42CrMo4钢切削表面残余应力研究.pdf

1、106 机械设计与制造 Machinery Design&Manufacture 第7期 2014年7月 42CrMo4钢切削表面残余应力研究 王栋，林强，赵晶晶，张银霞 (郑州大学机械工程学院，河南郑州450001) 摘要：42CrMo4钢是一种应用广泛的高强度合金钢，用于制造盾构机保险轴等。但盾构机保险轴常常出现因残余应力 引起提前疲劳失效的问题，影响其使用，因此对其材料42CrMo4钢进行了分析研究。利用工艺系统模拟软件DEFORM一 3D中的切削仿真模块建立42CrMo4钢的切削模型并进行仿真分析，通过在仿真过程中改变各切削参数后对其表面残余 应力的影响进行研究，得出切削三要素中对42

2、CrMo4钢表面残余应力影响最大的是切削速度，其次为进给量，影响最小 的为切削深度。为42CrMo4钢保险轴加工条件的选择提供理论依据。 关键词：42CrMo4；残余应力；DEFORM-3D；切削仿真 中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：10013997(2014)07010603 Research on Residual Stress of Steel 42CrMo4 Cutting Surface WANG Dong，LIN Qiang，ZHAO Jing-jing，ZHANG Yinxia (School of Mechanical Engineering，Zhengzhou

3、 University，Henan Zhengzhou 450001，China) Abstract：Steel 42CrMo4s a kind ofwidely used high-strength alloy steel，usd in the manufacture of shield machine fuse shaftBut shieldmachine e shaft often has earlyfatiguefailureproblems caused by residual stress，qffecttingthe淞e，then studies its material stee

4、l 42CrMo4Creating cutting model of steel 42CrMo4 les the cutting simulation module of process system simulation sojware DEFORM-3D and analyzs it，changing the cuttingparameters in the process ofthe simulation to studythe influence ofthe surface residual stress，arrivingata conclusionthat cuttingspeeda

5、ffecttingthe residual stress most， followed by，eed rate，the leastfor cutting depth，providing theoretical basisfor the choice ofprocessing conditionsfor steel 42CrMo4fuse shaft Key Words：42CrMo4；Residual Stress；DEFORM-3D；Cutting Simulation 1引言 金属切削加工是一个伴随高温、高热、高应变率的大塑性变 形过程。加工后的工件经过切削力和切削热综合作用，表层金属 发

6、生不同程度的塑性变形。在金属切削加工过程中通常会产生很 高的温度，若切削温度超过了金属的相变温度便会发生金相组织 转变【l1。不论是塑性变形还是相变，都会在表层产生残余应力。残 余应力的状态和分布很大程度上影响着零件的使用性能。 DEFORM一3D是一款基于有限元的工艺系统仿真软件，其 中包含了锻造、轧制和机加工等多种加工工艺，针对机加工过程 中金属的复杂成形过程，可以分析成形、热处理的工艺，对加工过 程中因工件材料、切削速度不同引起的被加工工件的切削温度、 内应力等因素进行分析，是正确选择刀具和切削用量以及进行材 料加工性分析的依据21。 42CrMo4钢由于具有良好的综合机械性能，已广泛应

7、用于 盾构机花键保险轴的制造中，起动力传递及过载保护作用131。但在 其使用过程中常出现因残余应力引起提前疲劳失效的情况，造成 巨大的经济损失。目前国内对材料42CrMo4及盾构机保险轴的 相关研究非常少41。基于DEFORM一3D V61切削仿真模块，在仿 真过程中通过改变切削用量来研究不同切削条件下的残余应力 分布。 2 DEFORM一3D切削仿真模型的建立 21刀具模型的建立 DEFORM一3D是一个在集成环境内综合对建模、成形、热传 导和成形设备特性进行模拟的有限元仿真分析软件，它主要包括 三个部分：预处理、仿真和后处理 。DEFORM一3D的切削加工模 块包括车削、铣削、钻削等多种加

8、工方式。本例选择车削 (Tuming)llT，其中刀具和工件均可在三维建模软件中建立并 导人，但其自带的刀具库已提供了丰富的刀具模型供用户选择。 刀具选择其中的DNMA432型，材料为硬质合金(wc)，默认为刚 体。刀具和工件的网格划分在车削仿真中至关重要，合理的网格 划分可以提高求解精度并降低运算量。网格大小的选取以保证精 度、尽量降低运算量为原则，同时需能准确反应零件各个细微特 征。DEFORM一3D具有强大的网格自动划分功能。所采用的单元 类型是经过特殊处理的四面体，容易实现网格的自动划分 。将刀 来稿日期：20131206 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项H(863IJ)(201

