)的王立濤[20]采用ANSYS仿真模擬二維銑削鋁合金 7050- T7451的過程，研究了銑削殘余應(yīng)力的分布，并且通過數(shù)學(xué)方法表示了銑削參數(shù)與已加工表面殘余應(yīng)力之間的關(guān)系.又通過三維有限元模擬，分析了在沒有內(nèi)應(yīng)力和存在原始內(nèi)應(yīng)力條件下的表層的殘余應(yīng)力分布.濟(jì)南大學(xué)的樊寧等[21]采用 AdvantEdge有限元軟件仿真了 45鋼的直角正交切削模型，研究了刀具幾何參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響.發(fā)現(xiàn)工件表層殘余拉應(yīng)力隨著前角的增大先增大后減小，但刀具前角對應(yīng)力層厚度影響較弱；此外，表層殘余拉應(yīng)力還會隨著切削刃鈍圓半徑的增大而減小.山東大學(xué)的曹成銘[22]通過有限元分析軟件 Advant Edge仿真高速銑削 Inconel 718的過程，得到了殘余應(yīng)力在不同切削速度下的變化趨勢.發(fā)現(xiàn)在各個切削速度下，殘余應(yīng)力均分布在已加工表面下 0.5mm的區(qū)域，加工表面的應(yīng)力是殘余拉應(yīng)力.切削速度為 2 000 m/min時，加工表面各個方向的殘余應(yīng)力最小，有利于材料的耐疲勞性能.

采用有限元仿真方法研究殘余應(yīng)力已經(jīng)較為成熟，采用二維或三維切削仿真模型可以很直觀地研究切削加工工件殘余應(yīng)力分布.

(3)殘余應(yīng)力的解析法研究

采用解析法研究切削加工中工件表面的殘余應(yīng)力可以較為深入地揭示切削力和切削熱對殘余應(yīng)力的影響.

Omar Fergani[23]建立了考慮材料性能和加工參數(shù)的銑削薄鋁板的殘余應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)學(xué)解析模型，可以預(yù)測加工后薄板的表面殘余應(yīng)力和變形程度，預(yù)測誤差在 30%以內(nèi). Jiann-Cherng Su[24]建立了針對車削和銑削的已加工表面殘余應(yīng)力的解析預(yù)測模型，該模型考慮了加工過程中的切削力和切削熱的耦合作用以及材料性能.他利用該模型預(yù)測了不同切削參數(shù)下的工件表面和沿深度方向的殘余應(yīng)力，預(yù)測趨勢和預(yù)測精度都良好.

可見， 采用解析法研究殘余應(yīng)力還較少.

1.3 微切削殘余應(yīng)力研究

Sabrina Bodziak[25]采用直徑 700 μm微銑刀銑削 P20鋼和 H13鋼，實(shí)驗(yàn)采用相同每齒進(jìn)給量、軸向切削深度以及徑向切削深度，切削速度取相近值，在兩種材料表面均得到了殘余壓應(yīng)力，在 H13鋼表面得到的殘余壓應(yīng)力值高于 P20鋼.吉林大學(xué)的劉闖[26]采用 SPH方法仿真無氧銅的微車削過程，研究刀具刃口圓弧半徑和切深對表面殘余應(yīng)力影響，實(shí)驗(yàn)中得到了表面殘余壓應(yīng)力.殘余壓應(yīng)力的絕對值隨著刃口圓弧半徑和軸向切深的增大而增大.哈爾濱工業(yè)大學(xué)的朱黛如[27]通過 Deform- 3D有限元軟件對微細(xì)銑削 3J21彈性合金薄膜的過程進(jìn)行了三維動態(tài)仿真，得到了加工表面的殘余應(yīng)力.之后又對實(shí)際銑削加工薄膜殘余應(yīng)力采用微橋法測量，證實(shí)了有限元仿真結(jié)果正確性.哈爾濱工業(yè)大學(xué)的胡海軍等[28]建立了超聲振動微銑削 AISI 4340鋼二維有限元仿真模型.研究了刀尖圓弧半徑、每齒進(jìn)給量、振動幅度和后刀面磨損長度對于已加工表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律.其中刀尖圓弧半徑和每齒進(jìn)給量引起的尺度效應(yīng)對殘余應(yīng)力的影響有別于傳統(tǒng)銑削，在尺度效應(yīng)的影響下，刀尖圓弧半徑越大越容易在已加工表面產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力，隨著進(jìn)給量的減小，殘余壓應(yīng)力先減小后增大.但是關(guān)于尺度效應(yīng)在微銑加工過程中的具體影響機(jī)制還有待深入研究.山東大學(xué)周軍等[29]做了直角切削鋁合金的實(shí)驗(yàn)，考慮了在刀具刃口半徑影響的情況下，不同切削深度對加工表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律.由于有最小切削厚度，切削深度層高于最小切削厚度的材料受到刀具前刀面塑性凸出作用，在已加工表面產(chǎn)生了殘余拉應(yīng)力；切削深度層低于最小切削厚度的材料受到刀具后刀面擠光作用，在已加工表面產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力.二者綜合作用的結(jié)果可以減小殘余應(yīng)力值.而且切削深度越小，已加工表面殘余應(yīng)力越小.

