刀具后刀面磨损与剪切局部化全耦合效应对加工表面残余应力形成机制的影响

《Journal of Manufacturing Processes》：Coupled effects of tool flank wear and shear localization on the formation of machined surface residual stress

　　

研究人员采用了一种全耦合有限元（FEM）模型，量化了刀具后刀面磨损（flank wear）与剪切局部化（shear localization）对加工表面残余应力（machined surface residual stress）的影响。结果表明，锯齿形切屑（serrated chips）的形貌对刀具后刀面磨损长度（flank wear lengths）不敏感。当刀具后刀面磨损量从0 mm增加至0.30 mm时，应力变化幅度降低了82.7%。此外，随着刀具后刀面磨损量的增加，表面拉伸应力（tensile stress）逐渐减小，同时压缩层（compressive layer）深度增加。

高性能合金因高强度、热导率有限及与刀具材料化学亲和性强，加工中刀具磨损难以避免。后刀面磨损（flank wear）会重塑刀具-工件接触区域，增强犁耕效应与摩擦耗散，并重新分配切削区热量，从而改变作用于加工表面的热-机械载荷条件，导致与锋利刀具不同的残余应力（residual stress）状态。残余应力作为表面完整性的关键指标，直接影响零部件的尺寸稳定性、耐腐蚀性能及疲劳寿命。现有实验虽已观测到不同后刀面磨损长度下残余应力的演化规律，但系统监测与调控耗时费力。解析模型通常依赖简化假设，将材料去除处理为施加于已加工表面的等效热-机械载荷，未能显式模拟切屑生成，无法捕捉瞬态应力演化及切屑形态对残余应力的作用机制。虽然有限元（FEM）数值模型能够描述瞬态热-机械相互作用，但现有研究大多仅针对单一磨损长度，未能解析剪切局部化（shear localization）引起的瞬态载荷如何通过随磨损演化的后刀面接触区传递至加工表面。实际上，后刀面磨损与剪切局部化在切削中常同时发生并交互式演化，但现有工作多聚焦于固定磨损长度下的预测，对于变化磨损长度下锯齿形切屑（serrated chips）形成过程中残余应力的形成机制仍缺乏深入认识。为填补上述空白，研究人员开发了一种基于有限元方法的数值建模框架，模拟Inconel 718正交切削中采用不同后刀面磨损长度刀具时锯齿形切屑形成条件下的加工表面残余应力行为，旨在揭示接触力随磨损长度的演化规律，阐明后刀面磨损影响表面残余应力的机制，并定量表征不同磨损条件下表面残余应力变化特征。该研究深化了对磨损-剪切局部化耦合效应下残余应力形成机理的认识，也为高性能合金加工表面完整性的主动控制提供了依据。

研究人员采用基于ABAQUS/Explicit与ABAQUS/Implicit的两阶段切削-冷却数值模拟框架，切削中采用耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法，以拉格朗日体模拟刀具、欧拉体模拟工件Inconel 718；流动应力采用改进Johnson-Cook（JC）塑性模型描述，该模型综合考虑大应变下动态回复与再结晶的应变软化及应力三轴度（η）与Lode参数（θ?）的影响；损伤起始采用JC损伤准则与Mohr-Coulomb（MC）断裂模型，损伤演化采用幂律流动应力软化模型；刀具-切屑界面摩擦采用Zorev模型，并通过VUHARD和VUSDFLD子程序嵌入。样本队列来源于对Inconel 718（硬度45 HRC）在通用数控车床上的正交切削实验，刀具为后刀面磨损约0.2 mm的未涂层硬质合金刀片，切削速度100 m/min、未切削切屑厚度0.2 mm；切屑形貌由扫描电子显微镜观察，切削力由Kistler测力仪记录，残余应力由X射线衍射测量。

3.1 Contact forces at tool-workpiece interfaces
在刀具-工件界面接触力方面，研究人员通过矢量图展示了不同后刀面磨损长度下刀具表面单位厚度的法向接触力（CNORMF）与剪切接触力（CSHEARF），并结合应力场与等效塑性应变（PEEQ）场分析接触状态。通过提取前刀面点A、刀尖圆弧停滞点S及后刀面磨损区点B的接触力曲线发现，锋利刀具与磨损刀具在点A和S处的法向及剪切接触力演化基本一致，表明后刀面磨损对切屑剪切局部化及停滞点振荡特性影响甚微，故锯齿形切屑几何形貌与剪切局部化频率在不同磨损长度下均保持不变。然而在后刀面磨损区点B处，接触力虽仍呈周期性波动，但随磨损长度增加，法向与剪切接触力平均值显著上升，波动幅度则明显降低。这是由于磨损带延长增大了接触区域，强化了犁耕与摩擦效应，同时使热-机械载荷分布更均匀。总切削力（包括切向力F_t与进给力F_f）在所有磨损长度下均呈周期性波动，平均值随磨损长度增加而增大，后刀面磨损区增强的犁耕与摩擦作用是主导因素。

