一、什么是残余应力 残余应力、也称内应力,是指当外部载荷去掉以后,仍存留在工件内部的应力。残余应力是由于金属内部组织,发生了不均匀的体积变化而产生的。其外界因素来自热加工和冷加工。具有内应力的工件,是处在一种不稳定状态之中,其内部的组织有强烈地恢复到没有内应力的稳定状态的倾向。工件的形状逐渐改变(如翘曲变形)从而丧失其原有精度。如果把存在内应力的工件装配到机器中,则会因其在使用中的变形而破坏整台机器的精度。 二、残余应力的来源
& x1 D4 \4 \, A# W5 F9 X% @8 [9 j 外力使零件变形,其中引起塑性变形的外力作的功,以零件内部材料变形而存贮在零件内。当外力消除以后,应力不均匀的能量要释放出来,引起了零件缓慢地变形,即残余应力作功,直到能量全部释放出来为止。在机械制造中,各种工艺过程往往都会产生残余应力。但是,如果从本质上讲,产生残余应力的原因可以归结为: (1)不均匀的塑性变形; (2)不均匀的温度变化; (3)不均匀的相变。 三、残余应力对机械零部件的影响 (1)引起物体尺寸和形状的变化。当在变形物体内存在残余应力时,则物体将会产生相应的弹性变形或晶格畸变。若此残余应力因某种原因消失或其平衡遭到破坏,此相应的变形也将发生变化,引起物体尺寸和形状改变。 (2)使零件的使用寿命缩短。因残余应力本身是相互平衡的,所以当具有残余应力的物体受载荷时,在物体内有的部分的工作应力,为外力所引起的应力与此残余应力之和,有的部分为其差,这样就会造成应力在物体内的分布不均。此时工作应力达到材料的屈服强度时,物体将会产生塑性变形;达到材料的断裂强度时,物体将会产生断裂,从而缩短了零件的使用寿命。 (3)降低了金属的塑性、冲击韧性。当具有残余应力的物体继续进行塑性加工时,由于残余应力的存在可加强物体内的应力和变形的不均匀分布,使金属的变形抗力升高,塑性降低。 (4)降低金属的耐蚀性以及和疲劳强度等。由于零件内部的残余应力,使其处于高能量状态,易与氧化介质发生化学作用,造成腐蚀,即应力腐蚀,从而降低了零件的耐蚀性,残余应力还改变了材料表面受载时的应力分布,降低疲劳强度。 四、残余应力对零件切削加工影响 对切削加工过程的影响车削零件的毛坯,一般为铸件、锻件、型材和经过热处理的半成品,由于毛坯在形成的过程中,有过温度的剧烈变化及受力变形,因此内部具有残余应力,在切削时形状发生变化,原应力平衡状态被打破,导致了切削过程的变形。
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4.1产生切削残余应力 金属的切削,实质上是工件受刀具的挤压和摩擦,使工件表面产生弹性变形和塑性变形,切屑从母体分离的过程。在切削过程中,工件受到切削力,产生切削热而使切削温度上升,切削完成后,工件的已加工表面即产生了残余应力,使工件在以后的使用中发生变形,精度降低,使用性能和下降,使用寿命缩短。 4.2影响残余应力的因素 (1)切削用量。切削速度———切削速度提高,工件温度上升,残余应力增加;走刀量和切削深度———走刀量和切削深度越大,切削力就越大,残余应力也越大。 (2)刀具角度。增大刀具的前角,刃倾角,可使刀具锋利,减小切削力。 (3)切削液。切削液具有润滑和冷却作用,在加工中使用切削液,可减小切削力和降低切削温度,使残余应力减小 五、减小和消除残余应力的措施和方法 5.1 采用合理的工艺结构在零件的设计时,采用合理的工艺结构,避免厚薄不匀,尖角结构等,铸件宜使用铸造圆角。 5.2 合理安排工艺路线对于精密零件,粗、精加工分开。对于大型零件,由于粗、精加工一般安排在一个工序内进行,故粗加工后先将工件松开,使其自由变形,再以较小的夹紧力夹紧工件进行精加工。 5.3 采用合理的切削条件。在零件的精加工时,使用较小的切削和走刀量以及较高的切削速度,使用锋利的刀具和使用切削液进行润滑冷却,以减小切削力和降低切削温度,减小残余应力。 5.4 采取时效处理技术 (1)自然时效处理。 (2)热时效处理。这是目前使用最广的一种方法,但其投资和能源消耗都较大,使生产成本增加,而且精加工后零件进行加热时效,有可能产生氧化而影响表面品质。 (3)振动时效处理。这是消除残余应力、减少变形以及保持工件尺寸稳定的一种新方法。可用于铸造件、锻件、切削加工工件等。它是以激振的形式,将机械能加到含有大量残余应力的工件内,引起工件金属内部晶格错位蠕变,使金属的结构状态稳定,以减少和消除工件的内应力。不需庞大的设备,经济简便,效率高。频谱谐波时效技术是在此机床上的发展,能消除60-70%的应力,在稳定尺寸和形状精度上非常有效。 (内容转自豪克能微信公众号) 5 U3 h. n& i6 u. X/ W: N7 e* m: u* C/ M
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