馬穎化

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院智能制造學院,陜西 西安 710300)

切削加工過程中已加工表面受刀具后刀面擠壓、摩擦，在熱力耦合作用下材料表面變質(zhì)層產(chǎn)生殘余應力，殘余應力會使零件表面萌生裂紋或變形，影響零件表面硬度及疲勞壽命[1]。GH4169高溫鎳基合金(簡稱GH4169高溫合金)因其良好的力學性能，常用于制造航空發(fā)動機中易受高溫、高應變率載荷的零件(如機匣、葉片、渦輪盤)；因?qū)崧始氨葻崛菪?、高溫強度高、黏性大等特點，在切削加工過程中材料容易產(chǎn)生高溫、加工硬化、塑性變形和表面殘余應力等現(xiàn)象，導致零件發(fā)生變形和畸變，造成極大安全隱患[2-3]。

卜居安等[4]研究了GH4169高溫合金切削殘留變形及切削力，研究結(jié)果表明，切削深度增大使得較大應力分布面積明顯增大，切削力也隨切削深度增加而增大。徐建建等[5]對預應力切削加工TC4鈦合金表面殘余應力進行研究，結(jié)果顯示預應力切削可以調(diào)整已加工表面殘余應力分布狀態(tài)和大小，預應力越大，加工表面的殘余壓應力越大。劉魯濤[6]研究了高速切削GH4169高溫合金表面殘余應力，結(jié)果表明，要獲得較好的表面殘余應力狀態(tài)，在銑削寬度一定的情況下，應選取較高的銑削速度和較小的背吃刀量。李海燕等[7]研究了殘余應力對含有Al2O3涂層的ZrO2陶瓷的強度和裂紋擴展阻力的影響，結(jié)果表明，表面殘余壓應力使得陶瓷裂紋擴展阻力提高，材料強度和損傷容限提升。綜上所述，針對GH4169高溫合金的切削加工研究多集中于切削參數(shù)對切削力、殘余應力以及對零件疲勞壽命的影響，而對切削加工過程中熱力耦合及殘余應力對零件小裂紋的擴展行為鮮有研究[8-9]。本文使用硬質(zhì)合金刀具對GH4169高溫合金進行切削加工，利用數(shù)值模擬方法研究加工表面殘余應力對零件小裂紋擴展行為的影響。

1 切削試驗材料

1.1 材料特性

材料采用GH4169高溫合金，其含Ni量為52%，650 ℃高溫環(huán)境屈服強度居高溫合金首位，復雜工況下仍具有較高、較穩(wěn)定的力學性能。GH4169高溫合金材料物理力學性能見表1[10]。

表1 GH4169高溫合金材料物理力學性能

GH4169高溫合金的熔點為1 260～1 320 ℃，熱導率和比熱容特性見表2[1]。

表2 GH4169高溫合金熱導率和比熱容特性

1.2 材料本構(gòu)模型及失效模型

GH4169高溫合金在高溫、高應力和高應變率下發(fā)生塑性變形，Johnson-Cook材料本構(gòu)模型包含應變硬化效應、熱軟化效應及應變率強化效應參數(shù)，適用于描述材料高應變率變化的應力-應變關(guān)系，常應用于切削加工數(shù)值模擬中，模型表達式如下:

(1)

表3 GH4169高溫合金材料Johnson-Cook模型參數(shù)

切屑分離準則采用Johnson-Cook材料剪切失效模型，其表達式如下：

(2)

當損傷系數(shù)ω大于1時，材料發(fā)生斷裂破壞[11]。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 切削加工殘余應力

利用非線性有限元軟件ABAQUS/Explicit模擬GH4169高溫合金切削加工過程，設置刀具為剛體，采用YG8無涂層硬質(zhì)合金刀具；刀具前角8°，后角10°；切削速度v=240 m/min，切削深度ap=1 mm。圖1所示為殘余應力沿工件表層深度變化分布情況，由圖可知，工件表層殘余應力先減小后增大，表層深度0.2 mm處殘余應力為-350 MPa，表層深度大于0.6 mm時，殘余應力非常小，因此預測關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零件壽命時加工殘余應力對小裂紋擴展行為影響不可忽略。

圖1 工件表面殘余應力分布

2.2 加工殘余應力對小裂紋裂尖力學參量影響分析

圖2 材料應力-應變曲線

(3)

式中：σ為應力；ε為應變；E為彈性模量；K′和n′為材料的應變疲勞參數(shù)，K′=1 950，n′=0.15[12]。

圖3 殘余應力-外載荷耦合作用對裂紋尖端J積分強度值影響

2.3 加工殘余應力對小裂紋裂尖應力應變場影響分析

圖4 外載荷時殘余應力對裂尖應力應變場強度影響

圖5 外載荷時殘余應力對裂尖應力應變場強度影響

圖6所示為相同載荷、不同裂紋長度、受殘余應力-外載耦合作用時裂紋尖端應力應變場強度變化情況。數(shù)據(jù)顯示，隨著裂紋長度增大，距離裂尖越近，應力應變場強度受殘余應力影響越小，殘余應力會導致裂尖應力場變化不穩(wěn)定，對裂尖應變場的影響可忽略不計；距離裂尖越遠，殘余應力對應力應變場強度影響越大，應進一步利用擴展有限元或試驗方式探究殘余應力對裂紋擴展行為的影響。

圖6 不同裂紋長度殘余應力對裂尖應力應變場強度影響

3 結(jié)論