畢業(yè)論文-切削加工過程中的殘余應力研究

1、切削加工過程中的殘余應力研究摘要：在各種機械和機器的制造過程中，零件內(nèi)部均將產(chǎn)生殘余 應力，所產(chǎn)生的殘余應力狀態(tài)，特別是應力值的大小，隨各種加工方 法或處理方法不同而有較大差別。機械加工如擠壓、拉拔、軋制、校 正、切削、磨削、表面滾壓、噴丸或錘擊等，以及熱加工的焊接、切 割等，不可避免地引發(fā)殘余應力以及殘余應力分布不均。殘余應力是 機械構(gòu)件中普遍存在的，其影響貫穿機械結(jié)構(gòu)全壽命周期，一方面會 降低工件強度，使工件在制造時產(chǎn)生變形和開裂等工藝缺陷，另一方 而，在制造完成后，殘余應力的自然釋放使材料的抗疲勞強度、抗應 力腐蝕等力學性能降低。在大多數(shù)情況下，殘余應力的存在是極其有 害的。關(guān)鍵詞：殘余

2、應力、機械加工、工件壽命、工件性能1背景殘余應力是指在沒有對物體施加外力時，物體內(nèi)部存在的保持自 相平衡的應力系統(tǒng)。它是固有應力或內(nèi)應力的一種，并分為殘余拉應 力與殘余壓應力1。殘余應力主要是由構(gòu)件內(nèi)部不均勻的塑性變形引起的。各種工程 材料和構(gòu)件在毛坯的制備、零件的加工、熱處理和裝配的過程中都 會產(chǎn)生不同程度的殘余應力。殘余應力因其直觀性弟和不易檢測等因 素往往被人們忽視。殘余應力嚴重影響構(gòu)件的加工精度和尺寸穩(wěn)定 性、靜強度、疲勞強度和腐蝕開裂。特別是在承力件和轉(zhuǎn)動件上，殘余應力的存在易導致突發(fā)性破壞但后果往往十分嚴重。圖1和圖2分別是螺栓的斷裂和輪齒的折斷，為工業(yè)生產(chǎn)帶來非常大的影響。圖1螺

3、栓的斷裂圖2輪齒的折斷因此，自20世紀50年代以來國內(nèi)外技術(shù)人員花費了大量的精 力研究殘余應力的產(chǎn)生機理、檢測手段、消除方法以及殘余應力對 構(gòu)件的影響。而殘余應力按應力范圍分為宏觀應力和微觀應力；按產(chǎn)生原因分 為體積應力和組織應力；按工藝過程分為：切削加工殘余應力、熱處 理殘余應力、焊接殘余應力以及鑄造殘余應力等等，本文主要是對切 削加工過程中的殘余應力研究分析。1.殘余應力的產(chǎn)生原因切削加工后的已加工表面上常有殘余應力，其產(chǎn)生原因有以下幾個方面：2.1機械加工過程中力的作用引起的殘余應力這是金屬構(gòu)件在加工中最易產(chǎn)生的殘余應力，當施加外力時，物 體的一部分出現(xiàn)塑性變形，卸載后，塑性變形部分，限

4、制了與其相鄰 部分變形的恢復，因而出現(xiàn)了殘余應力2。由此可見，構(gòu)件在外力作用下出現(xiàn)局部的塑性變形，當外力去除 時，這些局部的塑性變形限制了整個截面變形的恢復，因此產(chǎn)生了殘 余應力。這時沿截面各點出現(xiàn)了止負相間的自相平衡的應力系統(tǒng)，這 就是殘余應力。這種由局部塑性變形引起的殘余應力，在很多加工 工藝中均會岀現(xiàn)，如鍛壓、切削、冷拔、冷彎等等。這種殘余應力往 往是很大的。在金屬的切削過程中，切屑是被加工材料受到刀具的前刀面的 推擠而沿剪切面剪切滑移形成的。在這個過程中，切削層金屬會發(fā) &一系列的變形，同時產(chǎn)牛大量的熱。通常把金屬切削的變形過程 分為3個變形區(qū)（如圖3所示）來研究：圖3切削加工

