CN105784960B - 钢件和该钢件的车削残余应力分布的实验研究方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢件和所述钢件的车削残余应力分布的实验研究方法。所述钢件包括:夹持段,所述夹持段为圆柱状;车削段,所述车削段为圆柱状,所述车削段的直径大于所述夹持段的直径;和过渡段,所述过渡段为圆台状,所述过渡段的第一端与所述夹持段相连,所述过渡段的第二端与所述车削段相连,其中所述夹持段的高、所述车削段的高和所述过渡段的高之和为所述钢件的高,所述钢件的高与所述夹持段的直径的比值大于等于1:1且小于等于3:1。根据本发明实施例的钢件具有装夹应力小等优点,从而可以精确地测量钢件的车削段的车削残余应力分布。
Description
技术领域
本发明涉及机械领域,具体而言,涉及钢件,还涉及所述钢件的车削残余应力分布的实验研究方法。
背景技术
工件表层的残余应力对工件的静强度、耐腐蚀性、疲劳强度以及尺寸稳定性等都有非常重要的影响,特别是对于在恶劣工作环境下服役的机械零部件,表面残余应力对其服役性能影响尤为显著。
发明内容
本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的:影响车削残余应力的数值和分布的因素很多,目前相关研究仅仅关注不同车削参数(如车削速度、车削深度、进给量等)和不同刀具参数(如刀具前角、刀具后角、车削刃形状和参数、刀尖圆角半径等)对车削残余应力分布的影响,因为这些车削参数是生产实践中可以直接控制的。但是除了上述这些参数的影响外,工件毛坯材料中因为热处理工艺和前面的冷加工工序而产生的残余应力(即初始残余应力)和装夹过程引入的装夹应力,会与加工过程中的车削应力场和温度场耦合,影响最终的车削残余应力分布。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此,本发明提出一种具有装夹应力小的优点的钢件。
本发明还提出一种所述钢件的车削残余应力分布的实验研究方法,所述实验研究方法具有工件无初始残余应力、工件装夹应力小、切削参数均匀稳定的优点,从而保证切削残余应力研究的可靠性。
根据本发明第一方面实施例的钢件包括:夹持段,所述夹持段为圆柱状;车削段,所述车削段为圆柱状,所述车削段的直径大于所述夹持段的直径;和过渡段,所述过渡段为圆台状,所述过渡段的第一端与所述夹持段相连,所述过渡段的第二端与所述车削段相连,其中所述夹持段的高、所述车削段的高和所述过渡段的高之和为所述钢件的高,所述钢件的高与所述夹持段的直径的比值大于等于1:1且小于等于3:1。
根据本发明实施例的钢件具有装夹应力小的优点。
另外,根据本发明上述实施例的钢件还可以具有如下附加的技术特征:
根据本发明的一个实施例,所述钢件的高与所述夹持段的直径的比值大于等于1:1且小于等于1.75:1,优选地,所述钢件的高与所述夹持段的直径的比值为1.35:1。
根据本发明的一个实施例,所述车削段的远离所述过渡段的第一端面上设有凹槽,所述凹槽的横截面为圆形,所述车削段的位于所述凹槽的壁面与所述车削段的周面之间的部分为被车削部。
根据本发明的一个实施例,所述凹槽的边沿位于所述夹持段的外侧。
根据本发明第二方面实施例的钢件的车削残余应力分布的实验研究方法,所述钢件为根据本发明第一方面所述的钢件,所述实验研究方法包括以下步骤:A)利用去应力退火工艺对所述钢件进行热处理;B)利用卡盘夹持所述夹持段以便装夹所述钢件,利用第一刀具对所述车削段的远离所述过渡段的第一端面进行修平;C)利用第二刀具对修平后的所述第一端面进行车削;和D)测量车削后的所述第一端面的残余应力。
通过利用本发明实施例的钢件的车削残余应力分布的实验研究方法,从而可以消除钢件的初始残余应力和跳动度误差,由此可以更加精确地测量钢件的车削段的车削残余应力分布。因此,根据本发明实施例的钢件的车削残余应力分布的实验研究方法具有工件无初始残余应力、工件装夹应力小、切削参数均匀稳定的优点。
根据本发明的一个实施例,在所述步骤B)中,装夹所述钢件后,打表测量所述第一端面的跳动度,如果所述跳动度大于等于20微米,重新装夹所述钢件直至所述跳动度小于20微米。
根据本发明的一个实施例,所述第一刀具的车削刃的钝圆半径大于等于4微米且小于等于10微米,所述第一刀具的刀尖圆角小于等于100微米,所述第一刀具的车削深度小于等于10微米,所述第一刀具的每转进给量小于等于10微米。
根据本发明的一个实施例,所述第一刀具的车削刃的钝圆半径大于等于4微米且小于等于5微米,所述第一刀具的刀尖圆角为45微米,所述第一刀具的车削深度为5微米,所述第一刀具的每转进给量为5微米。
