車銑加工表面層殘余應力的研究

章一亨

（杭州師范錢江學院電氣信息系機械063班，浙江 杭州310000）

金屬切削加工是一個伴隨著高溫、高壓、高應變率的塑性大變形過程，在已加工表面上往往存在著較大的殘余應力，已加工表面層殘余應力對零件的使用性能有著重要的影響。殘余拉應力會降低零件的疲勞強度，有時甚至在切削加工后，會使零件表面產生微裂紋：面殘余壓應力卻能提高零件的疲勞強度。當各部分的殘余應力山于分布小均勻，還會發生工件變形，影響工件的形狀精度和尺寸精度。因此，研究加工表面層殘余應力，對保證零件表面質量有重要意義。

1 殘余應力的定義、分類與產生機理

1.1 殘余應力的定義

殘余應力以平衡狀態存在于物體內部，是固有應力域中局部內應力的一種。殘余應力是一種小穩定的應力狀態，當物體受到外力作用時，作用應力與殘余應力相互作用，使其某些局部呈現塑性變形，截面內應力重新分配：當外力作用去除后，整個物體山于內部殘余應力的作用將發生形變。

1.2 殘余應力的分類

第一類殘余應力，標記為σr1。它在材料較大范圍內或許多品粒范圍內存在并保持平衡，在多個連續品體范圍內保持常數，它的大小、方向和性質可用通常的物理或機械方法進行測量。如果第一類殘余應力所產生的力或力矩的平衡狀態遭到破壞，將導致構件宏觀尺寸的變化。通常山于切削加工產生的殘余應力是指宏觀殘余應力。根據加工殘余應力的性質小同，可分為殘余拉應力和殘余壓應力，應力的大小隨表層的深度面變化。

第二類殘余應力稱為微觀結構應力(Structural stress)，標記為σr11。它存在于品粒尺度內且保持平衡，在一個或幾個品粒的部分范圍內保持均勻。如果第二類殘余應力平衡狀態得到改變，也會造成宏觀尺寸的變化。

第三類殘余應力稱品內亞結構應力(Substructural stress)，標記為σr111。它是在品粒若干個原子范圍內存在并在品粒的小部分內保持平衡，在品體亞結構范圍內大小小均勻。第三類殘余應力平衡狀態的破壞，小會引起宏觀尺寸的變化。

在大多數情況下，宏觀殘余應力與微觀殘余應力總是同時存在的，產生第一類殘余應力的加工過程必須伴隨第二、第三類殘余應力的產生。

1.3 殘余應力的產生機理

目前，關于殘余應力的產生機理，從理論上定量分析還存在困難。下面僅從已加工表面形成過程的角度分析殘余應力的產生機理。

1.3.1 機械應力引起的殘余應力

工件裝夾時，如果夾緊力過大，將會使工件發生塑性變形，從面使工件產生殘余應力。切削過程中，刀刃前方的工件材料受到前刀面的擠壓，從面使將成為已加工表面層的金屬，在切削方向產生壓縮的塑性變形：而在與已加工表面垂直方向產生拉伸塑性變形；切削后受到與之連成一體的里層未變形金屬的牽制，從面產生殘余應力。在已加工表面形成過程中，刀具的后刀面與已加工表面產生很大的擠壓和摩擦，使表層金屬產生拉伸塑性變形，刀具離開后，里層金屬的彈性變形趨向恢復，但受到表層金屬的牽制，因而也產生殘余應力。

1.3.2 熱應力引起的殘余應力

切削時，山于強烈的塑性變形與摩擦，使已加工表面層的溫度很高；面里層溫度很低，形成小均勻的溫度分布，因此，當熱應力超過材料的屈服極限時，將使表層金屬產生壓縮變形，切削后冷卻至室溫時，表層金屬體積的收縮又受到里層金屬的牽制，因而產生殘余應力。

1.3.3 相變引起的殘余應力

切削時，若表層溫度大于相變溫度，則表層組織可能發生相變，山于各種金相組織的體積小同，從面產生殘余應力。在切削過程中，引起小均勻塑性變形的機械應力和熱應力是同時存在的，所以殘余應力的計算是一個熱一力耦合的熱彈塑性問題。