5、過程的三個變形區(qū)示意圖第一變形區(qū)集中在刀尖與工件接觸的前端，存在大的剪切變形和摩擦，因此會產(chǎn)生大量的熱。在第一變形區(qū)內(nèi)形成的切屑會隨著刀具 的移動沿著前刀面的方向流動。在第二變形區(qū)中，切屑底層和前刀面 會發(fā)生進一步的摩擦和擠壓，這個過程伴隨著塑性變形的產(chǎn)生和熱量 的釋放。由于刀尖鈍角的存在，在第一變形區(qū)中切削層金屬并沒有被 完全切除而會留下薄薄一層未被去除的金屬。當?shù)毒吆凸ぜ鄬\動 時，這一薄層金屬會被擠壓通過切削刃鈍角和后刀面。金屬切削過程 的第三變形區(qū)中，這個過程中表層金屬會發(fā)生塑性變形并產(chǎn)生熱量而 基體則產(chǎn)生彈性變形。刀具切削工件材料過程中，刀尖前方的三角形區(qū)域會隨著刀具的 運動而產(chǎn)生

6、沿著切削方向的壓縮塑性變形和垂直于切削表面方向的 拉伸塑性變形（塑性凸出效應）如圖4所示。因此，在沿著切削表 面的方向會有拉伸殘余應力的產(chǎn)生。圖4切削加工過程塑形形成簡圖與此同時，刀具的后刀而會對已加工表面有進一步的擠壓和摩會使其表面發(fā)生塑性伸長而產(chǎn)生沿表面方向的壓縮殘余應力。實際加工過程中由機械應力所產(chǎn)生的殘余應力是刀具接觸點前方塑性 凸出效應和刀具接觸點后方壓延效應的疊加。1.2加工過程溫度變化引起的殘余應力切削時，由于強烈的塑形變形與摩擦,使已加工表面層的溫度很高，而里層溫度很低，形成不均勻的溫度分布4。溫度高的表層，體 積膨脹，將受到里層金屬的阻礙，使表層金屬產(chǎn)生熱引力，當熱應力 超過

7、材料的屈服極限時，會使表層金屬產(chǎn)生壓縮塑形變形。切削后冷 卻至室溫時，表層金屬體積的收縮受受到里層金屬的牽制，因而使表 層金屬產(chǎn)生殘余拉引力，里層產(chǎn)生殘余壓應力。金屬材料在高溫下其性能將發(fā)生很大的變化，如屈服極限、彈性 模量等都隨溫度的升高而下降。如果構(gòu)件上溫度場的溫度階梯較大， 則屈服極限和彈性模量的分布也是不均勻的，因此在高溫下出現(xiàn)的熱 塑性也是不均勻的。1.3因組織改變而產(chǎn)生的殘余應力切削過程中，由于高溫引起相變而導致的相變應力5。金屬的組 織發(fā)半相變時，會出現(xiàn)體積的突然膨脹。如果這種膨脹是均勻的，則 如同構(gòu)件均勻熱膨脹一樣，沒有約束的情況下不產(chǎn)生應力。但是由于 構(gòu)件的組織成分不均勻，溫

8、度分布不均勻等原因，造成構(gòu)件各部分相 變時間不同，體積膨脹不均勻，因此使各部分間出現(xiàn)互相約束而產(chǎn)生 了殘余應力。一般表層溫度大于相變溫度，則表層組織可能發(fā)生相 變，由于各種金屬組織的體積不同，從而產(chǎn)生殘余應力。如高速切削碳鋼時，刀具與工件接觸區(qū)的溫度可達600-800°c； 而碳鋼在720°c發(fā)生相變，形成奧氏體，冷卻后變?yōu)轳R氏體。由于馬 氏體的體積比奧氏體大，因而表層金屬膨脹，但受到里層金屬的阻礙, 從而使里表層產(chǎn)生殘余拉應力，里層產(chǎn)生殘余壓應力?？傊瑲堄鄳Φ漠a(chǎn)生是由于構(gòu)件某一部分的變形恢復受到約束 而造成的。局部不均勻的塑性變形的出現(xiàn)，是產(chǎn)生殘余應力的普遍原 因。一

