鑄造件切削加工殘余應(yīng)力及變形分析

張愛玲

（中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院 裝備制造部，河北 石家莊）

0 引言

目前，對于大多數(shù)的復(fù)雜零件加工往往采用壓鑄的加工方法，但由于此過程中鑄造變形也是整個鑄造工藝中的比較普遍的一個問題，因此機械加工技術(shù)人員通常都會使用各種方法去除在加工過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力，作為最常用的方法就是冷態(tài)和熱態(tài)的矯正。當(dāng)進行了鑄造件冷態(tài)和熱態(tài)矯正之后，往往會在鑄造件內(nèi)形成不可避免的殘余應(yīng)力，這就是造成鑄造件精度的原因。

1 切削加工過程中殘余應(yīng)力的研究分析

在工業(yè)行業(yè)中，鑄造件加工過程中往往會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，對此很多國內(nèi)外的研究者都進行了全面且深層次的分析。由于切削實驗存在著一定的弊端和局限性，但隨著很多大型化計算軟件的發(fā)展和進步，仿真分析殘余應(yīng)力技術(shù)被廣泛得到使用。結(jié)合有限元方法對殘余應(yīng)力進行充分的分析，是指要在準(zhǔn)備初期建立切削加工的原理模型，再利用彈塑性熱力耦合理論使用有限元方法對整個切削加工過程進行加工模擬，進而得到工件殘留應(yīng)力的分布規(guī)律。此方法涉及了工件材料特征、網(wǎng)格自適應(yīng)劃分、摩擦模型以及切削分離準(zhǔn)則等重要的切削分析技術(shù)。最終可得出殘余應(yīng)力對鑄造件變形的實際影響，對預(yù)防鑄造件加工過程中發(fā)生變形，優(yōu)化切削加工參數(shù)有良好的促進作用。

1.1 宏觀應(yīng)力與微觀應(yīng)力

在鑄造件的切削加工過程中，通常在鑄造件表面上形成相應(yīng)的殘余應(yīng)力，而這種殘余應(yīng)力又按照影響鑄造件的程度，通常分為宏觀應(yīng)力和微觀應(yīng)力，這三類應(yīng)力又被稱之為第一類殘余應(yīng)力和其二類、第三類殘余應(yīng)力。

第一類殘余應(yīng)力通常分布于整個鑄造件的材質(zhì)范圍內(nèi)及其晶粒范圍外，其殘余應(yīng)力的程度和方式常?？梢圆捎脵C械或物理化學(xué)的方法測量出來。對第一類殘余應(yīng)力而言，往往對加工的產(chǎn)品質(zhì)量是否合格以及鑄造件最終產(chǎn)品質(zhì)量能否合格等方面，都會產(chǎn)生相應(yīng)的影響。所以，在鑄造件的切削工藝及其實際鑄造過程中，需要充分注意的殘余應(yīng)力就是指第一類殘余應(yīng)力。第二類殘余應(yīng)力通常指的是出現(xiàn)于晶粒區(qū)域內(nèi)應(yīng)力，而第三類殘余應(yīng)力則是指出現(xiàn)于晶粒內(nèi)粒子中間的晶內(nèi)應(yīng)力。

1.2 體積應(yīng)力

根據(jù)殘余應(yīng)力所形成的因素分析，可把宏觀殘留應(yīng)力可以稱為體積應(yīng)力，而把微觀應(yīng)力則可以稱為結(jié)構(gòu)應(yīng)力。而體積應(yīng)力就是物質(zhì)在遭受不平衡的外力之后，受到機械化的、熱的以及化學(xué)反應(yīng)的影響所形成的。鑄造件內(nèi)組織結(jié)構(gòu)平衡的物質(zhì)，通常也會由于上述因素形成殘余應(yīng)力。而且，結(jié)構(gòu)應(yīng)力也通常由于物質(zhì)內(nèi)組織結(jié)構(gòu)不平衡所形成的，因此即使獲得了結(jié)構(gòu)平衡的外力作用，也會在此過程中形成這些殘余應(yīng)力。

1.3 殘余拉應(yīng)力與殘余壓應(yīng)力

鑄造件的殘余應(yīng)力，往往能夠通過表現(xiàn)形式分成殘余壓應(yīng)力和殘余拉應(yīng)力。在此過程中，當(dāng)鑄造件在使用過程中承受到了外部的壓力荷載時，鑄造件所承受的實際荷載量是外部荷載與內(nèi)部荷載殘余應(yīng)力的疊加之和[1]。這就常常會影響到整個鑄造件的實際負(fù)荷效應(yīng)，使工件在使用過程中很容易出現(xiàn)突然負(fù)荷過度，而發(fā)生機械破壞。如果這種現(xiàn)象發(fā)生在整個加工過程中的重要環(huán)節(jié)，那么必將會引起重大的加工事故。此外，殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生也會促進了鑄造件表層裂紋的發(fā)展，從而降低了鑄造件的耐疲勞強度、耐腐蝕性以及工件尺寸的精準(zhǔn)度。然而殘余壓應(yīng)力則將在一定條件下提升工件的特性。因此，對于工件表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力的加工工藝是十分有價值的。

