一种硬切削工件表面白层厚度的热力耦合预测方法技术

本发明专利技术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热力耦合预测方法。本发明专利技术包括如下步骤：对硬切削过程进行有限元建模与模拟；从有限元后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；从有限元分析结果中提取已加工表面下方的温度分布数据，根据温度分布与实际临界相变温度预测表面白层厚度。本发明专利技术提出了基于相变机理的干硬切削表面白层厚度的有限元预测模型，该模型不仅能够在考虑了热-力耦合因素的情况下更为准确地预测出表面相变白层的厚度，而且揭示了白层形成的内在机制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机械加工
，涉及一种硬切削工件表面白层厚度的预测方法。
技术介绍
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
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，而且无法实现热一力影响因素的耦合。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。
技术实现思路
本专利技术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。 本专利技术技术方案流程如图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，根据本专利技术推导 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°C，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?；按公式（1)计算： T〇 = 727-10. 7ΜΠ-16. 9Ni+29Si+16. 9Cr+290As+6. 38W (1)式中的字母代表相 应合金兀素的百分含量。 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： 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硬切削工件表面白层厚度的热力耦合预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，对硬切削过程进行有限元建模及模拟；包括以下步骤：(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；依据T0＝727‑10.7Mn‑16.9Ni+29Si+16.9Cr+290As+6.38W计算合金元素影响下的奥氏体临界相变温度，依据计算应力、应变影响下的奥氏体相变温度，其中，T为在应力P和应变能WS作用下的相变温度；T0为切削加工之前受合金元素影响下的工件材料的相变温度；为摩尔体积增量(m3/mol)；为α→γ相变时的摩尔相变焓增量(J/mol)，吸热过程为正值，放热过程为负值；P为应力(Pa)，WS为应变能(J/mol)；步骤三，从有限元后处理器的分析结果中提取已加工表面下方的温度分布数据，根据温度分布与实际临界相变温度预测表面白层厚度；首先从有限元分析结果中提取出工件加工表面及其下方的温度分布曲线与已加工表面及其下方的实际相变温度曲线，这两条温度曲线的交点距离已加工表面的深度即为白层厚度。...

【技术特征摘要】
1. 一种硬切削工件表面白层厚度的热力耦合预测方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一，对硬切削过程进行有限元建模及模拟；包括以下步骤： (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；依据I = 727-10. 7Mn-16. 9Ni+29Si+16. 9Cr+290As+6. 38W计算合金元素影响下的奥氏体临界相变温度，依据计算应力、应变影响下的奥氏体...

【专利技术属性】
技术研发人员：段春争，孔维森，张方圆，王敏杰，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21