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一种切削加工中工件表面残余应力的预测方法在切削加工的世界里，工件表面残余应力就像一个隐藏的小怪兽，时不时地给工件的质量和性能捣点乱。
不过别怕，今天就来聊聊怎么预测这个小怪兽的出现。
切削加工的时候啊，就像是厨师在切菜。
刀具就好比是厨师的刀，工件就是那可怜的菜。
刀具在工件上划过，就像刀在菜上切过一样，不过这可比切菜复杂多了。
要预测工件表面残余应力，咱们得先看看切削的参数。
这切削参数就像是做菜时的火候、调料的用量。
比如说切削速度，切削速度快的时候，就像是大火快炒，工件表面受到的力的情况就和小火慢炖不一样。
如果切削速度太快，那工件表面就像被急火猛烧的菜，容易产生比较复杂的应力情况。
还有切削深度，这就好比切菜的时候切得深还是浅。
切得深，那对菜的内部结构影响就大，对于工件来说，切削深度大的时候，残余应力的分布和大小也会有很大变化。
再说说刀具的几何形状。
刀具的形状千奇百怪，不同的形状在切削的时候就像不同形状的手在捏泥巴。
有的刀具像个尖尖的锥子一样，这种刀具切削的时候，工件表面受到的力是一种情况。
而那种钝一点的刀具，切削起来就像用不太灵活的手在捏泥巴，工件表面的应力情况又会不同。
刀具的前角、后角这些角度也很关键。
前角大的刀具切削的时候，就像用比较锋利的东西轻轻划过工件，产生的应力可能相对小一点。
而后角如果不合适，就像是在工件表面刮的时候留了个小尾巴，也会影响残余应力。
材料本身的特性也不能忽视。
工件材料就像人的性格一样，各不相同。
有些材料像软妹子一样柔软，比如说铝这种材料，切削的时候应力的产生和传播就比较温和。
而像钢铁这种硬汉子材料，切削起来就像在和一个强壮的对手搏斗，应力的情况就比较复杂。
材料的硬度、韧性这些特性都在默默地影响着切削过程中残余应力的产生。
那怎么去预测呢？咱们可以做一些实验。
就像试菜一样，先在小的工件上进行不同切削参数、刀具形状下的切削，然后用专业的设备去测量工件表面的残余应力。
这就像先尝一小口菜，看看味道对不对。
高速磨削对SMA490BW钢焊缝接头残余应力的影响高文慧;吴向阳;覃超;马传平【摘要】利用粗糙度议和X射线衍射仪对转向架构架人工打磨、粗磨和精磨三种状态的焊缝接头进行了粗糙度及残余应力测试和分析.结果表明:三种打磨状态下,人工打磨粗糙度最大,精磨粗糙度最小.表面粗糙度越小,构件抗疲劳性能越好.人工打磨焊缝接头表面残余应力均为压应力,柔性砂带打磨和无齿盘精磨焊缝接头表面垂直于磨削方向的应力基本上为压应力,而平行于磨削方向的应力基本上为拉应力.【期刊名称】《电焊机》【年(卷),期】2015(045)008【总页数】4页(P77-80)【关键词】高速磨削;SMA490BW钢;焊缝接头;残余应力【作者】高文慧;吴向阳;覃超;马传平【作者单位】南车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛266111;南车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛266111;西南交通大学材料科学与工程学院,四川成都611031;西南交通大学材料科学与工程学院,四川成都611031【正文语种】中文【中图分类】TG4040 前言SMA490BW耐候钢具有较高的强度、韧性和塑性，同时还有良好的耐大气腐蚀性能，因而被用于制造高速列车的转向架焊接构架[1]。
转向架构架结构复杂，焊缝数量多且分布密集，为提高构架焊缝疲劳性能，消除焊缝表面缺陷，焊后要对焊缝进行打磨处理。
目前转向架的打磨工作主要由人工完成，打磨量大，生产效率低，难以适应自动化生产要求。
自动化打磨技术可以提高打磨效率，降低劳动强度，适应自动化生产要求，保证打磨质量。
