5.4 残余应力

4

三 表层金属的残余应力 （一）原因

刀具切金属---表层金属的纤维被拉长---刀具后刀面 与已加工表面的摩擦加大这种拉伸作用。

刀具切离后---拉伸弹性变形恢复---拉伸塑性变形不 能恢复---表层金属的拉伸塑性变形---受到相连里层未发 生塑性变形金属的阻碍---表层产生压缩残余应力---里层 拉伸残余应力。
切削过程同时又受机床系统的振动运动控制，机床系统的振
动运动一旦停止，动态切削力随之消失。

如果切削过程很平稳，即使有自激振动条件，没有交变的动
态切削力，自激振动不可能产生。

偶然性外界干扰（工件材料硬度不均匀、加工余量有变化等
）总是存在，其产生的切削力变化，使系统产生振动运动。
42
无自激振动条件－－偶然干扰－－系统阻尼－－衰减。
27
例题： 高速精镗内孔时，采用 锋利的尖刀，刀具的主 偏 角K r 45o , 副 偏 角K r 20o , 要 求 加 工 表 面 粗 糙 度Rz 3.2( um ), 试 求 ： （ 1 ） 当不考虑工件材料塑性 变形对表面粗糙度影响 时，计算应采用的走刀 量为多少？ （2 ）分析实际加工表面粗 糙度与计算求的粗糙度 是否相同，为什么？
Fy 切削力：切削过程中工件对刀具的作用力。
Fy Fa Fv Fa 是工件表面层金属的弹、塑性 Fa 越大。 变形产生的抗力。 背吃刀量a越大， Fv是刀具与切屑间的摩擦力。
F弹 弹力：切削过程中振动系统对刀具的作用力。 F弹 越小。 F弹 方向始终向左；背吃刀量a越大，
相对滑动速度：切屑相对于刀具的相对速度。 振入取+ ；振出取vm v0 y v0 切屑高开工件的速度； y 刀具振动速度。
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（二） 强迫振动的特性

干扰力频率接近工艺系统某一固有频率，幅值明显增大。
干扰力频率与工艺系统某一固有频率相同，系统共振。
改变运动参数或工艺系统的结构----干扰力频率发生变化或 工艺系统某阶段固有频率发生变化----干扰力频率远离固有 频率----强迫振动幅值明显减少。
41

激励机床系统产生振动运动的交变力是由切削过程产生的。
切削过程中的冲击等（切入、切出产生冲击，加工断续表
面发生周期性冲击）
39
（二） 强迫振动的特性

频率： 与干扰力的频率相同，或者是干扰力频率的整数倍。 幅值：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。

干扰力频率一定，其幅值大，则强迫振动幅值也大。 干扰力频率远离工艺系统各阶段固有频率，则强迫振动响应将处 于机床动态响应的衰减区，振动幅值很小。
焊缝等。
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四 表面强化工艺
（二）滚压加工
淬硬和精细研磨滚轮、滚珠----常温挤压---凸起
部分向下压---凹下部分往上挤----前工序留下的
波峰压平---修正工件表面的微观几何形状----金
属组织细化---形成压缩残余应力
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24
例题： 为什么机器上许多静止连接的接触表面（车床床 头箱与床身结合面，过盈配合的轴与孔表面等）， 往往都要求较小的表面粗糙度，而有相对运动的 表面又不能对粗糙度要求过小？

砂轮速度高---磨削区温度高---磨粒删除厚度减小---热因 素大，塑性变形影响小 因此，提高砂轮速度---表层拉伸残余应力的倾向增大（图 4-22）。


加大工件回转速度和进给速度----热作用时间短---热因素 减小，塑性变形因素主导----表层压缩残余应力的趋势增 大。
16
2 工件材料 的影响
26
例题： 车削一铸铁零件的外圆 表面，若走刀量 f 0.5mm / r , 车刀刀尖的圆弧半径 r 4mm , 问 能 达 到 的 加 工 表 面 粗糙度？
参考： 由于铸铁件加工表面层 的塑性变形很小，故加 工 表面粗糙度主要取决于 几何因素引起的刀尖残 留 面积。 Rz ( 残留面积高度 )可按下式计算： f 2 0.5 2 Rz 0.0078mm 8r 8 4
性变形对磨削表面残余应力影响都很大。

