刀具磨损对加工Inconel 718残余应力影响的研究

王文豪，吴永杰，王琛，高娟，李龙，陈典典

1中国重型机械研究院股份有限公司；2太原科技大学环境科学与工程学院

1 引言

Inconel 718是Fe-Ni-Cr基沉淀硬化型变形高温合金，在650℃以下时，具有较高强度，良好的韧性、耐氧化和耐腐蚀性，常被应用于制作石油化工中的环件、紧固件和结构件等，如采气(油)树中油管挂和阀杆等零件。但由于其难加工特性，导致刀具磨损严重、加工效率低和加工成本高，并且Inconel 718经机械加工后，表面残余应力对其抗疲劳强度和抗腐蚀性也有较大影响。

很多学者对Inconel 718的切削性能和金属表面残余应力进行了研究，冯新敏等[1]通过有限元模拟汽雾冷却下切削GH4169合金，提供了优选的切削参数。姚倡锋等[2]结合DEFORM仿真和切削试验，说明刀具磨损对主切削分力和车削温度的影响非常显著，且刀具磨损会导致GH4169合金残余拉应力峰值增大。卢晓红等[3]通过ABAQUS软件对Inconel 718微铣削展开仿真研究，证明刃口圆弧半径和每齿进给量会显著影响微铣削镍基高温合金的残余应力。Thrinadh J.等[4]通过实验研究了在干燥条件下使用无涂层碳化钨刀片加工Inconel 718时的不同刀具磨损形式。齐广霞等[5]通过金属高温塑性变形—传热—微观组织演变耦合，得到了GH4169合金热挤压过程中挤压件微观组织的演变规律。楚满福等[6]研究切削参数对加工表面硬化程度及残余应力的影响规律。秦海龙等[7]采用原位中子衍射法研究了固溶水淬后的GH4169合金残余应力的演化规律和松弛机制。马世玲等[8]建立了GH4169合金三维微铣削有限元模型，运用神经网络群遗传算法对残余应力进行了预测和切削参数优化，得到了最佳切削用量组合。

以上学者对Inconel 718的切削过程进行了详尽研究，但不同刀具磨损形态对其切削加工性能影响的研究较少。本文基于金属切削原理，借助有限元仿真和实验的方法，研究Inconel 718高温合金的车削过程，探讨刀具前、后刀面和刀尖刃口等因素在不同程度磨损状态下对工件表面残余应力的影响，为最优工艺参数的选择提供参考。

2 有限元仿真

2.1 有限元模型

如图1所示，借助ABAQUS有限元软件建立二维切削模型，对Inconel 718高温合金车削过程进行模拟。刀具前角为10°，后角为5°，刀尖圆角半径为0.01mm。刀具沿着-X方向做进给运动，进给速度为30m/min，切削深度为0.2mm。

图1 二维切削模型

2.2 材料参数

为了更好分析锯齿的磨损情况和应力分布情况，设置刀具为弹性体，牌号为YG8，设置工件为弹塑性体。刀具和工件的材料参数如表1所示。

表1 Inconel 718和YG8材料性能[9]

2.3 材料的本构关系

金属材料的本构关系反映了流动应力随外部变形的变化规律[10]。J-C模型不仅公式简易(变量较少)，而且可以较为详尽地表征材料在高应变率与高应变时的本构行为，其表达式为

(1)

Inconel 718材料的本构参数见表2。

表2 Inconel 718的Johnson-Cook本构参数[9]

3 实验验证

为了验证有限元模拟的可靠性，在全功能数控车床上进行Inconel 718切削实验。机床型号为Quick Turn Nexus200-IIL/1000，回转直径660mm，X/Z行程350mm×1300mm。实验参数和仿真参数一致。

图2为试验参数及试验过程，图3为仿真得到的刀具磨损及切屑形态。从图2可以看出，刀具磨损主要集中在刀具前、后刀面和刀尖刃口处，与有限元仿真中刀具高应力集中区域(磨损严重区域)相同；车削后的切屑形态呈卷曲状，与图3中有限元仿真的切屑形态一致，从侧面验证了有限元模拟的可靠性。

图2 切削实验

图3 切削过程仿真

4 仿真结果分析

残余应力影响着工件表面疲劳裂纹的形成与扩展，进而影响工件疲劳寿命，但切削过程中，刀具在切削力的作用下，其前、后刀面和刀尖刃口附近会产生严重磨损，进而影响成品工件的表面残余应力。因而利用仿真技术研究不同刀具磨损形态对Inconel 718工件残余应力的影响规律。

4.1 建立刀具磨损模型

根据实验和有限元分析发现，刀具磨损主要集中在前刀面、刀尖刃口圆角处和后刀面，因此，本文通过改变月牙洼深度KN、刀尖刃口圆弧半径r和后刀面磨损长度VB等参数变量，建立不同刀具磨损模型来研究不同刀具磨损对成品工件表面残余应力的影响，刀具不同磨损位置如图4所示。