3.2 Residual stresses on machined surfaces
在加工表面残余应力分布方面，研究发现所有工况下加工表面沿切削速度方向的残余应力分量（σ_xx）均呈拉伸特征，但随磨损长度增加，表面拉伸应力水平逐渐降低。通过追踪代表性材料点的应力分量（S_xx）与温度（T）历史发现：锋利刀具条件下，S_xx首先因刀具压缩及热膨胀受限累积至峰值压应力；随后因牵引作用转为拉伸；刀具通过后因机械卸载达到峰值拉伸应力并回落；最终在冷却过程中，材料收缩受基体约束导致拉伸应力进一步上升。引入后刀面磨损后，整体趋势不变，但因磨损带延长了接触时间，峰值拉应力明显延迟，且因牵引作用增强及摩擦热导致表面温度升高，峰值拉应力数值更高。随磨损长度进一步增大，持续压缩与剪切载荷的约束增强，抑制了拉伸应力累积；同时更高表面温度扩大了热影响区，降低了冷却热梯度，使表面残余应力拉伸特征减弱。

3.3 Quantitative analysis of variations in residual stresses on machined surfaces
为定量表征残余应力变化规律，研究人员选取了表面残余应力（SRS）、残余应力穿透深度（RSPD）、峰值压应力（PCRS）及峰值压应力深度（PCRSD）四个特征参数分析。结果表明，所有磨损条件下加工表面残余应力仍沿切削速度方向呈周期性变化，但变化幅度随磨损长度增加而显著衰减。通过计算切屑分割频率（f_s）发现，该频率在所有工况下维持5.50–5.60 kHz基本不变，而表面残余应力变化带由锋利刀具的653.6 MPa降至磨损长度0.05 mm时的284.4 MPa（衰减56.5%），并在0.30 mm时进一步降至113.2 MPa（总衰减82.7%）。这证实残余应力变化幅度的降低并非源于剪切局部化频率改变，而是磨损接触区扩大导致循环热-机械载荷重新分布，使新生成表面加载更均匀。此外，随磨损长度增加，PCRS幅值减小，PCRSD与RSPD均加深。这主要归因于较大磨损长度下热载荷升高使热影响区扩大、热梯度降低，以及增强的机械载荷促进了更深的塑性变形与压应力渗透。

综合上述结果，研究结论如下。刀具后刀面磨损对锯齿形切屑形貌影响可忽略，因为前刀面与刀尖圆弧处的接触力演化与锋利刀具一致，说明磨损不改变剪切局部化频率或停滞点振荡特性，保证了切屑几何及界面热-机械载荷的稳定性。切削力方面，所有磨损长度下切向力与进给力均呈周期性波动，平均值随磨损长度增加而增大，主要源于扩大的接触区对新生成表面产生更强的犁耕与摩擦作用。与锋利刀具相比，磨损刀具产生更高的加工表面拉伸残余应力，机制在于磨损带延长了接触长度并增强了牵引与摩擦相互作用，且摩擦热引起表面温度升高加剧冷却收缩约束，导致峰值拉应力延迟且量值增大。然而，随磨损长度增加，表面残余应力反而呈更小拉伸特征，这是由于持续压缩载荷抑制了拉伸应力累积，且更高表面温度扩大了热影响区并降低了冷却热梯度。锯齿形切屑形成时，加工表面残余应力沿切削速度方向始终存在波动，但振幅随磨损长度增加而显著减小，因为扩大的接触区域使局部热-机械载荷分布更均匀；同时，较大磨损长度还加深了峰值压应力深度与残余应力穿透深度。综上，适度后刀面磨损可均化表面残余应力分布并促使压缩层向次表面扩展，但过度磨损将导致切削力显著上升，可能加速刀具退化并损害加工稳定性，因此在高性能合金正交切削中需合理控制刀具后刀面磨损。