热因素主导---表面拉伸残余应力 塑性变形主导---表面压缩残余应力 工件表面温度超过相变温度又充分冷却---淬火烧伤---金相组织变 化主导---表面压缩残余应力。

精细磨削---塑性变形主导---表面压缩残余应力。
13
1 磨削用量的影响
14
1 磨削用量的影响
则扩展到金属层2和3内
6
7

金属产生金相组织变化---表层金属比容变化---受到相连 基体金属的阻碍---产生残余应力。

金相组织变化---比容增大---表层压应力---里层拉应力； 金相组织变化---比容减小---表层拉应力---里层压应力；
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影响车削表层金属残余应力的工艺因素
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影响车削表层金属残余应力的工艺因素
5
温度 1层高于tp(高塑性温度) 2层在tn（室温）和tp之 间 1层低于tp
变化 1层处于完全塑性状态 2层受热后自由膨胀，产生瞬时压缩残余应力， 而3层则产生瞬时拉伸残余应力。如4-19b所示 1层转变为不完全塑性状态，收缩产生拉伸残 余应力，2内压缩残余应力增大，如4－19c所
示
1层继续冷却 1层继续收缩，拉伸应力加大，2层的压缩应力
持续自激振动的原因
Fy Fa Fv
假设 Fv 具有负摩擦特性，即 vm 越大， Fv 越小。
( Fyo1 Fao1 Fvo1 ) F弹o1 O1 为振入运动的平衡点，即：
B 0 B点为振入运动的终止点：y
因为 aB ao1 所以 FaB Fao1、F弹B F弹o1
，
28
参考： （ 1 ） 只考虑刀具几何形状在 加工表面上的复映， 可按刀尖残留面积的计 算公式求 f, Rz f ctgKr ctgKr
'
,
'
f Rz ( ctgKr ctgKr ) 0.012mm / r ( 2) 实 际 切 削 加 工 时 ， 由 于 物理因素（如塑性变形 ， 切削热，刀瘤及鳞刺等 ）的参与及系统的振动 会 改变刀尖残留面积的轮 廓形状，并加大表面不 平度 的平均高度 Rz。
25
参考：
由于静止连接的接触表面的粗糙度影响接触刚度及配合 性质，因此接触表面要求较小的表面粗糙度。
对有相对运动的表面，当表面很光滑时，由于润滑油 被挤出，表面间分子亲和力大，产生“咬焊”作用。表面间 产生相对运动会加剧磨损，所以磨损不但有机械作用，而且 有分子作用。因此有相对运动的表面对粗糙度不能要求过小。 因而零件表面粗糙度存在一个最佳范围，它取决于使用要求， 工作条件及零件材料等。
则 vmB vmo1 所以 F F 又 vm v0 y vB vo1
所以 FyB FaB FvB F弹o1 F弹B
同理可得，在C点有：( FyC FaC FvC ) F弹C
加速刀具和机床的磨损，缩短刀具和机床的寿命；
造成机床或者夹具间的连接部分松动，刚度和精度下降； 发出噪声，影响工人健康。
38
一 机械加工中的强迫振动 机内振源： 机床旋转件的不平衡（电动机转子、离合器、卡盘、砂轮等） 机床传动机构的缺陷（齿轮、带、链传动的不均匀）
往复运动部件的惯性力（油泵排除的压力油 ---脉动---空穴）
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30
例题： 试解释磨削淬火钢时，磨削表面层的应力状态与磨削深 度的试验曲线。
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参考：
当ap<0.01时，表面强化的冷态塑性变形引起表层比
容增大占主导地位，故表层有较小的压应力（负）。 当0.01<ap<0.05时，磨削表面温升增高，此时表层热作用， 高温塑性变形及表层的回火组织（索氏体或屈氏体）都使表层 的比容缩小，故表层产生较大的拉应力（正）。
相对滑动
磨损
表面拉残余应力 残余应力小
表面层下h深处 压应力 残余应力小
相对滚动
磨损
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四 表面强化工艺
定义:通过冷加工方法使表面层金属发生冷态塑性变形，以降 低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面产生压缩残余应力。 （一）喷丸强化 大量快速运动珠丸----打击工件表面----表面产生冷硬层、 压缩残余应力----提高疲劳强度、使用寿命。 主要用于形状复杂工件：板弹簧、螺旋弹簧、连杆、齿轮、
机械制造工艺过程 第十讲
1
2
第一部分

