微銑削鎳基高溫合金預(yù)測殘余應(yīng)力的仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于有限元仿真切削領(lǐng)域，涉及一種難加工材料鎳基高溫合金的切削加工 中，殘余應(yīng)力預(yù)測分析的有限元仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鎳基高溫合金由于在700°C時具有高的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗蠕變強(qiáng)度和斷裂 強(qiáng)度，在l〇〇〇°C時具有高抗氧化性，在低溫下具有穩(wěn)定的化學(xué)性能，良好的焊接性能，被廣 泛應(yīng)用于各種高要求的場合。如汽輪機(jī)、核電站、酸性環(huán)境、液體燃料火箭等。在這些應(yīng)用 中，鎳基高溫合金的耐疲勞強(qiáng)度、耐應(yīng)力腐蝕和耐高溫氧化等性能很大程度上取決于其加 工件表面完整性中的殘余應(yīng)力。不同的加工方法會產(chǎn)生不同的殘余應(yīng)力，不利的殘余應(yīng)力 會導(dǎo)致生產(chǎn)組件的嚴(yán)重性破壞。傳統(tǒng)加工對殘余應(yīng)力的研究已經(jīng)比較成熟，一般不考慮尺 度效應(yīng)、最小切削厚度等影響。微銑削技術(shù)是一種新興的加工技術(shù)，可以加工極小的高精 度零件，對于其加工表面殘余應(yīng)力的研究剛剛起步，研究對象還僅限于鋼、鋁合金這些硬度 較低的普通材料。對于鎳基高溫合金這種典型難加工材料殘余應(yīng)力系統(tǒng)性研究亟待開展。 對于切削加工表面殘余應(yīng)力的研究主要有實(shí)驗(yàn)法和有限元仿真方法。采用有限元方法模 擬實(shí)際切削加工過程，得到加工表面以及表面下的材料內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變分布，省去了實(shí)驗(yàn)法 加工測量這一步驟，減少成本，節(jié)省人力。目前使用有限元方法進(jìn)行微切削殘余應(yīng)力的研 究，主要使用二維有限元仿真，例如，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT)的V. Schulze等人 2010 年發(fā)表的論文《Investigation of surface near residual stress states after micro-cutting by finite element simulation》中，使用有限元軟件 ABAQUS 對 AISI1045 鋼微切削進(jìn)行二維仿真。因二維仿真無法真實(shí)反映實(shí)際加工的工況，仿真結(jié)果很難與實(shí)際 切削加工相吻合，且將實(shí)際三維加工簡化為二維加工時部分切削參數(shù)無法考慮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，考慮微銑削加工尺度效應(yīng)，發(fā)明一種微銑削鎳 基高溫合金預(yù)測表面殘余應(yīng)力的仿真方法。該方法運(yùn)用有限元仿真技術(shù)，通過對工件和 刀具進(jìn)行三維宏觀建模，考慮材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，使用Johnson-Cook本構(gòu)模型，利用 Johnson-Cook斷裂失效準(zhǔn)則判斷工件材料發(fā)生斷裂形成切削，從而得到不同切削參數(shù)下殘 余應(yīng)力預(yù)測值，有效實(shí)現(xiàn)對于難加工材料表面殘余應(yīng)力的預(yù)測。
[0004] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種微銑削鎳基高溫合金預(yù)測表面殘余應(yīng)力的仿真方 法，其特征是，仿真方法運(yùn)用有限元仿真方法，通過對工件和刀具進(jìn)行三維宏觀建模，考慮 材料彈塑性本構(gòu)關(guān)系，利用Johnson-Cook斷裂失效準(zhǔn)則判斷失效，從而得到不同切削參數(shù) 下殘余應(yīng)力預(yù)測值，方法的具體步驟如下：
[0005] 步驟1 :建立微銑刀模型，通過掃描電鏡將實(shí)驗(yàn)用微銑刀拍攝成圖片，使用軟件將 圖片繪制成微銑刀實(shí)體模型，導(dǎo)入ABAQUS中，由于不考慮刀具變形，刀具設(shè)置為離散剛體；
[0006] 步驟2 :建立被加工工件三維模型，并設(shè)置為柔體部件；
[0007] 步驟3 :對模型網(wǎng)格劃分，將刀具模型采用三角形、自由網(wǎng)格劃分，將工件模型表 層及中間切削區(qū)域網(wǎng)格加密，其余區(qū)域網(wǎng)格變疏。定義網(wǎng)格類型為8節(jié)點(diǎn)六面體；
