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切削加工表面残余应力研究

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残余应力主要是由构件内部不均匀的塑性变形引起的。各种工程材料和构件在毛坯的制备、零件的加工、热处理和装配的过程中都会产生不同程度的残余应力。残余应力因其直观性差和不易检测等因素往往被人们忽视。残余应力严重影响构件的加工精度和尺寸稳定性、静强度、疲劳强度和腐蚀开裂。特别是在承力件和转动件上，残余应力的存在易导致突发性破坏且后果往往十分严重。因此，自20世纪50年代以来国内外技术人员花费了大量的精力研究残余应力的产生机理、检测手段、消除方法以及残余应力对构件的影响^[1]。

Guo等通过试验的方法研究了车削和磨削产生的不同性质的残余应力对工件疲劳强度的影响^[2]；Seo等通过试验和有限元模拟的方法揭示了在车轮制造和火车刹车过程中引起的残余应力和火车车轮疲劳寿命之间的代数关系^[3]；Liu等用试验的方法研究了残余应力对滚动接触疲劳强度的影响^[4]；董辉跃等研究了材料去除过程中残余应力的重新分布及该过程所引起的工件变形^[5]；孙杰等基于理论计算和有限元模拟, 研究了毛坯的初始残余应力对大型整体结构件数控加工变形的影响^[6]；Hiroyuki等研究了不同加工参数引起的残余应力对零件疲劳强度的影响^[7]，并且结合正交切削模型和刀尖圆角压痕模型建立了残余应力预测模型^[8]；王立涛对于铣削加工航空框类整体结构件时的残余应力和变形机理进行了研究，并将研究成果应用于实际生产^[9]。

在机械加工过程中残余应力的存在不仅影响零件的加工精度而且影响零件的使用性能和寿命^[10]。因此，充分了解残余应力产生的机理并掌握残余应力测量和消除方法对于充分利用残余应力的有益的一面，避免残余应力带来的危害以及改进加工工艺，延长工件的使用寿命和确保安全生产是十分有意义的。

本文主要研究了切削加工过程中残余应力产生的机理，并对残余应力的测量方法以及残余应力的调整和消除手段进行了较为系统的阐述和比较，提出了在残余应力检测和消除领域的一些建议，为进一步研究提供参考和借鉴。

残余应力的定义和分类

1 残余应力的定义

残余应力是指在没有外力作用于物体时，物体内部保持平衡的应力。在没有外力的作用下，物体内部保持平衡的应力称为固有应力，残余应力是固有应力的一种^[11]。

现在用一个简单的例子说明残余应力的产生。假设图1中3根弹簧在自由状态下的长度分别为L₁、L₂、L₃，弹性常数为c。用两块刚性板将3根弹簧连接后的长度为L，并且连接之后整个系统不受外力的影响。设连接后3根弹簧上产生的力分别为F₁、F₂、F₃，这时的F₁、F₂、F₃就相当于这个系统的残余应力且F₁+F₂+F₃=0。

图1 残余应力产生的弹簧模型示意图

2 残余应力的分类

（1）根据残余应力影响的程度把残余应力分为宏观应力和微观应力。1973年德国学者E. Macherauch进一步把宏观应力称为第一类残余应力；把微观应力分为第二类和第三类残余应力。第一类残余应力存在于材料的较大范围或许多晶粒范围内并且保持相互平衡，它的大小和方向可以用常用的机械和物理方法进行检测。这种残余应力对于所加工的产品是否合格以及最终产品的性能能否达到设计要求等都会产生很大的影响。因此，在实际生产过程中所关注的残余应力一般指第一类残余应力。第二类残余应力是指存在于晶粒范围内的残余应力。第三类残余应力是指存在于晶粒内部的粒子之间的晶内应力^[11-13]。

（2）根据残余应力产生的原因，把宏观应力相对应地叫做体积应力；微观应力叫做结构应力^[11]。

体积应力是由于物体受到外部不均匀的机械的、热的、化学的作用而产生的。内部组织结构均匀的物体也会产生这种残余应力。结构应力是由于物体内部组织结构不均匀造成的，即使受到均匀的外部作用也会产生这种残余应力。

（3）残余应力按其表现形式可以分为残余拉应力和残余压应力。

当工件在使用过程中承受外部载荷时，工件所受到的实际载荷是外部载荷和内部残余应力的叠加。这就会影响到工件的实际承载能力，使工件在使用过程中容易发生突然的过载断裂等，如果这种突然失效发生在关键部件可能会带来重大的事故。另外，残余拉应力的存在会加速零件表面裂纹的萌生和扩展，降低零件的抗疲劳强度、耐腐蚀性和尺寸稳定性等。而残余压应力则会在一定程度上提高零件的抗疲劳强度和耐腐蚀性^[14-15]。因此，研究如何使零件表面产生残余压应力的加工工艺是非常有意义的。

金属切削加工过程和残余应力产生的机理

1 金属切削过程