毕业论文-切削加工过程中的残余应力研究

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1、切削加工过程中的残余应力研究摘要：在各种机械和机器的制造过程中，零件内部均将产生残余应力，所产生的残余应力状态，特别是应力值的大小，随各种加工方法或处理方法不同而有较大差别。机械加工如挤压、拉拔、轧制、校正、切削、磨削、表面滚压、喷丸或锤击等，以及热加工的焊接、切割等，不可避免地引发残余应力以及残余应力分布不均。残余应力是机械构件中普遍存在的，其影响贯穿机械结构全寿命周期，一方面会降低工件强度，使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷，另一方而，在制造完成后，残余应力的自然释放使材料的抗疲劳强度、抗应力腐蚀等力学性能降低。在大多数情况下，残余应力的

2、存在是极其有害的。关键词：残余应力、机械加工、工件寿命、工件性能1背景残余应力是指在没有对物体施加外力时，物体内部存在的保持自相平衡的应力系统。它是固有应力或内应力的一种，并分为残余拉应力与残余压应力［1］。残余应力主要是由构件内部不均匀的塑性变形引起的。各种工程材料和构件在毛坯的制备、零件的加工、热处理和装配的过程中都会产生不同程度的残余应力。残余应力因其直观性弟和不易检测等因素往往被人们忽视。残余应力严重影响构件的加工精度和尺寸稳定性、静强度、疲劳强度和腐蚀开裂。特別是在承力件和转动件上，残余应力的存在易导致突发性破坏但后果往往十分严重。图1

3、和图2分别是螺栓的断裂和轮齿的折断，为工业生产带来非常大的影响。图1螺栓的断裂图2轮齿的折断因此，自20世纪50年代以来国内外技术人员花费了大量的精力研究残余应力的产生机理、检测手段、消除方法以及残余应力对构件的影响。而残余应力按应力范围分为宏观应力和微观应力；按产生原因分为体积应力和组织应力；按工艺过程分为：切削加工残余应力、热处理残余应力、焊接残余应力以及铸造残余应力等等，本文主要是对切削加工过程中的残余应力研究分析。1.残余应力的产生原因切削加工后的已加工表面上常有残余应力，其产生原因有以下几个方面：2.1机械加工过程中力的作用引起的残余应

4、力这是金属构件在加工中最易产生的残余应力，当施加外力时，物体的一部分出现塑性变形，卸载后，塑性变形部分，限制了与其相邻部分变形的恢复，因而出现了残余应力［2］。由此可见，构件在外力作用下出现局部的塑性变形，当外力去除时，这些局部的塑性变形限制了整个截面变形的恢复，因此产生了残余应力。这时沿截面各点出现了止负相间的自相平衡的应力系统，这就是残余应力。这种由局部塑性变形引起的残余应力，在很多加工工艺中均会岀现，如锻压、切削、冷拔、冷弯等等。这种残余应力往往是很大的。在金属的切削过程中，切屑是被加工材料受到刀具的前刀面的推挤而沿剪切面剪切滑移形成的。在

5、这个过程中，切削层金属会发&一系列的变形，同时产牛大量的热。通常把金属切削的变形过程分为3个变形区（如图3所示）来研究⑶：图3切削加工过程的三个变形区示意图第一变形区集中在刀尖与工件接触的前端，存在大的剪切变形和摩擦，因此会产生大量的热。在第一变形区内形成的切屑会随着刀具的移动沿着前刀面的方向流动。在第二变形区中，切屑底层和前刀面会发生进一步的摩擦和挤压，这个过程伴随着塑性变形的产生和热量的释放。由于刀尖钝角的存在，在第一变形区中切削层金属并没有被完全切除而会留下薄薄一层未被去除的金属。当刀具和工件相对运动时，这一薄层金属会被挤压通过切削刃钝角和

6、后刀面。金属切削过程的第三变形区中，这个过程中表层金属会发生塑性变形并产生热量而基体则产生弹性变形。刀具切削工件材料过程中，刀尖前方的三角形区域会随着刀具的运动而产生沿着切削方向的压缩塑性变形和垂直于切削表面方向的拉伸塑性变形（塑性凸出效应）如图4所示。因此，在沿着切削表面的方向会有拉伸残余应力的产生。图4切削加工过程塑形形成简图与此同时，刀具的后刀而会对已加工表面有进一步的挤压和摩会使其表面发生塑性伸长而产生沿表面方向的压缩残余应力。实际加工过程中由机械应力所产生的残余应力是刀具接触点前方塑性凸出效应和刀具接触点后方压延效应的叠加。1.2加工过

7、程温度变化引起的残余应力切削时，由于强烈的塑形变形与摩擦,使已加工表面层的温度很高，而里层温度很低，形成不均匀的温度分布［4］。温度高的表层，体积膨胀，将受到里层金属的阻碍，使表层金属产生热引力，当热应力超过材料的屈服极限时，会使表层金属产生压缩塑形变形。切削后冷却至室温时，表层金属体积的收缩受受到里层金属的牵制，因而使表层金属产生残余拉引力，里层产生残余压应力。金属材料在高温下其性能将发生很大的变化，如屈服极限、弹性模量等都随温度的升高而下降。如果构件上温度场的温度阶梯较大，则屈服极限和弹性模量的分布也是不均匀的，因此在高温下出现的热塑性也是不

8、均匀的。1.3因组织改变而产生的残余应力切削过程中，由于高温引起相变而导致的相变应力［5］。金属的组织发半相变时，会出现体积的突然膨胀。