切削加工表面完整性建模现状与发展趋势_张为

第36卷第5期2014年9月沈阳工业大学学报Journal of Shenyang University of TechnologyV o l.36No.5Sep.2014收稿日期：2013－12－04．基金项目：国家自然科学基金资助项目（51205096）；中国博士后科学基金资助项目（2013M531056）；黑龙江省博士后基金资助项目（LBH －Z12138）．作者简介：张为（1977－），男，辽宁阜新人，副教授，博士，主要从事高速切削技术、表面质量控制等方面的研究．*本文已于2014－06－1916ʒ54在中国知网优先数字出版．网络出版地址：http ：∥www ．cnki．net /kcms /detail /21．1189．T．20140619．1654．024．html檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏殏殏殏机械工程doi ：10．7688/j．issn．1000－1646．2014．05．08切削加工表面完整性建模现状与发展趋势*张为a ，b ，程晓亮a ，郑敏利a ，张兆星a（哈尔滨理工大学a.机械动力工程学院，b.测控技术与仪器黑龙江省高校重点实验室，哈尔滨150080）摘要：针对切削加工表面完整性建模方法种类繁多且相互关系揭示不明等问题，总结了各表面完整性指标，包括表面形貌、残余应力、加工硬化和相变的主要建模方法，并从各建模方法的应用范围以及主要成果的角度概括了表面完整性建模的研究现状．论述了解析建模与数值建模方法在预测表面完整性各指标时的优缺点及内在联系，重点分析了数值模拟技术在表面完整性建模中的作用．指出了国内外表面完整性研究体系的区别及联系，并对表面完整性建模的发展方向作了展望．关键词：切削加工；表面完整性；表面形貌；残余应力；加工硬化；相变；解析建模；数值建模中图分类号：TH 161.14文献标志码：A文章编号：1000－1646（2014）05－0519－07Status and development trend of surface integrity modelingin metal cuttingZHANG Wei a ，b ，CHENG Xiao-liang a ，ZHENG Min-li a ，ZHANG Zhao-xing a（a．College of Mechanical and Power Engineering ，b．Measurement-control Technology and Instrument Key Laboratory of Universities in Heilongjiang Province ，Harbin University of Science and Technology ，Harbin 150080，China ）Abstract ：In order to solve the problems that the types of surface integrity modeling methods in metal cutting are various and the revelation for the relationship between the methods is not clear ，the main modeling methods for such surface integrity indexes as the surface morphology ，residual stress ，work hardening and phase transformation were summarized．From the view of both application scope and main achievements of each modeling method ，the research status of surface integrity modeling was generalized．The advantages ，disadvantages and their internal relationship of both analytical and numerical modeling methods in predicting each surface integrity index were discussed．