由于打磨过程中，与磨粒接触的焊缝接头会产生一定的塑性变形，因而打磨会改变焊缝接头表面的残余应力状态。
人工打磨后，构架焊缝表面基本上为残余压应力，而高速自动打磨对构架焊缝接头残余应力的影响如何，是否和人工打磨的应力状态相同，目前未见相关研究。
本研究拟利用X 射线衍射法对人工打磨和自动打磨的转向架构架焊缝接头进行残余应力测试，比较两种打磨方法对构架焊缝接头残余应力的影响。
浅谈加工表面粗糙度和物理力学性能的影响因素研究浅谈加工表面粗糙度和物理力学性能的影响因素研究机械零件的破坏，一般总是从表面层开始的。
产品的性能，尤其是它的可靠性和耐久性，在很大程度上取决于零件表面层的质量。
表面面质量对零件耐磨性、疲劳强度、耐蚀性、配合质量都有严重的影响。
机械机械加工表面质量的内容主要包括：表面粗糙度、表面层的物理力学性能和表面波度等。
本文主要以影响加工表面粗糙度和加工表面物理力学性能变化的因素进行分析研究。
1 影响表面粗糙度的因素1.1 切削加工影响表面粗糙度的因素从几何因素方面分析，刀具相对于工件作进给运动时，在加工表面留下了切削层残留面积，其形状是刀具几何形状的复映。
残留面积的大小与进给量、刀尖圆弧半径及刀具的主偏角、副偏角有关。
对于宽刃刀具、定尺寸刀具和成形刀具等，其切削刃本身的表面粗糙度对加工表面粗糙度的影响也很大。
从物理因素方面分析，主要是切削过程中刀具刃口钝圆半径及后刀面对工件的挤压、摩擦作用使金属材料发生塑性变形，使表面粗糙度恶化。
当低速切削塑性材料（如低碳钢和不锈钢等）时，由刀具对金属的挤压产生了塑性变形，加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，产生积屑瘤和鳞刺，使表面粗糙度值加大。
工件材料韧性愈好，金属的塑性变形愈大，加工表面就愈粗糙。
当加工脆性材料时，其切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。
精加工时，因切削深度小，刀刃容易打滑，也影响表面粗糙度。
综上所述，在切削加工中影响表面粗糙度的工艺因素主要有：1）切削用量切削速度v在一定的范围内容易产生积屑瘤和鳞刺；减少进给量f可降低残留面积高度。
因些合理选择切削用量是降低粗糙度的重要条件。
2）刀具材料和几何参数实践表明，在切削条件相同时，用硬质合金刀具加工的工作表面粗糙度比用高速钢刀具加工的低。
用金钢石车刀加工因不易形成积屑瘤，故可获得粗糙度很低的表面。
刀类圆弧半径rE、主偏角KC和副偏角kcC均影响残留面积的大小。
影响表面残余应力的主要因素
发布者：admin 日期：2013-1-16 10:12:24
磨削裂纹和残余应力有着十分密切的关系。
在磨削过程中，当工件表层产生的残余拉应力超过工件材料的强度极限时，工件表面就会产生裂纹。
磨削裂纹的产生会使零件承受交变载荷的能力大大降低。
如上所述，机械加工后工件表面层的残余应力是冷态塑性变形、热态塑性变形和金相组织变化三者综合作用的结果。
在不同的加工条件下，残余应力的大小、符号及分布规律可能有明显的羞别。
切削加工时起主要作用的往往是冷态塑性变形，表面层常产生残余压应力。
磨削加工时，通常热态塑性变形或金相组织变化引起的体积变化是产生残余应力的主要因素，所以表面层常存有残余拉应力。
影响表面金属残余应力的因素及控制措施
影响表层金属残余应力的主要因素有刀具几何参数及磨损，切削用量和工件材料等。
刀具几何参数
刀具几何参数中对残余应力影响最大的是刀具前角。
图4.68给出了硬质合金刀具切削45钢时，刀具前角γo对残余应力的影响规律。
当γo由正变为负时，表层残余拉应力渐渐减小。
这是由于γo减小，rn增大，刀具对加工表面的挤压与摩擦作用加大，从而使残余拉应力减小；当γo为较大负值且切削用量合适时，甚至可得到残余压应力。
