為滿足超精密車削加工零件低表面應(yīng)力的使用性能要求,采用有限元和試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)硬鋁合金進(jìn)行微米級(jí)的超精密車削仿真和試驗(yàn).分析切削過程的切削力和切削溫度,研究已加工表面殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因及殘余應(yīng)力的性質(zhì),得到切削深度和切削速度對(duì)已加工表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律.仿真結(jié)果表明:金剛石刀具車削硬鋁合金,切削溫度低,切削力小,但是單位切削力大.切削力是已加工表面形成殘余壓應(yīng)力的主導(dǎo)因素.表層殘余應(yīng)力隨著切削深度的增加而變大,隨著切削速度的增大反而有減小的趨勢(shì).在微米級(jí)硬鋁合金的超精密切削過程中,切削深度對(duì)已加工表面殘余應(yīng)力的影響更為顯著.進(jìn)行微米級(jí)的超精密車削試驗(yàn),采用XRD對(duì)表層殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量,對(duì)有限元仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,為硬鋁合金超精密車削表面殘余應(yīng)力的控制打下理論基礎(chǔ).
【部分圖文】：

?D=∑iΔεpiεpfi．式中:D為失效參數(shù)，Δεpi為瞬時(shí)應(yīng)變?cè)隽浚舙fi為瞬時(shí)失效應(yīng)變．在切削過程中網(wǎng)格單元的應(yīng)變值不斷累積增加，當(dāng)失效參數(shù)D＞1時(shí)單元失效．1.3摩擦模型和自適應(yīng)網(wǎng)格劃分AdvantEdge中采用庫倫摩擦模型:Ff≤μFn．式中:Ff為摩擦力，F(xiàn)n為法向作用力，μ為摩擦系數(shù)．AdvantEdge軟件基于顯式動(dòng)力學(xué)和熱力耦合建立金屬切削的有限元模型，并采用了自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)［12］．1.4正交切削仿真參數(shù)在AdvantEdge中建立二維正交切削有限元模型如圖1所示，長80μm，高30μm．工件材料選取美國標(biāo)準(zhǔn)的AL2024－T3511，該牌號(hào)對(duì)應(yīng)中國硬鋁合金牌號(hào)LY12．刀具材料選擇天然單晶金剛石;刀具幾何角度設(shè)置為:前角0°，后角9°．切削刃鈍圓半徑為60nm．刀具和工件的初始溫度為20℃，選擇微切削仿真，不使用冷卻液，根據(jù)金剛石和鋁合金的摩擦系數(shù)范圍0.06～0.13，設(shè)置摩擦系數(shù)為0.1．!"#""!$%&"$%&#"!"’"("圖1正交切削有限元模型2超精密車削過程的模擬與分析設(shè)置機(jī)床的切削參數(shù)為:切削速度125.6m/min，進(jìn)給量6μm/r，切削深度1μm．超精密車削LY12的模擬仿真過程如圖2所示，從圖2中可以看出，隨著刀具的切入，工件材料首先被刀具前面推擠，之后，在工件的未加工表面形成一個(gè)突起，突起逐漸增長，開始與前刀面分離，形成一個(gè)卷曲的切屑．當(dāng)切削到指定的切削長度時(shí)，切屑斷裂，刀具回到初始位置．金剛石切削硬鋁合金LY12時(shí)將產(chǎn)生連續(xù)的帶狀切屑．2.1超精密車削切削力分析在AdvantEdge二維仿真中可以輸出主切削力和吃刀抗力．超精密切削過程中由于切削深度和進(jìn)給量小，切削面積很小，切削力的數(shù)值很�。m然金剛石車削時(shí)的切削力不大，但由于切?

