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如何消除、均化切削加工表面的残余应力?

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发表于 2019-12-9 14:13:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
在机械加工过程中,残余应力普遍存在,严重影响构件的加工精度和尺寸稳定性、静强度、疲劳强度,甚至引起腐蚀开裂。但由于其直观性差和不易检测等因素,往往被人们忽视。


实际上,残余应力的存在易导致突发性破坏且后果往往十分严重,特别是当其存在于承力件和转动件上时,可能会带来重大事故。研究残余应力,对避免其带来的危害、延长工件使用寿命、缩短企业制造成本,具有积极作用。本文将就切削加工过程中残余应力产生的机理进行探讨,并对残余应力的检测以及控制方法进行讲解,以供读者参考。


残余应力是什么?
首先来一段官方的定义:残余应力(ResidualStress)是工件在制造过程中,受到来自各种工艺等因素的作用与影响,当这些因素消失之后,若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失,仍有部分作用与影响残留在构件内,则这种残留的作用与影响就是残余应力。


残余应力的危害
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。
残余应力会引起物体缓慢变形,导致机械加工工件尺寸不合格,仪器生产中导致整台仪器丧失精度成为废品,铸造锻造工件出现裂纹甚至断裂,同时对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命等也有着十分重要的影响。

残余应力产生的原因
一般来说,产生残余应力的原因可以归结成三类。
第一类是不均匀的塑性变形,第二类是不均匀的温度变化,第三类是不均匀的相变。
切削过程中残余应力的产生既与机械应力所造成的塑性变形有关,也与热应力所造成的塑性变形有关。


(1)由机械应力引起的残余应力。
刀具切削工件材料过程中,刀尖前方的三角形区域会随着刀具的运动而产生沿着切削方向的压缩塑性变形和垂直于切削表面方向的拉伸塑性变形(塑性凸出效应), 如图所示。因此,在沿着切削表面的方向会有拉伸残余应力的产生。与此同时,刀具的后刀面会对已加工表面有进一步的挤压和摩擦,会使其表面发生塑性伸长而产生沿表面方向的压缩残余应力。实际加工过程中由机械应力所产生的残余应力是刀具接触点前方塑性凸出效应和刀具接触点后方压延效应的叠加。

(2)由热应力所引起的残余应力。
金属切削加工过程中的3个变形区由于摩擦和塑性变形的存在都会产生大量的热。这些热量很难及时散发出去,从而导致工件材料表面的受热膨胀。但是表面的膨胀行为会受到基体的束缚而最终产生压缩塑性变形。当工件完成加工逐渐冷却到室温后,产生压缩塑性变形的表层会在工件表面形成拉伸残余应力。以上所说的情况并不包括工件在受热和冷却过程中可能发生的相变。如果切削过程中产生的热量达到了工件材料的相变转化温度,则工件表层材料会在冷却过程中发生相变而使其体积发生变化,最终在工件表层产生残余应力。


在实际加工过程中,工件表面最终的残余应力状态是以上几种情况的叠加。一般情况下,若切削速度较低,冷却情况良好,切削温度不是太高时,机械应力会对残余应力的产生和性质起主导作用。当切削速度较高、切削温度也相应升高时,工件材料表面的热塑性变形会起主导作用。当切削速度进一步升高,切削温度达到一定数值时,工件材料的相变就会对工件表面最终的残余应力性质起主导作用。由此可以看出,在切削加工过程中残余应力的产生是一个非常复杂的过程,与切削加工过程中的热力耦合密切相关。


