一種自緊身管切削加工對殘余應力影響的數值模擬
作者：鄭曉敏
自緊后的身管在精加工過程中，因為部分材料的去除引起了殘余應力的重新分布，因此，對重新分布后的殘余應力進行研究是十分有必要的。才鴻年推導了自緊身管精加工后殘余應力的解析公式，前提是假設塑性半徑不變和加工后殘余應力的彈性分布；梁飛對自緊身管不同切削厚度進行數值模擬研究，得出切削厚度對殘余應力的影響。本文運用ANSYS中的單元生死技術模擬身管的切削加工過程，研究內表面不同厚度的加工、外表面不同厚度的加工和內外表面不同順序的加工對最終殘余應力的影響。
1身管模型相關參數
身管初始殘余應力采用開端液壓自緊產生，單元選用具有生死功能的plane183，材料強化準則為雙線性隨動強化，屈服準則為Miss屈服準則。身管尺寸和材料參數根據文獻[4]確定：屈服極限為1 030 MPa、彈性模量為207 GPa、泊松比為0.27;成品身管內徑2a=152 mm、外徑2b=343 mm，身管毛坯內外徑尺寸根據加工余量而定。
2自緊身管加工反向屈服的影響
首先，模擬身管外表面加工，加工厚度分別為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm，殘余應力的增量與自緊力的關系如圖1所示。從圖1中可以看出，切削厚度相同時，自緊力越大，殘余應力減小量越大；自緊力相同時，切削厚度越大，殘余應力減小量越大。當自緊力為1000 MPa，切削厚度為5 mm時，殘余應力減小量最大，為40 MPa。從總體上來說，外表面的切削加工對殘余應力的影響很小。
再模擬身管內表面加工，加工厚度分別為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm，殘余應力的增量與自緊力的關系如圖2所示。從圖2中可以看出，與身管外表面切削相比，內表面切削對殘余應力的影響規(guī)律更為顯著和復雜，自緊壓力較小時，切削后殘余應力在彈性范圍內變化，殘余應力減小量的變化率很�。辉谧跃o力相同的情況下，加工厚度越大，殘余應力的減小量越大，加工量每增加1 mm，殘余應力減小量增加25 MPa左右；隨著自緊壓力的增大，殘余應力減小量逐漸減小，表現為曲線斜率的增大，原因是內層切削后再次發(fā)生反向屈服，影響了殘余應力的減小。圖2中，曲線與橫軸的交點表示內層加工后殘余應力不變，橫軸上出現的曲線表示加工后再次出現反向屈服對應的自緊力和自緊度，如表1所示。自緊度基本上在80%左右（自緊度=（c-a）／（b-a），其中，c為彈塑性分界半徑）。
3 加工順序對殘余應力的影響
一般理論認為，自緊身管最終的殘余應力與內外表面的加工順序無關，這個結論的前提是假設材料去除時發(fā)生的應力再分布是一個彈性過程。而加工數值模擬結果表明：加工外層材料時，殘余應力在彈性范圍內重新分布，內層材料也不會再次屈服；加工內層材料時，當自緊度在某個值(84%)以下，加工也不會導致內層材料屈服，殘余應力也是彈性分布，當自緊度達到84%以上，加工后，內層材料再次屈服，影響了殘余應力的線性衰減。圖3為內、外表面不同加工順序對殘余應力的影響（負值表示殘余應力減小，正值表示殘余應力增大）。其中，i3 03表示先加工內表面3 mm，后加工外表面3 mm; 0313表示先加工外表面3 mm，后加工內表面3 mm，以此類推。由圖3可以看出，當內表面分別加工3 mm、4 mm、5 mm，外表面加工3 mm時，因內、外表面加工順序不同殘余應力發(fā)生變化，在圖像的前半段，也就是自緊度在84%以下時，不同加工順序的曲線是重合的，即加工順序不影響最
終殘余應力；曲線的后半段，即自緊度從84%到100%時，先加工內表面后加工外表面導致殘余應力減小，先加工外表面后加工內表面不會導致內壁殘余應力的減小，甚至反而會增大。所以，加工順序對殘余應力有影響，而且與自緊度有關。
4結論
通過上述分析，得到如下結論：①自緊身管精加工過程中，內層加工與外層加工相比，內層加工對殘余應力的影響更大；②身管精加工過程中，自緊力達到一定程度時，殘余應力并不會彈性分布，而是會發(fā)生再次屈服，從而減小殘余應力的釋放程度；③在一定的自緊度(84%)以下，內外表面的加工順序不會影響最終的殘余應力，自緊度超過這個數值后，內外表面的加工順序會影響最終的殘余應力；④內壁在反向屈服區(qū)加工時，殘余應力減小量很小，甚至殘余應力會增大。
5摘要：對自緊身管內外表面切削加工進行了數值模擬研究。分別對無反向屈服和有反向屈服的情況進行分析，得出了在無反向屈服的情況下，切削后殘余應力在彈性范圍內變化；有反向屈服的情況下，身管內層切削導致內壁再次發(fā)生屈服。對內外層的不同加工順序進行分析，得出在一定的自緊度(84%)以下，最終殘余應力與加工順序無關；自緊度在84%以上，加工順序會影響最終的殘余應力。
下一篇:返回列表
