車削加工表面殘余應(yīng)力離散度的實(shí)驗(yàn)研究*

吳波 覃孟揚(yáng) 葉邦彥 賀愛(ài)東

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640)

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，大飛機(jī)、高鐵、核設(shè)施等大型設(shè)備相繼出現(xiàn);這些設(shè)備具有高速、重載和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的特點(diǎn)，其零部件工作環(huán)境惡劣、復(fù)雜，且往往對(duì)安全性有著極其苛刻的要求，因而對(duì)這些設(shè)備的關(guān)鍵部件，如軸承、曲軸、傳動(dòng)軸的疲勞壽命和可靠性也有很高的要求，對(duì)它們的疲勞壽命預(yù)測(cè)和分析成為研究的重點(diǎn).根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果［1-7］，工件的疲勞壽命和加工表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)有重要的關(guān)系:殘余壓應(yīng)力能抑制工件的疲勞破壞，延長(zhǎng)疲勞壽命;殘余拉應(yīng)力則相反，會(huì)加速疲勞破壞的出現(xiàn).因此，了解和控制工件已加工表面的殘余應(yīng)力，使零件已加工表面呈現(xiàn)穩(wěn)定而較大的壓應(yīng)力狀態(tài)，已成為加工出高質(zhì)量和高可靠性零件的關(guān)鍵.

許多學(xué)者對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究［8-14］，認(rèn)為殘余應(yīng)力是由加工過(guò)程中的熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)相互影響形成的.但由于工件表面殘余應(yīng)力形成過(guò)程非常復(fù)雜，既有彈性變形，又有塑性變形，還存在很高的切削溫度和復(fù)雜的摩擦條件;同時(shí)殘余應(yīng)力受到工件物理性能、刀具、切削參數(shù)、流動(dòng)應(yīng)力分布、熱源產(chǎn)生及熱傳遞等因素的影響，因此很難準(zhǔn)確地對(duì)加工過(guò)程中殘余應(yīng)力的性質(zhì)、大小及其分布做出定量的分析.在實(shí)際加工中很難保證殘余應(yīng)力值的穩(wěn)定，其大小具有一定的離散性，這也導(dǎo)至工件表面質(zhì)量不穩(wěn)定，造成了安全隱患.因此，了解和控制殘余應(yīng)力的離散性、確保加工結(jié)果的穩(wěn)定性是十分有必要的.上海交通大學(xué)的高二威［14］曾對(duì)磨削殘余應(yīng)力的離散性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了不同磨削條件殘余應(yīng)力離散性的差異;但目前對(duì)于切削殘余應(yīng)力離散性的研究還鮮見(jiàn)文獻(xiàn)提及.

文中對(duì)45#鋼在干切削和濕切削(指有冷卻潤(rùn)滑液)狀態(tài)下分別進(jìn)行粗車和精車，利用數(shù)學(xué)分析方法，對(duì)試樣的加工表面殘余應(yīng)力的離散性進(jìn)行研究，了解不同切削條件對(duì)殘余應(yīng)力離散性的影響程度.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出殘余應(yīng)力公差概念，在實(shí)際加工時(shí)作為殘余應(yīng)力控制和檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以保證工件加工表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)，最終得到可靠的使用壽命和良好的使用性能.

1 殘余應(yīng)力離散性理論分析

在切削過(guò)程中，工件材料經(jīng)受切削力和溫度的作用，在切削區(qū)產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)切削完成后，由于機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)的聯(lián)合作用，最終形成了工件表層的殘余應(yīng)力.

切削過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，切削變形區(qū)材料發(fā)生剪切滑移、塑性變形和切屑斷裂分離，同時(shí)伴隨大量切削熱的產(chǎn)生，由于高應(yīng)力、高溫度和熱-力耦合作用，使最終產(chǎn)生的加工表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)變化很大，即使在同一個(gè)切削過(guò)程中，積屑瘤和鱗刺的隨機(jī)出現(xiàn)、切屑的連續(xù)形成和斷裂、刀具磨損和刀-工摩擦系數(shù)的變化都可能對(duì)機(jī)械應(yīng)力造成影響，使其不斷變化;同時(shí)，這些因素也會(huì)影響到切削熱的產(chǎn)生，使得切削應(yīng)力和變形狀態(tài)也發(fā)生變化.根據(jù)金屬的物理特性知道，在溫度和應(yīng)變速率不同的情況下，金屬有著不同的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，也就是說(shuō)切削溫度的變化，會(huì)影響硬化層的形成，最終影響機(jī)械應(yīng)力.正是這種切削力和切削熱不斷變化又相互影響的特點(diǎn)，導(dǎo)致切削區(qū)材料的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力不斷變化，因而工件表面殘余應(yīng)力不可避免的出現(xiàn)離散性.

