海洋平台型材高速切削切屑演化规律研究_杨斌.pdf

第49卷第3期海洋工程DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2023.03.003海洋平台型材高速切削切屑演化规律研究杨斌，马连山，耿凯，代福强中国石油集团海洋工程（青岛）有限公司，山东青岛 266520摘要：高速切削加工具有高效率、低耗能、高精度等优点，广泛应用于难加工材料的切割与制造中。随着切削速度的提高，切屑会由连续状转变为锯齿状及不连续分段状。不连续分段状切屑的形成伴随着切削力的极大波动，导致加工精度和加工质量的下降，因此研究不连续分段状切屑的形成机理对高速切削有着重要的意义。选取海洋平台316 L钢型材为研究对象，建立其切削有限元模型，分析了切削条件对切屑形貌、切削力、切削温度及形成不连续分段状切屑临界切削速度的影响，揭示了不连续分段状切屑的形成机理。结果表明，不连续分段状切屑是周期性绝热带演化、裂纹萌生及扩展的结果，剪切带在主剪切区发育使裂纹在刀尖成核，并沿剪切带由刀尖向切屑自由表面扩展。另外，形成不连续分段状切屑的临界切削速度随切削厚度的增大而降低，随刀具倾角提高而上升，因此在实际加工过程中需优化上述参数以保证加工质量。关键词：高速切削；316L钢；不连续分段状切屑；临界切削速度Research on evolution law of chips by high-speed cutting for offshore platformprofileYANG Bin,MA Lianshan,GENG Kai,DAI FuqiangCNPC Offshore Engineering Company(Qingdao),Qingdao 266520,ChinaAbstract：High-speed cutting is widely used in the cutting and manufacturing of difficult-to-machine materials due to its advantagesof high efficiency,low energy consumption,and high precision.As cutting speed increases,the chip shape changes from beingcontinuous to being serrated and discontinuously segmented.The formation of discontinuously segmented chips is always accompaniedby a great fluctuation of cutting force,which leads to a decline in machining accuracy and machining quality.Therefore,it is of greatsignificance to study the formation mechanism of discontinuously segmented chips in high-speed cutting.In this work,the offshoreplatform 316L steel profile is studied,and its finite element model of cutting is established.The influence of cutting conditions on thechip shape,cutting force,cutting temperature,and critical cutting speed for forming discontinuously segmented chips is analyzed,so asto reveal the formation mechanism of discontinuously segmented chips.The results show that the discontinuously segmented chip iscaused by periodic subtropical evolution,as well as crack initiation and propagation.The development of the shear zone in the mainshear zone makes the crack nucleate at the tool tip and propagate along the shear zone from the tool tip to the free surface of the chip.Inaddition,the critical cutting speed for forming discontinuously segmented chips decreases with the increase in cutting thickness andincreases with the increase in tool inclination.Therefore,in the actual machining,the above parameters need to be optimized to ensurethe machining quality.Keywords：high-speed cutting;316L steel;discontinuously segmented chip;critical cutting speed随着海洋油气开发向深海进军，海洋平台服役水深由浅水向深水转变，平台建设质量要求不断提升。海洋平台建设离不开钢质型材的切割、预制和焊接拼装。