控制表面残余应力的强冷切削试验研究

HEATS

1 切削加工中残余应力的产生

由于在切削加工中工件受到切削力、热载荷或高温相变作用，产生不均匀塑性变形，当外载荷卸去后，工件内部就产生了残余应力。它可以是拉应力，也可以是压应力，其性质和大小随材料的性能、产生条件的不同而变化。在常规加工条件下，残余应力存在于工件很薄的表层内，作用范围距表面小于5µm，应力梯度很大，应力值有时相当大，数量可以是被加工材料原始屈服强度的1至3倍。切削时由于切屑对刀具的摩擦和挤压，以及在第Ⅲ变形区内，切削刃分流点以下很小一部分材料经受刀刃钝圆部分强烈挤压和摩擦，会进一步发生严重的附加塑性变形并留在已加工表面上。切削后由于内层材料的弹性恢复和后刀面与已加工表面的摩擦，使已加工表面层再次发生塑性变形：若内层材料的弹性恢复是扩张趋势，则表面层呈现拉应力状态，反之，内层材料若是收缩趋势的弹性恢复，表面层则呈现压应力状态。刀-工接触面的滑动摩擦造成刀-工接触面间的剪切变形和局部高温，当切削区域温度高于材料相变温度时，材料发生热相变并导致体积变化，但受到相邻材料的约束，使表面层产生局部不均匀的残余应力，其应力状态随材料金相组织变化状态和加工条件而变化，或为压应力，或为拉应力。

残余应力的产生是一个复杂的现象，除受力、热因素影响外，还受材料内部微观结构、加工条件(如刀具几何参数、切削用量等)多种因素影响。因此切削加工中残余应力的产生是由多种因素综合作用的结果。 0 h: A% r$ Q! t

2 强冷切削机理

如上所述，在常规切削过程中，已加工表面残余应力状态主要取决于工件表面上所承受的切削力和热载荷。对已加工表面残余应力的控制问题在很大程度上可以通过在切削过程中对工件切削区域因热和切削力作用产生的应力状态的控制来实现。为达到此目的，对被加工材料表面实施快速强制冷却，一方面可以降低工件切削区域的温度，使工件材料脆性增加，减少切削时的塑性变形：另一方面会在材料表层形成一个以冷缩为主要特征的预应力场，与切削过程中力和热所形成的应力场实现非线性叠加，抑制残余拉应力的产生，并可导致残余压应力的产生。强制冷却切削(简称强冷切削)正是基于这一机理提出的。

强冷切削试验采用液氮作为冷却介质。液态氮的温度为-176℃，是化工产业的副产品，无毒，无污染，容易获取，是一种很好的冷却介质。将其喷注在被加工材料表面，通过液氮的挥发可以迅速吸收大量热量，使工件表面温度急剧下降。与常规切削的情况相比较，强冷切削时，快速强制冷却收缩的效应集附于被加工材料最外层，而其内部材料冷缩程度则相对较轻、冷却速度也较慢，导致工件表层相对内层发生了不均匀的弹塑性变形。解除强冷作用后，较大的相对温差(温升)使工件表层(相对内层)发生扩张，但受到内层金属的牵制，导致已加工表面残余压应力的产生。
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a)向待加工表面喷射	b)向已加工表面喷射
附图　强冷切削装置示意图

强冷切削时，液氮喷注的方向和部位可以是待加工和已加工表面区(见附图)，即从刀具的前后两个不同方向向切削区域喷注液氮。向待加工区域喷注是为了冷却待加工区域材料表层，形成冷缩预应力场：向已加工区域喷注是加速工件冷却过程，使最外层急剧冷却与内层形成较大梯度温度场。两种方式都使工件在恢复常温过程中，因表层扩张而产生残余压应力。

3 强冷切削试验

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1. 试验条件 工件表面层的冷却程度和冷缩预应力状态与液氮流量q、工件与液氮喷嘴相对移动速度(试验中为切削速度V_c)、被加工材料热特性等因素有关，通过对流量q、速度V_c和切削用量的控制，来达到实现对已加工表面残余应力状态的主动控制。试验中设定液氮流量q=1000mm³/s(液氮流量的设定应能使其在作用表面完全汽化后所吸收的热量满足对冷却程度的要求，最低限度也要保证所吸收的热量大于切削热)。液氮喷嘴为矩形B×L=7mm×3mm，保证了所喷出液氮形成的稳定的冷却场覆罩整个切削区域，喷嘴尽可能接近切削区域，距离越近，冷却效果越好。喷嘴相对工件表面移动速度将影响工件表面冷缩预应力场的形成，对不同的加工材料和加工条件有不同的优化值，速度过小，工件材料冷却充分，无法在表层形成相对内层的冷缩预应力场，也不利于工件表面粗糙度值的减小和生产效率的提高：若速度过大，表层来不及冷却，也难以形成冷却场。在这两种情况下都无法实现强冷切削对已加工表面残余应力的控制。
   试验机床为CM6140型车床。切削用量:切削速度V_c采用两种即50m/min和100m/min， 进给量f为0.10mm/r，切削深度a_p为0.30mm。纵向外圆切削。
   试验刀具为硬质合金YG15外圆车刀。
   试验刀具几何参数:前角g₀=0°，后角a₀=6°，副后角a₀'=5°，主偏角k_r=45°，副偏角k_r'=45° ，刃倾角l_s=0°，刀尖圆弧半径r_e=0.8mm
   试验材料为45号钢(退火状态)，试件为直径70mm棒料。
   每项试验试件分三组:第一组是干式切削，第二组是强冷切削(液氮向待加工表面喷注)，第三组是强冷切削(液氮向已加工表面喷注)。
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   9 t1 j& W* ]" ~# [. L o% m+ @8 w7 z' F8 {+ _; F& G, E' t) X, j. a; d0 ?2 e+ ~7 u( ]0 f2 ~9 K2 @. g, O3 O4 B+ }8 T- q! O, c- E+ {7 w; h2 b% Y0 e0 d% p( U' G3 H/ H' h, l% x; K5 o* S- w: F$ `# K& W4 N) G' B/ @. X+ ]& f; z8 g7 R& j1 Z! r3 K/ m% z1 t7 E j' E3 E( K: \. R: u9 D ]# x P% i) a4 U: ]/ v% A+ F; l3 Q+ u _. K3 q ~3 M2 p/ ]; @3 e7 { Z8 O 试验2的试验结果 测定项目 第一组 第二组 第三组 径向 轴向 径向 轴向 径向 轴向 表面应力sf(MPa) 213 96 -196 -224 -192 -205 表面粗糙度Ra(µm) 1.8 1.72 1.7