2 金屬切削加工過程以及殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原理

2.1 金屬切削加工的整個過程

在整個金屬切削的加工過程中，都是被加工材料受刀具前刃面的推擠，而沿切削橫截面剪切滑移產(chǎn)生的。在這個切削過程中，切削層金屬往往會出現(xiàn)相應(yīng)的變化，并且隨著對金屬切削的摩擦而形成了巨大的熱量。在鑄造件加工過程中，在第一變形區(qū)域形成的金屬切屑也會隨著刀的移動，沿著前方刀面的走向而移動[2]。在整個移動流程中，切屑底層與前刀面之間通常會引起進一步的碰撞與擠壓，而這樣的流程往往會伴隨著塑性變化的生成與熱量的排出，從而形成了第二變形區(qū)。

此外，由于刀刃上鈍角的出現(xiàn)，往往在第一次變形區(qū)中切削層金屬材料還未被徹底的切削下去時，會殘留一些尚未被完全去除的金屬表面。在刀具與鑄造件之間進行相對運動時，這層薄薄的表面金屬層就會被擠出而直接通過切削刃鈍角和后刀面。這也就將導(dǎo)致表面金屬的材質(zhì)往往會直接產(chǎn)生塑性變化以及生成巨大熱能從而導(dǎo)致各種金屬材質(zhì)基體產(chǎn)生變化，這也就被稱為金屬切削過程中的第三大變形區(qū)。圖1為切削加工過程示意圖。

圖1 切削加工過程示意圖

2.2 殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原理

對于殘余應(yīng)力所產(chǎn)生的原理問題，在理論上的定量分析中往往存在著一定的難度。所以，在此過程中只能對其進行定性分析。

首先，是由于機械應(yīng)力所形成的殘余應(yīng)力。當(dāng)用刀切削工件材料時，在刀尖的前方三角部分往往會由于刀的移動，而形成沿著切削方向的擠壓變形和垂直于與切削表面方向的拉設(shè)塑性變形。但是，在切削加工的過程中沿著切削方向往往會形成拉伸殘余應(yīng)力。而在此基礎(chǔ)上，刀具的向后刃面又會對剛被加工處理的表面進行進一步的擠壓和磨損，同時會導(dǎo)致對工件的表面產(chǎn)生塑性拉伸而形成沿加工表面方向的壓縮殘余應(yīng)力[3]。在實際的加工過程中，由于機械應(yīng)力所形成的殘余應(yīng)力是指加工刀接觸部位前方塑性凸出效果和加工刀具接觸點后方效果的疊加總和。

其次，是因為熱應(yīng)力所形成的殘余應(yīng)力。在金屬材料切削加工過程中的3個主要變化區(qū)因為摩擦系數(shù)和塑性的變化，往往都會形成巨大的熱量。在此過程中，所產(chǎn)生的熱能就很難在整個加熱切削過程中被分散開來，從而使得整個鑄造件材料的表層都受熱而產(chǎn)生了擴張。不過，表層的擴張也往往由于基體的熱束縛而最終形成壓塑性的變化。當(dāng)鑄造件材料進行了加熱并慢慢冷卻到一定溫度以后，產(chǎn)生壓塑性變形的表面熱就會在整個鑄造件的表層產(chǎn)生了拉伸殘余應(yīng)力[4]。對于以上的情形并不涉及鑄造件受熱和冷卻過程中產(chǎn)生的變形，但是如果是在切削過程中產(chǎn)生的熱能最終超過了鑄造件材料的轉(zhuǎn)變溫度，那么在此時鑄造件表面的金屬材料也會在淬火過程中轉(zhuǎn)變，并使得鑄造件的表面體受到了一定的改變，最后在工作表面上形成了相應(yīng)的殘余應(yīng)力。

在實際鑄造件切削加工過程中，鑄造件的表面最終的殘余應(yīng)力一般為上述幾種情況的疊加之和。在一般狀態(tài)下，若是金屬切削工件的加工速率緩慢、表面冷卻狀況較好、金屬切削的加工溫度較適宜時，則機械應(yīng)力將對殘余應(yīng)力的形成與特性，具有一定的作用。當(dāng)切削速度逐漸變快時，切削溫度也將到達相應(yīng)的峰值，而鑄造件材料的相對變化也會對工作表面的殘余內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生一定的主導(dǎo)作用。由此就可發(fā)現(xiàn)在切削加工過程中殘余應(yīng)力的形成，是個十分復(fù)雜的環(huán)節(jié)與過程，與金屬切削工藝中的機械熱力耦合有著密切的聯(lián)系。