In addition ，the effect of numerical simulation technology in the surface integrity modeling was mainly analyzed．The difference and relation in the research systems for the surface integrity at home and abroad were indicated．Moreover ，the development direction of surface integrity modeling was prospected．Key words ：metal cutting ；surface integrity ；surface morphology ；residual stress ；work hardening ；phasetransformation ；analytical modeling ；numerical modeling切削加工的目的是获得精度和表面质量都符合要求的零件［1］．切削加工后零件的表面质量也称表面完整性，主要包括两方面内容：一方面是几何方面的，即表面形貌，通常以表面粗糙度表示；第5期吕丹，等：PE /MMT 纳米复合材料制备及热性能另一方面是材料特征方面的，常称为表面变质层，包括表面层的加工硬化程度、结晶组织变化和残余应力等［1］．表面完整性直接影响到零件的使用性能和寿命，因此，研究已加工表面的形成过程，对切削加工表面完整性进行实施预测和控制，一直是切削加工领域的一个研究重点．切削建模是研究切削加工的重要手段．切削模型可集成到加工工艺规程中以提高生产率和产品质量，对切削过程进行实时控制［2］．表面完整性建模是切削建模的一个主要内容，有效的表面完整性模型能对切削加工表面质量进行预测和控制，对优化工艺参数和提高表面质量意义重大．目前常见的切削建模方法种类繁多，相互间联系密切，在预测表面完整性各指标时又各有侧重．国内外在表面完整性研究体系上有所差异，因此，有必要对这些内容进行系统总结，以促进切削加工表面完整性建模的发展．1表面完整性建模研究现状表面完整性常用建模方法有解析建模、数值建模、实验建模以及将这些方法有机组合的混合建模等．表面完整性主要建模方法的基本原理、主要预测内容、主要成果、优势及局限性对比如表1所示．表1表面完整性主要建模方法对比Tab.1Comparison of surface integrity main modeling methods建模方法基本原理主要预测内容主要成果优势局限性解析方法滑移线理论、能量最小原理或分形学等残余应力、相变与加工硬化及表面粗糙度几何建模残余应力和相变与加工硬化的2D模型、基于分形算法的表面微观形貌模型实用新型刀具的开发，简单情况下变量的快速预测通常仅限于2D分析，只存在一些简单的3D模型数值方法有限元、有限差分、SPH等无网格有限元法残余应力和相变与加工硬化残余应力和相变及加工硬化的2D、部分3D有限元模型能考虑材料本构关系，各过程变量的耦合关系需要输入材料模型，计算限制，例如网格的控制实验方法实验数据的曲线拟合表面形貌（表面粗糙度）表面形貌（表面粗糙度）经验模型快速估算性能参数只适用于实验范围混合方法结合其他方法的优势残余应力和相变与加工硬化残余应力快速准确预测、BP神经网络预测模型提高基本模型的功能和精度功能受所用基础模型的限制2表面形貌建模2.1表面形貌的主要建模方法及特点表面形貌的主要指标是表面粗糙度，即已加工表面的微观几何不平度，包括进给方向和切削方向．此外还有基于分形理论和基于一致结构理论的表面微观形貌表示方法［3］，其中表面粗糙度在很大程度上决定了工件已加工表面的质量［1］．表面粗糙度建模方法主要有几何建模与实验建模．几何建模主要建立考虑几何参数、振动和最小切削厚度等切削因素的几何模型［4－5］．切削加工中，影响已加工表面形成的因素众多且有部分不可控因素，这些因素之间存在着相互耦合关系，这使得表面形貌的建模几乎是一个黑箱问题，因此，从理论上综合研究所有变量对表面粗糙度的影响是十分困难的．实验建模方法是在大量实验数据基础上，基于回归分析原理建立经验模型．在特定的工艺系统中，实验模型能克服几何模型无法考虑复杂过程变量的缺陷，是一种有效的表面形貌预测模型，其缺点主要是需要大量的实验数据．