畢業(yè)論文-切削加工過程中的殘余應力研究

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1、切削加工過程中的殘余應力研究摘要：在各種機械和機器的制造過程中，零件內(nèi)部均將產(chǎn)生殘余應力，所產(chǎn)生的殘余應力狀態(tài)，特別是應力值的大小，隨各種加工方法或處理方法不同而有較大差別。機械加工如擠壓、拉拔、軋制、校正、切削、磨削、表面滾壓、噴丸或錘擊等，以及熱加工的焊接、切割等，不可避免地引發(fā)殘余應力以及殘余應力分布不均。殘余應力是機械構件中普遍存在的，其影響貫穿機械結構全壽命周期，一方面會降低工件強度，使工件在制造時產(chǎn)生變形和開裂等工藝缺陷，另一方而，在制造完成后，殘余應力的自然釋放使材料的抗疲勞強度、抗應力腐蝕等力學性能降低。在大多數(shù)情況下，殘余應力的

2、存在是極其有害的。關鍵詞：殘余應力、機械加工、工件壽命、工件性能1背景殘余應力是指在沒有對物體施加外力時，物體內(nèi)部存在的保持自相平衡的應力系統(tǒng)。它是固有應力或內(nèi)應力的一種，并分為殘余拉應力與殘余壓應力［1］。殘余應力主要是由構件內(nèi)部不均勻的塑性變形引起的。各種工程材料和構件在毛坯的制備、零件的加工、熱處理和裝配的過程中都會產(chǎn)生不同程度的殘余應力。殘余應力因其直觀性弟和不易檢測等因素往往被人們忽視。殘余應力嚴重影響構件的加工精度和尺寸穩(wěn)定性、靜強度、疲勞強度和腐蝕開裂。特別是在承力件和轉動件上，殘余應力的存在易導致突發(fā)性破壞但后果往往十分嚴重。圖1

3、和圖2分別是螺栓的斷裂和輪齒的折斷，為工業(yè)生產(chǎn)帶來非常大的影響。圖1螺栓的斷裂圖2輪齒的折斷因此，自20世紀50年代以來國內(nèi)外技術人員花費了大量的精力研究殘余應力的產(chǎn)生機理、檢測手段、消除方法以及殘余應力對構件的影響。而殘余應力按應力范圍分為宏觀應力和微觀應力；按產(chǎn)生原因分為體積應力和組織應力；按工藝過程分為：切削加工殘余應力、熱處理殘余應力、焊接殘余應力以及鑄造殘余應力等等，本文主要是對切削加工過程中的殘余應力研究分析。1.殘余應力的產(chǎn)生原因切削加工后的已加工表面上常有殘余應力，其產(chǎn)生原因有以下幾個方面：2.1機械加工過程中力的作用引起的殘余應

4、力這是金屬構件在加工中最易產(chǎn)生的殘余應力，當施加外力時，物體的一部分出現(xiàn)塑性變形，卸載后，塑性變形部分，限制了與其相鄰部分變形的恢復，因而出現(xiàn)了殘余應力［2］。由此可見，構件在外力作用下出現(xiàn)局部的塑性變形，當外力去除時，這些局部的塑性變形限制了整個截面變形的恢復，因此產(chǎn)生了殘余應力。這時沿截面各點出現(xiàn)了止負相間的自相平衡的應力系統(tǒng)，這就是殘余應力。這種由局部塑性變形引起的殘余應力，在很多加工工藝中均會岀現(xiàn)，如鍛壓、切削、冷拔、冷彎等等。這種殘余應力往往是很大的。在金屬的切削過程中，切屑是被加工材料受到刀具的前刀面的推擠而沿剪切面剪切滑移形成的。在

5、這個過程中，切削層金屬會發(fā)&一系列的變形，同時產(chǎn)牛大量的熱。通常把金屬切削的變形過程分為3個變形區(qū)（如圖3所示）來研究⑶：圖3切削加工過程的三個變形區(qū)示意圖第一變形區(qū)集中在刀尖與工件接觸的前端，存在大的剪切變形和摩擦，因此會產(chǎn)生大量的熱。在第一變形區(qū)內(nèi)形成的切屑會隨著刀具的移動沿著前刀面的方向流動。在第二變形區(qū)中，切屑底層和前刀面會發(fā)生進一步的摩擦和擠壓，這個過程伴隨著塑性變形的產(chǎn)生和熱量的釋放。由于刀尖鈍角的存在，在第一變形區(qū)中切削層金屬并沒有被完全切除而會留下薄薄一層未被去除的金屬。當?shù)毒吆凸ぜ鄬\動時，這一薄層金屬會被擠壓通過切削刃鈍角和

6、后刀面。金屬切削過程的第三變形區(qū)中，這個過程中表層金屬會發(fā)生塑性變形并產(chǎn)生熱量而基體則產(chǎn)生彈性變形。刀具切削工件材料過程中，刀尖前方的三角形區(qū)域會隨著刀具的運動而產(chǎn)生沿著切削方向的壓縮塑性變形和垂直于切削表面方向的拉伸塑性變形（塑性凸出效應）如圖4所示。因此，在沿著切削表面的方向會有拉伸殘余應力的產(chǎn)生。圖4切削加工過程塑形形成簡圖與此同時，刀具的后刀而會對已加工表面有進一步的擠壓和摩會使其表面發(fā)生塑性伸長而產(chǎn)生沿表面方向的壓縮殘余應力。實際加工過程中由機械應力所產(chǎn)生的殘余應力是刀具接觸點前方塑性凸出效應和刀具接觸點后方壓延效應的疊加。1.2加工過

7、程溫度變化引起的殘余應力切削時，由于強烈的塑形變形與摩擦,使已加工表面層的溫度很高，而里層溫度很低，形成不均勻的溫度分布［4］。溫度高的表層，體積膨脹，將受到里層金屬的阻礙，使表層金屬產(chǎn)生熱引力，當熱應力超過材料的屈服極限時，會使表層金屬產(chǎn)生壓縮塑形變形。切削后冷卻至室溫時，表層金屬體積的收縮受受到里層金屬的牽制，因而使表層金屬產(chǎn)生殘余拉引力，里層產(chǎn)生殘余壓應力。金屬材料在高溫下其性能將發(fā)生很大的變化，如屈服極限、彈性模量等都隨溫度的升高而下降。如果構件上溫度場的溫度階梯較大，則屈服極限和彈性模量的分布也是不均勻的，因此在高溫下出現(xiàn)的熱塑性也是不

8、均勻的。1.3因組織改變而產(chǎn)生的殘余應力切削過程中，由于高溫引起相變而導致的相變應力［5］。金屬的組織發(fā)半相變時，會出現(xiàn)體積的突然膨脹。