綜上所述，傳統(tǒng)加工中對于殘余應(yīng)力的研究較為系統(tǒng)全面，實(shí)驗(yàn)法和有限元法是較為成熟的研究方法，解析法也進(jìn)行了一定的研究.微切削中殘余應(yīng)力的研究需要考慮尺度效應(yīng)的影響.

2 切削加工硬化研究現(xiàn)狀

在金屬切削加工過程中，工件已加工表面和次表面區(qū)域在切削力的作用下會發(fā)生塑性變形，表現(xiàn)為硬度的提高，這種現(xiàn)象叫做加工硬化.塑性變形的增強(qiáng)、切削熱的弱化以及金屬相變綜合作用決定著最終的加工硬化狀態(tài).表面加工硬化可用于評價機(jī)械加工表面機(jī)械性能.加工硬化的評價指標(biāo)有顯微硬度、加工硬化深度和加工硬化率.顯微硬度表示材料的軟硬程度，金屬切削加工中的顯微硬度通常用維氏硬度表示.加工硬化深度是以硬化了的表面到硬度等于基體硬度的次表層之間的距離來表示.加工硬化率是加工后和加工前的表面顯微硬度之比的百分?jǐn)?shù).

國內(nèi)外學(xué)者針對傳統(tǒng)加工中加工硬化的研究方法主要采用實(shí)驗(yàn)法，也有少數(shù)采用有限元法.研究了切削參數(shù)、冷卻潤滑條件和刀具參數(shù)等因素對金屬切削已加工表面的加工硬化的影響.

2.1 傳統(tǒng)切削加工硬化的影響研究

切削參數(shù)和冷卻潤滑條件影響刀具對工件表面的作用程度，進(jìn)而影響加工表面加工硬化情況.

Pawade[4]研究了高速車削 Inconel 718時切削參數(shù)對已加工表面加工硬化的影響.發(fā)現(xiàn)采用的切削參數(shù)越大，次表面的顯微硬度值也越大；提高切削速度和切削深度可以減小加工硬化層深度，而增大進(jìn)給量則會增大加工硬化層深度. Moussa[30]采用有限元仿真的方法研究了車削加工 AlSl 316L的表面殘余應(yīng)變，該應(yīng)變結(jié)果通過應(yīng)變-硬度曲線進(jìn)行驗(yàn)證，得出軸向切削深度的增大會增大表面殘余應(yīng)變. Devillez[31]研究了車削 Inconel 718的表面加工硬化情況，發(fā)現(xiàn)采用切削液切削的表面其加工硬化程度要低于不采用切削液的表面. Cai[32]通過銑削 Inconel 718的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著切削速度的增大，被加工材料的顯微硬度值增大，他認(rèn)為這是因?yàn)?Inconel 718這種材料對于應(yīng)變率較為敏感，在高速銑削時的應(yīng)變率較大，導(dǎo)致其加工硬化嚴(yán)重，顯微硬度值也增大.西北工業(yè)大學(xué)的劉維偉[33]研究了車削參數(shù)對于 Inconel 718顯微硬度的影響，發(fā)現(xiàn)顯微硬度隨著切削速度的提高而增大，隨著進(jìn)給量的增大而減小，切削深度對其影響不大.

可見，采用不同加工方法和加工材料，切削參數(shù)以及冷卻潤滑條件對加工硬化的影響規(guī)律不同.