随着计算机软件和硬件技术的发展，神经网络等人工智能方法在预测表面形貌上也有所应用．很多工程表面形貌都不是严格意义下的自相似，而是统计意义下的自相似，统计意义下的自相似意味着一个局部的概率分布与整个表面的概率分布保持自相似性，这就是随机分形［6］．使用分形几何能在所有尺度上对表面形貌特征进行分析、评价和建模，特别是对纳米尺度下的表面微观形貌．有学者用W-M等数学模型模拟分形表面并用所设计的分形算法对其进行分形分析［6］．2.2表面形貌建模的发展状况近几十年不少学者发展了表面形貌的预测模型．在几何建模方面，哈尔滨工业大学王洪祥等建立了圆弧刃车刀金刚石车削表面微观形貌模型，并开发了考虑刀具几何参数、振动和最小切削厚025沈阳工业大学学报第36卷度的仿真程序，在亚微米CNC 超精密机床上的实验表明所建立的模型能预测金刚石车削加工将要获得的表面粗糙度［4］．随着计算机应用技术的发展，学者们建立了考虑复杂切削因素的几何模型，借助CAM 仿真软件或数学仿真软件实现了表面形貌的仿真．Sylvain Lavernhe 等建立了五轴铣削加工中主要考虑刀具倾角、进给速率影响的表面形貌预测几何模型，经大量实验验证偏差基本都在5%以内，其模拟与实测表面形貌轮廓对比如图1所示［7］．图1模拟与测量的表面形貌轮廓对比Fig.1Comparison in simulated and measured surface morphology profiles实验建模方面，山东大学王素玉以高速铣削加工试验数据为依据，利用多元正交回归分析法，建立了平面铣削45#钢和3Cr2Mo 模具钢表面粗糙度经验预测模型，得出了铣削参数对表面粗糙度的直接影响关系［8］；Tugrul O 等基于线性回归和神经网络方法建立了预测表面粗糙度的预测模型，并指出神经网络模型预测效果较好［9］．关于表面形貌建模的分形分析与建模方面，陆涛、曹伟、师汉民等在超精密加工的表面形貌预测中，发展了基于分形特征的表面微观形貌模拟．其分形模拟的表面和用扫描隧道显微镜测量的加工表面微观形貌的对比分析表明：分形维数（FD ）是一个与测量尺度无关的参数，并且其大小反映了表面的粗糙程度，分形维数越大则表面越粗糙（如图2所示，图中N 为尺度数，H 为回归系数的最小二乘估计，r 为自相关系数）．由于分形维数是一统计参数，因而可以用它建立起表面分形模型，用于摩擦磨损的表面建模和分析［6］．目前，三维表面形貌预测模型已用于研究切削参数、刀具夹具磨损和振动等对表面粗糙度、尖点和波纹的形状与高度的影响，为正确的切削策略提供了有效参考；在硬态车削和立铣加工表面粗糙度预测中已考虑了刀具切削刃缺陷对表面粗糙度的影响；在薄壁零件的铣削研究中，所建立的模型能分析工件振动对表面形貌的影响［10－13］．在上述表面形貌建模研究中，实验建模法以多元回归分析为主，一般只适用于实验条件范围内情况，移植到其他工艺系统上会产生很大偏差；分形建模也是一种数学统计方法，不能表达表面形貌形成的物理本质．因此，如何从切削加工的实际物理过程出发，结合切削加工中基本过程变量来进行表面形貌的建模，成为切削加工表面完整性建模的重要研究方向．图2分形维数不同的模拟表面分形分析Fig.2Fractal analysis for simulated surface with different fractal dimensions3残余应力建模3.1残余应力主要建模方法及特点残余应力是零件经加工（或热处理）、消除外力和温度场等作用后，仍留在物体内的平衡内应力，残余应力有类型、大小和方向之分［1］．预测零件加工表面残余应力的主要方法是解析建模与数值建模．解析模型能在较短的时间内得到较为准确的结果．同时，解析模型可以详细准确解释各个参数的影响作用，因此也便于实现工艺参数的优化．然而残余应力是在复杂的工艺和几何变量综合影响下产生的，并且其他重要因素（如前次加工留下的残余应力）也很难在解析模型里考虑．有限元数值模型可以考虑这些影响，有限元模型能考虑复杂的材料本构，并可构造一个亚模型考虑相变与动态再结晶等复杂过程，使其能更深入地准确预测残余应力的分布．因此，尽管数值模型比解析模型花费的时间更多，但仍在残余应力建模中得到广泛应用［14］．为了改进模拟的速度与精度，混合模型得到125第5期张为，等：切削加工表面完整性建模现状与发展趋势了发展．