切削残余应力是如何产生的

原创 胡伟明  2021-06-29 20:56:00  阅读 94 次 评论 0 条
摘要:

产生机理零件在进行切削时,由于已加工表面受到切削力和切削热的作用而发生严重的不均匀弹塑性变形,以及金相组织的变化影响将产生切削残余应力。产生切削残余应力的原因主要包括以下三种。(1)机械应力塑性变形效应在切削过程中,原本与切屑相连的表面层金属产生相当大的、与切削方向相同的弹塑性变形,切屑切离后使表面呈现残余拉应力而心部为残余压应力。同时,表层金属在背向力方向也发生塑性变形,刀具对加工表面的挤压使表层金属发生拉伸塑性变形,但由于受到基体金属的阻碍,从而在工件表层产生残余压应力。另外,表层金属的冷态

产生机理

零件在进行切削时,由于已加工表面受到切削力和切削热的作用而发生严重的不均匀弹塑性变形,以及金相组织的变化影响将产生切削残余应力。产生切削残余应力的原因主要包括以下三种。

(1)机械应力塑性变形效应

在切削过程中,原本与切屑相连的表面层金属产生相当大的、与切削方向相同的弹塑性变形,切屑切离后使表面呈现残余拉应力而心部为残余压应力。同时,表层金属在背向力方向也发生塑性变形,刀具对加工表面的挤压使表层金属发生拉伸塑性变形,但由于受到基体金属的阻碍,从而在工件表层产生残余压应力。另外,表层金属的冷态塑性变形使晶格扭曲而疏松,密度减小,体积增大,也会使表层产生残余压应力而心部为残余拉应力。

(2)热应力塑性变形效应

切削时,强烈的塑性变形和摩擦使已加工表面层的温度很高,而心部温度较低。当热应力超过材料的屈服强度时,表层在高温下将伸长,但由于受到基体材料的限制,本应该发生的伸长被压缩。在切削后的冷却过程中,金属弹性逐渐恢复。当冷却到室温时,表层金属要收缩,但由于受到基体金属的阻碍,工件表层产生残余拉应力。

(3)表层局部金相组织转变

切削时产生的高温会引起表面层金相组织的变化,由于不同的金相组织密度不同,表层体积也将发生变化。例如,马氏体密度为7.75g/cm3,奥氏体密度为7.968g/cm3,珠光体密度为7.78g/cm3,铁素体密度为7.88g/cm3。若表层体积膨胀,会产生残余压应力;反之,则产生残余拉应力。

影响因素

切削残余应力的性质和大小受很多因素的影响,掌握这些因素的影响规律并进行合理选择,对于降低残余应力和优化切削过程是很有必要的。

(1)工件材料的影响

工件材料本身状态及其物理力学性能对切削残余应力产生直接影响。塑性好的材料切削加工后通常产生残余拉应力;塑性差的材料则产生残余压应力。根据工件材料的具体初始应力状态,切削加工可能使工件内残余应力值增大或减小。

(2)切削参数的影响

切削速度的影响一般是通过“温度因素”来进行的。切削速度较低时,易产生残余拉应力;切削速度较高时,由于切削温度升高,易产生残余压应力。增加进给量和切削深度时,被切削层金属的截面及体积增大,使刀刃前的塑性变形区和变形程度增加。如果此时切削速度较高,则温度因素的影响也有所加强,因此表面残余拉应力将会增大。

(3)刀具参数的影响

当增大刀具的前角、后角,减小刀尖的圆弧半径和切削刃的钝圆半径时,残余应力会减小。刀具的锋利性、后刀面的磨损或钝圆半径对残余应力的影响很大,其次是刀具前角。


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