切削加工中的残余应力优化方案

金属的切削过程实质上是一个金属发生挤压变形并最终屈服断裂的过程。金属受到挤压时，其内部在生成主应力的同时，还会在与挤压方向成45°角的方向产生最大剪应力，在剪应力达到金属材料的屈服极限时，材料就会屈服并产生剪切滑移，最终断裂。金属的切削加工过程可以看作刀具对工件材料的周期挤压过程，刀具不断挤压工件材料并使其沿最大剪应力方向滑移断裂从而实现材料去除。

图6.1所示为切削过程与残余应力生成机理。在切削加工时，刀尖圆弧前端的工件材料会沿两个方向流动。O点以上的材料，会从前刀面流出最终形成切屑，O点以下的部分，会受到加工刀具的挤压，留在已加工表面上，形成加工表层。留在加工表面上的这层材料的塑性变形是残余应力产生的主要原因。在刀具圆弧前端，工件材料受到刀具的切削剪切力的作用，材料晶粒沿切削方向会出现塑性收缩，而垂直于切削方向会发生塑性拉伸。这种现象称作“塑性凸出效应”，塑性凸出效应会使加工表面产生残余拉应力。随着刀具的继续切削，已加工表层材料会受到刀具后刀面的犁耕力与摩擦力的作用，刀具对表层材料产生挤压与摩擦，表层材料会进一步发生变形，这种现象称作“挤光效应”。挤光效应往往在已加工表面形成残余压应力。这两种效应主要是由切削力的作用产生的，统称为机械效应。

图6.1　切削过程与残余应力生成机理

金属切削加工过程中，刀具-工件接触界面上会出现剧烈的剪切、挤压、摩擦以及材料屈服流动现象，切削力做功会产生大量的切削热，刀具-工件接触区域的温度会逐渐升高。正常的切削加工中，切削区域的温度可达几百摄氏度，切削温度场存在着非常大的变化梯度。由于大温度梯度的存在，从工件表面到工件内部，温度急剧下降，切削时工件表层材料受热会发生热膨胀，产生拉伸变形，但同时表层材料又受到内部未变形材料的约束，这造成材料受压。在切削过程完成后，工件表层和内部材料的温度都会下降到室温，此时工件材料发生收缩，工件表层收缩多，内部收缩少，表层材料的收缩受到里层材料的约束，最后工件表层出现残余拉应力，里层出现残余压应力。因此，加工表面的温度场幅值越高、温度梯度越大，工件表层的残余拉应力越大。由工件内部切削温度分布不均导致的影响统称为热效应。(www.xing528.com)

切削加工过程中，热效应与机械效应同时产生，在工件表层产生了相应的热应力与机械应力，两者叠加决定了切削完成后工件表层的残余应力分布状态。也就是说，热力耦合效应是切削完成后工件表层的残余应力分布的决定性因素。切削导致的工件表层残余应力分布表征为

式中：σT为切削导致的工件表层的残余应力；σMech为机械效应引入的残余应力；σTherm为热效应引入的残余应力。

铣削表层残余应力分布是由接触界面上的热力耦合效应导致的，而切削过程的热力耦合状态与切削工况密切相关。根据工件表面切削工况的不同，工件表层残余应力将会呈现不同的分布形式。