一種微銑削鎳基高溫合金加工硬化的預測方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于微切削加工領域，涉及一種微銑削加工鎳基高溫合金，通過仿真建模 和理論推導加工硬化的預測方法。
【背景技術】
[0002] 隨著科學技術的進步，航空航天、能源動力、生物醫學等領域都出現了微小結構/ 零件，此類微小結構/零件精度要求高，具有三維幾何結構形狀如臺階面、深孔、薄壁等，有 較大的深寬比和長徑比，其中部分零件不僅要求能承受較高的工作溫度，而且需要具備較 高的強度和耐腐蝕性能。鎳基高溫合金Inconel718具有高強度、抗疲勞、耐腐蝕、耐高 溫、抗氧化性等優良性能，是制造航空發動機、渦輪葉片、發動機熱端部件的理想材料。鎳 基高溫合金微銑削技術是制備鎳基高溫合金微小零件的高效技術手段。但由于鎳基高溫 合金具有強度高、粘性大、熱傳導性能低等特點，在微銑削過程會產生大變形，從而產生晶 格扭曲變形，導致加工硬化現象。對于微結構件適度的加工硬化可以提高工件的強度、硬 度和耐磨性，而過度的加工硬化給工件進一步加工造成困難，特別是在微銑等精密加工中， 刀具微小易于磨損，加工硬化導致刀具快速磨損，嚴重影響刀具壽命、加工質量，過度的加 工硬化還會導致工件產生裂紋、尺寸發生變化等，所以對于加工硬化的研究非常重要。在 切削領域中，對于加工硬化研究已經具有一定的規模，但是大多數研究是基于試驗的預測 模型，一般會考慮多種因素對加工硬化的影響趨勢以及硬化層的深度，卻很少有人將材料 加工后的硬度進行數值化預測。而且試驗方法費時費力，通用性差。由于軟件工程的發 展，現代分析軟件已經形成規模，已經有很多人使用有限元軟件的方法對切削過程進行仿 真，其中有人模擬了切削過程中應力、應變、溫度、刀具磨損的變化情況，但使用仿真方法對 切削加工后硬度進行數值化預測的研究卻是很少。例如N.BenMoussa等人2012年在期 刊〈〈InternationalJournalofMechanicalSciences〉〉中發表的論文〈〈Numericaland experimentalanalysisofresidualstressandplasticstraindistributionsin machinedstainlesssteel》，通過二維有限元仿真方法預測塑性應變并用試驗測量塑性 應變驗證模型合理性，然后通過試驗擬合硬度與塑性應變之間關系，而在實際加工后，對于 材料塑性應變測量沒有對于硬度測量簡單，使用塑性應變驗證模型合理性沒有使用硬度驗 證簡單，準確性較差，且沒有建立塑性應變與硬度之間的數值關系。
【發明內容】
[0003] 本發明為了克服現有技術的缺陷，考慮微銑削加工尺度效應，進行微銑削加工的 有限元三維仿真，使用有限元技術及硬化、應變和硬度之間的理論關系，建立微銑削鎳基高 溫合金預測加工硬化的模型。預測方法首先運用有限元仿真技術，對工件和刀具進行三維 宏觀建模，考慮材料的彈塑性本構關系，建立鎳基高溫合金模型、刀具工件摩擦模型、金屬 切肩分離模型，從而得到不同切削參數下鎳基高溫合金微銑削加工過程有限元仿真。然后， 根據鎳基高溫合金的硬化曲線和維氏硬度測試原理，建立流動應力與維氏硬度的關系模 型。在有限元仿真輸出應變的基礎上，聯系應變與硬度的關系，實現鎳基高溫合金微銑削加 工表面的硬度預測。采用預測方法硬度驗證簡單，準確性較好。
[0004] 本發明采用的技術方案是一種微銑削鎳基高溫合金加工硬化的預測方法，采用有 限元仿真技術，其特征是，預測方法通過對工件和刀具進行三維宏觀建模，考慮材料彈塑性 本構關系，建立鎳基高溫合金模型、刀具工件摩擦類型、金屬切削分離模型，輸出有限元仿 真不同切削參數下應變值，再通過聯系應變與硬度的關系，得到不同切削參數下硬度預測 值，預測加工硬化情況；預測方法的具體步驟如下：
[0005] 步驟1 :建立微銑刀模型，通過掃描電鏡將試驗用微銑刀拍攝成圖片，使用軟件將 圖片繪制成微銑刀實體模型，導入ABAQUS中；
[0006] 步驟2 :考慮銑刀尺寸及切削參數等條件，選取合適尺寸建立被加工工件三維模 型；
[0007] 步驟3 :對微銑刀和工件進行網格劃分，設置微銑刀和工件剛體類型，選擇網格劃 分方式及單元類型；
[0008] 步驟4 :材料性能參數設置，將刀具視為剛體，工件材料類型定義為彈塑性，采用 J-C模型模擬真實切削材料內流動應力與應變的本質方程，以J-C模型的切肩分離準則作 為判據模擬切削碎片形成過程；
[0009] 其中，所述的材料的本構模型為：
[0011] 式中，σγ為流動應力，A為參考溫度和參考應變速率下的屈服強度，B為應變強化 系數，，為等效塑性應變，η為應變硬化指數，C為應變速率硬化系數，f為等效塑性應變 率，島為參考應變率，m為加熱軟化指數，f為無量綱的值，與溫度有關；