!"!#!$#%#&!’()"’()#’*+#+"+&+%%$%#(a)刀具切入!!"#$%&’$($(&)$)&*$"!+,#!+,(b)切屑形成!!""!#$#!#$%&’(’)’%’*’&*(+&+,(&(c)切屑打卷!!"#$%$&$$"!’(#!’(&$%$#$)$(d)切屑斷裂圖2LY12鋁合金超精密切削過程仿真!"#$%&’("&(’&("%(’!)&’*"+’"#!"$),-"#"$圖3切削力輸出2.3超精密車削已加工表面殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬工件已加工表面的殘余應(yīng)力是指產(chǎn)生應(yīng)力的各種因素不復(fù)存在時(shí)，在物體內(nèi)部依然存在并自身保持著平衡的應(yīng)力．殘余應(yīng)力成因可以歸結(jié)為機(jī)械應(yīng)力引起的塑性變形，熱應(yīng)力引起的塑性變形和相變引起的體積變化．由金剛石切削硬鋁合金的仿真分析可知，切削溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到鋁合金的相變溫度，切削產(chǎn)生的熱應(yīng)力遠(yuǎn)未超過金屬材料的屈服極限，表層將不會(huì)因?yàn)闊釕?yīng)力而引起塑性變形．殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主導(dǎo)因素應(yīng)該為機(jī)械應(yīng)力，由仿真分析可知，金剛石切削硬鋁合金時(shí)，單位切削力很大．機(jī)械效應(yīng)在已加工表面引起塑性變形的主要原因是由于刀具的鈍圓以及后刀面對(duì)已加工表面產(chǎn)生的擠壓和摩擦作用．金屬表層的塑性變形過程是在里層金屬處于彈性變形的情況下發(fā)生的．如果里層的彈性變形是壓縮變形，則在表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力;如果里層的彈性變形是拉伸變形，則在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力．參數(shù)設(shè)置同圖2，提取超精密切削仿真過程的塑性應(yīng)變圖，如圖4所示，可以看出，在金剛石切削鋁合金的過程中，塑性應(yīng)變最大值發(fā)生在刀具與工件的接觸區(qū)域，而并不發(fā)生在切削溫度最高的第一變形區(qū)．由此可知，機(jī)械效應(yīng)引起的塑性變形是已加工表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要原因．提取切削過程中的最大主應(yīng)力云?

!"!#!$#%#&!’()"’()#’*+#+"+&+%%$%#(a)刀具切入!!"#$%&’$($(&)$)&*$"!+,#!+,(b)切屑形成!!""!#$#!#$%&’(’)’%’*’&*(+&+,(&(c)切屑打卷!!"#$%$&$$"!’(#!’(&$%$#$)$(d)切屑斷裂圖2LY12鋁合金超精密切削過程仿真!"#$%&’("&(’&("%(’!)&’*"+’"#!"$),-"#"$圖3切削力輸出2.3超精密車削已加工表面殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬工件已加工表面的殘余應(yīng)力是指產(chǎn)生應(yīng)力的各種因素不復(fù)存在時(shí)，在物體內(nèi)部依然存在并自身保持著平衡的應(yīng)力．殘余應(yīng)力成因可以歸結(jié)為機(jī)械應(yīng)力引起的塑性變形，熱應(yīng)力引起的塑性變形和相變引起的體積變化．由金剛石切削硬鋁合金的仿真分析可知，切削溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到鋁合金的相變溫度，切削產(chǎn)生的熱應(yīng)力遠(yuǎn)未超過金屬材料的屈服極限，表層將不會(huì)因?yàn)闊釕?yīng)力而引起塑性變形．殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主導(dǎo)因素應(yīng)該為機(jī)械應(yīng)力，由仿真分析可知，金剛石切削硬鋁合金時(shí)，單位切削力很大．機(jī)械效應(yīng)在已加工表面引起塑性變形的主要原因是由于刀具的鈍圓以及后刀面對(duì)已加工表面產(chǎn)生的擠壓和摩擦作用．金屬表層的塑性變形過程是在里層金屬處于彈性變形的情況下發(fā)生的．如果里層的彈性變形是壓縮變形，則在表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力;如果里層的彈性變形是拉伸變形，則在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力．參數(shù)設(shè)置同圖2，提取超精密切削仿真過程的塑性應(yīng)變圖，如圖4所示，可以看出，在金剛石切削鋁合金的過程中，塑性應(yīng)變最大值發(fā)生在刀具與工件的接觸區(qū)域，而并不發(fā)生在切削溫度最高的第一變形區(qū)．由此可知，機(jī)械效應(yīng)引起的塑性變形是已加工表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要原因．提取切削過程中的最大主應(yīng)力云?
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