[发明专利]一种硬切削工件表面白层厚度的热力耦合预测方法

说明书

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，涉及一种硬切削工件表面白层厚度的预测方法。

背景技术

近年来，随着各种先进制造方法的迅速发展，硬切削加工技术得到了越来越广泛的应用。表面完整性特别是在已加工表面形成的材料变质层是硬切削技术领域最关心的问题之一。由于在光学显微镜下表面变质层经常呈现白色，通常称之为“白层”。白层的微观组织及其厚度对工件内部残余应力分布、摩擦性能、抗疲劳能力、使用寿命等具有重要的影响。对白层厚度进行准确的定量预测，可以在很少的切削实验甚至没有切削实验的情况下，选取最佳的切削参数组合，获得最佳表面质量，大大节省制造成本。

迄今为止，硬切削表面白层厚度的预测方法主要有：基于实验数据回归分析方法建立多项式预测模型、人工智能方法、基于有限元分析方法建立预测模型等。回归分析与人工智能方法需要大量的实验数据作为输入参数，而且只能适用于所做实验使用的切削用量范围，在高速切削情况下，因白层形成机理的改变会造成很大的预测误差。基于有限元分析的预测模型，尽管从预测方法上具备了一定的合理性，但是如果用硬度作为临界条件，在不同形成机理的影响下，白层的临界硬度也不相同，因此，硬度判据不能体现白层的内在形成机理，而且无法实现热--力影响因素的耦合。如果用温度作为临界条件，随着切削速度提高，钢中的合金元素以及材料变形过程中较大的应力和应变以及刀具磨损加剧引起的剧烈温升等热力学耦合因素都会对临界相变温度产生显著影响，这种情况下，使用名义临界相变温度不能准确地预测出白层厚度。由此可见，目前这些预测模型的普适性较差，不能实现切削过程中不同切削条件下白层厚度的高精度预测。因此，必须首先确定多因素耦合影响下的临界相变温度，然后建立干硬切削表面相变白层厚度的热-力耦合预测模型，该模型应该既能准确预测出相变白层的厚度，又能在耦合了热力学影响因素的情况下，揭示白层形成的内在机制。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于相变机理的白层厚度的预测模型，该模型能够在考虑了热-力耦合因素的情况下更为准确地预测出硬切削工件表面相变白层的厚度。

本发明技术方案流程如图1所示，其主要思想是通过对硬切削过程进行有限元建模与模拟，从而得到切削过程中已加工表面的应力、应变能与温度的分布，根据本发明推导出的多因素耦合影响下的临界相变温度计算公式并结合有限元模拟切削过程得到的应力、应变能数据得到实际临界相变温度分布曲线，求出临界相变温度曲线与已加工表面温度场分布曲线的交点，交点之上的材料将发生相变，形成白层，交点之下材料未发生相关，无白层形成，因此，此交点距离已加工表面的深度即为白层厚度，其具体步骤如下：

步骤一：对硬切削过程进行有限元建模及模拟；

①建立硬切削过程的有限元模型：选取网格划分方式、材料的本构模型、摩擦模型以及边界条件。

②对硬切削过程进行有限元模拟。

步骤二：从有限元后处理器的分析结果中提取已加工表面的应力、应变能数据，计算应力、应变以及合金元素耦合影响下的临界奥氏体相变温度；

①计算合金元素影响后的相变温度：由铁碳相图可知，未变形状态下，铁素体的奥氏体相变温度为727℃，受添加的合金元素的影响，材料的相变温度会发生改变。对于碳钢和合金钢，未加工状态下，奥氏体临界相变温度T₀按公式(1)计算：

T₀＝727-10.7Mn-16.9Ni+29Si+16.9Cr+290As+6.38W      (1)式中的字母代表相应合金元素的百分含量。

②计算受应力、应变耦合影响后的临界奥氏体相变温度：根据相平衡热力学，温度、压力、应变等因素对相平衡状态有决定性的影响，在不同的压力和变形条件下，材料发生相变的临界温度是不同的。切削过程是一个涉及高温、高压、大应变的过程，必须考虑应力、应变对相变温度的影响。

假设在温度T及压力P条件下，纯物质以α相和β相平衡共存，则该物质在两相中的化学势相等，即：