一种硬车削残余应力预测方法

1.本技术涉及切削加工工艺的技术领域，尤其涉及一种硬车削残余应力预测方法。

背景技术：

2.硬车削作为一种新的工艺，用于代替轴承钢等难加工材料的磨削加工，作为加工的最后一道工序，具有绿无污染，节约成本的优点。轴承钢硬车削产生的表面残余应力影响到工件的疲劳性能，对残余应力的预测和调控具有重要意义。
3113297689a公开了一种连续切削残余应力获取方法，采用拉格朗日-欧拉模型，模拟刀具切削工件的过程，实现残余应力的提前，解决残余应力分析误差大的技术问题。
4107335848a公开了一种基于解析模型的三维铣削残余应力预测方法，首先将铣削过程划分为若干个微小的三维斜角切削微元，基于j c本构模型来计算剪切面的剪切流动应力。接着对刀尖犁切行为进行分析，得到犁切力和犁切区域的长度。再对斜角切削的应力接触过程进行建模，采用应力张量三维坐标变换的方法将剪切和犁切造成的应力分布进行叠加，得到铣削过程中工件内部的应力应变历程。最后用增量弹塑性的办法来预测工件在三维弹塑性循环加载情况下的本构行为，得到铣削工件表面的残余应力。
5.目前，对于预测车削残余的方法已有相关专利和文献，但是主要集中在实验法。但是采用实验法残余应力存在成本高，且不具备适用性的特点。本发明根据金属切削理论，采用j-c本构模型计算剪切区的剪切流动应力，采用线热源模型计算车削温度，然后计算机械应力和热应力，采用增量弹塑性方法计算应力加载-卸载-释放循环作用下形成的残余应力，实用性好。

