車床加工過程中殘留應(yīng)力影響因素及減小措施

【摘要】在車床加工鉆井工具時(shí)，有很多因素影響加工過程中的殘留應(yīng)力，減少各種因素對(duì)加工過程中的殘留應(yīng)力的影響是機(jī)械加工前必須考慮的事情。通過分析影響車床加工過程中殘留應(yīng)力的主要因素，有針對(duì)性地提出減小殘留應(yīng)力的對(duì)策措施。

【關(guān)鍵詞】車床加工；殘留應(yīng)力；影響因素；前、后角；切削速度

殘留應(yīng)力是衡量表面質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)，它是指工件表層材料內(nèi)由于切削加工而造成的附加內(nèi)應(yīng)力。衡量機(jī)械加工質(zhì)量的指標(biāo)有兩方面即加工精度與表面質(zhì)量，零件的加工質(zhì)量是保證機(jī)械產(chǎn)品工作性能和產(chǎn)品壽命的基礎(chǔ)。在機(jī)械加工過程中，由于各種因素的影響，使零件的表面殘留應(yīng)力增大。加工殘余應(yīng)力不僅直接影響零件的加工精度等表面質(zhì)量， 而且影響零件的尺寸、穩(wěn)定性、疲勞強(qiáng)度、抗腐蝕能力等性能。對(duì)殘留應(yīng)力除了要注意其大小以外，還應(yīng)區(qū)分殘留應(yīng)力的性質(zhì)，是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力，拉應(yīng)力對(duì)表面的疲勞強(qiáng)度特別有害。

一、車床加工過程中殘留應(yīng)力產(chǎn)生的原因

1、工件表面的塑性變形

工件表面層材料在經(jīng)過第三變形區(qū)時(shí)，在切削力的作用下，使金屬的晶格扭曲而強(qiáng)化，已加工表面受到強(qiáng)烈的冷塑性變形，其中以刀具后刀面對(duì)已加工表面的擠壓及摩擦產(chǎn)生的塑性變形最為突出，此時(shí)基體金屬受到影響而處于彈性變形狀態(tài)。切削力除去后，基體金屬趨向恢復(fù)，但受到已產(chǎn)生塑性變形的表面層的限制，恢復(fù)不到原狀，因而使表層內(nèi)產(chǎn)生殘留壓應(yīng)力。

2、熱應(yīng)力

切削加工時(shí)工件表層在切削溫度的作用下受熱膨脹，此時(shí)基體金屬溫度較低，因此表層金屬產(chǎn)生熱壓應(yīng)力。當(dāng)切削過程結(jié)束時(shí)，表面溫度下降較快，故收縮變形大于里層，由于表層變形受到基體金屬的限制，故而產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。切削溫度越高，熱塑性變形越大，殘余拉應(yīng)力也越大，有時(shí)甚至產(chǎn)生裂紋。

3、組織應(yīng)力

當(dāng)切削溫度高于工件材料的相變溫度時(shí)，表層材料的組織會(huì)發(fā)生相變。由于不同組織具有不同的比容，表面層金相組織變化的結(jié)果造成了體積的變化。如果表層膨脹，則產(chǎn)生壓應(yīng)力，如果基體膨脹，則產(chǎn)生拉應(yīng)力。如淬硬鋼受到摩擦擠壓時(shí)，若工件表面的組織由比容較大的馬氏體轉(zhuǎn)變成比容較小的珠光體，則體積縮小，在表層內(nèi)形成殘留拉應(yīng)力。在加工后工件表層內(nèi)最終形成的殘留應(yīng)力的性質(zhì)，要決定于以上三種影響的綜合結(jié)果。但在一般情況下，形成拉應(yīng)力的可能性較大。殘余應(yīng)力一般是有害的，它一般不會(huì)立即表現(xiàn)為缺陷。當(dāng)零件在工作中因工作應(yīng)力與殘余應(yīng)力相疊加，而使總應(yīng)力超過強(qiáng)度極限時(shí)，便出現(xiàn)裂紋和斷裂。

二、殘留應(yīng)力對(duì)工件的影響

1、殘留應(yīng)力對(duì)工件尺寸的影響 殘余應(yīng)力是一個(gè)不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)構(gòu)件受到外力作用時(shí)，作用應(yīng)力與殘余應(yīng)力的相互作用，使某些局部呈現(xiàn)塑性變形，截面內(nèi)應(yīng)力重新分配，當(dāng)外力作用去除時(shí)整個(gè)構(gòu)件將要發(fā)生變形。所以殘余應(yīng)力明顯地影響著加工后的工件尺寸。

2、殘留應(yīng)力對(duì)金屬材料塑性、韌性的影響 當(dāng)對(duì)具有殘留應(yīng)力的材料進(jìn)行塑性加工時(shí)，殘留應(yīng)力使內(nèi)部的應(yīng)力不均勻分布，使材料的變形抗力升高，塑性降低。

