高速切削加工表面残余应力研究与控制

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1、高速切削加工表面残余应力研究与控制　　(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(XX)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

2、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。 高速切削加工表面残余应力研究与控制　　(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(XX)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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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.Klamecki最先应用有限元法系统地研究了金属