9、2AA041801)；河南省教育厅科学技术研究重点项目(14A460001) 作者简介：王栋，(1970-)，男，河南人，工学博士，教授，主要研究方向：抗疲劳制造技术 第7期 王栋等：42CrMo4钢切削表面残余应力研究 107 具划分为25000个相对网格，在刀尖处设定4：1的尺寸比例来细 化网格，即刀尖处的网格在刀具网格初划分的基础上再细化 25。 22工件模型的建立 DEFORM一3D车削仿真模块中工件有两种定义方式，例选 用曲线模型(Curved mode1)，并定义工件直径(D)为80mm，以相 对轴线3O。的切削区域表示；并设置其为弹塑性体，服从Von Mises屈服准则。材料在材

10、料库中选择对应于42CrMo4钢的 AISI4140。将工件划分为20000个相对网格。 23边界和接触条件 车削加工的边界条件比较简单，工件所有棱边都被固定，在 刀具上给定表面切削速度、进给量和背吃刀量，并设置环境温度、 传热系数、摩擦因数和热传导系数等其他参数值17。 接触条件用于控制刀具与工件之间的摩擦、热传导和主一从 关系等。DEFORM一3D车削仿真模块中默认刀具为主动件，工件 为从动件。环境温度设置为20。C、传热系数为002NsecmmC、摩 擦因数和热传导系数分别为06和45NsecmmC。 24模拟参数设置 DEFORM的模拟参数有多种设置方式，对于大多数模拟有 些参数是无需

11、改变的。本例模拟方式选择拉格朗日增量方式，模 拟类型选择变形及热传递方式，根据工件模型及网格数，设定模 拟总步数为2000步。时间步长通常选用默认值，其他参数选用默 认缺省值即可。设定模拟参数后，可生成模拟数据库。在 DEFORM环境下核对已设定参数并生成DB文件，即可生成切削 仿真模型，生成仿真模型，如图1所示。 图1切削仿真模型 Fig1 Cutting Simulation Model 3切削仿真结果后处理 31 DEF0RM一3D仿真结果后处理简介 在生成数据文件后，即可在DEFORM的模拟器中完成自动 运算。车削模拟的最终目的是为了生成后处理分析所需的有用信 息。DEFORM的后处理

12、器存储了包含切削力、应力及应变等所有 信息，涉及工件网格的每个节点，可根据需要导出所有数据71。 3-2切削速度不同时表面残余应力分布 因42CrMo4钢强度高、韧性好，应选用较低的车削速度。分 别选用60rrdmin、80mmin、100mmin、120mmin及140mmifi的车 削速度( )，进给量(厂)为02mmr，切削深度( )为05mm，其它条 件相同的情况下对其进行仿真研究。不同切削速度下的表面残余 应力分布情况，如图2所示。 _表面轴向残余应力一表面环向残余应力 60 切削速度(mrain) 图2不同切削速度下的表面残余应力分布 Fig2 The Surface Residu

13、al Stress Distribution Under Different Cutting Speed 由图2看出，随着切削速度的提高，工件表面轴向残余应力由 拉应力转变为压应力，并不断增大；表面环向残余应力随着切削速 度的增大也不断增大。车削过程中的残余应力主要由机械应力、热 应力和相变应力的综合作用引起。当切削速度提高时，由式(1)、式 (2)可知切削温度和切削热随之增加，此时由热应力引起的残余应 力起主导作用，已加工表面的残余应力随切削速度的提高而增大。 F vF nF Pm= = a 一 。 (1) 式中： ，厂每秒钟产生的切削热； 切削力；C 缺定于被加工 金属和切削条件的系数；

14、Y 背吃刀量、进给量和切 削速度的指数； 一当实际加工条件与所求得经验公式的 条件不符时各因素对切削力的修正系数的积。 保险轴在使用过程中出现的扭转疲劳断裂，主要由环向残 余应力引起。由图2可知，当切削速度大于814mmin时，表面轴 向残余应力变为压应力并且表面环向残余增大，残余压应力有利 于提高零件的疲劳强度。因此。在选择42CrMo4钢的加工工艺 时，切削速度应选择(814140)mmin为益。 33切削深度不同时表面残余应力分布 不同切削深度下的表面残余应力分布，如图3所示。图中： v-120rnmin；产_)2mmr。由图3可以看出，表面残余应力随切削 深度变化不明显。这是因为随着切

