基于Bauschinger效應(yīng)的逆向精切削變形機理

1 引言

對于切削加工來說，理想狀態(tài)應(yīng)是加工表面層同表面層之下的基體材料一致，即滿足加工出的表面變化最小、甚至最好是沒有變化杠尘。已加工表面變質(zhì)層的生成客觀上說是不可避免的，但有許多方法可以減小它的產(chǎn)生理斜。本文基于工件材料Bauschinger效應(yīng)酗裕，采用逆向精切方法，以減小已加工表面變質(zhì)層伐薯。

2 逆向精切削法的切削變形模型

圖1所示為逆向精切削法的切削變形模型圖解弥禀。刀具以如圖所示正向粗切工件，由于金屬在塑性變形過程中诡岂，晶粒晶格因受力的作用骏芍，而產(chǎn)生滑移、畸變啥葡，晶粒破碎晶面不平蚣殴，晶粒變得細(xì)而長且方向逐漸趨于一致潜呻，因而顯示出一定的方向性政模，并在已加工表面形成變質(zhì)層。當(dāng)?shù)毒咭耘c粗切同方向的切削速度精切時蚂会，精切將引起晶粒的進(jìn)一步流動淋样，晶格歪扭和晶粒進(jìn)一步拉長，塑性變形的增加胁住，晶體對滑移的阻力加大趁猴，促使變質(zhì)層增大的強化作用占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致變質(zhì)層增大彪见。


逆向精切引起晶粒返回的流動	粗切引起的晶粒的流動	精切引起晶粒的進(jìn)一步流動
圖1 逆向精切削法的切削變形模型圖解

一般認(rèn)為變質(zhì)層深度僅有十幾微米到幾十微米儡司。若正向粗切后娱挨，以切削深度小于變質(zhì)層厚度進(jìn)行逆向的精切削，就會在切去粗切表面上大塑性應(yīng)變部分的同時捕犬，使已加工表面下面部分的晶粒組織流動也一同返回跷坝，引起晶粒返回的流動，促使變質(zhì)層減小的弱化作用占據(jù)主導(dǎo)碉碉，表面變質(zhì)層相應(yīng)減小柴钻。因為是逆方向的負(fù)荷，根據(jù) Bauschinger效應(yīng)垢粮，加工硬化會得到相當(dāng)程度的恢復(fù)淫蜕。光彈試驗表明，當(dāng)?shù)毒咔腥斯ぜ纬汕行紩r抬奠，切入線上部的工件材料承受著復(fù)雜的塑性變形肩检，這種變形會擴展到切入線的下部。因此蚓绞，在表層一定深度范圍內(nèi)存在著彈塑性钳雄。逆向負(fù)荷使工件下層的彈性部分的應(yīng)變能得到了一定程度的釋放。這樣的逆向精加工法得到的已加工表面與通常的加工方法相比婴悠，其不平度減小匀枪，表面粗糙度低，耐磨性提高罐闰。

因此凿栅，采用正向粗切后，進(jìn)行逆向精切這一工藝路線噪芭，可以有效的減小表面變質(zhì)層的產(chǎn)生涝露。

3 基于Bauschinger效應(yīng)的逆向精切削變形機理

Johan Bsuschinger通過對鋼進(jìn)行一系列的拉伸和壓縮實驗后發(fā)現(xiàn)，在反向變形期間其屈服點降低楞艾，即在一定量的單向拉伸或壓縮塑性形變之后進(jìn)行反方向加載参咙，材料的屈服強度會低于連續(xù)正向變形的屈服強度，這種現(xiàn)象稱之為Bauschinger效應(yīng)硫眯≡滩啵可以用一個反向應(yīng)變量來定量描述Bauschinger 效應(yīng)，這一反向應(yīng)變量是指載荷反向后為使反向流變應(yīng)力在數(shù)值上等于正向形變所達(dá)到的最大流變應(yīng)力两入，應(yīng)該添加的附加應(yīng)變的大小净宵。

(a)	(b)
圖2 金屬材料的單向拉伸—壓縮曲線

如圖2a 所示，ABC代表單軸拉伸中的正向變形裹纳，C是卸載點择葡。CD是拉伸卸載段，而DEF是反向(壓縮)加載段。不管加載方向是正還是反敏储，把應(yīng)力值和累積應(yīng)變量重新畫在圖2b中阻星。這里，ABCD代表拉伸段已添，而DEF是壓縮加載部分迫横。同時把正向硬化段延長至C'點，于是近似平行的線段CC'和EF之間的流變應(yīng)力水平的瞬時差Ds_b用作表示Bauschinger 效應(yīng)的應(yīng)力參量露您，它反映所謂“永久軟化”的程度飘缨。與此類似，最大正向拉伸應(yīng)力點C 所在處的正反向之間的應(yīng)變差De_b是個應(yīng)變特征參量烙欧，叫做Bauschinger應(yīng)變很洽。

