[发明专利]一种基于热力耦合模型的工件表面残余应力调控方法

权利要求书

1.一种基于热力耦合模型的工件表面残余应力调控方法，其特征在于，按下述步骤进行：

a.进行切削实验，测量每组切削参数条件下，对应得到的工件表面残余应力σ_i；所述的切削参数包括切削深度a_p、切削速度V和进给量f；

b.基于Oxley预测模型和J-C本构模型构建直角切削力预测模型；

c.基于剪切区和犁削区温度叠加形成的热应力，构建工件温度预测模型；

d.基于直角切削力预测模型和工件温度预测模型构建基于热力耦合的工件表面残余应力的经验模型，并选取期望函数来描述各参数的影响，得到的经验模型的方程如下：

式中，σ_surface为预测的工件表面残余应力；

A₁为步骤a切削实验的实验数据确定的比例系数；

m₁、n₁、q₁为步骤a切削实验的实验数据确定的指数系数；

T为切削过程中的工件表面温升；F_C为切削力在切削方向上的分力；a_p是切削深度；f是进给量；F_T为切削力在进给方向上的分力；V为切削速度；

e.以观测的表面残余应力σ_i和预测得到的残余应力σ_surface的差值的绝对值之和为适应度函数，使用遗传算法进行优化，得到比例系数和指数系数；建立的优化模型如下：

式中，fGA为适应度函数，σ_i为测量得到的工件表面残余应力，k为切削实验次数；

步骤b中，所述的直角切削力预测模型的构建如下：

b1.基于Oxley预测模型迭代计算出剪切角Φ；当刀具-切屑界面的应力和切屑中的流动应力最接近时，迭代计算结束，此时剪切角Φ确定；

b2.按照下述公式计算切屑厚度t₂和其他切削力分量：

t₂＝t₁cos(φ-α)/sinφ

F_c＝R cos(λ-α)

F_t＝R sin(λ-α)

F＝R sinλ

N＝R cosλ

式中：t₂为切屑厚度，F_c为切屑形成力在切削方向上的分力，F_t为切屑形成力垂直于已加工表面的分力，F为摩擦力，N为刀具前刀面正压力，R为切屑形成力，t₁为未变形切屑厚度，Φ为剪切角，α为刀具前角，λ为摩擦角，F_s为剪切面AB的正压力，θ为切屑形成力R与剪切面AB的夹角，K_AB为剪切面AB上的剪切流动应力，w为切削宽度；

b3.对剪切面AB进行分析，具体如下：

按照下述公式计算切屑速度V_c，剪切面AB的流动速度V_s，剪切面AB的等效应变率和等效应变ε_AB：

式中：Φ为剪切角，α为刀具前角，V为切削速度，△s₁为第一变形区厚度；

采用J-C本构模型计算剪切面AB上的剪切流动应力K_AB：

式中：ε_AB为剪切面AB的有效塑性应变,为剪切面AB的有效塑性应变率，为参考应变率，T_AB为剪切面AB的平均温度，T_m为工件材料的熔点，T_w为环境温度，A，B，C，m，n分别为J-C本构模型的流动应力参数；

采用下述公式计算摩擦角λ、摩擦系数μ和考虑材料应变影响的参数C_n：

λ＝θ+α-φ

μ＝tanλ

式中，θ为切屑形成力R与剪切面AB的夹角，Φ为剪切角，α为刀具前角，C_Oxley为第一塑性变形区的应变率系数，A、B、n为J-C本构模型的流动应力参数，ε_AB为剪切面AB的等效应变；

采用下述公式计算剪切面AB的平均温度T_AB：

T_AB＝T_w+ηΔT_sz

β＝0.5-0.35log₁₀(R_Ttanφ)for0.004≤R_Ttanφ≤10

β＝0.3-0.15log₁₀(R_Ttanφ)forR_Ttanφ＞10

式中，T_AB为剪切面AB的平均温度，△T_SZ为考虑材料塑性应变在第一变形区引起的温升,β为剪切区域热量分配系数，R_T为无量纲热系数，T_w为环境温度，η为总剪切能转换为焓的百分比，F_s为剪切面AB的切削力，V_s为剪切面AB的流动速度，ρ_wk为工件材料的密度，V为切削速度，t₁为未变形切屑厚度，w为切削宽度，C_p为工件材料的比热，Φ为剪切角，K_wk为工件材料的热传导系数；