[0008] 步驟4 :工件材料塑性行為采用Johnson-Cook本構(gòu)模型模擬，碎片形成過程采用 Johnson-Cook斷裂失效模型模擬，以應(yīng)變臨界值作為最終失效判據(jù)，即材料單元達(dá)到設(shè)定 的應(yīng)力臨界值時，該材料完全破壞，喪失承載能力，刪除單元。
[0009] 其中，所述的材料的本構(gòu)模型為：
[0011] 式中，σ為Von-Mises的流動應(yīng)力，A為參考溫度和參考應(yīng)變速率下的屈服強(qiáng)度， B為應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)，Pj為等效塑性應(yīng)變，η為應(yīng)變硬化指數(shù)，C為應(yīng)變速率硬化系數(shù)，為等 效塑性應(yīng)變率，％為參考應(yīng)變率，m為加熱軟化指數(shù)，f為無量綱的值，與溫度有關(guān)。
[0012] 使用的失效準(zhǔn)則為Johnson-Cook斷裂失效準(zhǔn)則，其失效模型是基于單元積分點(diǎn) 上的等效塑性應(yīng)變，其失效參數(shù)ω定義如下：
[0014] 式中，為等效塑性應(yīng)變增量，碎為發(fā)生斷裂時的應(yīng)變值，
[0016] 式中，山~d5為在低于參考溫度下測得的失效常數(shù)，p/q為壓偏應(yīng)力比，ρ為壓應(yīng) 力，q為Von-Mises應(yīng)力，當(dāng)失效參數(shù)ω大于1時，單元積分點(diǎn)達(dá)到了失效標(biāo)準(zhǔn)，單元所有 應(yīng)力均被設(shè)置為〇,單元從網(wǎng)格中刪除，也就是工件材料發(fā)生斷裂，開始形成切削肩片。
[0017] 步驟5 :分別導(dǎo)入工件和刀具模型，進(jìn)行裝配；調(diào)整銑刀與工件的相對位置，確定 切削深度及進(jìn)給距離；
[0018] 步驟6 :定義分析步和輸出，使用ABAQUS/Explicit進(jìn)行顯式動態(tài)分析，依次插入 微銑削加工分析步、退刀分析步、約束轉(zhuǎn)換分析步，場變量輸出應(yīng)力，以便最終讀取殘余應(yīng) 力；
[0019] 步驟7:定義表面和接觸性質(zhì)，對工件切削面和刀具表面定義，設(shè)置摩擦系數(shù)為 0. 4,僅在加工分析步中定義此接觸對，然后定義刀具集合和參考點(diǎn)集合，并創(chuàng)建剛體約束。
[0020] 步驟8:定義邊界條件，首先定義刀具速度變化幅度曲線，然后在參考點(diǎn)集合上設(shè) 置刀具進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速，定義工件底面和側(cè)面節(jié)點(diǎn)集合，嚴(yán)格約束工件自由度；定義工 件底面3個節(jié)點(diǎn)集合，在滿足工件自由變形下約束其自由度。
[0021] 步驟9:創(chuàng)建任務(wù)并遞交運(yùn)算，分別提交不同切削參數(shù)組合的微銑削鎳基高溫合 金的仿真結(jié)果，從而預(yù)測不同切削參數(shù)組合下表面殘余應(yīng)力分布。
[0022] 本發(fā)明的有益效果是通過仿真的方法對典型難加工材料微銑削殘余應(yīng)力進(jìn)行預(yù) 測，建立了預(yù)測模型，不僅可以測量表面殘余應(yīng)力，還可以測量深度方向殘余應(yīng)力，省去了 實(shí)驗(yàn)加工中測量的步驟，減少成本，節(jié)省人力。解決了測量中沿深度方向殘余應(yīng)力測量困難 的問題。在預(yù)測模型中，切削參數(shù)可變，有利于預(yù)測多種切削參數(shù)組合下殘余應(yīng)力，有效實(shí) 現(xiàn)對于難加工材料表面殘余應(yīng)力的預(yù)測。
【附圖說明】
[0023] 圖1為掃描電鏡拍攝的微銑刀圖片；
[0024] 圖2為微銑削仿真過程中銑削加工階段示意圖，其中，1-微銑刀，2-工件。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施，使用有限元計(jì)算軟件 ABAQUS，對微銑削鎳基高溫合金加工過程進(jìn)行三維有限元仿真，預(yù)測表面殘余應(yīng)力分布和 大小，具體仿真步驟如下：
[0026] (1)三維有限元仿真中，刀具模型用日本NS公司生產(chǎn)的微銑刀MX230,刀具直徑D =1mm，刃口圓弧半徑0.002mm，螺旋角β =30°，刃長L = 2mm。依據(jù)掃描電子顯微鏡拍 攝微銑刀圖片，如圖1所示。通過AutoCAD軟件繪制微銑刀旋轉(zhuǎn)刃平面圖。然后將CAD二 維圖導(dǎo)入Pro/E三維建模軟件，以刀尖為起點(diǎn)，采用圓柱坐標(biāo)系繪制一條螺旋線，其參數(shù)方 程如下：
[0027] r = D/2 = 0. 5
[0028] theta = z · tan β X 360/ π · D，t e [