9、個構(gòu)件上殘余應力的分布狀態(tài)是由各種原因產(chǎn)生的殘余應力的 綜合值來決定的，因此它的分布規(guī)律是隨機的，給測量和研究帶來較 大的困難。2.殘余應力的影響金屬構(gòu)件在加工過程中，產(chǎn)生殘余應力大多數(shù)表現(xiàn)出很大的危害 作用：降低構(gòu)件的強度、降低工件疲勞極限、造成應力腐蝕和脆性斷 裂以及由于殘余應力分布不均，使構(gòu)件產(chǎn)生變形，影響了構(gòu)件的尺寸 精度等。因此如何在加工過程避免產(chǎn)生太大的的殘余應力以及加工完 成后如何降低和消除構(gòu)件的殘余應力，就顯得十分必要。3.1對金屬材料屈服極限的影響在如圖5所示的應力應變曲線圖中，如果材料具有拉伸殘余應 力，相當于降低了材料的拉伸屈服極限。而相應提高了壓縮屈服極限。 如果材料具

10、有壓縮殘余應力的情況，使拉伸屈服極限提高，而壓縮屈 服極限降低。我們必須在考慮構(gòu)件強度性能要求的基礎上來評定這些影響的 好壞。一般來說，設計者不希望構(gòu)件內(nèi)具有拉伸殘余應力，但假若構(gòu) 件內(nèi)具有壓縮殘余應力，則可提高構(gòu)件的疲勞壽命。因此，對殘余應 力所造成的屈服極限的變化，要根據(jù)設計者的要求使用極限強度來加 以衡量。圖5金屬應力應變曲線3.2殘余應力對疲勞壽命的影響人們很早就知道，當受到交變應力的構(gòu)件存在壓縮殘余應力時， 該構(gòu)件的疲勞強度會有所提高，而存在拉伸殘余應力時，其疲勞強度 會有所下降。因此在實際應用中往往通過表面硬化處理產(chǎn)生壓縮殘余 應力，從而有效地提高疲勞強度。但是很多情況下，構(gòu)件表面

11、存在的 是拉伸殘余應力，人們首先考慮的是如何來改變這種應力分布以提高 疲勞壽命，這就是調(diào)整殘余應力問題，這與考慮殘余應力對變形的影 響是不相同的，后者考慮的是如何降低和消除殘余應力以保證構(gòu)件變 形的穩(wěn)定性。實際上，殘余應力對疲勞的影響因條件和環(huán)境的不同而改變。它 與殘余應力分布規(guī)律和量值、材料的彈性性能、外來作用的狀態(tài)等因 素有關(guān)。當我們研究殘余應力對疲勞的影響時既要考慮宏觀殘余應力 的影響，也要考慮微觀殘余應力的影響?？梢哉J為，宏觀殘余應力在初期 暫時與作用的交變應力疊加，改變應力水平，較大地影響著疲勞壽命。而由微觀組織不均勻性所造成的殘余應力，在應力交變過程中，會使 微觀區(qū)域內(nèi)的塑性變形積