根据本发明的一个实施例,在所述步骤B)中,所述第一刀具的车削线速度保持恒定。
根据本发明的一个实施例,所述第二刀具的车削深度小于等于2毫米,在进行所述车削的过程中,所述第二刀具的车削线速度保持恒定。
附图说明
图1是根据本发明实施例的钢件的结构示意图;
图2a-图2c是根据本发明实施例的钢件的装夹应力的仿真图;
图3是根据本发明实施例的钢件的车削残余应力分布的实验研究方法的流程图。
附图标记:
钢件10、
夹持段101、车削段102、第一端面1021、凹槽1022、被车削部1023、过渡段103、
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述根据本发明实施例的钢件10。如图1所示,根据本发明实施例的钢件10包括夹持段101、车削段102和过渡段103。
夹持段101为圆柱状,车削段102为圆柱状,车削段102的直径大于夹持段101的直径。过渡段103为圆台状,过渡段103的第一端与夹持段101相连,过渡段103的第二端与车削段102相连。换言之,过渡段103的直径从过渡段103的第一端向过渡段103的第二端增大。
其中,夹持段101的高、车削段102的高和过渡段103的高之和为钢件10的高,钢件10的高与夹持段101的直径的比值大于等于1:1且小于等于3:1。也就是说,钢件10的长度与夹持段101的直径的比值大于等于1:1且小于等于3:1。
现有的钢件均为圆柱形的钢件。如果钢件的高度(即钢件的长度)与钢件的直径的比值比较大(例如,钢件的高度与钢件的直径的比值大于5:1,甚至大于10:1),考虑圣维南原理,由卡盘装夹而加载到钢件上的装夹载荷(装夹应力)并不会影响到远离装夹区域的车削位置,即装夹应力不会对钢件的车削残余应力分布产生影响。
但是,对于高度与直径之比较小的钢件来说,装夹应力会对钢件的车削残余应力分布产生较大的影响。具体地,如果钢件的高度与钢件的直径的比值大于等于1:1且小于等于3:1,则装夹应力会对钢件的车削残余应力分布产生较大的影响。
根据本发明实施例的钢件10通过设置圆台状的过渡段103且过渡段103的直径从夹持段101向车削段102的方向增大,从而可以将装夹应力限制在夹持段101和过渡段103,以便避免装夹应力对车削段102的车削残余应力分布产生影响,尤其是避免装夹应力对车削段102的车削区域(即被车削部1023)的车削残余应力分布产生影响。
如图2a-图2c所示,装夹载荷为500Mpa。根据本发明实施例的钢件10的车削段102的被车削部1023的装夹应力在2Mpa-5Mpa的范围内。考虑到车削残余应力的量级为102Mpa,该车削区域的装夹应力小于等于10Mpa即可满足要求。
因此,根据本发明实施例的钢件10具有装夹应力小等优点,从而可以精确地测量钢件10的车削段102的车削残余应力分布。
如图1所示,根据本发明的一些实施例的钢件10包括夹持段101、车削段102和过渡段103。
夹持段101为圆柱状,车削段102为圆柱状,车削段102的直径大于夹持段101的直径。过渡段103为圆台状,过渡段103的第一端与夹持段101相连,过渡段103的第二端与车削段102相连。具体地,车削段102的远离过渡段103的第一端面1021(即车削段102的自由端面)为被车削面。
夹持段101的高、车削段102的高和过渡段103的高之和为钢件10的高,钢件10的高与夹持段101的直径的比值大于等于1:1且小于等于3:1。
优选地,钢件10的高与夹持段101的直径的比值大于等于1:1且小于等于1.75:1。更加优选地,钢件10的高与夹持段101的直径的比值为1.35:1。由此可以更加显著地消除装夹应力对车削段102的被车削部1023的车削残余应力分布的影响。
如图1所示,在本发明的一个实施例中,车削段102的远离过渡段103的第一端面1021上设有凹槽1022,车削段102的位于凹槽1022的壁面与车削段102的周面之间的部分为被车削部1023。换言之,通过去除车削段102的第一端部(即具有第一端面1021的端部)的一部分形成凹槽1022,车削段102的第一端部的剩余部分构成被车削部1023。
通过在车削段102的远离过渡段103的第一端面1021上设置凹槽1022,从而可以更加方便地、容易地对车削段102进行车削。有利地,凹槽1022的横截面为圆形。也就是说,凹槽1022为圆形凹槽。
有利地,凹槽1022的边沿位于夹持段101的外侧。也就是说,凹槽1022的直径大于夹持段101的直径。由此可以使被车削部1023位于夹持段101的外侧,从而可以进一步消除装夹应力对车削段102的被车削部1023的车削残余应力分布的影响。在本发明的一个具体示例中,第一端面1021的直径与凹槽1022的直径之比大于等于1.1:1且小于等于1.8:1。换言之,车削段102的直径与凹槽1022的直径之比大于等于1.1:1且小于等于1.8:1。由此可以使钢件10的结构更加合理。
