304不锈钢大型零件切削残余应力分析与预测优化.pdf

第 61 卷 第 8 期Vol.61 No.82023 年 8 月August 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.08.028304 不锈钢大型零件切削残余应力分析与预测优化 姚硕1，陈志英1，张莹2，曹峰华3，孙彦2（1.201620上海市上海工程技术大学机械与汽车工程学院；2.201620上海市上海工程技术大学材料工程学院；3.200245上海市上海电机学院机械学院）摘要 以 304 不锈钢大型零件车削加工产生的表层残余应力为研究对象，探讨了 3 个切削参数（切削速度、切削深度、进给量）和 2 个刀具参数（刀具前角和刀具后角）对表层残余应力的影响，并以残余应力为目标函数，以 5个切削工艺参数为因素进行正交实验优化设计，结果表明：进给量是对残余应力的最大影响因素。在现有切削加工参数基础上得到了 2 组最优的组合方案：（1）切削速度为 6.5r/min，切削深度为 1mm，刀具前角为 0，进给量为 0.8mm，刀具后角为 20;（2）切削速度为 6.5r/min，切削深度为 0.8mm，刀具前角为 0，进给量为 0.8mm，刀具后角为 20。关键词 304 不锈钢；残余应力；切削加工；大型零件；正交实验 中图分类号 TG506 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)08-0140-05引用格式：姚硕,陈志英,张莹,等.304 不锈钢大型零件切削残余应力分析与预测优化 J.农业装备与车辆工程,2023,61(8):140-144.Cutting residual stress analysis and prediction optimization of 304 stainless-steel large-size partsYAOShuo1,CHENZhiying1,ZHANGYing2,CAOFenghua3,SUNYan2（1.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China;2.SchoolofMaterialsEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China;3.SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiDianjiUniversity,Shanghai200245,China)AbstractTakingthesurfaceresidualstressof304stainlesssteellargesizepartsproducedbyroughturningastheresearchobject,theeffectsofthreecuttingparameters(cuttingspeed,cuttingdepth,feedrate)andtwotoolparameters(toolrakeangleandtoolclearanceangle)onthesurfaceresidualstresswerediscussed.Takingtheresidualstressastheobjectivefunctionandfivecuttingprocessparametersasfactors,optimizationdesignwascarriedoutbytheorthogonalexperiment.Theresultsshowedthatthefeedratewasthemostinfluentialfactorontheresidualstress,andbasedontheexistingcuttingparameters,twogroupsofoptimalcombinationschemeswereobtained:(1)thecuttingspeedwas6.5r/min,thecuttingdepthwas1mm,thetoolrakeanglewas0,thefeedratewas0.8mm,andthetoolrakeangleis20;(2)Thecuttingspeedwas6.5r/min,thecuttingdepthwas0.8mm,thetoolrakeanglewas0,thefeedratewas0.8mm,andthetoolrakeanglewas20.Key words304stainlesssteel;residualstress;cutting;large-sizeparts;orthogonalexperiment0 引言304 奥氏体不锈钢具有优良的韧塑性、抗氧化性、耐蚀性和机械性能，广泛应用于航空制造业、交通、核工业、医疗、建材、化工和食品加工等领域1-4。但是 304 不锈钢传热系数低，切削过程中散不去的切削热产生热变形和热应力，导致残余应力的产生，而大型零件尺寸较大，切削时易受残余应力影响而变形，甚至开裂，这会降低制造精度，影响成品件的质量。因此，研究如何降低 304 不锈钢大型零件切削过程中产生的残余应力能成了一个迫切需要解决的问题。Peng 等5研究了 304 不锈钢在低温下切削残余应力的变化，采用 DEFORM-3D 通过对不同温度下车削过程的模拟，发现低温切削可以增加切削过程中的切削力，减小切削过程中工件表面的温差；Kanakaraju 等6对回转体的疲劳寿命进行了研究，通过有限元分析软件 ABAQUS 进行仿真，探讨了车削过程中切削速度、刀具前角、刀尖半径、进给量和刀具间距对表面残余应力的影响，并使用田口方法进行切削参数的优化；覃孟扬7以 45 钢为研究对象，研究了预应力切削对残余应力的影响，结合实验和 DEFORM-3D 仿真的结果，发现增加预应力可以加大残余压应力；杜浩等8采用AdvantEdge，对镍基合金 GH4169 的二维车削过程进行了模拟，分析了切削深度等参数对镍基合金GH4169 表面残余拉应力的影响。