2. 试验结果
   : X& B2 ~0 W- A
   • 试验1:切削速度V_c=50m/min 8 Q$ Y( P/ K5 V, k' _5 a% {
   • 试验2:切削速度V_c=100m/min
   以上两个试验结果均是在相同切削条件下经再次切削所取得的平均应力。切削后对试样表面采用Х-П型Х射线应力测定仪测定表面应力状态。Х射线应力测定是通过测量衍射角2q 的改变求得晶面间距的变化计算出晶体表面应变，从而换算出金属表面存在的应力，即 # J6 v# X3 X: y9 w5 Z a1 @' K, }; I9 r* Z- r, P+ r: H, X) o1 t# ^8 |* K+ z! C- S) s7 t1 J( ~( f# g0 a) ~9 g0 V( C8 j' D6 B) b0 j8 V+ b5 a6 b0 q: F! i- i( y! T" Q" W! X* s0 V" m. @; }. ], j |* G: x! C5 X; V/ \. d7 N$ E/ C/ L

   sf=-	E	cot	(	q	p	)	∂(2q)
   	2(1+µ)				180		∂(sin2f)

   式中：µ——泊松比
   E——弹性模量 6 A1 d5 | I+ }
   q——入射角
   f——衍射晶面法线与试件表面法线夹角
   实验采用0°～45°法测定应力值，上式变为 % k* r& r3 q! k% ]. W" a6 B h& s5 x# m% r4 U8 G* l6 f1 D: E1 W, Y" X6 }7 N8 q, k! Y3 C( f0 @" h* f, m# U, c: }+ a* i; Y! I. _8 [1 d z9 n! A3 G% v! ^% Q; k/ j% j! C+ t+ M8 }6 |' X' C: b7 Q3 O T$ o

   sf=-	E	cot	(	q	p	)	2q0-2q45	k·∆2q
   	2(1+µ)				180		sin2f1-sin2f2

   式中：k——应力系数 - L& a9 m$ P& ]. M |
   若2q为正，表示拉应力：反之表示压应力。 ( R4 d, z2 D+ d4 g8 R
   计算结果见上述两表。

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4 结论与分析

1. 强冷切削可以使工件已加工表面获得残余压应力，或降低残余拉应力。适当控制强冷切削的液氮流量和切削用量，可以达到控制表面残余应力、改善表面质量的目的。强冷切削尤其适用于小切削深度的精细加工。
2. 从刀具前后不同方向向工件表面喷注液氮，会造成对残余应力控制效果的差异。在具体实施过程中，应根据工件形状及工艺状态合理地选择液氮喷注方向。
3. 切削过程中对工件强制冷使材料脆性增加，减小了切削过程中材料的塑性变形，对降低已加工表面粗糙度值有一定的效果。试验1 和试验2 中表面粗糙度Ra值分别由1.9µm 和1.8µm 降为1.81µm 和1.7µm。
4. 刀具作用在工件表面径向与轴向的切削分力是不同的，所以在相同的强冷条件下，两个方向上呈现的残余应力值不同。
5. 强冷切削工艺方法简单，使用方便。采用人工控制液氮流量，对冷却效果不易控制：在试验中，只采用了一个矩形喷嘴，难以协调切削速度与冷却速度之间的差异，所以采用的切削速度不高，若能大面积提前冷却工件待加工表面，并采用传感器测温，通过温控调节液氮流量，能取得好的冷却效果，实现对残余应力性质和大小的主动控制，同时获得更好的表面质量。 # ~: F3 H$ K( g- X
6. 冷却场周围环境对冷却效果有一定影响。保持空气流动相对静止，能提高冷却效果。但液氮汽化产生的烟雾，会影响操作者对切削区观察，应及时排除。

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高温后深冷，会不会对材质物理性能造成影响？担心工件会变得很脆！