12、累，這些影響比起對靜強度的影響來說，在 實際上更為重要。圖6不同殘余應力與疲勞強度的關(guān)系圖，對厚度3mm的薄板進 行噴丸強化和形變強化使之表面出現(xiàn)壓縮殘余應力，并通過對不同量 值的殘余應力試件進行脈動彎曲疲勞極限的測定得出的殘余應力與 疲勞極限間的關(guān)系。從圖中可以看出，外表面最高的殘余應力與疲勞 極限間的關(guān)系極為明顯。圖7是熱應力與疲勞強度的關(guān)系圖，把圓棒 在600°c時急冷，使表面產(chǎn)生壓縮殘余應力。由兩個例子明顯看出殘 余壓應力明顯對疲勞強度有提高作用。0(5)廠(4) -. c3>眇/(1>脈動彎曲疲勞強度7mpa80400-40120-80-160-20005 10

13、 15 20距表面的深度，io"2 in進行過噴丸強化和變形強化的試樣的殘余應力和疲勞強廈圖6不同殘余應力與疲勞強度的關(guān)系圖熱應力型殘余應力所造應的交變彎曲疲勞強度的増加圖7熱應力與疲勞強度的關(guān)系圖綜上所述，殘余應力對疲勞強度的影響是復雜的。由于在交變應 力作用下殘余應力將會發(fā)生很大的變化，所以研究殘余應力與疲勞強 度之間的關(guān)系是比較困難的。但其影響規(guī)律，通過實驗還是可以找到 的。3.3殘余應力對構(gòu)件變形的影響殘余應力是一個不穩(wěn)定的應力狀態(tài)。當構(gòu)件受到外力作用時，作 用應力與殘余應力的相互作用，使某些局部呈現(xiàn)塑性變形，截面內(nèi)應 力重新分配，當外力作用去除吋整個構(gòu)件將要發(fā)生變形，所以殘

14、余應 力明顯地影響著加工后的構(gòu)件精度。這也是機械加工和工程部門最關(guān) 心的問題之一。實踐已證明，具有表面拉伸殘余應力的構(gòu)件其變形穩(wěn)定性遠遠不 如具有表面壓縮殘余應力的構(gòu)件變形穩(wěn)定性好。殘余應力對構(gòu)件變形的影響包括兩個方面，一是構(gòu)件抗靜、動載 荷的變形能力，另一方面是荷載卸除后變形的恢復能力。殘余應力在 這兩個方面對構(gòu)件的影響是很大的，因此人們一直在研究消除這些影 響的有效辦法。3.4殘余應力對金屬脆性破壞的影響脆性破壞（如圖8所示）是構(gòu)件在幾乎不存在塑性變形的情況下 突然開裂。它在溫度突然下降或變形速度突然增大的情況下，最容易 發(fā)生。這時塑性變形處于抑制狀態(tài)，如再突然受到較大的作用應力等 原因，

15、就易于發(fā)生脆性斷裂破壞。殘余應力是作為初始應力存在于構(gòu) 件內(nèi)，特別是拉伸殘余應力與作用拉應力疊加而加速了脆性破壞。圖8脆性材料的脆性破壞3.5殘余應力對應力腐蝕開裂的影響金屬與周圍介質(zhì)的接觸而產(chǎn)生化學作用所引起的破壞稱做腐蝕。 如果在發(fā)生腐蝕的同時還有應力的作用，則會加速腐蝕破壞，這就是 應力腐蝕開裂（如圖9所示）。它的特點是：一是拉應力與腐蝕共存。 二是市于材料成分和組織不同、介質(zhì)不同等，對應力腐蝕的敏感性也 不同。有時在不發(fā)生腐蝕的介質(zhì)中，有些金屬在應力作用下也發(fā)生應 力腐蝕現(xiàn)象。三是在應力腐蝕開裂過程中，首先出現(xiàn)點蝕，再逐步擴 展成裂紋，裂紋的擴展主要是沿著最大主應力垂直的方向進行，在微