3、殘留應(yīng)力對(duì)金屬材料耐腐蝕性、疲勞強(qiáng)度的影響 由于工件內(nèi)部具有殘留應(yīng)力，使其處于高能量狀態(tài)，易于氧化介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用，即應(yīng)力腐蝕，從而降低工件的耐腐蝕性。殘留應(yīng)力使內(nèi)部的應(yīng)力不均勻分布，降低疲勞強(qiáng)度。

二、減少加工殘留應(yīng)力的減小措施

1、增大刀具的前、后角，減小刃口圓弧半徑 在切削加工中工件殘余應(yīng)力的大小與刀具的前、后角密切相關(guān)。殘余應(yīng)力與前角的關(guān)系是：不論前角如何取值，在工件表面都形成殘余拉應(yīng)力。在前角一定變化范圍內(nèi)，工件表面主要產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，其值隨前角增加先增大后減小。對(duì)前、后角越大，刃口圓弧半徑越小，則刀具愈鋒利，工件已加工表面的塑性變形減小，工件表面的殘留拉應(yīng)力也愈大，減小前角可使殘留拉應(yīng)力降低，而采用負(fù)前角刀具高速切削鋼材時(shí)，有可能得到表面殘留壓應(yīng)力。

2、提高切削速度，適當(dāng)減小進(jìn)給量 切削速度越高，則工件的塑性變形小，而且塑性變形擴(kuò)展的范圍也小些，表面應(yīng)力特征環(huán)向殘余拉應(yīng)力隨著車削速度的提高而增大， 軸向殘余應(yīng)力隨之減小，且車削速度對(duì)環(huán)向應(yīng)力的影響較大。

3、采取有效的冷卻潤滑措施 采用切削液能將切削熱迅速地從切削區(qū)帶走，可使溫度大大地下降，可降低因切削熱及零件表層材料相變引起的殘留應(yīng)力。切削液能在刀具前、后刀面上形成一層潤滑薄膜，以減少金屬表面的直接接觸，減輕摩擦及粘結(jié)現(xiàn)象。為了保證具有良好的潤滑作用，要求切削液能迅速滲入刀具與工件或切屑的接觸界面，并形成牢固的吸附潤滑薄膜，不致在高溫、高壓及劇烈的摩擦條件下被破壞。當(dāng)切削液中含有油性添加劑（如脂肪酸、皂類、胺類等化合物）或極壓添加劑（如：硫化油、氯化石蠟等含硫、氯、磷的有機(jī)化合物）時(shí)，其潤滑作用就大大地加強(qiáng)了。一般含油性添加劑的切削液僅適用于低俗輕負(fù)荷的場合；含硫的切削液可耐受1000℃左右的高溫；含氯的切削液能耐受600℃左右的溫度，而其降低摩擦系數(shù)的能力優(yōu)于含硫切削液。流動(dòng)性、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容及汽化熱愈大，則冷卻性能也愈好。由于水的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容及汽化熱都比油類高，因此水基切削液的冷卻效果比油基切削液好。當(dāng)切削液中有泡沫存在時(shí)，會(huì)使冷卻作用減小，所以有時(shí)還要在切削液中加入少量的抗泡沫添加劑，以改善冷卻效果。

4、對(duì)粗加工的工件進(jìn)行時(shí)效處理

（1）自然時(shí)效 自然時(shí)效是通過把零件暴漏于室外，經(jīng)過幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間，從而使殘余應(yīng)力減小或消除。

（2）去應(yīng)力退火時(shí)效處理 去應(yīng)力退火是將工件隨爐緩慢加熱至500——650℃（

（3）振動(dòng)時(shí)效 振動(dòng)時(shí)效的實(shí)質(zhì)是以共振的形式給工件施加附加動(dòng)應(yīng)力，當(dāng)附加動(dòng)應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后，達(dá)到或超過材料的屈服極限時(shí)，工件發(fā)生微觀或宏觀塑性變形，從而降低和均化工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力。振動(dòng)時(shí)效具有投資少、生產(chǎn)周期短、使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)、節(jié)約能源、降低成本、符合環(huán)保要求、操作簡單易實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化。它可以避免金屬在熱時(shí)效過程中產(chǎn)生的變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷。

四、結(jié)束語

車床是機(jī)械加工中的重要設(shè)備，在進(jìn)行工件加工的時(shí)候要注意不同因素對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的影響。充分發(fā)揮車床的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并在生產(chǎn)的過程中多進(jìn)行總結(jié)。

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作者簡介

孟凡策，1984年3月生，助理工程師，2004年畢業(yè)于北華大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)在大慶鉆探工程公司鉆技一公司鉆井工具分公司完井工具車間工作。