技术实现要素：

6.有鉴于此，本技术提供一种硬车削残余应力预测方法，以解决目前切削残余应力预测主要采用实验方法，不具备通用性的问题。
7.本技术提供一种硬车削残余应力预测方法，包括以下步骤：
8.获得工件材料的剪切面上的剪切应力、剪切带长度；
9.由所述剪切带长度获得切削温度和机械应力；
10.由所述切削温度获得热应力；
11.由所述热应力、机械应力，依据增量弹塑法获得在先应力加载再应力卸载的循环过程中所致的残余应力。
12.可选地，通过公式(1)，获得工件材料的剪切面上的剪切应力，
[0013][0014]
其中，为参考剪切应变率，为剪切应变率，γ为剪切应变，ts为工件瞬时温度，tr是环境温度，tm是材料熔点温度。a,b,n,c,m表示为屈服强度、硬化模量、应变硬化指数、应
变率敏感系数、热软化指数。
[0015]
可选地，通过公式(2)，获得工件材料的剪切面上的剪切带长度，
[0016]
ab＝tc/sinφnꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0017]
其中，ab为剪切带长度，φn为法向剪切角剪切应变率。
[0018]
可选地，通过公式(4)，获得切削温度，
[0019][0020]
其中，k0为贝塞尔函数，li为剪切热源长度，a为热扩散率，vs为剪切速度，φ为剪切角。
[0021]
可选地，通过公式(5)、(6)、(7)，获得机械应力，
[0022][0023][0024]
其中，β为摩擦角，φ为剪切角，ab为剪切带长度，τs为剪切应力。
[0025]
可选地，通过公式(8)，获得热应力，
[0026][0027]
式中，t为温度，υ为泊松比，α
t
为热膨胀系数，e为弹性模量，g
xh
,g
xv
,g
zh
,g
zv
,g
xzh
,g
xzv
为平面应变格林函数，假设在切削期间，工件上的每一点经历相同
的温度梯度。
[0028]
可选地，获得残余应力，具体包括：
[0029]
获得基于塑性加载下的应力分布，以及由所述热应力、机械应力获得基于弹性加载下应力分布；
[0030]
由基于塑性加载下的应力分布和基于弹性加载下应力分布，获得应力、应变率之间的对应关系；
[0031]
由所述应力、应变率之间的对应关系，获得残余应力。
[0032]
可选地，通过公式(9)，获得基于弹性加载下的应力分布，
[0033][0034]
可选地，通过公式(9)，获得基于塑性加载下的应力分布，
[0035][0036]
式中，s
ij
为偏应力，s
ij
＝σ
ij-(σ
kk
/3)δ
ij
,k为剪切屈服强度。
[0037]
可选地，通过公式(12)-(19)，获得残余应力，
[0038][0039]
公式(12)中，g为弹性剪切模量，κ为算法常数；
[0040][0041][0042][0043][0044][0045]
公式(17)为基于弹性卸载的应力增量；
[0046][0047][0048]
公式(18)为基于弹性卸载的应力增量中。
[0049]
本技术采用基于解析模型的金属切削理论，只需要知道工件材料本构参数，切削参数和刀具材料参数，刀具几何，就能直接计算车削残余应力，计算速度快，具备通用性。
附图说明
[0050]
下面结合附图，通过对本技术的具体实施方式详细描述，将使本技术的技术方案及其它有益效果显而易见。
[0051]
图1为本技术实施例提供的硬车削残余应力随深度变化示意图。
具体实施方式
[0052]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0053]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0054]
在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0055]
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本技术的不同结构。为了简化本技术的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本技术。此外，本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，
这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本技术提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
[0056]
实施例：
[0057]
工件材料为轴承钢gcr15，刀具材料为cbn。表1为工件材料j-c本构参数，表2为刀具和工件材料主要性能。
[0058]
表1 gcr15钢j-c本构参数
[0059]
a(mpa)b(mpa)cmn688.17150.820.04282.77860.3362
[0060]
表2刀具和工件材料主要性能
[0061][0062]
本发明提供了一种硬车削残余应力解析预测方法，具体实施步骤如下：
[0063]
s1、根据工件材料j-c本构参数计算剪切面上的流动应力；
[0064][0065]
其中，τs为剪切应力，为参考剪切应变率，为剪切应变率，γ为剪切应变，ts为工件瞬时温度，tr是环境温度，tm是材料熔点温度，γ为主剪切区长度a,b,n,c,m分别表示为屈服强度、硬化模量、应变硬化指数、应变率敏感系数、热软化指数。
[0066]
s2、计算剪切区主剪切长度，剪切力和切削力；
[0067]
ab＝tc/sinφnꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0068]fs
＝τs×
ab
×
cw
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0069]
其中，tc为切削厚度，φn为法向剪切角剪切应变率，，ab为剪切带长度，cw为切削深度。
[0070]
s3、计算切削温度，工件内任一点p(x,z)在t时刻的温度场t为：
[0071][0072]
式中：k0为贝塞尔函数，li为剪切热源长度，a为热扩散率，τs为剪切应力，vs为剪切速度。
[0073]
s4、计算机械应力；
[0074][0075][0076]
式中：β为摩擦角，φ为剪切角。
[0077]
s5、计算热应力；
[0078][0079]
式中，t为温度，υ为泊松比，α
t
为热膨胀系数，e为弹性模量，g
xh
,g
xv
,g
zh
,g
zv
,g
xzh
,g
xzv
为平面应变格林函数。假设在切削期间，工件上的每一点经历相同的温度梯度。
[0080]
s6、计算弹性加载下应力分布，此时切削应力场为机械应力和热应力的线性叠加：
[0081][0082]
计算塑性加载下应力分布，其塑性应变满足屈服准则函数：
[0083][0084]
式中，s
ij
为偏应力，s
ij
＝σ
ij-(σ
kk
/3)δ
ij
,k为剪切屈服强度，α
ij
表示背应力，σ
ij
表示应力张量，σ
kk
时表示i,j＝1,2,3,中i＝j＝1,2,3的情况，表示3个主应力之和。这里i,j取值1,2,3，表示沿着x,y,z方向的分量，
[0085][0086]
依据随动强化准则，α
ij
＝《s
ijnkl
》n
ij
。《》表示maccauley符号，定义为《x》＝0.5(x+|x|)。在第一步加载过程中，假设材料没有发生屈服，因此α
ij
＝0。n
ij
为塑性应变率上的单位向量，表示为：
[0087][0088]
s7、mcdowell提出了hybrid算法，引入一个混合函数(乘法因子)：
[0089][0090]
式中，g为弹性剪切模量，κ为算法常数，取0.2。
[0091]
由平面应变的假设及上述的塑性流动法则以及温度模型，可以得到应力/应变率之间的关系：
[0092][0093]
上式中，n
xx
,n
yy
,n
zz
,n
xz
为如公式(10-2)所讨论的，即为塑性应变率上的单位向量，ε
xx
为x方向应变，同理，取值y,z方向，ε
xx
的第一个字母表示应变所在面的外法线方向，第二个字母代表应变分量的指向，这里字母为x,y,z。
[0094][0095]
工件表面存在约束条件，卸载完成后，已加工表面残余应力/应变符合边界条件：
[0096][0097]
为了满足上述边界条件，在每一个循环加载过程结束后都要进行应力释放。对于非零项，假设松弛过程共有m步，(取m＝500)则每一步的松弛因子：
[0098][0099]
经过m步的释放，同时非零项σ
xx
和σ
yy
就是残留在工件表层及次表层的真实残余应力。
[0100]
对于弹性释放来说，应力增量为：
[0101]
[0102]
对于弹塑性释放来说，应力松弛过程中应力增量为：
[0103][0104]
式中，
[0105]
进行轴承钢硬车削加工实验，并且采用邯郸爱思特公司的x-350x射线残余应力测定仪测量加工表面残余应力。表3为不同切削参数下表面垂直于进给方向残余应力实验结果和仿真结果。预测结果和实验结果最大误差在10％以内，反映了预测结果的可靠性。
[0106]
表3表面残余应力实验结果和预测结果
[0107][0108]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。