混合模型综合了解析模型和有限元数值模型的优势，能以较低的时间成本较精确预测切削加工中产生的残余应力［15］．3.2残余应力建模的发展状况在过去的二十多年里，已加工表面残余应力的建模得到了极大关注和发展．由于需要考虑一些复杂因素对残余应力的影响，如切削条件、刀具几何参数、冷却条件，还有最近备受关注的微观结构改变和尺寸效应等，国内外相关单位为对此投入了很多研究［14］．在解析建模方面，Wu和Matsumoto用解析模型研究了工件硬度对工件表面残余应力类型的影响［16］；Liang S Y，Su J C建立了正交加工残余应力解析预测模型，通过大量不同工件材料的实验验证模型预测的残余应力与试验测得值吻合很好［17］．在数值建模方面，比较有代表性的有Li J L 等利用二维热-力耦合有限元模型分析高速端面铣削淬硬钢SKD11的残余应力，该模型将三维端面铣削等效简化成二维正交切削，并将二次铣削对残余应力的影响进行了分析［18］；哈尔滨工业大学孙雅洲等基于热-弹塑性有限元理论，建立了切削加工三维有限元分析模型，对切削航空合金材料A1212产生的残余应力进行了预测，并分析了二次切削对残余应力分布的影响［19］；Umbrello D 用有限元方法模拟了切削参数和刃口参数对工件表面残余应力分布的影响规律，并结合神经网络方法对硬态加工表层残余应力进行了预测［20］；Chen等研究指出正确的切屑模拟与温度分布预测是准确预测残余应力状态的关键［21］；Umbrello 等研究表明正确的材料本构模型对残余应力的预测至关重要［22］；Umbrello D等利用有限元软件子程序的扩展功能，将切削时的材料相变耦合进残余应力预测，探讨了微观组织相变对残余应力分布的影响［23］．尽管残余应力建模已取得一些研究成果，残余应力的精确预测仍是个问题．残余应力分布的预测模型即使是采用正交切削模型，也还有很多硬性缺陷［2］．在有限元数值模拟中，模型选用的材料本构关系及其对后期塑性变形、切屑形成、分离和折断的影响会造成模拟结果的失准［14］．由于残余应力本质上是塑性变形、切削温度和相变综合作用的结果，建立考虑这些因素的综合预测模型，将切削应力、切削温度等过程变量的模拟与残余应力的模拟建立准确量化联系，才能得到精确的残余应力预测模型．4相变和加工硬化的建模国内学者认为，结晶组织变化对表面质量的影响主要表现在对残余应力和加工硬质层的影响上，结晶组织变化不作为表面完整性的衡量指标，而由于加工硬化对零件加工后的服役性能和使用寿命影响很大，选取表面层加工硬化作为主要研究对象．国外学者则把加工硬化看做是结晶组织变化的产物，例如在淬硬钢的硬态切削中，往往从相变影响白层形成的角度研究表面完整性，不把加工硬化作为表面完整性的指标，而把相变或结晶组织改变作为表面完整性的内容之一．由于相变与加工硬化的联系紧密，本文将两者的建模方法一起讨论．4.1相变和加工硬化的建模方法及特点随着计算机计算能力和解析模型预测能力的极大进步，出现了预测相变与加工硬化的解析建模方法，然而，解析模型很难全面考虑冶金变化、动态再结晶等由加工引起的薄层材料性质的变化［14］．最近几年，人们更关注预测相变的数值模型的发展，数值模拟技术的材料本构模块能描述复杂的材料属性，使数值模型对相变的预测变得更全面和准确．数值模拟技术也具有开发定制用户子程序的能力，利用这些子程序能扑捉更复杂的现象，比如微观组织改变和动态再结晶等．尽管如此，有学者还是指出了数值模拟的不足：1）需要预设分离面；2）忽略了淬硬材料中切屑分离对材料的重要影响；3）在加工前切屑中单元方向改变了，而基体材料中并未改变；4）需要大量的实验数据、复杂的金相分析和耗时的显微结构系数辨识程序开发，大多数数值模型还没有足够的实例验证，其精度还不能确定［14］．最近提出了结合先进实验方法的实验-有限混合模型［24］，该模型把实验模型的实用性通过有限元代码在数值模型里表现出来，使混合模型在相变与加工硬化的预测方面优越于其他预测模型．4.2相变与加工硬化建模的发展状况4.2.1相变建模的发展状况解析建模方面，Chou和Evans通过假设白层是热驱动相变引起的，用解析方法预测了白层的形成［25］．有限元建模方面，Attanasio A等建立了硬态车削AISI52100钢的有限元模型，研究表明，随着后刀面磨损加剧，白层和暗层厚度增大；而切削速度的增加使白层厚度增加，暗层厚度减小［26］．