車銑加工表面層殘余應力的研究

章一亨

（杭州師范錢江學院電氣信息系機械063班，浙江 杭州310000）

金屬切削加工是一個伴隨著高溫、高壓、高應變率的塑性大變形過程，在已加工表面上往往存在著較大的殘余應力，已加工表面層殘余應力對零件的使用性能有著重要的影響。殘余拉應力會降低零件的疲勞強度，有時甚至在切削加工后，會使零件表面產(chǎn)生微裂紋：面殘余壓應力卻能提高零件的疲勞強度。當各部分的殘余應力山于分布小均勻，還會發(fā)生工件變形，影響工件的形狀精度和尺寸精度。因此，研究加工表面層殘余應力，對保證零件表面質(zhì)量有重要意義。

1 殘余應力的定義、分類與產(chǎn)生機理

1.1 殘余應力的定義

殘余應力以平衡狀態(tài)存在于物體內(nèi)部，是固有應力域中局部內(nèi)應力的一種。殘余應力是一種小穩(wěn)定的應力狀態(tài)，當物體受到外力作用時，作用應力與殘余應力相互作用，使其某些局部呈現(xiàn)塑性變形，截面內(nèi)應力重新分配：當外力作用去除后，整個物體山于內(nèi)部殘余應力的作用將發(fā)生形變。

1.2 殘余應力的分類

第一類殘余應力，標記為σr1。它在材料較大范圍內(nèi)或許多品粒范圍內(nèi)存在并保持平衡，在多個連續(xù)品體范圍內(nèi)保持常數(shù)，它的大小、方向和性質(zhì)可用通常的物理或機械方法進行測量。如果第一類殘余應力所產(chǎn)生的力或力矩的平衡狀態(tài)遭到破壞，將導致構(gòu)件宏觀尺寸的變化。通常山于切削加工產(chǎn)生的殘余應力是指宏觀殘余應力。根據(jù)加工殘余應力的性質(zhì)小同，可分為殘余拉應力和殘余壓應力，應力的大小隨表層的深度面變化。

第二類殘余應力稱為微觀結(jié)構(gòu)應力(Structural stress)，標記為σr11。它存在于品粒尺度內(nèi)且保持平衡，在一個或幾個品粒的部分范圍內(nèi)保持均勻。如果第二類殘余應力平衡狀態(tài)得到改變，也會造成宏觀尺寸的變化。

第三類殘余應力稱品內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應力(Substructural stress)，標記為σr111。它是在品粒若干個原子范圍內(nèi)存在并在品粒的小部分內(nèi)保持平衡，在品體亞結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)大小小均勻。第三類殘余應力平衡狀態(tài)的破壞，小會引起宏觀尺寸的變化。

在大多數(shù)情況下，宏觀殘余應力與微觀殘余應力總是同時存在的，產(chǎn)生第一類殘余應力的加工過程必須伴隨第二、第三類殘余應力的產(chǎn)生。

1.3 殘余應力的產(chǎn)生機理

目前，關于殘余應力的產(chǎn)生機理，從理論上定量分析還存在困難。下面僅從已加工表面形成過程的角度分析殘余應力的產(chǎn)生機理。

1.3.1 機械應力引起的殘余應力

工件裝夾時，如果夾緊力過大，將會使工件發(fā)生塑性變形，從面使工件產(chǎn)生殘余應力。切削過程中，刀刃前方的工件材料受到前刀面的擠壓，從面使將成為已加工表面層的金屬，在切削方向產(chǎn)生壓縮的塑性變形：而在與已加工表面垂直方向產(chǎn)生拉伸塑性變形；切削后受到與之連成一體的里層未變形金屬的牽制，從面產(chǎn)生殘余應力。在已加工表面形成過程中，刀具的后刀面與已加工表面產(chǎn)生很大的擠壓和摩擦，使表層金屬產(chǎn)生拉伸塑性變形，刀具離開后，里層金屬的彈性變形趨向恢復，但受到表層金屬的牽制，因而也產(chǎn)生殘余應力。

1.3.2 熱應力引起的殘余應力

切削時，山于強烈的塑性變形與摩擦，使已加工表面層的溫度很高；面里層溫度很低，形成小均勻的溫度分布，因此，當熱應力超過材料的屈服極限時，將使表層金屬產(chǎn)生壓縮變形，切削后冷卻至室溫時，表層金屬體積的收縮又受到里層金屬的牽制，因而產(chǎn)生殘余應力。

1.3.3 相變引起的殘余應力

切削時，若表層溫度大于相變溫度，則表層組織可能發(fā)生相變，山于各種金相組織的體積小同，從面產(chǎn)生殘余應力。在切削過程中，引起小均勻塑性變形的機械應力和熱應力是同時存在的，所以殘余應力的計算是一個熱一力耦合的熱彈塑性問題。