16、 觀上是沿著材料品界或穿過品粒進行。圖9材料的腐蝕開裂試驗證明，拉應力和腐蝕共存是應力腐蝕的必要條件。拉應力使 腐蝕破壞加速，這是應力對腐蝕的作用。而殘余應力的存在則必有拉 伸應力，因此對于承受腐蝕的金屬構(gòu)件來說，殘余應力也起到了應力 腐蝕的作用。對于壓縮殘余應力則恰恰相反，可以防止和減低應力腐蝕開裂現(xiàn)象。防止應力腐蝕開裂的現(xiàn)場措施有表面壓延、噴丸和氮化 處理等，其原理都是使構(gòu)件表面產(chǎn)生壓縮殘余應力。3.殘余應力的避免或減小影響殘余應力的因素較為復雜，因此避免或者減小殘余應力的方主要可以從加工過程中以及加工完成后兩個方面考慮?？傮w來說，凡是能夠減小塑形變形和降低切削溫度的因素都能夠使已加工表面

17、的 殘余應力減小。4.1切削條件方面切削速度增加時，切削溫度隨之增加，因此，熱引力引起的殘余 拉應力起主導作用，從而表面上的殘余拉應力，隨著切削速度的提高 而增大，但是殘余應力層的深度卻減小，這是由于切削力隨著切削速 度的增加而減小，從而塑性變形區(qū)域隨之減小。進給量增加時，切削力及塑形變形區(qū)域隨之增大，并月熱應力引 起的殘余拉應力占優(yōu)勢，從而表面的殘余拉應力及殘余應力層深度都 隨之增加。例如加工退火鋼時，背吃刀量對殘余應力的影響不太顯著, 而加工淬火后回火的45鋼時，隨著背吃刀量的增加，表而的殘余拉 應力將稍微減小些。因此，精加工時，選擇較高的切削速度精加工時，選擇較小的進 給量選擇合適的背吃

18、刀量。4.2刀具方面當前角由正直逐漸變?yōu)樨撝禃r，表層的殘余拉應力逐漸減小，但 殘余應力層的深度增加。這是由于刀具的前角越小，刀刃前方金屬的 壓縮變形及刀具對已加工表面的擠壓與摩擦作用越大，從而殘余拉應 力減小。當在一定的切削用量時，釆用絕對值較大的負前角，甚至會 使已加工表面層得到殘余壓應力。4.3振動時效處理振動時效是利用機械共振的方法消除或均化金屬結(jié)構(gòu)在鑄造、 鍛壓、焊接和切削等機械加工后所產(chǎn)生的殘余應力。它通過向工件 施加一定大小和頻率激蕩力的方式給工件傳遞能量，使工件發(fā)生微 小或宏觀塑性應變來勻化和消除殘余應力。振動時效法不僅可以大幅 度地消除工件內(nèi)部的殘余應力，而且設備簡便，節(jié)能環(huán)保

19、，消除 殘余應力效率高。這種方法在一小時內(nèi)可以消除約50%的殘余應力或削減約50% 殘余應力的峰值，是使用最普遍的方法之一，處理效率高，節(jié)約成本, 但最大缺點是不能完全消除工件內(nèi)聚集的殘余應力。4.4熱處理時效處理熱處理時效又稱為人工時效，最常見的人工時效處理是時效退火 和正火。由于材料的屈服強度會隨著溫度的升高而降低，時效退火 法就是把工件加熱到材料的回復或再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)保存幾小時甚 至幾十小時，來降低材料的屈服強度，使那些在殘余應力作用下達 到屈服極限的部分發(fā)生熱塑性變形來消除殘余應力的。這種方法要保 證冷卻速度足夠緩慢，以免在工件冷卻過程中產(chǎn)生新的殘余應力。 目前人工時效處理應用非常廣泛，它最高可以消除部件內(nèi)部80% 的殘余應力。這種方法消除殘余應力的效果很好，消除速度快、充分, 是至今最實用的方法之一。但是它存在可能引起部件材料的高溫軟 化，其設備昂貴，對環(huán)境也有一定污染。例如借助熱處理設施，將工件由室溫緩慢、均勻加熱至600°c左 右，并在此溫度保溫4-8h