通过上述研究进收稿日期：2022-06-20141第 61 卷第 8 期展可以发现，目前对于切削残余应力的研究主要集中在探讨切削工艺参数对残余应力的影响，并进行优化设计。本文以电站的 304 不锈钢大型封头件车削产生的表层残余应力为研究对象，工件尺寸如图1所示，分析已加工表面应力场的分布规律，研究了 3 个切削参数(切削速度、切削深度、进给量)和 2 个刀具参数（刀具前角和刀具后角）对表层残余应力的影响，进行了优化设计，为实际工程应用提供了相应解决方案，对提高工件的加工精度、切削质量、可靠性等具有指导意义。1 工件材料与模型1.1 工件材料本文选用的实验材料是 304 不锈钢，材料的化学成分如表 1 所示，材料基本参数如表 2 所示。表 1 304 不锈钢化学成分(wt/%)Tab.1 Chemical composition of 304 stainless steel元素CCrSiMnNNiCuCoP含量 0.034 18.94 0.441.86 0.066 9.400.040.020.02表 2 304 不锈钢基本参数Tab.2 Basic parameters of 304 stainless steel弹性模量/GPa密度/(kg/m3)泊松比比热(J/(kgK)导热系数/(W/(mK)熔点/19978500.35001514001.2 本构模型Johnson-Cook 本构模型因能较好地描述金属材料在切削加工高应变速率下的应变硬化效应、应变速率硬化效应和材料热软化效应，且相对而言形式较简单，参数容易获取，所以在金属切削加工数值仿真中得到普遍应用。Johnson-Cook 材料本构模型可表示为lnABCTTTT11mrrnm0vfff=+-rrroroccgmm6FF(1)式中：f r 等效应变；f ro 等效应变率；0f ro 参考等效应变率；Tm工件材料的熔化温度；Tr室温；A材料的屈服强度；B材料的硬化模量；C应变率相关系数；n材料的应变硬化指数；m材料的热软化指数。304不锈钢Johnson-Cook本构参数如表3所示。表 3 304 不锈钢 Johnson-Cook 本构参数Tab.3 Johnson-Cook constitutive parameters of 304 stainless steelA/MPaB/MPaCnm4526940.00670.9960.3111.3 切屑分离准则切屑分离准则采用基于 Johnson-Cook断裂方程的应变分离准则，它适用于金属在高温、高应变率下的变形，表达式为expddddpdd11Dpl1134005fffi=+rorotcm;7EE(2)式中：d1d5低于转变温度条件下测得的失效常数；0f ro 塑性应变率；0fo 参考应变率；p压应力；q Mises 应力。304 不锈钢的 J-C 模型失效参数如表 4 所示。表 4 304 钢 Johnson-Cook 失效模型参数Tab.4 Johnson-Cook failure model parameters of 304 steeld1d2d3d4d50.100.761.570.005-0.842 二维正交切削有限元模型目前很多有限元软件都能实现切削加工的仿真，其中 AdvantEdge 能够相对较好地实现对切削过程中残余应力的仿真，故本文选用 AdvantEdge进行仿真实验。基于切削加工理论和有限元方法，将三维斜角切削过程简化为二维正交直角切削问题，在AdvantEdge 软件中建立正交切削模型，完成车削表面残余应力的建模和计算，进行动态切削过程和已加工表面残余应力的数值仿真。刀具模型在前处理阶段建立，设置为刚体。刀具尺寸长为 5mm，高为 2mm，如图 2 所示。3 切削工艺参数对残余应力的影响切削残余力量的产生机理比较复杂，归根结底主要为不均匀机械挤压引起的变形；热应力影响2.04.06.02.0图 2 切削有限元模型示意图Fig.2 Schematic diagram of cutting finite element model图 1 工件尺寸图Fig.1 Workpiece size diagram 3710.01400.03304.5R1700.0R1800.0100.0100.0单位：mm3458.3姚硕等：304 不锈钢大型零件切削残余应力分析与预测优化142农业装备与车辆工程 2023 年产生的不均匀变形；不均匀的组织相变过程引起的晶格畸变 3 种情况。而影响切削残余应力的因素有很多，其中主要影响因素有：工件材料、切削参数和刀具参数9。为了研究单因素参数对 304 不锈钢大型零件残余应力的影响规律，将 3 个切削参数(切削速度、切削深度、进给量)，2 个刀具参数（刀具前角和刀具后角）作为因素，采用控制变量法，结合实际加工参数，设计如表 5 所示的参数组合。表 5 切削参数对残余应力的影响仿真分析方案Tab.5 Simulation analysis scheme of influence of cutting parameters on residual stress序号切削速度Vc/(r/min)切削深度ap/mm刀具前角/()进给量f/mm刀具后角/()140.500.552536.548540.500.5560.6570.881940.500.55105111012151340.500.55140.6150.7160.81740.500.55181019152020由图 3图 7 可见残余应力的变化：在工件表面层表现为残余拉应力，而在次表层表现为压应力。总的变化趋势为随着切削厚度增加，在 00.05mm厚度范围残余拉应力迅速增加，0.05