2 單因素實驗方案

2.1 實驗目的

通常山于切削加工產生的殘余應力是指宏觀殘余應力，也即第一類殘余應力。本文從影響車銑加工工件表面殘余應力的兩個主要因素(銑刀轉速nc和軸向進給量fa)出發，采用單因素實驗方法，分別改變銑刀轉速nc和軸向進給量fa，進行單因素正交車銑65#鋼實驗，研究車銑加工的切削用量與工件表面殘余應力的關系。

2.2 實驗條件

實驗機床：數控車銑加工中心MAZAK INTEGEX200Y。

工件材料：65#鋼，鐵素體，其硬度為HRC21，屈服強度σs=784MPa，抗拉強度σb=980MPa，延伸率δ=9%，斷面收縮率Ψ=35%35%，化學成分見表1。

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刀具：可轉位立銑刀，直徑20mm，齒數Z=2，刀片為Widia公司的XDHT090308

TN5515型MT-CVD-TiN-A12O3涂層刀片。

切削條件：正交順銑，乳化液冷卻

實驗測量儀器：荷蘭Panalytical公司，多晶X射線衍射儀PW3040,X射線CuKa

照射，衍射晶面(211)，等于0.154nm，衍射角為2θ=156.40，殘余應力的測試采用00－450法測量。

金相顯微鏡：OLYMPUS公司，倒置型金相顯微鏡GX-71。

2.3 實驗方案

固定切削深度ap=0.2mm，正交車銑偏心距e=2mm，工件轉速nw=3 r/min。

實驗1在軸向進給量fa=0.8mm/r下，只改變銑刀轉速nc，考察銑刀轉速nc對加工件表面殘余應力的影響，nc分別為2000r/min,2500r/min，3000r/min，3500r/min，相應的切削速度v分別 為 :125.6m/min， 157m/min，188.4m/min，219.8m/minx試驗號1~4(如圖所示)。

實驗2在銑刀轉速nc=3000r/min下，只改變軸向進給量fa，考察軸向進給量fa對工件表而殘余應力的影響，fa分別為0.4mm/r，0.6mm/r，1.0mm/r，1.2mm/r(0.8mm/r在實驗1中已進行)。試驗號5~8(如圖所示)。

實驗3車削加土切削用量：切削深度ap=0.2mm，fa=0.lmm/r，轉速n=400r/min，試驗號為9(如圖所示)。

3 試驗分析結論

為了深入研究銑刀轉速和刀具軸向進給量對表面層殘余應力的影響規律，我們設計了單因素試驗方案，運用金屬切削原理的知識，詳細地分析了試驗結果，從中得出以下結論：

1)金屬的熱塑性變形作用對車銑加工工件表面殘余應力的產生和變化大小的影響起主導作用，里層金屬的彈性恢復和表層金屬在切削熱作用下發生的相變是次要作用。

2)切削速度從125.6m/min增大到157m/min，工件表面殘余應力為拉應力但增大趨勢小明顯，從157m/min增大到188.4m/min，表面殘余拉應力急劇增大，但從188.4m/min增大到219.8m/min時，表面殘余拉應力急劇下降。增大軸向進給量fa，對車銑加工工件的表面殘余應力影響顯著。隨著軸向進給量無的增大，表面殘余應力逐漸減小。

3)銑刀轉速nc為3000r/min(即188.4m/min)附一近是切削振動的固有一頻率，為了工件得到較好的殘余應力狀態，車銑切削用量應避開nc為3000r/min，fa為0.8mm/r的組合。

4)對比車削加工，車銑加工能夠在更高的銑刀轉速nc和更大的軸向進給量fa的切削條件下，使工件得到表面殘余壓應力以提高工件的表面質量。

[1]晉燒，詡舟.車銑復合開創未來一本刊主編劉柱與奧地利WFL車銑技術公司首席代表李鋒博士對話.航空制造技術.2007.(4):42一43

[2]賈春德，姜增輝.車銑原理.北京:國防土業出版社，2003.5-6

[3]王素玉.高速銑削加土表而質量的研究.[山東大學:博士學位論文]，2006.5-6