一、残余应力的基本概念

残余应力是说即使在没有外力作用的情况下，在零件内部为保持平衡而存在的内应力。根据应力性质的不同，残余应力可分为残余压应力和残余拉应力。

1、残余压应力（-σ）

残余压应力是零件表层材料受到压缩的应力状态，应压力通常有利于提高零件的疲劳强度。

2、残余拉应力（+σ）

残余拉应力是零件表层材料受到拉伸的应力状态，通常对零件的性能产生不利的影响。残余应力的存在会对机械零件的加工尺寸稳定、疲劳强度、抗应力腐蚀等性能产生重要影响，因此在零件的机械加工过程中需要特别重点的关注。

 

二、 影响残余应力的主要因素

1、刀具几何参数的影响

1）前角影响

• 刀具前角对残余应力的存在深度有明显的影响。
• 负前角会增大切削力和塑性变形，导致更深的应力影响层，因此使用负前角刀具时，残余应力层的深度可比正前角增大一倍。

2）刀具磨损状态

• 随着刀具磨损量的增加，距离零件离表层较深处的压应力值会明显增大
• 严重磨损的刀具会导致更大的发热量和机械变形，能够明显的改变残余应力的分布。

2、切削参数的影响

1）进给量

• 进给量变大时，表层拉应力会增大。
• 进给量增大时最大压应力的位置会向工件内部移动。
• 大进给量加工时很容易在表层形成不利的拉应力状态。

2）切削速度

• 高速切削时产生的热量是最主要的影响因素，这时候容易产生的是拉应力。
• 中低速切削时机械变形占主导地位，这个时候是产生压应力。
• 切削速度存在一个合理临界速度，平衡热量和机械变形的影响，可以使残余应力最小化。

3、加工方式的影响

不同加工方法产生的残余应力分布存在不同的特征性。

• 车削通常产生表面压应力，次表面拉应力。
• 磨削容易产生表面拉应力，也可能导致磨削烧伤。
• 铣削的应力状态最复杂，而且跟刀具几何形状和切削参数密切相关。
• 钻削则在孔边缘应力集中明显，残余应力较大。
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三、减少残余应力的工艺措施

1、刀具选择金和维护

1）刀具几何优化

• 根据零件的材料特性选择合适的刀具前角。
• 保持刀具的切削刃锋利，一定要避免细小锯齿状缺口。
• 控制刀具后面磨损在0.2mm左右,定期进行刀具的检查。

2）刀具材料选择

• 选用耐磨性好的刀具材料，并保持刀具的状态稳定。
• 涂层刀具可减小加工时的摩擦，降低发热的影响。

2、工艺参数优化

1）切削用量控制

为了减少应力对零件性能的影响，需要选择适当的切削速度、进给量和背吃刀量的大小组合，寻找一个合适的平衡点，平衡加工效率和应力控制的要求。

2）冷却润滑

采用有效的冷却方式降低加工时的温度，比如高压冷却可有效减小热影响的区域。

3、工艺系统刚性保障

1）机床与夹具

• 确保机床刚性最够大，可以减少加工过程中振动的产生。
• 合理设计夹具工装，能够减小因为装夹产生的变形。

2）钻削工艺改进

• 使用导向套可以提高钻头刚度。
• 钻孔后对孔的边缘进行倒角，可以减小应力的集中。

4、后处理工艺

1）机械强化工艺

• 采用挤压方法增大表层残余压应力。
• 喷丸处理工艺可以非常明显的提升零部件的抗疲劳强度。
• 精挤齿轮比剃齿可获得更高的齿面压应力。

2）热处理工艺

去应力退火可有效降低残余应力，对于特殊的零件材料，可采用时效处理。

3）复合工艺

电火花加工、电解加工后进行喷丸处理，对高温合金等材料特别有效。

残余应力是机械加工中不可避免的情况，但是可以通过工艺优化进行有效的控制。通过科学分析残余应力的形成原理，针对原因采取有效的控制措施，可以显著提高机械零件的使用性能和寿命。