车床加工过程中残留应力影响因素及减小措施

【摘要】在车床加工钻井工具时，有很多因素影响加工过程中的残留应力，减少各种因素对加工过程中的残留应力的影响是机械加工前必须考虑的事情。通过分析影响车床加工过程中残留应力的主要因素，有针对性地提出减小残留应力的对策措施。

【关键词】车床加工；残留应力；影响因素；前、后角；切削速度

残留应力是衡量表面质量的一个指标，它是指工件表层材料内由于切削加工而造成的附加内应力。衡量机械加工质量的指标有两方面即加工精度与表面质量，零件的加工质量是保证机械产品工作性能和产品寿命的基础。在机械加工过程中，由于各种因素的影响，使零件的表面残留应力增大。加工残余应力不仅直接影响零件的加工精度等表面质量， 而且影响零件的尺寸、稳定性、疲劳强度、抗腐蚀能力等性能。对残留应力除了要注意其大小以外，还应区分残留应力的性质，是拉应力还是压应力，拉应力对表面的疲劳强度特别有害。

一、车床加工过程中残留应力产生的原因

1、工件表面的塑性变形

工件表面层材料在经过第三变形区时，在切削力的作用下，使金属的晶格扭曲而强化，已加工表面受到强烈的冷塑性变形，其中以刀具后刀面对已加工表面的挤压及摩擦产生的塑性变形最为突出，此时基体金属受到影响而处于弹性变形状态。切削力除去后，基体金属趋向恢复，但受到已产生塑性变形的表面层的限制，恢复不到原状，因而使表层内产生残留压应力。

2、热应力

切削加工时工件表层在切削温度的作用下受热膨胀，此时基体金属温度较低，因此表层金属产生热压应力。当切削过程结束时，表面温度下降较快，故收缩变形大于里层，由于表层变形受到基体金属的限制，故而产生残余拉应力。切削温度越高，热塑性变形越大，残余拉应力也越大，有时甚至产生裂纹。

3、组织应力

当切削温度高于工件材料的相变温度时，表层材料的组织会发生相变。由于不同组织具有不同的比容，表面层金相组织变化的结果造成了体积的变化。如果表层膨胀，则产生压应力，如果基体膨胀，则产生拉应力。如淬硬钢受到摩擦挤压时，若工件表面的组织由比容较大的马氏体转变成比容较小的珠光体，则体积缩小，在表层内形成残留拉应力。在加工后工件表层内最终形成的残留应力的性质，要决定于以上三种影响的综合结果。但在一般情况下，形成拉应力的可能性较大。残余应力一般是有害的，它一般不会立即表现为缺陷。当零件在工作中因工作应力与残余应力相叠加，而使总应力超过强度极限时，便出现裂纹和断裂。

二、残留应力对工件的影响

1、残留应力对工件尺寸的影响 残余应力是一个不稳定的应力状态。当构件受到外力作用时，作用应力与残余应力的相互作用，使某些局部呈现塑性变形，截面内应力重新分配，当外力作用去除时整个构件将要发生变形。所以残余应力明显地影响着加工后的工件尺寸。

2、残留应力对金属材料塑性、韧性的影响 当对具有残留应力的材料进行塑性加工时，残留应力使内部的应力不均匀分布，使材料的变形抗力升高，塑性降低。

3、残留应力对金属材料耐腐蚀性、疲劳强度的影响 由于工件内部具有残留应力，使其处于高能量状态，易于氧化介质发生化学作用，即应力腐蚀，从而降低工件的耐腐蚀性。残留应力使内部的应力不均匀分布，降低疲劳强度。

二、减少加工残留应力的减小措施

1、增大刀具的前、后角，减小刃口圆弧半径 在切削加工中工件残余应力的大小与刀具的前、后角密切相关。残余应力与前角的关系是：不论前角如何取值，在工件表面都形成残余拉应力。在前角一定变化范围内，工件表面主要产生残余拉应力，其值随前角增加先增大后减小。对前、后角越大，刃口圆弧半径越小，则刀具愈锋利，工件已加工表面的塑性变形减小，工件表面的残留拉应力也愈大，减小前角可使残留拉应力降低，而采用负前角刀具高速切削钢材时，有可能得到表面残留压应力。

2、提高切削速度，适当减小进给量 切削速度越高，则工件的塑性变形小，而且塑性变形扩展的范围也小些，表面应力特征环向残余拉应力随着车削速度的提高而增大， 轴向残余应力随之减小，且车削速度对环向应力的影响较大。

3、采取有效的冷却措施 采用切削液能将切削热迅速地从切削区带走，可使温度大大地下降，可降低因切削热及零件表层材料相变引起的残留应力。切削液能在刀具前、后刀面上形成一层薄膜，以减少金属表面的直接接触，减轻摩擦及粘结现象。为了保证具有良好的作用，要求切削液能迅速渗入刀具与工件或切屑的接触界面，并形成牢固的吸附薄膜，不致在高温、高压及剧烈的摩擦条件下被破坏。当切削液中含有油性添加剂（如脂肪酸、皂类、胺类等化合物）或极压添加剂（如：硫化油、氯化石蜡等含硫、氯、磷的有机化合物）时，其作用就大大地加强了。一般含油性添加剂的切削液仅适用于低俗轻负荷的场合；含硫的切削液可耐受1000℃左右的高温；含氯的切削液能耐受600℃左右的温度，而其降低摩擦系数的能力优于含硫切削液。流动性、导热系数、比热容及汽化热愈大，则冷却性能也愈好。由于水的导热系数、比热容及汽化热都比油类高，因此水基切削液的冷却效果比油基切削液好。当切削液中有泡沫存在时，会使冷却作用减小，所以有时还要在切削液中加入少量的抗泡沫添加剂，以改善冷却效果。

4、对粗加工的工件进行时效处理

（1）自然时效 自然时效是通过把零件暴漏于室外，经过几个月甚至几年的时间，从而使残余应力减小或消除。

（2）去应力退火时效处理 去应力退火是将工件随炉缓慢加热至500――650℃（

（3）振动时效 振动时效的实质是以共振的形式给工件施加附加动应力，当附加动应力与残余应力叠加后，达到或超过材料的屈服极限时，工件发生微观或宏观塑性变形，从而降低和均化工件内部的残余应力。振动时效具有投资少、生产周期短、使用方便、适应性强、节约能源、降低成本、符合环保要求、操作简单易实现机械自动化。它可以避免金属在热时效过程中产生的变形、氧化、脱碳及硬度降低等缺陷。

四、结束语

车床是机械加工中的重要设备，在进行工件加工的时候要注意不同因素对工件表面残余应力的影响。充分发挥车床的技术优势，并在生产的过程中多进行总结。

参考文献

[1]金属切削手册（第三版）上海金属切削技术协会编，2004.9.

[2]戴枝荣.工程材料.高等教育出版社，1992.4.

[3]米谷茂（日），残余应力的产生和对策.

[4]王阳.车窗加工过程中应力的分别[J].硅谷，2013年9期.

作者简介

孟凡策，1984年3月生，助理工程师，2004年毕业于北华大学机械设计制造及其自动化专业，现在大庆钻探工程公司钻技一公司钻井工具分公司完井工具车间工作。