干式铣削对淬硬钢表面残余应力的影响研究

唐德文，何宇航，王利伟，唐海龙

(1.南华大学机械工程学院，湖南 衡阳 421001；2.湖南省核燃料循环技术与装备协同创新中心，湖南 衡阳 421001)

1 引言

随着现代高速加工技术快速发展，加上超硬质合金材料和耐热、耐磨损涂层的出现，干式硬铣削可直接用于加工淬硬刚及硬质合金材料，取代了传统的加工方法[1]。干式铣削可以大幅度的提高加工效率，简化了生产工艺，降低了生产成本，也减少了环境的污染，被称为了一种绿色的加工工艺[2]。其在加工过程中需要配备优良的切削刀具、机床以及相应的辅助设备来降低切削过程中产生的热量、润滑刀具、保证切屑顺畅排出等条件[3]。SKD11淬硬冷作模具钢和国内高碳、高烙的Cr12MoV合金钢相似，其碳含量通常在(1.1～1.6)%之间[4]。冷作模具刚常被应用于摩擦力与压应力高的工作环境，因此要求材料具有硬度高(高达58HRC以上)、强度大、耐磨性好的特性。SKD11材料由于其内部含有大量马氏体组织和高的含碳量，使得该材料具备硬度高，耐磨性和淬透性好，韧性优良等特点，可用于冷冲压模、冷锻模、成形轧辊等[5-6]。

金属切削加工过程常常伴随着高温、高压、高应变率的塑性变形的物理变化，其对加工后材料表面的性能会产生重大影响，使材料表面产生残余拉-压两种不同应力。残余应力的大小、特点、及分布情况会对材料的耐用度，疲劳强度和抗腐蚀性能产生严重的影响，同时材料几何形状的稳定性也会产生影响[1]。现阶段，从理论上直接对残余应力的产生机理进行研究还存在一定的难度，残余应力的产生是一种比较复杂热-力耦合的热弹性过程，主要受切削参数、机床设备精度、切削温度、切削力、刀具几何参数、加工方法等因素的影响；从加工表面形成的过程进行分析，引起残余应力的三个主要原因是机械应力、热应力、金属相变[7]。

以高硬度的SKD11淬硬钢为研究对象，利用Johnson-Cook材料本构模型建立有限元二维正交切削模型，将切削实验数据作为参考对模型进行验证和修正；并利用正确仿真模型分析不同切削参数对残余应力的影响情况，对其产生原因进行分析，得出适当的减小切削速度和增大切削深度，可以有效的降低残余应力对SKD11淬硬钢表面加工质量的影响。

2 切削加工试验

在高速切削加工过程中，对于难加工的超硬质材料，一般使用涂层刀具和硬质合金等刀具，其刀具价格昂贵，对于材料切削特性研究实验成本较高。因此采用实验和仿真对比验证的方法，简化实验，设计同参数多组切削实验，为后面模型的建立提供参考依据。

试验条件本试验对SKD11淬硬钢进行干式铣削加工，工件形状呈长方体(330×60×10)mm，材料的物理性能，如表1所示。实验选用机床为南通V600数控立式铣削加工中心，其主轴转速为(0～8000)r/min，进给速度为(0～5)m/min。刀具选用螺旋角为30°的右旋TiAlN涂层的四刃平底铣刀进行切削实验(HM-D10-4E)，刀具总长为75mm，刀具直径为10mm，如图1所示。本实验切削参数设置为切削速度vc=300m/min，每齿进给量fz=0.05mm/z，切削深度ap=0.2mm径向切削宽度ae=8mm。

图1 30°螺旋角右旋涂层(TiAlN)四刃平底铣刀Fig.1 130 Degree Spiral Angle Right-Hand Coating(TiAlN)Four Edge Fat End

表1 SKD11淬硬钢的物理性能Tab.1 Physical Properties of SKD11 Hardened Steel

表2 刀具材料参数Tab.2 Tool Material Parameters

残余应力测量 在测量上利用球形压痕法残余应力测量装置来测量试样表面的残余应力，如图2所示。对于材料浅表层残余应力的测量，如图3所示。利用电化学腐蚀模拟金属表面剥层的方法，将试样的表层逐层剥除，同时逐层对其表面进行测量。

图2 压痕法残余应力测量装置Fig.2 Indentation Residual Stress Measuring Device

图3 残余应力实验数据测量(距表面约55um)Fig.3 Measurement of Residual Stress Experimental Data(About 55um From The Surface)