對于鋼來說，它們的硬化機制主要和變形所產(chǎn)生的滑移有關(guān)耙侵，可以單純從滑移的角度去分析Bauschinger效應(yīng)川痛。

逆向精切削的變形試驗

表1 試件材料機械性能
材料牌號	截面尺寸 (mm)	熱處理類型	抗拉強度 s_b(MPa)	屈服強度 s_s (MPa)	延伸率 (%)	收縮率 (%)	硬度 (HB)
10	25	正火	340	210	31	55	143
45	25	退火	610	360	16	40	197

(a)同向精切引起晶粒的進(jìn)一步流動

(b)逆向精切引起晶粒返回的流動

切削參數(shù)：
g_O=0°、v=40m/min宝庵、粗切ap=0.2mm都炮、精切ap=0.05mm
圖3 車削10^#低碳鋼的金相顯微照片

(a)同向精切引起晶粒的進(jìn)一步流動

(b)逆向精切引起晶粒返回的流動

切削參數(shù)：
g_O=0°、v=40m/min植碳、粗切ap=0.2mm听谓、精切ap=0.05mm
圖4 車削45^#鋼的金相顯微照片

為觀察對比同向、逆向精車的塑性變形情況雳唧，分別以10低碳鋼和45中碳鋼作為試件進(jìn)行車削試驗血庐，利用金相技術(shù)制作工件已加工表面的金相磨片，在PME OLYMPUS TOKYO光學(xué)顯微鏡下獲得金相顯微照片锐朴。所用試件材料的機械性能見表1兴喂。

圖3為車削10低碳鋼的金相顯微照片。在PME OLYMPUS TOKYO光學(xué)顯微鏡下焚志，用數(shù)碼照相機拍攝的同向精切衣迷、逆向精切的晶粒流動分別見圖3a、3b酱酬。

圖4為車削45中碳鋼的金相顯微照片壶谒。同向精切、逆向精切的晶粒流動分別見圖4a岳悟、4b佃迄。

由圖3、圖4 可觀察分析同向精切贵少、逆向精切的晶粒流動變化的情況。如圖中所示堆缘，由于超出工件材料屈服點而產(chǎn)生了微觀組織的變化滔灶，表現(xiàn)為晶疗账椋或結(jié)晶組織的拉長及加工硬化等。正向粗車后繼續(xù)正向精車序列表現(xiàn)為晶格歪扭和晶粒進(jìn)一步拉長拿翠，正向粗車后逆向精車序列則表現(xiàn)為引起晶粒返回的流動陡顶。

上述試驗結(jié)果進(jìn)一步驗證了圖2 的逆向精切削法的切削變形模型的正確性。

對比分析10低碳鋼和45中碳鋼的變形情況可知允合，由于低碳鋼的塑性好段鲜，故從宏觀上看比45更容易反映正、逆向切削序列切削變形的差異泌盒。但不同材料的可逆向切削內(nèi)在的變形機制還需要作很深入的研究分析潦寂。但本文認(rèn)為材料的Bauschinger效應(yīng)仍是造成正、逆向切削序列切削變形內(nèi)在差異的主要原因之一筛密。

通常認(rèn)為產(chǎn)生Bauschinger效應(yīng)的機制一般有兩種捡路，其一是短程效應(yīng)，這與金屬材料中位錯運動所受的阻力變化有關(guān)鸭乱。其二是長程效應(yīng)悍蔫，即與材料在單向拉伸或循環(huán)加載過程中出現(xiàn)的內(nèi)應(yīng)力或背應(yīng)力有關(guān)。

宏觀上說橱奶，屈服強度代表晶體開始塑性變形的抗力盯桦。從位錯的觀點看，流變開始時渤刃，滑移面上已有足夠多的位錯掃過相當(dāng)大的面積俺附，屈服強度代表著發(fā)生大量位錯增殖和運動而使滑移帶變寬的切應(yīng)力，所以屈服強度的大小是與位錯的可移動性成反比的溪掀。

圖5 林位錯對位錯運動的影響

結(jié)合短程效應(yīng)事镣，對逆向精切削的Bauschinger 效應(yīng)變形機制進(jìn)行分析。當(dāng)正向切削變形時揪胃，位錯沿某滑移面運動璃哟，遇到林位錯而彎曲，結(jié)果會在位錯前方喊递，使林位錯密度增加随闪，形成位錯纏結(jié)或胞狀組織。如圖5 中位置1所示骚勘，這種位錯結(jié)構(gòu)在力學(xué)上是相當(dāng)穩(wěn)定的铐伴，并形成很強的內(nèi)應(yīng)力場對晶體的屈服有顯著的阻礙作用。因此俏讹，如果此時卸載并隨后繼續(xù)同向切削当宴，位錯線不能作顯著運動。但若卸載后反向切削，相當(dāng)于施加反向力栓授，位錯被迫作反向運動络蟋，因為在反向路徑上，像林位錯這類障礙數(shù)量較少死发，而且也不一定恰好位于滑移位錯運動的前方络跷，則在反向變形時的位錯阻力小于繼續(xù)正向變形時的位錯阻力。故位錯可以在較低應(yīng)力下移動較大距離谴眶。如果首次加載使位錯線處于圖中位置2俺阻，再反向加載也會出現(xiàn)類似情況。