Schulze等最近提出了一个预测切削225沈阳工业大学学报第36卷42CrMo4钢相变的有限元模型，该模型能预测奥氏体化的进程以及产生马氏体形态所需的温度，如图3所示［27］．该模型还具有模拟主导相变过程的瞬时奥氏体化现象的能力，该模型还能模拟铁素体/珠光体、贝氏体、马氏体的产生．图3马氏体形态特征及转变温度Fig.3Morphological characteristics and transformation temperatures of martensite4.2.2加工硬化建模的发展状况加工硬化是不经热处理而由切削加工产生的硬化现象．表面层的加工硬化可使零件耐磨性提高，但脆性增加，抗冲击性能下降，增加后续加工难度和刀具磨损，因此必须给予重视［1］．国内早期研究中，高维林等建立了考虑金属塑性变形过程中位错增值、螺型位错交滑移和刃型位错攀移过程的5阶段硬化位错解析模型，并利用计算机对理论模型进行了计算，计算结果和实验结果吻合很好［28］；随后杨继昌和刘伟成确定了低速正交金属切削时工件表面层加工硬化深度的预报准则，并利用有限元法模拟已加工表面的形成过程，获得了加工硬化深度的数值解［29］；近年来国内对加工硬化的研究多采用试验方法，华中科技大学王志光等对难加工材料不锈钢0Cr18Ni9设计正交切削试验，从显微硬度和微观结构两方面研究加工硬化现象［30］；最近，张为等针对车削钛合金Ti-6Al-4V 的加工硬化进行了相关研究［31］．国外学者从相变着手进行加工硬化的有限元数值模拟，如Umbrello 等用建立的元素混合法则、材料属性模型和基于硬度的流动应力模型预测了AISI52100钢的白层厚度和加工硬化［32］．随后他们用混合模型方法建立了经验-有限元模型，预测了AISI 52100钢材料加工过程中白层与暗层的形成，如图4［32］所示．图4白层与暗层的形成Fig.4Formation of white and dark layers加工硬化是塑性变形和切削温度影响下的强化、弱化及相变综合作用的结果，因此建立切削力、切削热等过程变量与加工硬化的精确量化关系是未来模拟加工硬化的重要方向．5结论在表面完整性建模研究中，应用有限元技术的数值建模方法可以考虑工件材料复杂本构关系、切削过程中复杂过程变量及其耦合关系，这些优势使其成为表面完整性建模的重要手段．数值建模的基础是基于物理的解析模型，在全面深入理解切削机理基础上，建立更符合切削实际的物理过程解析模型，才能从根本上建立更先进的有限元数值模型，实现表面完整性的准确预测，因此，解析-数值混合建模将成为未来的发展趋势．综上所述，未来表面完整性建模的发展方向是：1）深入研究切削机理，建立准确反映切削物理过程的预测模型；2）发展预测表面完整性的混325第5期张为，等：切削加工表面完整性建模现状与发展趋势合建模方法，尤其是其他建模方法与数值建模方法的混合；3）对表面微观结构建模进行更深入的研究，以及对表面完整性进行宏观、微观、纳观多尺度建模；4）在切削模拟中建立切削应力、切削温度等切削过程变量与表面完整性指标的准确量化关系．参考文献（Ｒeferences）：［1］韩荣第．金属切削原理与刀具［M］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007：91－100．（HANＲong-di．Metal cutting principle and tool［M］．Harbin：Harbin Institute of Technology Press，2007：91－100．）［2］Jawahir I S，Brinksmeier E，SaoubiＲ，et al．Surface integrity in material removal processes：recent ad-vances［J］．CIＲP Annals-Manufacturing Technology，2011，60（2）：603－626．［3］Arizmendi M．Model for surface topography prediction in peripheral milling considering tool vibration［J］．CIＲP Annals Manufacturing Technology，2009，58（1）：93－96．［4］Ｒoques C C，Bodin 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