技术特征：

1.一种硬车削残余应力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：获得工件材料的剪切面上的剪切应力、剪切带长度；由所述剪切带长度获得切削温度和机械应力；由所述切削温度获得热应力；由所述热应力、机械应力，依据增量弹塑法获得在先应力加载再应力卸载的循环过程中所致的残余应力。2.根据权利要求1所述硬车削残余应力预测方法，其特征在于，通过公式(1)，获得工件材料的剪切面上的剪切应力，其中，为参考剪切应变率，为剪切应变率，γ为剪切应变，t
s
为工件瞬时温度，t
r
是环境温度，t
m
是材料熔点温度。a,b,n,c,m表示为屈服强度、硬化模量、应变硬化指数、应变率敏感系数、热软化指数。3.根据权利要求1所述硬车削残余应力预测方法，其特征在于，通过公式(2)，获得工件材料的剪切面上的剪切带长度，ab＝t
c
/sinφ
n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，ab为剪切带长度，φ
n
为法向剪切角剪切应变率。4.根据权利要求1所述硬车削残余应力预测方法，其特征在于，通过公式(4)，获得切削温度，其中，k0为贝塞尔函数，l
i
为剪切热源长度，a为热扩散率，v
s
为剪切速度，φ为剪切角。5.根据权利要求3所述硬车削残余应力预测方法，其特征在于，通过公式(5)、(6)、(7)，获得机械应力，械应力，(7)其中，β为摩擦角，φ为剪切角，ab为剪切带长度，τ
s
为剪切应力。
6.根据权利要求3所述硬车削残余应力预测方法，其特征在于，通过公式(8)，获得热应力，式中，t为温度，υ为泊松比，α
t
为热膨胀系数，e为弹性模量，g
xh
,g
xv
,g
zh
,g
zv
,g
xzh
,g
xzv
为平面应变格林函数，假设在切削期间，工件上的每一点经历相同的温度梯度。7.根据权利要求1所述硬车削残余应力预测方法，其特征在于，获得残余应力，具体包括：获得基于塑性加载下的应力分布，以及由所述热应力、机械应力获得基于弹性加载下应力分布；由基于塑性加载下的应力分布和基于弹性加载下应力分布，获得应力、应变率之间的对应关系；由所述应力、应变率之间的对应关系，获得残余应力。8.根据权利要求7所述硬车削残余应力预测方法，其特征在于，通过公式(9)，获得基于弹性加载下的应力分布，9.根据权利要求7所述硬车削残余应力预测方法，其特征在于，通过公式(9)，获得基于塑性加载下的应力分布，式中，s
ij
为偏应力，s
ij
＝σ
ij-(σ
kk
/3)δ
ij
,k为剪切屈服强度，α
ij
表示背应力，σ
ij
表示应力张量，σ
kk
时表示i,j＝1,2,3,中i＝j＝1,2,3的情况，表示3个主应力之和。这里i,j取值1,2,3，表示沿着x,y,z方向的分量，
依据随动强化准则，α
ij
＝<s
ij
n
kl
>n
ij
。<>表示maccauley符号，定义为<x>＝0.5(x+|x|)，在第一步加载过程中当材料没有发生屈服时α
ij
＝0，n
ij
为塑性应变率上的单位向量，表示为：10.根据权利要求7所述硬车削残余应力预测方法，其特征在于，通过公式(12)-(19)，获得残余应力，公式(12)中，g为弹性剪切模量，κ为算法常数；上式中，n
xx
,n
yy
,n
zz
,n
xz
为塑性应变率上的单位向量，ε
xx
为x方向应变，取值y,z方向，ε
xx
的第一个字母表示应变所在面的外法线方向，第二个字母代表应变分量的指向，这里字母为x,y,z；为x,y,z；为x,y,z；为x,y,z；公式(17)为基于弹性卸载的应力增量；
公式(18)为基于弹性卸载的应力增量中。

技术总结

本申请公开了一种硬车削残余应力预测方法。该预测方法包括步骤：获得工件材料的剪切面上的剪切应力、剪切带长度；由所述剪切带长度获得切削温度和机械应力；由所述切削温度获得热应力；由所述热应力、机械应力，依据增量弹塑法获得在先应力加载再应力卸载的循环过程中所致的残余应力。本申请采用基于解析模型的金属切削理论，只需要知道工件材料本构参数，切削参数和刀具材料参数，刀具几何，就能直接计算车削残余应力，计算速度快，具备通用性。具备通用性。具备通用性。