15、削深度的增加，切除的材料单 位面积增大使得产生热量增加；同时切削体积增大，产生的热量 绝大部分被切削带走，对已加工表面的温度变化影响不大，表面 残余应力的变化也不大。 +表面轴向残余应力-一表面环向残余应力 0 一一l0 三一20 一30 _40 切削深度(mm) 图3不同切削深度下的表面残余应力分布 Fig3 The Surface Residual Stress Distribution Under Different Cutting Depth 34进给量不同时表面残余应力分布 不同进给量下的表面残余应力分布，如图4所示。图中： 一 机械设计与制造 No7 July2014 120mmi

16、n；a；-O5mm。由图4看出，残余应力随进给量的影响并 不大。在 较小的情况下，表面环向残余应力和表面轴向残余应 力均增大。由于，越大，所产生的切削力和塑性变形越大，因此表 面环向残余应力和表面轴向残余应力也增 。 -一表面轴向残余应力一表面环向残余应力 4结论 图4不同进给量下的表面残余应力分布 Fi昏4 The Surface Residual Stress Distribution Under Different Feed Rate 切削残余应力是多种因素共同作用的结果，主要受热应力 和相变应力的综合作用。 分析时，应 以主要影响因素为主进行分析。(1)在所选参数范围内，随着切削速 度

17、、切削深度和进给量的增大，表面环向残余应力及表面轴向残余 应力均增大。(2)在所选参数范围内，对表面残余应力影响最大的是 切削速度，其次是进给量，对表面残余应力影响最小的是切削深度。 参考文献 1周泽华金属切削原理M3上海：上海科学技术出版社，1993：164-166 (Zhou ZehuaTheory ofmetal cuttingMShanghai：Shanghai Scientific andTechnicalPublishers，1993：164166) 2杨军，周利平，吴能章基于DEFORM一3D的钻削力仿真研究工具技 术，2007(4)：50-53 (Yang Jun，Zhou L

18、i-ping，Wu NengzhangSimulation of drilling force based0n softwareDeform-3DJToolEngineering，2007(4)：50-53) 3王潍42CrMo钢疲劳短裂纹演化行为及疲劳寿命预测的研究D济 南：山东大学，2008：11-12 (Wang WeiShort crack evolution and fatigue life prediction of 42CrMo steelDJinall：ShandongUniversity，2008：11-12) 4罗春虎盾构机保险轴的疲劳特性研究D郑州：郑州大学，2012：3

19、1 33 (Luo Chun-huStudy on the fatigue properties of Shield M：achine Fuse ShaftDZhengzhou：Zhengzhou University，2012：31-33) 5徐青山，郭旭红，万东东基于DEFORM3D的ADI切削力有限元仿真 J_机械设计与制造，2013(2)：3538 (Xu Qingshan。Guo Xu-hong，wan Dong-dongSimulation of ADI cuttingforce based on Deform 3DJMachinery DesignManufacture， 201

20、3(2)：3538) 6武文革，黄美霞基于DEFORM一3D的高速车削加工仿真J现代制 造工程。2O09(11)：9194 (Wu Wen-ge，Hang Mei-xiaFinite element simulation ofhilgh-speed tur ning using DEFORM一3DJModern Manufacturing Engineering，2009 (11)：9194) 7J周勇，傅蔡安基于DEFORM一3D的微型螺钉冷成形过程有限元分析 J机械设计与制造，20o8(3)：109111 (Zhou Yong，Fu CaianFinite elements analysi

21、s of mini-type bolt heading process ba sed on deform一3DJMachinery Design Manufacture，2008(3)：109111) (3)残余压应力有利于提高零件的疲劳强度，在选择42crMo4钢轴 类零件的)pTT艺时，切削速度应选择(814-140)mmin为益。 Patrik Dahlman，Fredrik Gunnberg，Michael JacobsonThe influence of rake ansle，cutting feed and cutting depth on residual stresses in

22、 hard turningJJournalofMaterialsProcessingTechnology，2OO4(147)：181 (上接第105页) (2)永磁体厚度相同时，Halbach较平行充磁可提供更高的 气隙磁密幅值；当永磁体厚度达到一定值时，平行充磁的气隙磁 密幅值不再增加，而Halbach所对应的气隙磁密却随其磁体厚度 的增加而增加； (3 平行充磁相比，Halbach可大大降低FMPMG运行时所 产生的铁耗，且在相同结构参数下，Halbach较平行充磁可提供 更高的输出转矩； (4)Halbach特有的单边效应，使其对轭铁的厚度要求不高， 可减小FMPMG总体结构尺寸和重量。

23、 参考文献 1MagnomaticsBrochurehttp-wwwmagnomaticscornabout-usDownloads aspx，2008 2 J KDavey，MWerst，and GWedekingMagnetic gears an essential enabler f0r the next generations electromechanical drivesJIEEE，2008 Electric Machines Technolog Y Symposium，Independence Seapo Museum，Philadelphia，USA，2008，12(13)：1

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