优选地,第一端面1021的直径与凹槽1022的直径之比大于等于1.3:1且小于等于1.6:1。更加优选地,第一端面1021的直径与凹槽1022的直径之比为1.5:1。
具体而言,在第一个例子中,钢件10的高为35毫米,夹持段101的直径为20毫米且长度为18毫米,车削段102的直径为38毫米且长度为7毫米,过渡段103的长度为10毫米,凹槽1022的直径为22毫米且深度为3毫米,卡盘装夹长度为15毫米。适用于端面车削残余应力深度分布实验研究。
在第二个例子中,钢件10的高为35毫米,夹持段101的直径为26毫米且长度为18毫米,车削段102的直径为34毫米且长度为7毫米,过渡段103的长度为10毫米,凹槽1022的直径为30毫米且深度为1.5毫米,卡盘装夹长度为15毫米。适用于直角车削表面残余应力实验研究。
在第三个例子中,钢件10的高为70毫米,夹持段101的直径为70毫米且长度为33.5毫米,车削段102的直径为90毫米且长度为15毫米,凹槽1022的直径为70毫米且深度为8毫米,卡盘装夹长度为20毫米。适用于较大切削深度的端面车削残余应力深度分布实验研究
本发明还提供了一种钢件10的车削残余应力分布的实验研究方法。如图3所示,根据本发明实施例的钢件10的车削残余应力分布的实验研究方法包括以下步骤:
A)利用去应力退火工艺对钢件10进行热处理;
B)利用卡盘夹持夹持段101以便装夹钢件10,利用第一刀具对车削段102的远离过渡段103的第一端面1021进行修平;
C)利用第二刀具对修平后的第一端面1021进行车削;
D)测量车削后的第一端面1021的残余应力。
本发明实施例的钢件10的车削残余应力分布的实验研究方法通过利用去应力退火工艺对钢件10进行热处理,从而不仅可以消除因为前面的冷加工工序而产生的残余应力,而且在热处理过程中不会引入新的应力。由此可以消除钢件10的初始残余应力。
具体地,可以根据GB/T 16923-2008标准实施所述步骤A)。可以使用X射线衍射法测试车削段102的第一端面1021的表面应力,X射线衍射残余应力测试方法可以参考GB/T7704-2008。对钢件10进行热处理后,采用X-350A型X射线应力测定仪进行测试,使用侧倾固定Ψ法测试,Ψ角选为0°、25°、35°和45°,靶材为CrKα,X光管高压20.0kV,X光管电流5.0mA,衍射晶面(211),应力常数-318Mpa/度,2θ扫描范围为[151°,162°]。车削段102的第一端面1021的表面径向应力为(-9.6±2)Mpa,周向应力为(-4.7±5)Mpa,远小于车削残余应力数值,满足研究的需要。
由于钢件10经过热处理再次装夹后,车削段102的第一端面1021存在几微米至几十微米的跳动度误差,这会造成车削时第一端面1021的不同位置处的实际车削深度不均匀,进而干扰实验结果。
本发明实施例的钢件10的车削残余应力分布的实验研究方法通过在车削前对车削段102的第一端面1021进行修平,从而可以消除因再次装夹钢件10带来的跳动度误差,由此可以更加精确地测量钢件10的车削段102的车削残余应力分布。
因此,通过利用本发明实施例的钢件10的车削残余应力分布的实验研究方法,从而可以消除钢件10的初始残余应力和跳动度误差,由此可以更加精确地测量钢件10的车削段102的车削残余应力分布。
因此,本发明实施例的钢件10的车削残余应力分布的实验研究方法具有工件无初始残余应力、工件装夹应力小、切削参数均匀稳定等优点。
为了减小因再次装夹钢件10带来的跳动度误差,在步骤B)中,装夹钢件10后,打表测量车削段102的第一端面1021的跳动度,如果车削段102的第一端面1021的跳动度大于等于20微米,重新装夹钢件10直至车削段102的第一端面1021的跳动度小于20微米。
在本发明的一个示例中,该第一刀具的车削刃的钝圆半径大于等4微米且小于等于6微米,该第一刀具的刀尖圆角小于等于100微米,该第一刀具的车削深度小于等于10微米,该第一刀具的每转进给量小于等于10微米。
有利地,该第一刀具的车削刃的钝圆半径大于等于4微米且小于等于5微米。
具体而言,修平工序(即所述步骤B)所采用的该第一刀具以及该第一刀具的车削参数的选择原则是使该工序引入尽可能小的加工残余应力。因此,该第一刀具可以是具有很小车削刃钝圆半径(尖刀)、较小刀尖圆角(不超过100微米)的刀具,采用较小的车削深度(不超过10微米)和较小的每转进给量(不超过10微米)。在利用该第一刀具修平车削段102的第一端面1021时,开启车削液,通过反复多次车削直至修平第一端面1021。修平表面后可以按照正常车削操作进行车削实验(实验过程中不要松开/再次夹紧工件,以免出现新的重复定位误差)。
