CN105117547A - 微铣削镍基高温合金预测残余应力的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明微铣削镍基高温合金预测残余应力的仿真方法属于有限元仿真切削领域，涉及一种难加工材料镍基高温合金的切削加工中，残余应力预测分析的有限元仿真方法。仿真方法运用有限元仿真方法，考虑材料弹塑性本构关系，利用Johnson-Cook断裂失效准则判断失效，从而得到不同切削参数下残余应力预测值。通过扫描电镜将实验用微铣刀拍摄成图片，使用软件将图片绘制成微铣刀实体模型；建立三维被加工工件模型，对模型网格划分。该方法不仅可测量表面残余应力，还能测量深度方向残余应力，解决了测量中沿深度方向残余应力测量困难的问题。减少成本，节省人力。在预测模型中，切削参数可变，有效实现对于难加工材料表面残余应力的预测。

Description

微铣削镍基高温合金预测残余应力的仿真方法

技术领域

本发明属于有限元仿真切削领域，涉及一种难加工材料镍基高温合金的切削加工中，残余应力预测分析的有限元仿真方法。

背景技术

镍基高温合金由于在700℃时具有高的抗拉强度、疲劳强度、抗蠕变强度和断裂强度，在1000℃时具有高抗氧化性，在低温下具有稳定的化学性能，良好的焊接性能，被广泛应用于各种高要求的场合。如汽轮机、核电站、酸性环境、液体燃料火箭等。在这些应用中，镍基高温合金的耐疲劳强度、耐应力腐蚀和耐高温氧化等性能很大程度上取决于其加工件表面完整性中的残余应力。不同的加工方法会产生不同的残余应力，不利的残余应力会导致生产组件的严重性破坏。传统加工对残余应力的研究已经比较成熟，一般不考虑尺度效应、最小切削厚度等影响。微铣削技术是一种新兴的加工技术，可以加工极小的高精度零件，对于其加工表面残余应力的研究刚刚起步，研究对象还仅限于钢、铝合金这些硬度较低的普通材料。对于镍基高温合金这种典型难加工材料残余应力系统性研究亟待开展。对于切削加工表面残余应力的研究主要有实验法和有限元仿真方法。采用有限元方法模拟实际切削加工过程，得到加工表面以及表面下的材料内部应力、应变分布，省去了实验法加工测量这一步骤，减少成本，节省人力。目前使用有限元方法进行微切削残余应力的研究，主要使用二维有限元仿真，例如,德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的V.Schulze等人2010年发表的论文《Investigationofsurfacenearresidualstressstatesaftermicro-cuttingbyfiniteelementsimulation》中，使用有限元软件ABAQUS对AISI1045钢微切削进行二维仿真。因二维仿真无法真实反映实际加工的工况，仿真结果很难与实际切削加工相吻合，且将实际三维加工简化为二维加工时部分切削参数无法考虑。

发明内容

本发明为了克服现有技术的缺陷，考虑微铣削加工尺度效应，发明一种微铣削镍基高温合金预测表面残余应力的仿真方法。该方法运用有限元仿真技术，通过对工件和刀具进行三维宏观建模，考虑材料的弹塑性本构关系，使用Johnson-Cook本构模型，利用Johnson-Cook断裂失效准则判断工件材料发生断裂形成切削，从而得到不同切削参数下残余应力预测值，有效实现对于难加工材料表面残余应力的预测。

本发明采用的技术方案是一种微铣削镍基高温合金预测表面残余应力的仿真方法，其特征是，仿真方法运用有限元仿真方法，通过对工件和刀具进行三维宏观建模，考虑材料弹塑性本构关系，利用Johnson-Cook断裂失效准则判断失效，从而得到不同切削参数下残余应力预测值，方法的具体步骤如下：

步骤1：建立微铣刀模型，通过扫描电镜将实验用微铣刀拍摄成图片，使用软件将图片绘制成微铣刀实体模型，导入ABAQUS中，由于不考虑刀具变形，刀具设置为离散刚体；

步骤2：建立被加工工件三维模型，并设置为柔体部件；

步骤3：对模型网格划分，将刀具模型采用三角形、自由网格划分，将工件模型表层及中间切削区域网格加密，其余区域网格变疏。定义网格类型为8节点六面体；

步骤4：工件材料塑性行为采用Johnson-Cook本构模型模拟，碎片形成过程采用Johnson-Cook断裂失效模型模拟，以应变临界值作为最终失效判据，即材料单元达到设定的应力临界值时，该材料完全破坏，丧失承载能力，删除单元。

其中，所述的材料的本构模型为：

$\mathrm{\σ}=\[A+B{\left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}^p\right)}^n\]\[1+C\ln \left(\frac{{\stackrel{\·}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}}^p}{{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_0}\right)\](1-{\hat{T}}^m)---\left(1\right)$

式中，σ为Von-Mises的流动应力，A为参考温度和参考应变速率下的屈服强度，B为应变强化系数，为等效塑性应变，n为应变硬化指数，C为应变速率硬化系数，为等效塑性应变率，为参考应变率，m为加热软化指数，为无量纲的值，与温度有关。