3 建立切削有限元模型

二维切削仿真几何模型 在金属切削模型中二维正交模型是比较常用的有限元分析模型，其应用广泛，可帮助分析金属切削的内在机理，减少了切削实验成本，降低实验时间，是研究切屑形态、切削力、残余应力、刀具磨损等加工参数优化的有效工具[7]。采用商业软件DEFORM-2D进行有限元数值分析[8]，建立的二维正交切削仿真模型，也被称为简化后的物理模型和正交切削模型，切削时模型变形只发生在与切削刃垂直的平面内。参数设置中切削宽度大于切削厚度的五倍，所以模型又可以简化为平面应变的问题。模型工件材料设置为理想的热弹塑性体，同时材料内部满足均匀连续、各向异性、且遵循Miss屈服准则，切屑流动过程满足连续且稳定的特点；其工件形状简化成长方形，几何尺寸为(5.5×2.5)mm。

为避免刀具磨损对实验结果的影响，其刀具模型设置为钢体，将刀具视作为零磨损。在进行材料切削实验时，每一个试样采用新刀具进行切削，该方法主要是为了减小刀具磨损，减小实验和模型的误差。

材料本构模型金属切削是一个高应变、高应变率和高温的过程[1]，在分析残余应力时，一般采用Johnson-Cook(JC)材料本构模型[9-10]，其模型表达式如下所示：

式中：A—准静态条件下的屈服强度；B—材料硬化模量；—等效塑性应变；n—材料硬化指数；C—材料应变强化参数；˙—等效塑性应变率；—准静态应变率；Tr—参考力学温度；Tm—材料熔点热力学温度；m—材料热软化系数。

表3 SKD11淬硬钢的J-C本构模型参数Tab.3 J-C Constitutive Model Parameters For SKD11 Hardened Steel

二维干式切削仿真过程 模拟切削过程中为了获得准确的加工表层残余应力的数值信息，模拟过程须遵循加工、退刀、冷却、解除约束四个阶段[4]。在加工阶段刀具沿着X轴的负方向以给定的切削速度做直线运动，直到进入切削稳定状态，如图4(a)所示。在退刀阶段刀具沿着于X轴正方向成30°的直线方向以一定的速度退离刀切削区域外，此阶段主要是消除刀具对工件应力的影响，如图4(b)所示。在冷却阶段，为使模拟实验接近实际环境中工件冷却至常温的过程，来消除切削温度对工件应力-应变的影响，需提高模型的运算时间，并加大模型的运算步长，如图4(c)所示。在解除接触阶段，此阶段将解除工件在加工区的边界约束条件，使工件材料内部组织结构能够自由伸展，其解除边界条件是为了消除外界约束对加工表面应力和应力分布的影响，如图4(d)所示。

图4 二维铣削模拟加工应力分布图(a，b，c，d四个阶段)Fig.4 Diagram of Simulated Machining Stress Distribution in Two-Dimensional Milling(Four Stages of a，b，c And d)

4 分析与讨论

正常情况下，加工后的金属表面上的残余应力一般分布在材料浅表层，本模拟实验主要对距表层0.5mm深度范围内的残余应力进行分析，分析过程利用Deform-2D/3D Post软件后处理程序对模型仿真结果进行处理。二维模拟切削过程中，由于刀具沿x轴方向进行切削，因此容易引起工件加工表面材料产生沿x轴方向的应力，而沿y轴方向的应力较小，所以这里也主要对x轴方向的残余应力进行分析。

4.1 切削速度对残余应力的影响

不同深度l(距离切削表层深度)下材料表面残余应力的分布情况，图中由空心图标连接起来的四条曲线表示的是四种不同切削速度(其分别为100m/min、200m/min、300m/min、400m/min)在切削深度为0.2mm的残余应力分布曲线，实心图标连接起来的曲线表示的是切削速度在300m/min时实验测量得的残余应力，如图5所示。从图5中可以看出，实验和仿真得出残余应力分布曲线的变化趋势相同，其形状成“勺”字型，且距表面深度在(0～0.1)mm范围内时，残余应力曲线下降速率较大；对比切削速度在300m/min的实验和仿真结果得出仿真误差小于16%，因此可以判断模拟比较准确。