有利地,将钢件10装夹在车床的三爪卡盘上,打表测试第一端面1021的跳动度,如该跳动度过大,则需要重新装夹钢件10。经过调整,将钢件10的跳动度的误差控制在20微米以下后,采用尖刀、小切深车削的方法修平表面。例如,选用CDCB04T0005车削刀片(实测车削刃钝圆半径为5微米、刀尖圆角为45微米),车削速度100m/min(采用恒线速度方式,车削过程中主轴转速约为837-1447rpm),每转进给量为5微米,车削深度为5微米,经过四次走刀将第一端面1021修平。其中,该第一刀具的车削线速度保持恒定。
在本发明的一个实施例中,该第二刀具的车削深度小于等于2毫米,在进行车削的过程中,该第二刀具的车削线速度保持恒定。
在所述步骤D)中,可以利用GB/T 7704-2008记载的方法测量车削后的第一端面1021的残余应力。其中,采用电解腐蚀方法去除测点位置处的部分的深度可以是15微米-30微米。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,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至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接或彼此可通讯;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,除非另有明确的限定。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发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种钢件,其特征在于,包括:
夹持段,所述夹持段为圆柱状;
车削段,所述车削段为圆柱状,所述车削段的直径大于所述夹持段的直径;和
过渡段,所述过渡段为圆台状,所述过渡段的第一端与所述夹持段相连,所述过渡段的第二端与所述车削段相连,其中所述夹持段的高、所述车削段的高和所述过渡段的高之和为所述钢件的高,所述钢件的高与所述夹持段的直径的比值大于等于1:1且小于等于3:1。
2.根据权利要求1所述的钢件,其特征在于,所述钢件的高与所述夹持段的直径的比值大于等于1:1且小于等于1.75:1。
3.根据权利要求1所述的钢件,其特征在于,所述车削段的远离所述过渡段的第一端面上设有凹槽,所述凹槽的横截面为圆形,所述车削段的位于所述凹槽的壁面与所述车削段的周面之间的部分为被车削部。
4.根据权利要求3所述的钢件,其特征在于,所述凹槽的边沿位于所述夹持段的外侧。
5.一种钢件的车削残余应力分布的实验研究方法,其特征在于,所述钢件为根据权利要求1-4中任一项所述的钢件,所述实验研究方法包括以下步骤:
A)利用去应力退火工艺对所述钢件进行热处理;
B)利用卡盘夹持所述夹持段以便装夹所述钢件,利用第一刀具对所述车削段的远离所述过渡段的第一端面进行修平;
C)利用第二刀具对修平后的所述第一端面进行车削;和
D)测量车削后的所述第一端面的残余应力。
6.根据权利要求5所述的钢件的车削残余应力分布的实验研究方法,其特征在于,在所述步骤B)中,装夹所述钢件后,打表测量所述第一端面的跳动度,如果所述跳动度大于等于20微米,重新装夹所述钢件直至所述跳动度小于20微米。
7.根据权利要求5所述的钢件的车削残余应力分布的实验研究方法,其特征在于,所述第一刀具的车削刃的钝圆半径大于等于4微米且小于等于10微米,所述第一刀具的刀尖圆角小于等于100微米,所述第一刀具的车削深度小于等于10微米,所述第一刀具的每转进给量小于等于10微米。
8.根据权利要求7所述的钢件的车削残余应力分布的实验研究方法,其特征在于,所述第一刀具的车削刃的钝圆半径大于等于4微米且小于等于5微米,所述第一刀具的刀尖圆角为45微米,所述第一刀具的车削深度为5微米,所述第一刀具的每转进给量为5微米。
9.根据权利要求7所述的钢件的车削残余应力分布的实验研究方法,其特征在于,在所述步骤B)中,所述第一刀具的车削线速度保持恒定。
10.根据权利要求7所述的钢件的车削残余应力分布的实验研究方法,其特征在于,所述第二刀具的车削深度小于等于2毫米,在进行所述车削的过程中,所述第二刀具的车削线速度保持恒定。
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