作者：郑晓敏
自紧后的身管在精加工过程中，因为部分材料的去除引起了残余应力的重新分布，因此，对重新分布后的残余应力进行研究是十分有必要的。才鸿年推导了自紧身管精加工后残余应力的解析公式，前提是假设塑性半径不变和加工后残余应力的弹性分布；梁飞对自紧身管不同切削厚度进行数值模拟研究，得出切削厚度对残余应力的影响。本文运用ANSYS中的单元生死技术模拟身管的切削加工过程，研究内表面不同厚度的加工、外表面不同厚度的加工和内外表面不同顺序的加工对最终残余应力的影响。
1身管模型相关参数
身管初始残余应力采用开端液压自紧产生，单元选用具有生死功能的plane183，材料强化准则为双线性随动强化，屈服准则为Miss屈服准则。身管尺寸和材料参数根据文献[4]确定：屈服极限为1 030 MPa、弹性模量为207 GPa、泊松比为0.27;成品身管内径2a=152 mm、外径2b=343 mm，身管毛坯内外径尺寸根据加工余量而定。
2自紧身管加工反向屈服的影响
首先，模拟身管外表面加工，加工厚度分别为2 mm、3 mm、4 mm、5 mm，残余应力的增量与自紧力的关系如图1所示。从图1中可以看出，切削厚度相同时，自紧力越大，残余应力减小量越大；自紧力相同时，切削厚度越大，残余应力减小量越大。当自紧力为1000 MPa，切削厚度为5 mm时，残余应力减小量最大，为40 MPa。从总体上来说，外表面的切削加工对残余应力的影响很小。
再模拟身管内表面加工，加工厚度分别为2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm，残余应力的增量与自紧力的关系如图2所示。从图2中可以看出，与身管外表面切削相比，内表面切削对残余应力的影响规律更为显著和复杂，自紧压力较小时，切削后残余应力在弹性范围内变化，残余应力减小量的变化率很小；在自紧力相同的情况下，加工厚度越大，残余应力的减小量越大，加工量每增加1 mm，残余应力减小量增加25 MPa左右；随着自紧压力的增大，残余应力减小量逐渐减小，表现为曲线斜率的增大，原因是内层切削后再次发生反向屈服，影响了残余应力的减小。图2中，曲线与横轴的交点表示内层加工后残余应力不变，横轴上出现的曲线表示加工后再次出现反向屈服对应的自紧力和自紧度，如表1所示。自紧度基本上在80%左右（自紧度=（c-a）／（b-a），其中，c为弹塑性分界半径）。
3 加工顺序对残余应力的影响
一般理论认为，自紧身管最终的残余应力与内外表面的加工顺序无关，这个结论的前提是假设材料去除时发生的应力再分布是一个弹性过程。而加工数值模拟结果表明：加工外层材料时，残余应力在弹性范围内重新分布，内层材料也不会再次屈服；加工内层材料时，当自紧度在某个值(84%)以下，加工也不会导致内层材料屈服，残余应力也是弹性分布，当自紧度达到84%以上，加工后，内层材料再次屈服，影响了残余应力的线性衰减。图3为内、外表面不同加工顺序对残余应力的影响（负值表示残余应力减小，正值表示残余应力增大）。其中，i3 03表示先加工内表面3 mm，后加工外表面3 mm; 0313表示先加工外表面3 mm，后加工内表面3 mm，以此类推。由图3可以看出，当内表面分别加工3 mm、4 mm、5 mm，外表面加工3 mm时，因内、外表面加工顺序不同残余应力发生变化，在图像的前半段，也就是自紧度在84%以下时，不同加工顺序的曲线是重合的，即加工顺序不影响最
终残余应力；曲线的后半段，即自紧度从84%到100%时，先加工内表面后加工外表面导致残余应力减小，先加工外表面后加工内表面不会导致内壁残余应力的减小，甚至反而会增大。所以，加工顺序对残余应力有影响，而且与自紧度有关。
4结论
通过上述分析，得到如下结论：①自紧身管精加工过程中，内层加工与外层加工相比，内层加工对残余应力的影响更大；②身管精加工过程中，自紧力达到一定程度时，残余应力并不会弹性分布，而是会发生再次屈服，从而减小残余应力的释放程度；③在一定的自紧度(84%)以下，内外表面的加工顺序不会影响最终的残余应力，自紧度超过这个数值后，内外表面的加工顺序会影响最终的残余应力；④内壁在反向屈服区加工时，残余应力减小量很小，甚至残余应力会增大。
5摘要：对自紧身管内外表面切削加工进行了数值模拟研究。分别对无反向屈服和有反向屈服的情况进行分析，得出了在无反向屈服的情况下，切削后残余应力在弹性范围内变化；有反向屈服的情况下，身管内层切削导致内壁再次发生屈服。对内外层的不同加工顺序进行分析，得出在一定的自紧度(84%)以下，最终残余应力与加工顺序无关；自紧度在84%以上，加工顺序会影响最终的残余应力。
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