钛合金切削加工表面残余应力有限元仿真

采用JobnSOn—Cook失效准则,建立了钛合金的二维正交切削热一机械应力耦合有限元仿真模型,分析计算了不同切削条件下已加工表面残余应力的分布规律。结果表明：已加工表面层残余应力为拉应力,沿着深度方向由拉应力逐渐过渡到压应力。表面残余应力随着切削速度的增大而增大,在一定的前角变化范围内,随着刀具前角的增大,表面残余拉应力先增大后减小,而随着刀具后角的增大却减

现代设计与先进制造技术

刘文文刘长毅

钛合金切削加工表面残余应力有限元仿真 3 9

钛合金切削加工表面残余应力有限元仿真刘文文，长毅刘

(南京航空航天大学机电学院，江苏南京

201) 1 0 6

摘要：用 J h sn o k失效准则，立了钛合金的二维正交切削热一机械应力耦合有限元仿采 o no—C o建

真模型，分析计算了不同切削条件下已加工表面残余应力的分布规律。结果表明：已加工表面层残余应力为拉应力，沿着深度方向由拉应力逐渐过渡到压应力。表面残余应力随着切削速度的 增大而增大，一定的前角变化范围内，着刀具前角的增大，面残余拉应力先增大后减小，在随表而随着刀具后角的增大却减小。各加工参数对残余应力层的厚度影响都很小。 关键词：面残余应力；削速度；削深度；角；角表切切前后中图分类号： G 0 T 51文献标识码： A文章编号：6 2 6 6 2 1 )3 0 9—0 1 7—1 1 (0 2 0—0 3 4

大量研究表明，在工件表面完整性各因素中，工件切削加工形成的表面残余应力对工件的疲劳寿命

式中：为准静态条件下的屈服强度；。准静态 A e为应变率；为等效塑性应变率；为等效塑性应变； e e B,扎为应变硬化参数；为应变强化参数；, C 0分别为常温、料熔点；为热软化系数。材

起主要作用，残余应力对工件疲劳强度和疲劳寿命具有直接影响l l卜3。因此，件表面所产生的残余工应力不容忽视，必须分析残余应力产生的原因。Ln i Zn—ci[等人对 N—P合金的超精密直角切削 oe h g4 n J i中切削速度和切削深度对残余应力的影响做了研究，析了刀具磨损量与残余应力之间的关系。并分

1 2切削分离准则 .切削加工过程是材料不断被去除的过程，由于

Jh s— ok失效准则适用于金属在高应变率 ono C o n下的变形，因此为了准确地模拟切削过程，文采本用 J h sn o k失效准则： o no—C o当预定义路径上距刀尖前缘最近处节点的等效塑性应变达到临界值时，

Si5 h[研究了刀具卸载和冷却过程对残余应力分布 hj的影响，

拟了不同的刀具前角对残余应力分布并模的影响。SShrl等人首次模拟了多刀切削之后 a aa j a 0工件表面残余应力分布的变化情况，现适当安排发切削顺序可以改善表面残余应力状态。

单元节点开始分离。等效塑性应变由式 ( ) 2可得：

1有限元模型的建立1 1材料本构模型 .由于切削加工时伴随着高应变、高应变率的复杂弹塑性大变形过程，因此仿真所选用的材料模型要较充分反映材料高速变形响应，必须考虑大应变以及应变率和温度的大幅度变化等对流动应力的影响。J h sn—C o o no o k模型是目前应用最为广泛

f[ 1 2x ( 3 )×;= d+d ep d][ 1+d ( )[ 4 ]1+d] 5E0

() 2

式中：~ d为在低于转变温度的条件下测得的 d 5

失效常数；为参考应变率。 1 3二维正交切削模型 .工件尺寸为 3 m×1 a r mm,用四边形平面应采变热一机械应力耦合单元。工件固定，具以给定刀速度运动。工件采用弹塑性材料，刀具视为刚体，

的模型之一，用于描述金属材料从低应变率到高适应变率下的动态行为。 Jh sn一(ok模型的具体形式为： o no; c o=

仅考虑其热传导。在切削区域划分较密的网格，远离切削区域划分较粗网格，在刀尖处划分较密网

[ B )1l] O (格。切削有限元模型如图 1所示。 A (+主[Ot 1+;] C 1…] )[ n一 -

收稿日期：0 1 9 5 2 1—0—0 作者简介：文文 (9 6一)男，两南昌人，刘 18,江南京航空航天大学硕士研究生，要研究方向为 C I/ AM/ AE。主 A)C C