2 單因素實驗方案

2.1 實驗目的

通常山于切削加工產(chǎn)生的殘余應力是指宏觀殘余應力，也即第一類殘余應力。本文從影響車銑加工工件表面殘余應力的兩個主要因素(銑刀轉(zhuǎn)速nc和軸向進給量fa)出發(fā)，采用單因素實驗方法，分別改變銑刀轉(zhuǎn)速nc和軸向進給量fa，進行單因素正交車銑65#鋼實驗，研究車銑加工的切削用量與工件表面殘余應力的關系。

2.2 實驗條件

實驗機床：數(shù)控車銑加工中心MAZAK INTEGEX200Y。

工件材料：65#鋼，鐵素體，其硬度為HRC21，屈服強度σs=784MPa，抗拉強度σb=980MPa，延伸率δ=9%，斷面收縮率Ψ=35%35%，化學成分見表1。

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刀具：可轉(zhuǎn)位立銑刀，直徑20mm，齒數(shù)Z=2，刀片為Widia公司的XDHT090308

TN5515型MT-CVD-TiN-A12O3涂層刀片。

切削條件：正交順銑，乳化液冷卻

實驗測量儀器：荷蘭Panalytical公司，多晶X射線衍射儀PW3040,X射線CuKa

照射，衍射晶面(211)，等于0.154nm，衍射角為2θ=156.40，殘余應力的測試采用00－450法測量。

金相顯微鏡：OLYMPUS公司，倒置型金相顯微鏡GX-71。

2.3 實驗方案

固定切削深度ap=0.2mm，正交車銑偏心距e=2mm，工件轉(zhuǎn)速nw=3 r/min。

實驗1在軸向進給量fa=0.8mm/r下，只改變銑刀轉(zhuǎn)速nc，考察銑刀轉(zhuǎn)速nc對加工件表面殘余應力的影響，nc分別為2000r/min,2500r/min，3000r/min，3500r/min，相應的切削速度v分別 為 :125.6m/min， 157m/min，188.4m/min，219.8m/minx試驗號1~4(如圖所示)。

實驗2在銑刀轉(zhuǎn)速nc=3000r/min下，只改變軸向進給量fa，考察軸向進給量fa對工件表而殘余應力的影響，fa分別為0.4mm/r，0.6mm/r，1.0mm/r，1.2mm/r(0.8mm/r在實驗1中已進行)。試驗號5~8(如圖所示)。

實驗3車削加土切削用量：切削深度ap=0.2mm，fa=0.lmm/r，轉(zhuǎn)速n=400r/min，試驗號為9(如圖所示)。

3 試驗分析結(jié)論

為了深入研究銑刀轉(zhuǎn)速和刀具軸向進給量對表面層殘余應力的影響規(guī)律，我們設計了單因素試驗方案，運用金屬切削原理的知識，詳細地分析了試驗結(jié)果，從中得出以下結(jié)論：

1)金屬的熱塑性變形作用對車銑加工工件表面殘余應力的產(chǎn)生和變化大小的影響起主導作用，里層金屬的彈性恢復和表層金屬在切削熱作用下發(fā)生的相變是次要作用。

2)切削速度從125.6m/min增大到157m/min，工件表面殘余應力為拉應力但增大趨勢小明顯，從157m/min增大到188.4m/min，表面殘余拉應力急劇增大，但從188.4m/min增大到219.8m/min時，表面殘余拉應力急劇下降。增大軸向進給量fa，對車銑加工工件的表面殘余應力影響顯著。隨著軸向進給量無的增大，表面殘余應力逐漸減小。

3)銑刀轉(zhuǎn)速nc為3000r/min(即188.4m/min)附一近是切削振動的固有一頻率，為了工件得到較好的殘余應力狀態(tài)，車銑切削用量應避開nc為3000r/min，fa為0.8mm/r的組合。

4)對比車削加工，車銑加工能夠在更高的銑刀轉(zhuǎn)速nc和更大的軸向進給量fa的切削條件下，使工件得到表面殘余壓應力以提高工件的表面質(zhì)量。

[1]晉燒，詡舟.車銑復合開創(chuàng)未來一本刊主編劉柱與奧地利WFL車銑技術公司首席代表李鋒博士對話.航空制造技術.2007.(4):42一43

[2]賈春德，姜增輝.車銑原理.北京:國防土業(yè)出版社，2003.5-6

[3]王素玉.高速銑削加土表而質(zhì)量的研究.[山東大學:博士學位論文]，2006.5-6