金属切削加工表面层的残余应力及其处理方法

金属切削加工表面层的残余应力及其处理方法金属切削加工表面层的残余应力加工金属表面残余应力的大小、方向及分布情况就是表面完整性的重要评价指标之一，除此之外，表面完整性的评价指标还有表面形貌（包括表面粗糙度、表面波纹度和纹理）、表面缺陷（包括宏观裂纹、伤痕、腐蚀）、微观组织（包括微观裂纹、晶粒大小、晶间腐蚀）和表层其他工程技术特性。在这里我简单谈谈金属切削加工中表面残余应力产生及其类型。机械加工过程是一个复杂的过程，受众多因素的影响（以铣削加工为例见下图）因此产生复杂的应力变化，造成工件的质量不可保证，甚至变形。机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面及其与基体材料的交界处就会产生相互平衡的弹性应力，这种应力即是表面层的残余应力。它的产生主要有三种原因：◇冷态塑性变形◇热态塑性变形◇局部金相组织变化实际切削加工后表面层的残余应力是上述三方面原因的综合结果。冷态塑性变形占主导地位时，表面层会产生残余压应力；当热塑性变形占主导地位时，表面层会产生残余拉应力。2.其处理方法机加工中工件表面残余应力的产生主要受三个因素的制约：机械力引起的塑性变形、热应力引起的塑性变形和相变引起的体积变化。在机械应力的作用下表面层发生塑性流动和延展现象，而里层金属的弹性恢复变形受到已塑性变形表面金属的牵制，表面产生残余压应力。磨削中产生的工件表面的高温，使表面层进入完全塑性状态，工件冷却后表面层金属收缩受到里层金属的牵制，使表面产生残余拉应力。当砂轮与工件接触区温度达到金属相变温度后，表面组织发生金相组织变化，其表面残余应力的性质，随磨削前后金相组织的变化而变化。已加工表面内残余应力的产生是综合以上几个因素共同作用的结果。在一般磨削过程中，比压和摩擦较大，产生的磨削区温度较高。工件表面常常因热塑性变形而产生残余拉应力。对此，有针对性地降低磨削表面的温度，减少由此产生的塑性变形，就能抑制残余拉应力的产生，甚至会产生残余压应力。强制冷却磨削(简称强冷磨削)正是在此理论基础上提出的。针对磨削过程中磨削表面温度较高的情况，使用液氮对加工区域喷注，进行强制冷却。液态氮的温度为-196℃，是化工产业的副产品，无毒、无污染，易获取，是很好的冷却介质。将其喷注在待加工表面，通过氮的挥发可以迅速吸收大量热量，使工件表面温度急剧下降，工件表面遇冷而收缩，工件材料脆性增加，塑性变形减轻。磨削时，表面受到磨粒的切削、熨压、热应力以及强冷收缩的综合作用，里层金属因受挤压而产生弹性变形。磨削后，工件表层因温升使体积膨胀但受里层金属弹性牵制，从而产生残余压应力，通过对比实验发现：如常规磨削后工件表面为拉应力，在强冷磨削条件下，工件表面因强冷作用，已预先收缩，强冷磨削后，则工件表面收缩比常规磨削时的收缩量小，但里层金属仍然产生弹性恢复，因而磨削后工件表面的拉应力减小或出现压应力；如常规磨削后工件表面为压应力，改用强冷磨削后，工件表面因强冷作用，已预先收缩，则解除强冷作用后，工件表现的扩张比常规磨削时的扩张量大，因而磨削后工件表面出现更大的压应力。因此磨削中连续向工件待加工表面区喷注液氮，可抑制磨削热的产生，以期获得表面残余压应力。