2 離散性分析的數(shù)學(xué)方法

對(duì)有限的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，只能大致了解數(shù)據(jù)分布的類型和特點(diǎn)，要進(jìn)一步掌握數(shù)據(jù)分布的特征和規(guī)律，就必須利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的數(shù)學(xué)工具，求出具有代表性的數(shù)量特征值，以準(zhǔn)確地描述數(shù)據(jù)的分布.數(shù)據(jù)離散性是用離散度來(lái)表示的［15］，文中采用了以下3個(gè)離散度參數(shù)表征:

(1)極差

它是一組數(shù)據(jù)的最大值與最小值之差，表示用來(lái)確定一組數(shù)據(jù)全部數(shù)值的變動(dòng)區(qū)域.數(shù)學(xué)表示為

式中，R是極差值，X是試樣數(shù)據(jù).

(2)標(biāo)準(zhǔn)差

標(biāo)準(zhǔn)差是測(cè)量數(shù)據(jù)離散程度的最主要方法，在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用.標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式為

式中，Xi為試樣數(shù)據(jù)，σ為Xi的標(biāo)準(zhǔn)差，ˉX為Xi的平均值，n為試樣總數(shù).

(3)變異系數(shù)

變異系數(shù)cv是相對(duì)離散度.其計(jì)算公式為

式中，cv為Xi變異系數(shù)，μ為Xi算術(shù)平均值.

變異系數(shù)主要是用于比較對(duì)不同組別數(shù)據(jù)的離散程度.如果有兩種或兩種以上性質(zhì)不同，單位不同或平均值不同的數(shù)據(jù)，用變異系數(shù)進(jìn)行差異程度和分散程度的比較，可信度較高.

由于殘余應(yīng)力極差對(duì)于疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展具有直接影響，殘余應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差直接影響疲勞壽命預(yù)測(cè)精度，變異系數(shù)能較好地進(jìn)行工藝之間離散度的對(duì)比，因此，文中將從絕對(duì)離散度(極差、標(biāo)準(zhǔn)差)和相對(duì)離散度(變異系數(shù))兩個(gè)方面，分析加工表面殘余應(yīng)力的離散性.

3 實(shí)驗(yàn)方法

為了研究切削殘余應(yīng)力的離散性，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)材料采用45#鋼，所有試樣統(tǒng)一加工成直徑30mm，長(zhǎng)300mm的棒料.加工機(jī)床采用普通臥式車床;精加工采用同一把外圓工車刀，所有粗加工采用另外一把外圓車刀;濕切削采用礦物油作為切削液.切削方案如表1所示.每個(gè)實(shí)驗(yàn)組加工4個(gè)試樣.

表1 實(shí)驗(yàn)方案Table 1 Experimental scheme

加工完成后，用Strainflex公司的MSF-2M型X射線衍射儀來(lái)測(cè)量表面殘余應(yīng)力.如圖1所示，在每個(gè)試樣切削區(qū)域中間取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)之間軸向距離為50mm，周向間隔為120°.殘余應(yīng)力測(cè)量方向?yàn)檩S向，以正值代表殘余拉應(yīng)力，以負(fù)值代表殘余壓應(yīng)力.

圖1 殘余應(yīng)力測(cè)量位置Fig.1 Residual stress measuring positions

4 結(jié)果與討論

殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示.從表2可知:45#鋼精加工的殘余應(yīng)力是拉應(yīng)力，而在大鈍圓車刀粗加工情況下，工件表面獲得了殘余壓應(yīng)力;精加工在潤(rùn)滑油狀態(tài)下獲得的殘余拉應(yīng)力比在干切削狀態(tài)下的要小，而粗加工在潤(rùn)滑油狀態(tài)下獲得的殘余壓應(yīng)力要比干切削狀態(tài)下的要大，原因是潤(rùn)滑油通過(guò)冷卻切削熱和降低摩擦，可以降低熱效應(yīng)，減小拉應(yīng)力，而機(jī)械效應(yīng)的形成主要受刀具鈍圓擠壓、切削參數(shù)和工件材料決定，潤(rùn)滑油影響很小，其產(chǎn)生的壓應(yīng)力幾乎不變.