2.2 微切削加工硬化研究

Sabrina Bodziak[25]采用直徑 700μm的微銑刀銑削 P20鋼和 H13鋼，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在相同切削參數(shù)下 H13鋼加工硬化程度高于 P20鋼. Imran等[34]研究了濕法和干法微鉆削 Inconel 718的加工硬化現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)從基體到表面，顯微硬度逐漸增大.當(dāng)軸向每齒進(jìn)給量和切削速度增大時，已加工孔沿著徑向的變質(zhì)層厚度增大.山東大學(xué)的周軍[29]研究了微切削鋁合金的加工硬化現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)切削深度小于刀具的切削刃圓弧半徑時，加工表面的加工硬化主要受到耕犁作用的影響.山東大學(xué)的陳建玲[35]通過高速銑削鈦合金的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用較小的每齒進(jìn)給量時，尺度效應(yīng)顯著，主要表現(xiàn)在切削刃圓弧擠壓和摩擦工件表面的作用增強(qiáng)，塑形變形程度變大，提高加工硬化程度；每齒進(jìn)給量較大時，切削熱引起的軟化效應(yīng)的影響顯著，使得表面硬度下降.

綜上所述，傳統(tǒng)加工中對于加工硬化的研究較為系統(tǒng)全面，實(shí)驗(yàn)法是較為成熟的研究方法.微銑削中存在的耕犁效應(yīng)為主導(dǎo)和剪切效應(yīng)為主導(dǎo)兩種不同的狀態(tài)必然會導(dǎo)致切削力與切削溫度異于常規(guī)銑削的變化規(guī)律.而力與熱是影響加工硬化和殘余應(yīng)力的重要原因，因此微銑削表面機(jī)械性能研究必然與傳統(tǒng)切削不同.有限元仿真方法在嘗試應(yīng)用到微銑削時，如果考慮微銑削尺度效應(yīng)，必然需要更小更密的網(wǎng)格，在這種情況下進(jìn)行熱力耦合計算，將會需要大量的時間，如果用三維模型，時間將更長，所以若想真實(shí)地通過有限元仿真模擬微銑削過程，任重而道遠(yuǎn).

3 結(jié)論

目前國內(nèi)外針對切削加工中殘余應(yīng)力研究，大部分采用實(shí)驗(yàn)法和有限元法，也有部分采用解析法.研究點(diǎn)側(cè)重于切削參數(shù)對已加工表面殘余應(yīng)力的影響.針對切削加工中加工硬化的研究方法主要是實(shí)驗(yàn)法，也有部分采用有限元法.采用解析法可以深入研究材料特性、切削參數(shù)、切削力和切削熱等對切削加工表面的殘余應(yīng)力和加工硬化的影響，進(jìn)一步揭示切削機(jī)理，更好地控制切削過程.微切削過程存在著尺度效應(yīng)、最小切削厚度和彈性回復(fù)現(xiàn)象，而且切削溫度與傳統(tǒng)加工迥異，殘余應(yīng)力及加工硬化的生成機(jī)制以及考慮尺度效應(yīng)的微切削過程仿真都將是后續(xù)研究方向.

綜上所述，未來切削加工表面機(jī)械性能的研究應(yīng)著力于建立更加符合實(shí)際的切削有限元仿真模型，進(jìn)而準(zhǔn)確預(yù)測工件殘余應(yīng)力和加工硬化；深入研究不同切削方式下的殘余應(yīng)力和加工硬化解析模型，為量化揭示殘余應(yīng)力和加工硬化機(jī)理提供依據(jù)；深入研究考慮尺度效應(yīng)和材料微觀特性的微切削殘余應(yīng)力和加工硬化生成機(jī)理.

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Research Status of Surface Mechanical Properties in Metal Cutting

LU Xiaohong, WANG Hua, LU Yanjun, SI Likun， GAO Lusi, QU Chenglin

(Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Residual stresses and work hardening as two important indexes of surface mechanical properties in metal cutting, have significant influences on service performance and life of parts. Generation mechanism and experiment study of two and three dimensional finite element simulation of cutting process and analytical research method of residual stresses in the metal cutting were discussed. Domestic and overseas research status of work hardening in traditional cutting is summarized from the perspectives of research methods, cutting parameters, cooling, lubrication and tool parameters. In addition, research status of residual stresses and work hardening in micro cutting are summarized. Finally, research directions of surface mechanical properties in traditional cutting and micro machining were proposed.

surface mechanical properties; residual stresses; work hardening; cutting

1673- 9590(2016)06- 0015- 06

2016-05-10

國家自然科學(xué)基金資助項目(51305061)

盧曉紅(1978-)，女，副教授，博士，從事微銑削加工、數(shù)控機(jī)床功能部件綜合性能檢測、可靠性技術(shù)、優(yōu)化算法的研究

A

E- mail:lxhdlut@dlut.edu.cn.