金屬切削過程中的塑性變形會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力宰蘸，所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力有利于位錯的生長督靶，但不利于位錯的運動。內(nèi)應(yīng)力的出現(xiàn)被認(rèn)為是Bauschinger效應(yīng)產(chǎn)生的主要機制枯瞒。其中位錯在晶界周圍堆積和Orowan環(huán)的出現(xiàn)是內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的主要來源口箭。研究表明這種內(nèi)應(yīng)力會有助于反向加載后的位錯運動，對繼續(xù)正向變形有阻礙作用吻育，而有助于反向變形念秧。

內(nèi)應(yīng)力的計算
在金屬材料的Bauschinger效應(yīng)中，內(nèi)應(yīng)力起著非常重要的作用布疼。Moan和Embmp提出了適用于一般金屬材料的內(nèi)應(yīng)力計算模型摊趾，該模型認(rèn)為影響正向流變應(yīng)力的因素有三個：
1. 固溶強化和使最早一組位錯引出并通過障礙的應(yīng)力對強度的貢獻(xiàn)，即初始屈服應(yīng)力游两，記作s₀砾层；
2. 可動位錯與林位錯的交互作用產(chǎn)生的林硬化的貢獻(xiàn)，記作s_d贱案；
3. 沉淀相粒子作用在基體上的平均應(yīng)力或背應(yīng)力的貢獻(xiàn)肛炮，記作s_M^F。
如果用公式來表示宝踪，正向形變中的總流變應(yīng)力是

s_f =s₀ +s_d +s_M^F (1)

通常稱從塑性變形開始到斷裂之前的變形過程為流變過程侨糟，每一瞬間的應(yīng)力稱流變應(yīng)力。切削過程中瘩燥，流變應(yīng)力就是使位錯持續(xù)地通過晶體所需要的最小應(yīng)力秕重。當(dāng)反向流變量與正向流變量相當(dāng)時，形變必定能夠克服s₀和s_d露揽，不過此時专运，s_M^F不會阻礙反向形變，反而有助于發(fā)生反向形變屏部。因此壮畏，反向總流變應(yīng)力成為

s_r =s₀ +s_d -s_M^F (2)
由以上兩式可知律腊，圖2b 中Bauschinger 應(yīng)力Ds_b為

Dsb =s_f +s_r = 2s_M^F (3)

Zulfikar H.A.Kassam在Moan 和Embmp的內(nèi)應(yīng)力計算模型基礎(chǔ)上提出了另一模型。在拉伸情況下

s_f≡s_f^t=s_y^t+Ds_for +Ds_b (4)

s_r≡s_f^c=s_y^c+Ds_for -Ds_b (5)

式中s_f———材料在正向加載時的最大應(yīng)力
Ds_for———由于位錯干涉或林硬化導(dǎo)致的流變應(yīng)力增量
Ds_b———內(nèi)應(yīng)力
s_r———材料在反向加載時的流變應(yīng)力
s_y^t季佣、s_y^c———拉伸和壓縮情況下的原始屈服應(yīng)力
s_y^t———卸載之前份帮，材料在拉伸時的最大應(yīng)力
s_f^c———預(yù)加應(yīng)力后驮屑，材料在壓縮時的補償屈服應(yīng)力
由以上兩式可得

s_f^t-s_f^c=s_y^t -s_y^c + 2Ds_b (6)

所以內(nèi)應(yīng)力

Ds_b=?(s_f^t-s_y^c-s_y^t+s_y^c) (7)

在壓縮情況下溪茶，內(nèi)應(yīng)力的方向反向，即

Ds_b=-?(s_f^t-s_y^c-s_y^t+s_y^c) (8)

4 結(jié)語

對比正向论稠、逆向切削序列徊极，結(jié)合Bauschinger效應(yīng)，從位錯運動的角度考慮经融，金屬切削過程中塑性變形所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會有助于逆向切削序列的位錯運動狡秋，利于反向變形。而對正向切削序列的繼續(xù)正向變形有阻礙作用雏节，不利于繼續(xù)正向變形胜嗓。可逆向精切削序列钩乍，調(diào)整了切削區(qū)域中位錯產(chǎn)生和運動的條件辞州，改變了位錯之間及位錯與各種障礙之間相互作用的特征，促進(jìn)金屬塑性變形的進(jìn)行寥粹，可以有效的減小已加工表面表面變質(zhì)層的產(chǎn)生变过。

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刀具加工切削加工

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