残余应力如何测量?
残余应力的检测方法有很多,根据其测试过程对被测构件是否产生破坏,可以分为有损检测法和无损检测法。


1、有损检测法
有损检测法分为钻孔法、压痕法、环心法、切槽法、取条法等,最为常见的是钻孔法(也称盲孔法),是一种对构件破坏性相对较小的检测方法。操作时对存在残余应力构件的表面钻一个小孔,使小孔处的残余应力得以释放,再通过粘贴在孔邻近区域的应变片来测量相应的位移和应变,最后可以通过计算来得到在钻孔处深度方向上的平均残余应力值。
钻孔法需要对待测物体局部取样,而且测试后损坏不可逆,一般适用于棒形或管形的物体。但又因为其会对被测部件造成损伤的缺点,严重制约了它的应用范围和发展前景。
2、无损检测法
残余应力的无损检测法分为X 射线法、磁性法和超声法等,主要是通过物理光学和核物理技术来测量材料内部的物理常量(如晶格常数)在应力场中的变化,来间接算出物体内部残余应力值的方法。
在各种无损检测残余应力的方法中,X 射线衍射法被公认为是最精确可靠和方便快捷的,最重要的是对被测工件不会造成任何损伤和破坏,因此本文着重讲解X 射线法。



X 射线衍射法测量残余应力是基于X 射线衍射理论。当一束波长为λ 的X射线照射在晶体表面时,会在特定的角度(2θ)上接收到X 射线反射光的波峰,这就是X 射线衍射现象。其中衍射角2θ与 X射线的波长λ、衍射晶面间距d之间遵从著名的布拉格定律:2dsinƟ=nλ. 。

式中,K 为弹性常数,当入射线的波长选定之后(λ一定),通过测定衍射角θ,即可由布拉格方程得到受力之后的晶面间距,继而得到相应的残余应力值。这里需要指出的是由于晶体是各向异性的,因此弹性常数K 和宏观意义上的弹性模量E 是不同的,需要根据所选择的衍射晶面来计算出弹性常数K。
1961 年德国学者Macherauch 结合弹性理论和布拉格方程提出了测二维残余应力的sin2ψ法:

根据ψ平面与测角仪2θ扫描平面的几何关系,分为同倾法与侧倾法两种测试方式,精准检测工件表面应力。


残余应力的消除方法
残余应力对构件危害极大,因此控制及消除残余应力就十分必要。一般来说,残余应力的消除有以下几种方式:
1、自然时效
自然时效是通过把零件暴露于室外,经过几个月甚至几年的时间,使其尺寸精度达到稳定的一种方法。这种时效方法虽然具有无污染,稳定铸件尺寸精度等优势,但时间长、占地广,后期还需进行除锈工艺。


2、 热时效
热时效是把工件放进热时效炉中进行热处理,由室温缓慢均匀加热至550℃左右,保温4-8小时,再严格控制降温速度至150℃以下出炉。热时效处理应用非常广泛,但同时弊端也不少,表现为耗时久,能源消耗大,且污染严重、成本高,工件受尺寸限制等。


3、振动时效法
振动时效是利用机械共振的方法消除或均化金属结构在铸造、锻压、焊接和切削等机械加工后所产生的残余应力。它通过向工件施加一定大小和频率激荡力的方式给工件传递能量,使工件发生微小或宏观塑性应变来匀化和消除残余应力。振动时效法不仅可以大幅度地消除工件内部的残余应力,而且设备简便、节能环保、消除残余应力效率高。


4、 声波时效法
超声波时效法首先在前苏联诞生,并在发达国家得到推广,该方法起先主要应用于船舶、核潜艇、航空航天等对消除应力非常严格的军事领域。但是由于超声波法只能解决构件表层一定深度内的应力问题,所以相对应用环境较窄,且成本颇高。


5、其它方法爆炸法、打压法、锤击、喷丸、滚压等。喷丸强化是行之有效、应用广泛的强化零件的手段,喷丸的同时也改变了表面残余应力状态和分布,而喷丸产生的残余压应力又是强化机理中的重要因素。
总结:
残余应力是工件变形、断裂、疲劳寿命的重要原因,为保证工件生产的合格率及精密度,残余应力检测必不可少。在目前应用较为广泛的残余应力检测方法中,X 射线残余应力检测法是最为便捷、可靠和有效的。因此,X 射线衍射法应作为残余应力检测技术的主要方法。
同时,一旦检测出残余应力值过高或不均,需采用相应的时效进行消除或均化。在所有时效方法中,振动时效法在经济性、环保性和消除效率方面明显优于其他方法,值得重点关注。

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发表于 2019-12-10 20:21:35 | 显示全部楼层
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发表于 2019-12-28 19:06:31 | 显示全部楼层
看看吧好了再评价谢谢
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