[0012] 采用的分離準則為J-C斷裂失效準則，其失效模型是基于單元積分點上的等效塑 性應變，其失效系數ω定義如下：
[0014] 式中，為等效塑性應變增量，盡為發生斷裂時的應變值，
[0016] 式中，山~d5為在低于參考溫度下測得的失效常數，p/q為壓偏應力比，ρ為壓應 力，q為Von-Mises應力，當失效參數ω大于1時，單元積分點達到了失效標準，單元所有 應力均被設置為〇,單元從網格中刪除，也就是工件材料發生斷裂，開始形成切削肩片；
[0017] 步驟5 :導入刀具和工件模型，進行裝配；調整微銑刀和工件的相對位置，確定切 削深度及進給距離；
[0018] 步驟6 :定義分析步和輸出步，使用ABAQUS/Explicit進行顯式狀態分析，依次插 入加工分析步、退刀分析步、轉換約束分析步，分別設置分析步時間及增量步類型，輸出變 量設為等效塑性應變；
[0019] 步驟7 :定義表面和接觸性質，在接觸模塊設置刀具約束類型，接觸類型選擇罰模 型，將摩擦系數設置為〇. 4,然后定義刀具集合和參考點集合；
[0020] 步驟8 :定義邊界條件，首先定義刀具速度變化幅度曲線，然后在參考點集合上設 置刀具進給速度和主軸轉速，定義工件底面和側面節點集合，嚴格約束工件自由度，在各分 析步中分別設置約束條件；
[0021] 步驟9:創建任務并遞交運算，分別提交不同切削參數組合的微銑削鎳基高溫合 金仿真模型，從而得到不同切削參數組合下材料塑性應變；
[0022] 步驟10 :仿真結束后，在加工槽底面上隨機選擇若干個點，求均值后表征表面的 等效塑性應變；
[0023] 步驟11:采用Hollomon公式得到應力-應變關系，將仿真所得等效塑性應變代入 公式得微銑削鎳基高溫合金槽底面應力值，Hollomon公式如下：
[0024]σ=Κεn (4)
[0025] 式中，σ為塑性真應力，ε是塑性真應變，K是強度系數，η是應變強化指數；〇 = Κ ε η σ = Κ ε η
[0026] 步驟12 :采用壓痕試驗所得判別式△判斷材料彈塑性變形，判別式如下：
[0028] 式中，Ε為楊氏模量，ν是泊松比，〇Y是流動應力，β是壓痕試驗中硬度計壓 頭與未變形表面形成的夾角；當A<3時，材料發生微小塑性變形，須進行彈性分析；當 △ <30時，塑性變形擴展；當△ >30時，對于大多數金屬或合金彈性不再對硬度有 任何影響，硬度值和流動應力值成嚴格正比，由此可得：
[0029] H = C σ e (6)
[0030] 式中，Η為硬度值，C為常數，由硬度計壓頭的幾何形狀決定，在計算中取2.4; 為應力和，在使用硬度計測量時，σε=σrapr+oras，為硬度計壓頭引起的應力，σ為 原有的應力；
[0031] 步驟13:由公式（4)和公式（6)及Inconel718應力-應變曲線推導應變與硬度 關系，得硬度值計算公式如下所示，
[0032]H = C〇e= C(〇repr+σres)= CK(εrepr+εres) (7)
[0033] 式中，為壓頭引入的殘余應變，其值由壓痕試驗獲取為〇.〇8,ε為原有殘 余應變；
[0034] 步驟14:代入仿真所得槽底塑性應變值及相關系數，即得微銑削鎳基高溫合金槽 底硬度值。通過建立有限元仿真模型和應力硬度關系模型，實現鎳基高溫合金微銑削加工 硬化預測。
[0035] 本發明的有益效果是首先解決了對于精密加工的微溝道等微小結構零件，由于其 溝道或槽底尺寸為微米級，硬度計壓頭無法壓入進行測量的問題。以及對一些工件側壁無 法使用硬度計直接測量的問題。而且在使用硬度計測量時，產生壓痕長及深度均為微米級， 與微銑加工尺寸在同一數量級，對微小結構/零件已加工表面破壞不能忽略。同時，通過建 立加工硬化預測模型對不同切削參數下加工硬度值進行預測，可以為選擇合理的切削參數 組合提供參考。用建立模型的方式數值化預測加工硬化，與試驗和測量硬度相比可節省人 力，減少成本。
【附圖說明】
[0036] 圖1為冷拔態時鎳基高溫合金應力-應變曲線圖，其中，橫坐標為應變，無量綱，縱 坐標為應力，單位為Mpa。
[0037]圖2為硬度應力變化與基于壓痕試驗的判別式之間的關系，其中，橫坐標為判別 式Λ對數值，縱坐標為硬度與流動應力比值，I-彈性變形階段，II-塑性擴展階段，ΠΙ-塑 性變形階段。
【具體實施方式】
[0038] 下面結合技術方案和附圖詳細說明本發明的具體實施，使用有限元計算軟件 ABAQUS，對微銑削鎳基高溫合金加工過程進行三維有限元仿真，預測槽底塑性應變，然后根 據理論推導應變與硬度關系，由仿真所得塑性應變獲得加工后硬度值，建立微銑削鎳基高 溫合金預測加工硬化情況模型，具體操作步驟如下：