使用的失效准则为Johnson-Cook断裂失效准则，其失效模型是基于单元积分点上的等效塑性应变，其失效参数ω定义如下：

$\mathrm{\ω}=\mathrm{\Σ}\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}^p}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_f^p}\right)---\left(2\right)$

式中，为等效塑性应变增量，为发生断裂时的应变值，

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_f^p=\[d_1+d_2\exp \left(d_3\frac{p}{q}\right)\]\[1+d_4\ln \left(\frac{{\stackrel{\·}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}}^p}{{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_0}\right)\]\left(1+d_5\hat{T}\right)---\left(3\right)$

式中，d₁～d₅为在低于参考温度下测得的失效常数，p/q为压偏应力比，p为压应力，q为Von-Mises应力，当失效参数ω大于1时，单元积分点达到了失效标准，单元所有应力均被设置为0，单元从网格中删除，也就是工件材料发生断裂，开始形成切削屑片。

步骤5：分别导入工件和刀具模型，进行装配；调整铣刀与工件的相对位置，确定切削深度及进给距离；

步骤6：定义分析步和输出，使用ABAQUS/Explicit进行显式动态分析，依次插入微铣削加工分析步、退刀分析步、约束转换分析步，场变量输出应力，以便最终读取残余应力；

步骤7：定义表面和接触性质，对工件切削面和刀具表面定义，设置摩擦系数为0.4，仅在加工分析步中定义此接触对，然后定义刀具集合和参考点集合，并创建刚体约束。

步骤8：定义边界条件，首先定义刀具速度变化幅度曲线，然后在参考点集合上设置刀具进给速度和主轴转速，定义工件底面和侧面节点集合，严格约束工件自由度；定义工件底面3个节点集合，在满足工件自由变形下约束其自由度。

步骤9：创建任务并递交运算，分别提交不同切削参数组合的微铣削镍基高温合金的仿真结果，从而预测不同切削参数组合下表面残余应力分布。

本发明的有益效果是通过仿真的方法对典型难加工材料微铣削残余应力进行预测，建立了预测模型，不仅可以测量表面残余应力，还可以测量深度方向残余应力，省去了实验加工中测量的步骤，减少成本，节省人力。解决了测量中沿深度方向残余应力测量困难的问题。在预测模型中，切削参数可变，有利于预测多种切削参数组合下残余应力，有效实现对于难加工材料表面残余应力的预测。

附图说明

图1为扫描电镜拍摄的微铣刀图片；

图2为微铣削仿真过程中铣削加工阶段示意图，其中，1-微铣刀，2-工件。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施，使用有限元计算软件ABAQUS，对微铣削镍基高温合金加工过程进行三维有限元仿真，预测表面残余应力分布和大小，具体仿真步骤如下：

(1)三维有限元仿真中，刀具模型用日本NS公司生产的微铣刀MX230，刀具直径D＝1mm，刃口圆弧半径0.002mm，螺旋角β＝30°，刃长L＝2mm。依据扫描电子显微镜拍摄微铣刀图片，如图1所示。通过AutoCAD软件绘制微铣刀旋转刃平面图。然后将CAD二维图导入Pro/E三维建模软件，以刀尖为起点，采用圆柱坐标系绘制一条螺旋线，其参数方程如下：

r＝D/2＝0.5

theta＝z·tanβ×360/π·D，t∈[0,1](4)

Z＝L×t＝2t；

其中，r为刀具半径，theta为螺旋线转动角度,Z为刀具高度，t为系统变量。

然后，通过变截面扫描命令，以二维图的中心轴、螺旋线为轨迹，生成铣刀螺旋曲面，之后修出后角、圆角，建立微铣刀的实体模型。另存step格式，导入ABAQUS软件中，将刀具转化为壳体，并设置为离散刚体，网格划分采用三角形、自由网格。

(2)模型中工件为1.5mm×1mm×0.5mm的长方体，并设置为柔体部件。对工件划分网格时，仅将表层及中间切削区域网格加密，其余区域网格变疏，这样可以减少单元总数，提高效率，缩短计算时间，网格单元类型选择8节点六面体线性减缩积分单元，创建了4160个网格单元。

(3)在Property模块创建镍基高温合金工件材料，定义材料参数时，镍基高温合金塑性行为采用Johnson-Cook本构模型模拟，输入密度8190Kg/m3，弹性模量210000Mpa，泊松比0.3。在模型参数选择板中，按照公式(1)依次填入A为700Mpa，B为1798Mpa，n为0.9143，C为0.0312，m为1.3。碎片形成过程采用Johnson-Cook断裂失效模型模拟。按照公式(3)依次输入镍基高温合金在低于参考温度下测得的失效常数d1～d5，分别为0.239、0.456、-0.3、0.07、2.5。因为在微铣削实验中，采用气冷的方式进行冷却，利用配微距镜头的热像仪，跟踪镍基高温合金微铣削过程的切削温度，在持续近30分钟的微铣削过程中，发现最高切削温度没有超过50℃，所以为简化模型，节省计算时间，可以忽略与切削热有关的参数。