1 表层金属的残余应力

2 表面强化工艺
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3 实战演练
3

三 表层金属的残余应力 （一）原因 机械加工---表层金属塑性变形---表层金属的 比容增大。

塑性变形只在表层产生---表层金属比容增大和 体积膨胀---受到相连里层金属的阻碍---在表层产 生压缩残余应力---里层金属中产生拉伸残余应力。
17
2 工件材料的影响 工件材料强度高、导热性差、塑性低---拉伸残余应力倾向大。 1）碳素工具刚T8比工业铁强度高、材料变形阻力大 2）磨削时发热量大，导热性差于工业铁，磨削热容易集中于表
层
3）再加上塑性低，热因素作用明显，拉伸残余应力倾向比工业
铁大。
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工件最终工序加工方法的选择

工件表面残余应力的数值及性质主要取决于工件最终工
有自激振动条件－－持续振动运动。 电动机－－通过动态切削－－传能量到振动系统。 自激振动特点： 1）没有外力（相对切削过程）干扰下产生的。 2）频率接近于系统固有频率（强迫振动不同）。
3）不因阻尼存在而衰减（自由振动会）。
自激振动模型
振入：一个振动周期里，背吃刀量由小到大的 过程。 A->B
振出：一个振动周期里，背吃刀量由大到小的 过程。 B->C
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第二部分课程目标
1 强迫振动 2 自激振动 3 自激振动的条件 4 自激振动的原理
再生原理、振型耦合原理、
负摩擦原理、切削力滞后原理
5 机械加工振动的诊断技术
6 机械加工振动的防治
机械振动
机械振动是指工艺系统或系统的某 些部分沿直线或者曲线并经过其平衡位 置的往复运动。
机械振动的危害
使刀具与工件间产生相对位置误差； 粗糙度增大，工件表面质量严重恶化；
序的加工方法。

交变载荷作用---表面存在局部微观裂纹---拉应力会使 原生裂纹扩大，导致零件断裂---从抗疲劳破坏考虑--最终工序应产生压缩残余应力为好
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工作条件
破坏形式
表面应力引起 原因
加工时 对策
最终 加工方法 磨削 -> 淬火 镀铬， 镀铜， 车削* 镀铬， 镀铜， 车削*
交变载荷
断裂
表面存在局部 表面压残余应力 微观裂纹 见图 4－24a 综合作用 见图 4－24b 综合作用
当ap>0.05～0.06时，由于磨削表层温升很高，且冷却速度
较快时，表层产生二次淬火的马氏体组织，由于金相组织的改
变使表层的比容增大，故产生压应力（负）。
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例题： 若工件为一长方形薄钢板（假设毛坯上、下面是直的）， 当磨削平面A后，工件产生弯曲变形，试分析工件产生中凹变 形的原因。
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参考：

磨削深度很小---塑性变形主导---表层压缩残余应力 磨削深度加大---塑性变形加剧---磨削热增大---热因素 主导---表层拉伸残余应力

磨削深度大于0.025mm---不出现淬火（含碳量很低）---塑性变形主导---拉伸残余应力减少

磨削深度很大---压缩残余应力状态
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1 磨削用量的影响
导---表层压缩残余应力。
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影响车削表层金属残余应力的工艺因素
2 进给量的影响
进给量加大---表层金属塑性变形增加---切削区热 量增加---残余应力数值和扩展深度均增大 3 前角的影响 前角对表层金属残余应力的影响极大。
见图4-22
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影响磨削残余应力的工艺因素

磨削加工：塑性变形严重、热量大、工件表面温度高，热因素和塑
正前角车刀，45钢在所有切削速度下，表层产生拉伸残余应
力。但是其他材料并不如此。

低速车削---切削热主导---表层拉伸残余应力 切削速度提高---表层温度达到淬火温度---局部淬火---比
容增大---金相组织变化---拉伸残余应力减少。

高速切削---表层淬火充分---比容增大---金相组织变化主
磨削平面A后，表面温升高。冷却时，表面层金属
的收缩收到基体金属的阻碍，表层产生拉应力，下层
产生压应力，如a图。 当取下工件后，因工件刚性差，且由于工件内应力 的重新分布，产生新的应力平衡的结果必然产生相应 的工件变形，分布如b图
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小结

1 表层金属的残余应力

2 表面强化工艺

3 实战演练