表2 加工表面殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果和離散度Table 2 Residual stress and its scatter of experimental results

表2表明，試樣F1-2獲得最大的殘余拉應(yīng)力(516MPa)，其標(biāo)準(zhǔn)差為38MPa，變異系數(shù)為8;F2-4有最小的殘余拉應(yīng)力(295 MPa)，其標(biāo)準(zhǔn)差為22MPa，變異系數(shù)為6.60;R1-4擁有最小的殘余壓應(yīng)力(227MPa)，其標(biāo)準(zhǔn)差為43MPa，變異系數(shù)為15.68;最大的殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在試樣R2-1中，其標(biāo)準(zhǔn)差為40MPa，變異系數(shù)為9.88.無(wú)論是從絕對(duì)差異度還是相對(duì)差異度來(lái)看，任何單一試樣不同點(diǎn)的殘余應(yīng)力都有一定離散性.在同一已加工面有不同的殘余應(yīng)力，這說(shuō)明切削加工是一個(gè)復(fù)雜變化的過(guò)程，會(huì)導(dǎo)致所得到的殘余應(yīng)力發(fā)生變化.工件的殘余應(yīng)力離散性無(wú)法消除，只能限制.而從實(shí)驗(yàn)最大的變異系數(shù)為16.52，最小的變異系數(shù)僅為6.60可以知道，單一試樣殘余應(yīng)力的離散性不是特別大，可以限制在一定的范圍.

無(wú)論什么樣的加工條件，同一實(shí)驗(yàn)組不同試樣的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、極差和變異系數(shù)均存在離散性.這是由工件的裝夾、刀具的磨損和工件材料的差異造成，說(shuō)明以單一試樣殘余應(yīng)力狀況來(lái)判別同組其他試樣的應(yīng)力是有一定誤差的，也說(shuō)明要在不同試樣上獲得穩(wěn)定的加工殘余應(yīng)力需要付出很大的努力.但不同條件的實(shí)驗(yàn)組內(nèi)試樣的變異系數(shù)都是在一定小范圍內(nèi)變化，如果加工前把這一點(diǎn)考慮進(jìn)去，還是可以通過(guò)一定的方法把同組試樣的殘余應(yīng)力控制在一定范圍內(nèi).

從表2可知，加工條件不同，試樣離散程度是不一樣的.離散性最大的試樣是 R1-1，其標(biāo)準(zhǔn)差是46MPa，變異系數(shù)是16.52，其極差101 MPa僅次于同組試樣R1-4的102MPa，這顯示在干切削的粗加工條件下，單一試樣的殘余應(yīng)力離散性是最大的.試樣F2-3有實(shí)驗(yàn)最低的變異系數(shù)4.86、最小的標(biāo)準(zhǔn)差16MPa和最小的極差35MPa，表明潤(rùn)滑條件下的精加工可以獲得離散性最小的試樣.各組試樣極差的離散度波動(dòng)很大，但實(shí)驗(yàn)最大的兩個(gè)極差101和102MPa都在干切削粗加工得到，而最小的3個(gè)極差35、40和45MPa都出現(xiàn)在潤(rùn)滑狀態(tài)下的精加工試樣中.因此不同條件加工的試樣離散性程度為:干切削大鈍圓粗加工＞潤(rùn)滑切削大鈍圓粗加工＞干切削精加工＞潤(rùn)滑切削精加工.這是由于粗加工切削過(guò)程激烈，影響機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)的各種因素變動(dòng)較大，其殘余應(yīng)力離散程度就高;而精加工由于切削刃鋒利，切削參數(shù)比較小，加工過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，其殘余應(yīng)力離散程度就要小一些.

切削液可以減低殘余應(yīng)力離散性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論是粗加工還是精加工，濕切削狀態(tài)下試樣的離散度要小于干切削狀態(tài)的試樣.這是由于切削液的潤(rùn)滑和冷卻作用降低了機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)，同時(shí)也抑制了積屑瘤的形成和鱗刺的出現(xiàn)，從而使切削過(guò)程更為平穩(wěn)，殘余應(yīng)力的離散度也就變小.

