高速切削加工表面残余应力研究与控制
时间：2020-12-13 08:02:44 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
(常州轻工职业技术学院，江苏 常州 213164)
摘 要：文章分析了切削加工表面残余应力产生的机理， 介绍了切削加工表面残余应力的研究方法与进展，提出了控制和调整加工表面残余应力的几 种主要方法。
关键词：高速切削；
表面残余应力；
形成机理；
控制
中图分类号：TG506.1 文献标识码：B 文章编号：1007—6921(2009)08—0111—02
金属切削加工中在切削加工表面上存在着较大的残余应力。残余拉应力会使零件表面产生疲 劳裂纹，降低零件的疲劳强度、抗腐蚀性能，降低零件的使用寿命，还会使刚度差的零件发 生变形而降低形状精度。
高速切削（High-Speed Machining）是一个相对的概念［1］，通常指比常规切削速 度和进给速度高出5～10倍的加工，有时也称为超高速切削。高速切削概念是德国切削物理 学家萨洛蒙（Carl Salomon）于1931年提出的，高速切削理论认为：在常规切削速度范围内 ，切削温度随着切削速度的提高而升高，对于每一种工件材料都存在一个速度范围，在该范 围内，由于切削温度太高，刀具材料无法承受，切削加工不能进行，这个范围称之为“死谷 ”；
但当切削速度越过“死谷”达到一临界值后，切削温度、切削力和刀具磨损开始随切削 速度增大而降低。高速切削技术因其具有高精度、高效率、切削阻力小、工序简化、高速干 切削可实现绿色制造等优点，被看做是提高生产效率和加工质量的关键技术，成为面向21世 纪的先进制造技术的重要组成部分。高速切削技术已在汽车、航空航天、模具制造业得到广 泛应用，并逐步扩展到其他机械加工领域，正成为切削加工的主流。
因此，分析高速切削加工表面残余应力产生的机理及影响因素，对合理控制表面残余应力， 提高零件加工质量有着重要的现实意义。
1 切削加工表面残余应力产生的机理
残余应力的产生是一个非常复杂的力学过程，其实质是由于金属内部组织发生了不均匀的体 积变化。机械加工时的残余应力，是由于已加工表面受切削力和切削热的作用发生严重不均 匀弹塑性变形，以及金相组织的变化影响所致。主要有以下三种原因［2］：
1.1 切削过程中表面层局部塑性变形
切削过程中，原来与切屑相连的表面层金属产生相当大的、与切削方向相同的弹塑性 变形，切屑切离后使表面带有残余拉应力而里层为残余压应力。同时，表层金属在背向力方 向也发生塑性变形，刀具对加工表面的挤压，使表层金属发生伸长塑性变形，但受到基体金 属的阻碍，工件表层产生残余压应力。另外，表层金属的冷态塑性变形使晶格扭曲而疏松， 密度减小，体积增大，也会使表层产生残余压应力而里层是残余拉应力。
1.2 表层局部热塑性变形
切削时，由于强烈的塑性变形和摩擦，使已加工表面层的温度很高，而里层温度较低 。当热应力超过材料的屈服极限时，表层在高温下将伸长，但受基部材料的限制，应该发生 的伸长被压缩。切削后冷却过程中，金属弹性逐渐恢复，至室温时，表层金属要收缩，由于 受到基体金属的阻碍，工件表层产生残余拉应力。
1.3 表层局部金相组织转变
切削时产生的高温会引起表面层金相组织变化，由于不同的金相组织密度不同，表层 体积也将发生变化。如马氏体密度为7.75g/cm3，奥氏体密度为7.968g/cm3，珠光体密 度为7.78g/cm3,铁素体密度为7.88g/cm3。若表层体积膨胀，会产生残余压应力，反之 则产生残余拉应力。
2 切削加工表面残余应力的研究方法与进展
切削加工表面残余应力的大小、性质及其分布是多种变形因素共同作用的结果，受工件材料 、切削参数、刀具参数等多种因素的影响，加之切削加工过程的多元非线性，很难对其作出 定量分析。但由于残余应力对工件的使用性能有着直接的影响，多年来，科研工作者利用各 种方法和手段致力于对残余应力机理的研究。20世纪50年代末，Henriksen及Oxley等人建立 了简单的直角切削模型对切削加工表面硬化及残余应力问题进行了分析。自60年代后期，随 着有限元技术的迅速发展，有限元法成为研究切削过程和机理的主要手段。1973年B.Klamec ki最先应用有限元法系统地研究了金属切削加工中切削形成的原理，并在此基础上对残余应 力进行分析；
1976年，C.R.Liu等人应用刚塑性、弹塑性有限元法，计算工件上产生的热应 力和残余应力；
1982年，Usui和Shirakashi首先提出了刀面角、切削几何形状和流线等，模 拟了不连续状切屑形成过程，在刀具的摩擦、磨损、切屑以及温度对加工表面残余应力影响 等方面进行了有模拟；
Eldridge在1991年开发了热——弹塑正交切削加工有限元模型，该模 型在某种程度上能够预测工件和刀具的切削温度、应力、应变和应变率分布；