海洋平台通常由小组立、中组立等部件拼接组成，而部件又源于板材和型材的加工制造1。板材、型材的切割精度是保障中组立、小组立制造的关键因素，关系着后续的装配、焊接工作，直接影响着海洋平台的建造精度与进度。目前型材加工方法主要分为两类，一是人工切割，二是引进国外型材切割生产线。人工切割劳动强度大、生产效率低、切割精度低。进口型材切割生产线维护成本高，无法满足国内海洋工程快速发展需求，且国外设备的适用性有待提高2-3。然而，国产型材切割生产线关键技术尚处在摸索阶段，因此研究能够满足平台型材切割工艺要求、适用范围广、加工精度高的高效型材切割技术迫在眉睫。耐腐蚀性好的316L不锈钢塑性大、导热能力差、易出现加工硬化等问题，加工过程中存在着刀具切削力大、加工温度过高、易粘刀和不易断172023年6月海洋工程屑等问题，加工性能较差3。高速切削作为近些年兴起的切割技术，在各个领域得到广泛应用。高速切削具有诸多优势，如切削过程平稳无冲击、切削效率和精度高、适用性广等4。随着切削速度的提高，加工过程产生的热量使工件的温度升高，对切削层起到一个软化的作用，减小材料在剪切区发生塑性变形时的应力，从而提高加工性能。切削实质是切削层材料在刀具的推挤作用下发生剪切滑移形成切屑，锯齿形切屑是高速切削有别于传统切削加工的显著特征。但随着切削速度的增大，切屑从连续状向锯齿状乃至不连续分段状转变5。不连续分段状切屑的形成会导致整个切削系统发生振荡，不仅会缩短刀具的使用寿命，同时也会降低工件的加工精度。因此研究不连续分段状切屑的形成机理对加工工艺优化及提高工件加工精度有着重要的意义6-7。目前，锯齿形切屑的形成机理主要有两种：一种为绝热剪切理论，热-力不稳定即热塑性失稳所导致的绝热剪切带变形是锯齿形切屑形成的根本原因8；另一种为周期性断裂理论，即认为锯齿形切屑的形成是由工件自由表面开始产生裂纹进而逐渐延伸至刀刃而形成9。Lorentzon等10分析718合金高速切削实验结果发现，锯齿形切屑的形成过程中伴随着明显的材料热软化行为和材料断裂行为。Wan等11发现，Ti-6Al-4V高速切削时会周期性出现绝热剪切变形带，而绝热剪切带演变也是锯齿状切屑形成的重要原因。Murr等12通过金相技术发现，在切削加工中316L钢锯齿状切屑的形成是由切屑内部的局部剪切塑性变形和切屑自由表面的裂纹萌生主导的。有限元技术的发展为金属切削加工尤其是金属及复合材料的加工机理研究、切削参数优化等提供了无可替代的便利。Guo 等13采用 Johnson-Cook（J-C）塑性损伤模型模拟高速切削 AISI4340中不连续分段状切屑的形成条件。Liu等5通过有限元方法来研究镍基高温合金GH4169锯齿状切屑的形成过程与机理。Gu等14通过物质点法模拟高速切削过程发现，不连续分段状切屑的形成源于切屑自由表面的裂纹。但总体而言，关于高速切削不连续分段状切屑的研究相对较少，对不连续分段状切屑的形成机理、控制因素尚未达成统一认识。不连续分段状切屑通常形成于较高的切削速度下，很难通过实验捕捉到形成过程中的现象和规律，如剪切带的形成与演化、裂纹的萌生与扩展等。因此，本文利用 ABAQUS 模拟海洋平台316L钢型材高速切削过程，模拟切屑由连续状过渡为锯齿状再到不连续分段状的形成过程，获取不连续分段状切屑形成过程中剪切带的演化规律、裂纹的萌生和扩展过程及切削工况的影响规律，为进一步揭示高速切削不连续分段状切屑形成机理和高速切削工艺参数优化提供参考。1型材切削有限元模型1.1切削本构方程目前有限元软件分析中，针对金属材料切削所使用的本构方程有以下两种：Johnson-Cook（J-C）以及Zerilli-Armstrong本构方程15-16。本文选用J-C本构方程描述 316L钢在切削过程中的塑性行为，该模型能够很好反应切削过程中材料的热软化、应变硬化和应变率硬化耦合。J-C本构方程具体形式为：-=()A+B(pl)n|1+Cln(-?pl?0)|1-(T-TrTm-Tr)m（1）式中，-为流动应力，pl为等效塑性应变，-?pl为等效塑性应变率，?0为参考应变率，T 为材料温度，Tm为金属熔化温度，Tr为参考温度。A、B、n、C和m分别为初始屈服强度、硬化模量、加工硬化指数、应变率强化系数和软化系数。本文采用基于累积损伤定律的断裂模型来实现切屑与工件的剖离。当累积等效塑性应变达到临界失效应变，即失效参数D=1时，单元失效并在下一步计算中删除，失效参数D的表达式为17：D=f（2）式中：为等效塑性应变增量；f为失效应变，其具体形式由J-C损伤模型给出，见式（3）。f=D1+D2exp()D3?|1+D4ln|?pl?0|1+D5|T-TrTm-Trm（3）18第49卷第3期海洋工程式中：应力三轴度?为静水压力P与Von Mises等效应力的比值，?pl?0为无量纲塑性应变率，D1为初始失效应变，D2为指数因子，D3为应力三轴度系数，D4为应变率系数，D5为温度系数。316L钢的本构参数与损伤参数分别见表1、表218。表1316L钢本构参数?0/s-10.001Tr/oC20Tm/oC1 530A/MPa514B/MPa514C0.042n0.508m0.533表2316L钢损伤参数D10.1D20.76D31.57D40.005D5-0.841.2有限元模型型材高速切削模型主要由工件和刀具两个部分组成，工件分为切屑层（切削过程中形成切屑）、分离层（赋予损伤属性，实现切屑与工件的分离）和工件基体。刀具尺寸固定，刀具宽0.4 mm、高 0.6 mm，刀具的圆角半径为 0.005 mm，刀具后角为-7。切屑层厚度为 0.15 mm，前切屑面与水平面夹角设置为45，分离层厚度为0.005 mm，工件总高度为0.75 mm，工件宽度设置为2 mm，远大于切削厚度。工件和刀具之间创建相互作用属性，切向设置为“罚”接触，摩擦系数为0.3；法向行为设置为“硬”接触；工件与刀具之间的热传导系数为10 000。被切削材料与刀具之间的接触采用库伦摩擦定律，摩擦系数设置为0.3。金属切削模拟中需要对工