(a)后刀面磨损 (b)刀尖刃口磨损 (c)前刀面磨损

4.2 前刀面磨损

在切削力的作用下，刀具前刀面会产生月牙洼磨损，通过改变月牙洼深度KN(0.01mm，0.02mm，0.03mm，0.04mm)，得到了残余应力沿已加工表面深度的分布规律，如图5和图6所示。其它的切削参数为切削速度30m/min，切削深度0.2mm。

图5 不同月牙洼深度KN对残余应力σy的影响

如图5所示，残余应力σy随着已加工表面深度的增加，先降低至一定数值后再上升，最后趋于稳定。这说明切削加工过程中，沿切削深度方向的残余应力σy由拉应力逐渐变为压应力，到达一定数值后压应力逐渐减小，在深度为0.5mm附近消失。随着月牙洼磨损深度KN增加，工件残余压应力最大值先增加后减小。这是因为月牙洼深度KN增加，刀具的有效前角先增大后减小[11]，使得刀具和工件挤压的变形状态发生变化，最终造成在切削深度方向残余压应力先增大后减小。

如图6所示，残余应力σx随着已加工表面深度的增加，先降低至一定数值后再上升，最后趋于稳定。随着月牙洼深度KN增加，残余应力σx增加，月牙洼深度较小时，残余应力σx主要表现为压应力；月牙洼深度较大时，残余应力σx主要表现为拉应力。

图6 不同月牙洼深度KN对残余应力σx的影响

4.3 后刀面磨损

在切削速度为30m/min，切削深度为0.2mm条件下，后刀面磨损量VB分别为0.05mm，0.1mm，0.15mm，0.2mm，得到的残余应力沿已加工表面深度的分布规律，如图7和图8所示。

图7 不同后刀面磨损长度对残余应力σy的影响

图8 不同后刀面磨损长度对残余应力σx的影响

由图7可以看出，残余应力σy随着已加工表面深度的增加，先减小至一定数值之后再上升，最后趋于稳定，这说明残余应力σy由开始的拉应力变为压应力，最后消失。随着后刀面磨损程度增加，沿切削深度方向的最大残余应力σy增加。这是因为磨损加剧导致后刀面与加工表面的接触摩擦增大，摩擦和变形产生的热量传入工件和刀具，造成工件温度进一步增高，里层金属在热传递过程中收缩变化加剧，使得残余应力增加。

由图8可以看出，残余应力σx随着已加工表面深度的增加，先上升至最高点，再逐渐降低至一定数值后又再次上升。这说明残余应力σx在工件表面为压应力，随着已加工表面深度增加，变为拉应力，最后变为压应力。随着后刀面磨损程度增加，沿切削进给方向的最大残余拉应力σx减小。

4.4 刀尖刃口磨损

在切削速度为30m/min，切削深度为0.2mm条件下，刀尖刃口圆弧半径r分别取0.01mm，0.02mm，0.03mm，0.04mm，得到的残余应力沿已加工表面深度的分布规律如图9和图10所示。

图9 不同刀尖磨损圆弧半径对残余应力σy的影响

图10 不同刀尖磨损圆弧半径对残余应力σx的影响

由图9可以看出，残余应力σy随着已加工表面深度的增加，先降低至一定数值，然后逐渐上升，最后趋于平稳直至数值为0，这说明加工表面附近材料存在拉应力，远离加工表面的材料存在压应力，当已加工表面深度大于0.4mm时，材料中不存在残余应力。随着刀尖圆弧半径磨损程度增加，沿切削深度方向的最大残余压应力σy增加，这是因为刀尖磨损加剧导致刀尖圆弧半径增加，切屑与工件基体分离点上移，工件表面受到刀具挤压的材料增多，致使最大残余压应力σy增加。

由图10可以看出，残余应力σx随着已加工表面深度的增加，先上升至最高点再逐渐降低，这说明残余应力由拉应力变为压应力。随着刀尖圆弧半径磨损程度增加，沿切削深度方向的最大残余压应力σx增加，这是因为刃口半径的增加造成刃口处工件材料流动缓慢区域增加。工件材料与刀具表面的黏结提供了小于实际值的有效前角，这种效应导致残余压应力增加[12]。

5 结语

(1)建立了Inconel 718高温合金车削仿真模型，并利用车削实验从侧面验证了仿真模型的可靠性。

(2)随着月牙洼深度KN增加，最大残余应力σy先增加后减小，最大残余应力σx增加，且残余应力影响深度最大为0.5mm；月牙洼深度较小时，残余应力σx主要表现为压应力；月牙洼深度较大时，残余应力σx主要表现为拉应力。

(3)随着后刀面磨损程度增加，沿切削深度方向的最大残余压应力σy增加，沿切削进给方向的最大残余拉应力σx减小。

(4)随着刀尖圆弧半径磨损程度增加，沿切削深度方向的最大残余压应力σy增加，沿切削深度方向的最大残余压应力σx增加。