2000年，台湾 科技大学的Z.C.Lin 等人分别研究了刀刃有钝圆半径和无钝圆半径的情况，建立了正交和斜 角切削热弹塑性有限元模型，对Nip合金的正交超精密切削中切削速度和切削深度对残余应 力的影响进行了研究，考虑切削加工过程中的热——力耦合效应建立了热——弹塑性有限元 模型；
2007年，D.Umbrello等人基于有限元和实验方法，提出了基于神经网络的切削残余应 力的预测模型，取得了很好的效果。
虽起步较晚，中国在切削加工表面残余应力方面也开 展了许多研究，特别是近年来，在高速切削加工表面残余应力方面取得了一定进展。刘敏、 解宁、刘献礼等人通过切削实验和有限元仿真相结合，研究了三种典型刃口形式即锋利切削 刃口、倒圆刃口和倒棱刃口对高速切削高硬度的GCr15材料时的切削温度、切削力和已加工 表面残余应力的影响规律［3］；
山东大学艾兴、唐志涛等人对高速铣削加工铝合金 表面残余应力进行了分析，建立了双刃斜角切削有限元模型，从热力耦合的角度对残余应力 的形成机理进行了研究［4］，王素玉对高速铣削加工表面残余应力进行了实验研究 ，分析了主轴转速和进给速度对残余应力的影响［5］；
浙江大学董辉跃、吴红兵等 人利用三维斜角切削有限元模型对钛合金的高速切削加工过程进行了模拟，获得了不同切削 速度和不同切削深度下的已加工表面残余应力分布［6］。
3 对残余应力的控制和调整
由于残余应力对工件的使用性能有着直接的影响，因此在实际加工过程，需要针对表面残余 应力产生的原因以及影响因素，通过合理选择切削条件、优化切削参数和刀具参数等措施， 对已加工表面层残余应力的大小和性质加以控制。前人对残余应力产生机理及其影响因素的 研究和探索，为控制切削加工中的残余应力提供了理论和实践依据。
另一方面，在切削加工后采取一些处理措施，也可对已加工表面的残余应力进行调整，表面 强化处理就是目前较常用的方法之一。表面强化处理工艺是通过对工件表面的冷挤压使之发 生冷态塑性变形，从而提高其表面硬度、强度，并形成表面残余压应力的加工工艺。常 用的表面强化工艺有喷丸强化和滚压强化。喷丸强化是利用大量高速运动中的珠丸 冲击工件表面，使打击处发生塑性变形和塑性流动，表面产生冷硬层和残余压应力。珠丸大 多采用钢丸，利用压缩空气或离心力进行喷射。这种方法适用于不规则表面和形状复杂的表 面，如弹簧、连杆等的强化。滚压强化是用可自由旋转的滚子对工件表面均匀地加力挤压， 使表面得到强化并在表面形成残余压应力，适用于规则表面如外圆、孔和平面等的强化加工 ，可在原机床上加装滚压工具进行。此外，采用退火处理、振动时效等人工时效方法，也可 松弛表面层的残余应力。
预应力切削是一种通过切削工艺使机械零件加工表面产生残余压应力的方法［7］， 即切削前预先给工件施加一个弹性范围内的预应力，切削过程中工件加工表面会产生塑性变 形，切削后释放该预应力，由于基体的弹性恢复，已加工表面会产生残余压应力。预应力切 削只需通过切削加工就能使加工表面产生残余压应力，且不需要昂贵的设备，亦不会引起额 外的加工表面硬化，因此其发展前景良好。叶邦彦、彭锐涛［8］等人采用预应力切 削法对轴承套圈进行硬态切削，深入研究了预应力硬态切方法对套圈已加工表面的残余应力 、表面粗糙度以及表面形态等参数的影响，结果表明，该方法可以在轴承套圈加工表面获得 合适的残余压应力状态和良好的表面质量。
4 结束语
切削加工表面残余应力的产生是机械应力和热应力共同作用下引起的不均匀塑性变形的 结果，对零件的使用性能和寿命有直接的影响。通过采取一定的工艺手段，以及优化切削条 件和刀具、工艺参数可以有效地控制和调整已加工表面的残余应力。而对残余应力产生机理 及其影响因素的研究和探索，为控制切削加工中的残余应力提供了理论和实践依据。
［参考文献］
［1］ 艾兴，等. 高速切削加工技术［M］. 北京：国防工业出版社，2003.
［2］ 兰建设，等. 机械制造工艺与夹具［M］. 北京：机械工业出版社，2004.
［3］ 刘敏，解宁，等.淬硬轴承钢高速切削过程的实验与仿真［J］. 制造技术与机 床，2006，(11)：17～20.
［4］ 唐志涛，刘战强，艾兴. 高速铣削加工铝合金表面残余应力研究［J］. 中国 机械过程，2008，19（6）：699～703.
［5］ 王素玉. 高速铣削加工表面质量的研究［M］. 山东大学. 2006,4.
［6］ 吴红兵，刘刚，等. 钛合金的已加工表面残余应力的数值模拟［J］.浙江大学 学报：工学版，2007，41（8）：1389～1393.
［7］ 胡华南，周泽华，陈澄洲. 预应力加工表面残余应力的理论分析［J］.华南理 工大学学报：自然科学版，194，22（2）：1～9.
［8］ 叶邦彦，彭锐涛，等. 预应力硬态切削的残余应力及表面形态［J］. 华南理 工大学学报：自然科学版，2008，36（4）：6～9.