工件表面殘余應(yīng)力離散性度意味著殘余應(yīng)力性質(zhì)的穩(wěn)定程度，一般說(shuō)來(lái)，如零件加工表面殘余應(yīng)力狀態(tài)的性質(zhì)符合要求時(shí)，離散度越低，殘余應(yīng)力越穩(wěn)定，出現(xiàn)工件疲勞破壞的機(jī)會(huì)越小，工件使用壽命越長(zhǎng).根據(jù)拉應(yīng)力對(duì)疲勞破壞有促進(jìn)作用，而壓應(yīng)力有抑制作用的理論，結(jié)合殘余應(yīng)力的性質(zhì)來(lái)考慮，容易知道利用大鈍圓車刀在切削液狀態(tài)下加工的工件，其使用壽命是較長(zhǎng)的.

根據(jù)上述分析，無(wú)論單一試樣、同組試樣、或者不同加工條件的試樣，都具有一定的離散性，但離散度都在有限的范圍內(nèi)，而且可以通過(guò)技術(shù)方法對(duì)范圍進(jìn)行縮小.

5 殘余應(yīng)力公差概念

加工表面殘余應(yīng)力對(duì)工件疲勞壽命有著重要的影響.如果通過(guò)技術(shù)手段和規(guī)范控制工件殘余應(yīng)力的性質(zhì)和大小，產(chǎn)生出批量有相同殘余應(yīng)力范圍的工件;那么在相同工作條件下這些工件將有相同的疲勞壽命，不易出現(xiàn)突發(fā)性疲勞破壞，這對(duì)提高關(guān)鍵部件的可靠性和安全性都具有重要意義.

由于已加工表面的殘余應(yīng)力大小具有離散性，在實(shí)際加工中無(wú)法對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行精確定量的預(yù)測(cè)和控制，但可以像通過(guò)尺寸公差來(lái)保證加工尺寸的精度一樣，在零件設(shè)計(jì)時(shí)制定一個(gè)允許的殘余應(yīng)力變化量，作為工件加工和檢測(cè)的要求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將殘余應(yīng)力控制在一定的范圍內(nèi)，這個(gè)允許的殘余應(yīng)力變化量即為殘余應(yīng)力公差.

與尺寸公差形式一樣，殘余應(yīng)力公差也可以由一個(gè)基本殘余應(yīng)力和上下偏差組成.根據(jù)加工表面殘余應(yīng)力的特點(diǎn)，大部分情況下認(rèn)為殘余壓應(yīng)力越大越好，那么殘余應(yīng)力公差可以只有上偏差，而無(wú)下偏差;這樣的加工殘余應(yīng)力許可范圍非常大，加工容易達(dá)到要求.部分工件可能要求表面殘余應(yīng)力比較一致，要通過(guò)上下偏差來(lái)限制一個(gè)小的許可變動(dòng)范圍，加工工藝要求比較嚴(yán)格.殘余應(yīng)力公差標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的推薦加工工藝可以通過(guò)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，從理論研究和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)兩方面來(lái)制定.

對(duì)加工表面殘余應(yīng)力影響因素的研究表明，不同因素對(duì)殘余應(yīng)力有不同程度的影響，可通過(guò)選擇適合的技術(shù)手段把殘余應(yīng)力調(diào)控到某一范圍.前期研究證明，采用預(yù)應(yīng)力切削和合理的刀具切削刃鈍圓半徑是控制工件表面殘余應(yīng)力的有效方法［9］.文中對(duì)切削殘余應(yīng)力離散性的研究結(jié)果也表明，在切削條件相同的情況下，不同工件的殘余應(yīng)力可保持在一定的范圍內(nèi)，說(shuō)明在實(shí)際的批量加工中，加工表面殘余應(yīng)力的穩(wěn)定控制是可行的;同時(shí)，這個(gè)特點(diǎn)使殘余應(yīng)力狀態(tài)可以抽樣檢測(cè)，降低檢測(cè)成本，提高生產(chǎn)效率.

綜上所述，殘余應(yīng)力公差的實(shí)行具有必要性和可行性.

6 結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和上述分析，得到以下結(jié)論:

(1)在車削條件下，工件加工表面殘余應(yīng)力狀態(tài)具有離散性，同一加工表面或不同工件、不同加工條件的表面，其殘余應(yīng)力離散程度不一樣.

(2)粗加工的表面殘余應(yīng)力離散程度比精加工要大，干切削的加工表面殘余應(yīng)力離散程度比濕切削大.

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在正常的加工條件下，工件加工表面殘余應(yīng)力狀態(tài)的離散程度都在一個(gè)有限的范圍，可以通過(guò)制定殘余應(yīng)力公差來(lái)指導(dǎo)工件的加工和檢測(cè)，保證工件的表面殘余應(yīng)力狀態(tài)的穩(wěn)定.

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