(4)在Assembly模块中，调入工件和刀具模型。在模型中，通过调整铣刀和工件的相对位置确定切削深度和进给距离。

(5)在Step模块中，建立初始步后依次插入微铣削加工分析步、退刀分析步、约束转换分析步，过程类型选Dynamics，Explicit，场变量输出中勾选应力，以便读取残余应力值。

(6)定义刀具速度变化幅度曲线，然后在参考点集合上设置进给速度和主轴转速，在工件底面和侧面节点集合处严格约束工件自由度。在铣削加工分析步中，仿真加工过程如图2所示，用微铣刀1加工工件2，设置微铣刀转速n和进给速度V_f,沿进给方向铣削通槽，工件移动速度和旋转速度设置为0，工件被夹紧；在退刀分析步中，夹紧约束持续，进给速度仍为V_f，主轴转速设为0，快速退刀；在约束转换分析步中，工件夹紧状态停止，进给速度和主轴转速设为0，工件移动速度和旋转速度设置为0，符合实际拆卸夹具的过程。

(7)在Job模块中创建数据，检查任务，采用主轴转速60000r/min，切削深度为30μm，每齿进给量分别为0.5μm/z，0.7μm/z,0.9μm/z,1.1μm/z,1.3μm/z。

(8)数据检查无误后，递交任务，进行有限元分析。在仿真完成后，在切削中心区域随机选择若干个不同位置的点，得到垂直于进给方向和沿进给方向两个方向的残余应力，分别取其平均值，来预测实际加工中残余应力。

Claims (1)

1.一种微铣削镍基高温合金预测表面残余应力的仿真方法，其特征是，仿真方法运用有限元仿真方法，考虑材料弹塑性本构关系，利用Johnson-Cook断裂失效准则判断失效，得到不同切削参数下残余应力预测值，方法的具体步骤如下：

步骤1：建立微铣刀模型，通过扫描电镜将实验用微铣刀拍摄成图片，使用软件将图片绘制成微铣刀实体模型，导入ABAQUS中，由于不考虑刀具变形，刀具设置为离散刚体；

步骤2：建立三维被加工工件模型，并设置为柔体部件；

步骤3：对模型网格划分，将刀具模型采用三角形、自由网格划分，将工件模型表层及中间切削区域网格加密，其余区域网格变疏；定义网格类型为8节点六面体；

步骤4：工件材料塑性行为采用Johnson-Cook本构模型模拟，碎片形成过程采用Johnson-Cook断裂失效模型模拟，以应变临界值作为最终失效判据，即材料单元达到设定的应力临界值时，该材料完全破坏，丧失承载能力，删除单元；

所述的工件材料的本构模型为：

式中，σ为Von-Mises的流动应力，A为参考温度和参考应变速率下的屈服强度，B为应变强化系数，为等效塑性应变，n为应变硬化指数，C为应变速率硬化系数，为等效塑性应变率，为参考应变率，m为加热软化指数，为无量纲的值，与温度有关；

使用的失效准则为Johnson-Cook断裂失效准则，其失效模型是基于单元积分点上的等效塑性应变，其失效参数ω定义如下：

$\mathrm{\ω}=\mathrm{\Σ}\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}^p}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_f^p}\right)---\left(2\right)$

式中，为等效塑性应变增量，为发生断裂时的应变值，

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_f^p=\[d_1+d_2\exp \left(d_3\frac{p}{q}\right)\]\[1+d_4\ln \left(\frac{{\stackrel{\·}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}}^p}{{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_0}\right)\](1+d_5\hat{T})---\left(3\right)$

式中，d₁～d₅为在低于参考温度下测得的失效常数，p/q为压偏应力比，p为压应力，q为Von-Mises应力，当失效参数ω大于1时，单元积分点达到了失效标准，单元所有应力均被设置为0，单元从网格中删除，也就是工件材料发生断裂，开始形成切削屑片；

步骤5：分别导入工件和刀具模型，进行装配；调整铣刀与工件的相对位置，确定切削深度及进给距离；

步骤6：定义分析步和输出，使用ABAQUS/Explicit进行显式动态分析，依次插入微铣削加工分析步、退刀分析步、约束转换分析步，场变量输出应力，以便最终读取残余应力；

步骤7：定义表面和接触性质，对工件切削面和刀具表面定义，设置摩擦系数为0.4，仅在加工分析步中定义此接触对，然后定义刀具集合和参考点集合，并创建刚体约束；

步骤8：定义边界条件，首先定义刀具速度变化幅度曲线，然后在参考点集合上设置刀具进给速度和主轴转速，定义工件底面和侧面节点集合，严格约束工件自由度；定义工件底面3个节点集合，在满足工件自由变形下约束其自由度；

步骤9：创建任务并递交运算，分别提交不同切削参数组合的微铣削镍基高温合金的仿真结果，从而预测不同切削参数组合下表面残余应力分布。