3 消除殘余應(yīng)力的方法

3.1 保證零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理化

在鑄造件生產(chǎn)過程中，應(yīng)確保鑄造件結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)合理，并充分防止尖角和壁厚之間的不平衡結(jié)構(gòu)情況產(chǎn)生。優(yōu)選加工工藝的路線，并在每一加工環(huán)節(jié)中選用最合理化的加工工藝參數(shù)，以降低零件在各個加工工序中所形成的殘余應(yīng)力，同時結(jié)合合理的加工方式，充分減小殘余應(yīng)力。

3.2 自然時效處理

在鑄造件切削加工過程中，要使鑄造件在室溫下或露天存放一段時間后，在晝夜溫度變化以及復(fù)雜的環(huán)境動蕩因素的共同影響下，鑄造件結(jié)構(gòu)內(nèi)部的晶粒進行微觀移動和擴展，從而引起微觀殘余應(yīng)力的顯著降低，促使鑄造件結(jié)構(gòu)在宏觀情況下進行塑性化變形，從而實現(xiàn)減小宏觀殘余應(yīng)力的最終目的。這些方法所需的時間都較長，而且去除殘余應(yīng)力的能力也有限。

3.3 人工時效處理

最常用的人工時效處理方法就是時效退火降溫，因為金屬材料的屈服強度通常會因為溫度或提高或減弱，所以時效退火的辦法就是把鑄造件升溫在金屬材料的回復(fù)或再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)保持了幾小時或超過十幾個小時，對那些在殘余應(yīng)力的影響下仍然可以達到強度極限的部分，進行熱塑性變形來減少殘余應(yīng)力。這種人工時效處理的方式應(yīng)充分保證冷卻速率的減緩，并在很大程度上防止了鑄造件在冷卻過程中形成了新的殘余應(yīng)力。在目前階段，人工時效處理使用得非常普遍，最高程度的效果能夠減少鑄造件內(nèi)百分之八十的殘余應(yīng)力，其設(shè)備費用較高，而且對周圍環(huán)境也有一定環(huán)境污染。

3.4 振動時效處理

振動時效，往往是指通過機械共振的方法減少在機械加工后所形成的殘余應(yīng)力。這種方法主要是采用向鑄造件表面進行特定大小和頻率激蕩力的方法給予鑄造件的熱傳導(dǎo)能力，使工件表面產(chǎn)生非常細微化且細小的形變，從而減少殘余應(yīng)力。在振動時效法，不僅可以極大程度地減少產(chǎn)品內(nèi)的殘余應(yīng)力，而且由于設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能環(huán)保的特性，可以確保殘余應(yīng)力效果的提高。

4 應(yīng)用與結(jié)論

實際生產(chǎn)加工中應(yīng)針對不同產(chǎn)品制定不同的工藝流程方法。某產(chǎn)品中鋁合金鑄件如圖2所示，從結(jié)構(gòu)形式分析，鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜壁厚不同，受鋁液流動速度、固化時間以及收縮率等影響，鑄件會產(chǎn)生一定應(yīng)力。因產(chǎn)品要求具有密封性，對兩個安裝面提出了較高平面度要求，鑄造工藝無法滿足平面度要求，所以工藝上安排切削加工工序，而切削加工也會產(chǎn)生應(yīng)力。要保證兩安裝面的平面度精度，首要解決的問題是最大限度去除兩個加工環(huán)節(jié)產(chǎn)生的應(yīng)力。

圖2 鑄件示意圖

該產(chǎn)品要求在鑄造過程中檢驗鋁錠的材質(zhì)成分，保證材料成分符合性；檢測原料材質(zhì)硬度和產(chǎn)品熱處理后的硬度，保證熱處理的有效性；鑄造后對鑄件進行固溶、時效處理；銑削加工采用高速切削，降低削應(yīng)力。此鑄件機械加工應(yīng)力的去除曾經(jīng)采用過振動時效方法，但應(yīng)力去除能力較低無法滿足產(chǎn)品平面度要求。也采用過粗加工—熱處理去應(yīng)力—精加工工藝流程，但加工周期長，費用較高。最終通過安裝加固支撐，利用高速銑設(shè)置合理的切削參數(shù)，完成了鑄件安裝面的機械加工，達到高效、高質(zhì)和經(jīng)濟目的。

綜上所述，在鑄造件加工過程中，所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是機械應(yīng)力與熱應(yīng)力共同作用下的疊加之和。雖然了解了殘余應(yīng)力所產(chǎn)生的工作原理，但是對于殘余應(yīng)力的控制和分析依然有著一定的難度，需要理論分析和進行不同工藝試驗相結(jié)合來尋找有效的消除殘余應(yīng)力方法。殘余應(yīng)力的消除能夠更好的保證產(chǎn)品加工質(zhì)量，延長產(chǎn)品使用壽命，并對發(fā)展鑄造加工有著重要的促進意義。