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產(chǎn)生機理
零件在進行切削時,由于已加工表面受到切削力和切削熱的作用而發(fā)生嚴重的不均勻彈塑性變形,以及金相組織的變化影響將產(chǎn)生切削殘余應力。產(chǎn)生切削殘余應力的原因主要包括以下三種。
(1)機械應力塑性變形效應
在切削過程中,原本與切屑相連的表面層金屬產(chǎn)生相當大的、與切削方向相同的彈塑性變形,切屑切離后使表面呈現(xiàn)殘余拉應力而心部為殘余壓應力。同時,表層金屬在背向力方向也發(fā)生塑性變形,刀具對加工表面的擠壓使表層金屬發(fā)生拉伸塑性變形,但由于受到基體金屬的阻礙,從而在工件表層產(chǎn)生殘余壓應力。另外,表層金屬的冷態(tài)塑性變形使晶格扭曲而疏松,密度減小,體積增大,也會使表層產(chǎn)生殘余壓應力而心部為殘余拉應力。
(2)熱應力塑性變形效應
切削時,強烈的塑性變形和摩擦使已加工表面層的溫度很高,而心部溫度較低。當熱應力超過材料的屈服強度時,表層在高溫下將伸長,但由于受到基體材料的限制,本應該發(fā)生的伸長被壓縮。在切削后的冷卻過程中,金屬彈性逐漸恢復。當冷卻到室溫時,表層金屬要收縮,但由于受到基體金屬的阻礙,工件表層產(chǎn)生殘余拉應力。
(3)表層局部金相組織轉(zhuǎn)變
切削時產(chǎn)生的高溫會引起表面層金相組織的變化,由于不同的金相組織密度不同,表層體積也將發(fā)生變化。例如,馬氏體密度為7.75g/cm3,奧氏體密度為7.968g/cm3,珠光體密度為7.78g/cm3,鐵素體密度為7.88g/cm3。若表層體積膨脹,會產(chǎn)生殘余壓應力;反之,則產(chǎn)生殘余拉應力。
影響因素
切削殘余應力的性質(zhì)和大小受很多因素的影響,掌握這些因素的影響規(guī)律并進行合理選擇,對于降低殘余應力和優(yōu)化切削過程是很有必要的。
(1)工件材料的影響
工件材料本身狀態(tài)及其物理力學性能對切削殘余應力產(chǎn)生直接影響。塑性好的材料切削加工后通常產(chǎn)生殘余拉應力;塑性差的材料則產(chǎn)生殘余壓應力。根據(jù)工件材料的具體初始應力狀態(tài),切削加工可能使工件內(nèi)殘余應力值增大或減小。
(2)切削參數(shù)的影響
切削速度的影響一般是通過“溫度因素”來進行的。切削速度較低時,易產(chǎn)生殘余拉應力;切削速度較高時,由于切削溫度升高,易產(chǎn)生殘余壓應力。增加進給量和切削深度時,被切削層金屬的截面及體積增大,使刀刃前的塑性變形區(qū)和變形程度增加。如果此時切削速度較高,則溫度因素的影響也有所加強,因此表面殘余拉應力將會增大。
(3)刀具參數(shù)的影響
當增大刀具的前角、后角,減小刀尖的圓弧半徑和切削刃的鈍圓半徑時,殘余應力會減小。刀具的鋒利性、后刀面的磨損或鈍圓半徑對殘余應力的影響很大,其次是刀具前角。
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