于是B点的正应力σ_N’为：

式中：K_AB为剪切面AB上的剪切流动应力，α为刀具前角，C_n为考虑材料应变影响的参数；

b4.对刀具-切屑界面分析，具体如下：

采用下述公式计算刀具的有效塑性应变刀具-切屑接触长度h、刀具-切屑界面应力τ_int和B点的应力σ_N：

式中：V_c为切屑速度，δ为第二变形区的应变率系数，根据切削力最小原则确定，t₂为切屑厚度，t₁为未变形切屑厚度，θ为切屑形成力R与剪切面AB的夹角，λ为摩擦角，Φ为剪切角，C_n为考虑材料应变影响的参数；F为摩擦力，w为切削宽度，N为刀具前刀面正压力；

刀具-切屑界面的平均温度T_int表示为：

T_int＝T_w+ΔT_sz+ΨΔT_M

式中：Ψ为修正系数，取0.6；T_w为环境温度，△T_SZ为考虑材料塑性应变在第一变形区引起的温升，△T_M为刀具-切屑界面的最大温升，△T_C为切屑中的平均温升，δ为第二塑性变形区的应变率系数，R_T为无量纲热系数，t₂为切屑厚度，t₁为未变形切屑厚度，h为刀具-切屑接触长度，F为摩擦力，V_c为切屑速度，ρ_wk为工件材料的密度，V为切削速度，w为切削宽度，C_p为工件材料的比热；

在得到刀具-切屑界面的平均温度T_int之后带入切屑流动应力计算公式，得到切屑中的平均流动应力K_chip为：

式中：A，B，C，m，n分别是Johnson-Cook流动应力参数；ε_int为刀具-切屑界面的应力，为参考应变率，T_int为刀具-切屑界面的平均温度，T_m为材料的熔点，T_w为环境温度，为刀具的有效塑性应变，其中：

式中，ε_AB为有效塑性应变，δ为第二塑性变形区的应变率系数，t₂为切屑厚度，h为刀具-切屑接触长度；

切削模型中，对应每一个剪切角Φ增量可求出与之对应的刀具-切屑界面的应力ε_int，和切屑中的流动应力K_chip，根据刀具-切屑界面的应力ε_int和切屑中的流动应力K_chip最接近时取Φ的最大值确定剪切角；根据刀具-切屑界面的正应力和B点的边界应力最接近的位置确定第一塑性变形区的应变率系数C_Oxley；第二塑性变形区的应变率系数δ根据切削力最小的原则确定；

b5.对刀具-工件接触区分析，具体如下：

基于Waldorf的犁削力模型预测刀尖圆角与己加工表面接触产生的犁削力：

按下述公式计算犁削力模型的扇形区的扇形半径R_fan：

η_plow＝0.5·cos^-1(μ^plow)

式中，CA为摩擦热源的长度，μ^plow为摩擦因子，ρ_plow为由于刀刃半径引起未加工凸起部分与水平面的夹角，Φ为剪切角，r_e为刀具刃口半径，α为刀具前角；η_plow、θ_fan、γ_plow为中间计算参数；

将犁削力分解为沿切削方向的犁削力p_cut和垂直于已加工表面的犁削力p_thrust，具体按下式计算：

则，直角车削过程中的切削力为切屑形成力和犁削力的总和为

F_C＝F_c+P_cut

F_T＝F_t+P_thrust

式中，F_C为切削力在切削方向上的分力，F_T为切削力在切削方向上的分力；F_c为切屑形成力在切削方向上的分力，F_t为切屑形成力垂直于加工表面的分力；

步骤c中，工件温度预测模型的构建具体如下：

按下述公式计算热分配系数γ、剪切面热源密度q_shear和第二摩擦区热源密度q_rub：

式中：k_wk、ρ_wk，C_p分别为工件材料的热传导系数、密度和比热；k_t，ρ_t，C_t分别为刀具材料的热传导系数、密度和比热；F_c为切屑形成力在切削方向上的分力，F_t为切屑形成力垂直于已加工表面的分力，Φ为剪切角，α为刀具前角，t₁为未变形切屑厚度，V为切削速度，w为切削宽度，CA为摩擦热源的长度；

工件上一点W(X,Z)剪切区的温度变化△T_wk-shear(X,Z)按下述公式计算：

式中，剪切面长度L_AB＝t₁/sinΦ；k_wk为工件材料的热传导系数，a_wk为工件材料的热扩散系数，K₀为修正的第二类贝塞尔函数；q_shear为剪切面热源密度，Φ为剪切角，V为切削速度，t₁为未变形切屑厚度；

刀尖和已加工表面摩擦产生的第二热源的温度变化△T_wk-rub(X,Z)按下述公式计算：

于是，工件内的温度△T_total为

ΔT_total(X,Z)＝ΔT_wk-shear(X,Z)+ΔT_wk-rub(X,Z)。