开始时四种不同切削速度对应的残余应力曲线初始值都为正(零线以上)，且切削速度越大对应的初始残余应力的值也越大，说明此时残余应力为沿X轴方向拉应力。随着深度l的增大，其残余应力逐渐减小至零线以下，拉应力逐渐向压应力开始变换，四条仿真曲线在l＜0.1mm区域时完成拉-压应力的转变，且残余拉应力逐渐增大。切削速度从100m/min增至400m/min，表面残余应力值也从389MPa增大到594MPa，说明提高切削速度时，虽然使切削力减小，但是单位时间内刀具端刃对工件的碾压和摩擦的作用增强了，材料表层温度升高，导致材料表层塑性变形能力增大；材料内部的压应力也逐渐增大，其增大原因是切削温度的升高使得材料切削变形增大，热应力和机械应力对材料的影响深度增大，内部残余应力影响也增大。从图像也可以看出在切削力越大时残余应力曲线下降越快，其材料内部残余压应力值也越大。

在深度l＜0.2mm区域时，残余应力达到最大值，说明此深度范围内材料内部变形最为严重。但随着l逐渐增大时，材料内部压应力开始减小，最后在l=0.5mm时基本趋近于0线(残余应力为零)，说明此时工件内部已经停止变形。

综上所述，控制其他因素不变情况下，高速铣削SKD11淬硬钢材料时，切削速度的提高会增大工件表面残余拉应力和内部最大残余压应力的数值，但是却降低了材料变质层的深度l。

图5 不同切削速度下表面残余应力分布曲线(ap=0.2mm)Fig.5 Surface Residual Stress Distribution Curves at Different Cutting Speeds(ap=0.2mm)

4.2 切削深度对残余应力的影响

图6描述了不同深度l下材料表面残余应力的分布情况，图中空心图标连接起来的四条曲线表示的是在四种切削深度(其分别为0.2mm，0.4mm，0.6mm，0.8mm)在切削速度为200m/min的残余应力分布曲线，在材料表面(l=0mm)，残余应力主要是拉应力，且随着切削深度的增大其表面残余拉应力也减小；当l不断增大时，在l＜0.1mm时其残余拉应力逐渐减小，最后在0.1mm附近达到0线处(残余应力为零)，此时拉-压应力开始转换。在l为(0.1～0.2)mm范围内时，残余压应力数值达到最大值，之后随着l的增大其残余拉应力开始减小，在l=0.5mm附近逐渐趋近于零，其材料内部变形也基本结束。切削深度从0.8mm减小至0.2mm，表层残余拉应力从63MP增大至420MPa，材料内部残余压应力从-70MPa增大至-208MPa；因此从图像可以看出残余应力曲线变化速率越小时，残余应力对材料内部的影响越小，且材料内部变质层深度也越小。

造成上述这一现象的原因是：切削深度对加工材料表面温度影响效果不同，切削深度越大，其切削带走的切屑就越多，带走的切削热的比例也就越大，使得材料表面温度相对降低，其塑性变形也就越小，热应力和机械作用力对材料表面影响程度也越小，反之，影响程度就越大。同时，切削深度增大时对材料的切削力也就增大，刀具后刀面对加工表面的挤压也增大，刀具对材料的力学影响程度就越大。结合这两点进行分析可知，刀具对工件的力学影响程度远小于切削热对材料表面应力影响程度，所以随着切削深度增大时，热应力影响作用减小，材料塑性变形程度减小，表面残余拉应力及内部压应力就越小，材料内表层影响深度l也就越小。

综上所述，在一定条件下，适当的增大切削层深度，可以有效的降低残余应力对材料表面的影响程度，材料内部塑性变形的影响深度也相对减小。

图6 不同切削深度下表面残余应力分布曲线(v=200m/min)Fig.6 Surface Residual Stress Distribution Curves under Different Cutting Depths(v=200m/min)

5 总结

(1)利用商业软件DEFORM-2D建立了SKD11淬硬钢材料干式切削仿真模型，通过实验验证的方法，设计相同的实验和仿真试验条件，对实验数据分析验证得出仿真模型的正确性(误差小于16%)。(2)切削深度一定时，适当的增大切削速度，单位时间内刀具对工件的挤压和摩擦效应增强，导致材料表面残余拉应力增大，但却降低了材料变质层的深度l。(3)切削速度一定时，适当的增大切削深度，可以有效的降低残余应力对材料表面的影响程度，其材料内部塑性变形的影响深度l也相对减小。