刀具磨损
刀具后刀面磨损VB值增大，使后刀面与加工表面摩擦增大，也使切削温度上升，从而由热应力引起的残余应力的影响增加，使加工表面呈残余拉应力，同时使残余拉应力层深度加大（见图4.69）。
工件材料
工件材料塑性越大，切削加工后产生的残余拉应力越大，如：工业纯铁、奥氏体不锈钢等。
切削灰铸铁等脆性材料时，加工表面易产生残余压应力，缘由在于刀具的后刀面挤压与摩擦使得表面产生拉伸变形，待与刀具后刀面脱离接触后在里层的弹性恢复作用下，使得表层呈残余压应力。
切削用量
切削用量三要素中的切削速度vc和进给量f对残余应力的影响较大。
由于vc增加，切削温度上升，此时由切削温度引起的热应力渐渐起主导作用，故随着vc增加，残余应力将增大，但残余应力层深度减小。
进给量f增加，残余拉应力增大，但压应力将向里层移动。
背吃刀量ap对残余应力的影响不显著。
磨削用量对平面磨削残余
应力的影响及应力预报
华北航天工业学院 黄卫 郭晓军
哈尔滨工业大学 姚智慧
文摘 在建立了磨削表面残余应力及表面层残余拉应力峰值计算公式的基础上,进行进一步的分析,揭示了磨削用量对残余应力的影响程度及规律,并对残余应力分布的预报和控制进行了探讨。
主题词 平面磨削 残余应力 磨削用量预报
1 磨削表面残余应力及表面层残余拉应力峰值计算公式
在《平面磨削残余应力的试验研究》(发表在《航天工艺》1997年第6期上)一文中,通过试验手段已建立了磨削表面残余应力(Ρs)及表面层残余拉应力峰值(Ρm ax)的计算公式:Ρs=-148.8+17.8X1+70.0X2+7.2X3
+26.7X1X2+23.1X1X3-28.9X2X3+58.6X21
-44.3X22+1.6X32(1)Ρm ax=277.8-104.6X1+280.1X2-21.7X3
-90.8X1X2+36.2X1X3-14.5X2X3+39.3X21
+60.5X22-19.7X32(2)
4.2 功能梯度材料研究进展与前景
FG M的研究受到了日本政府的高度重视,列人了日本科学厅资助的重点研究开发项目,投入了大量的物力、财力和人力,专门成立了日本FG M研究会。
已完成了其第一期(1987-1989年)研究计划,在材料设计、合成和评价方面进行了许多开创性工作,制备了多种不同体系的厚度为1-10mm、直径30mm的FG M。
从1990年起进入第二阶段的研究,制得厚1-10mm,30c m见方的制品,到91年已完成。
目前研究重点开始从材料制备向材料优化设计和特性评价方面扩展。
逐步建立了标准性能试验方法,如小穿孔性能试验〔SP M SP)、激光热冲击试验、单面加热循环的热疲劳、隔热试验等。
与此同时,FG M的开发研究引起了世界各国的广泛兴趣和关注,美、法、德、俄等国的研究机构纷纷开展此项工作,尤以美国的NA SA和德国的D FVL R(航空研究所)表现最为积极。
我国武汉工业大学、中国建材研究所、中南工业大学和北京科技大学、哈尔滨工业大学等单位相继开展了这方面的工作。
从发展趋势看.今后FG M的研究仍以材料设计、合成和评价为中心,不断完善设计、评价系统,针对具体目标合成大规摸的实用材料。
可以预期,随着研究的不断深入,FG M将会在各个工业领域发挥重大作用。
参考文献(略)
2 磨削用量对残余应力影响规律的分析
图1所示为不同磨削深度条件下,工作台速度对表面残余应力的影响。
由图可见:工作台速度对表面残余应力没有单调的影响规律。
随着工作台速度的提高,表面残余应力先减小,后增大,当工作台速度取中间值,约15m m in -20m m in 时,表面残余应力最小。
同时还可以看出:随磨削深度增加,表面残余应力增大。
但当磨削深度继续加大至25Λm 以上时,表面残余应力无显著变化。
这是由于磨削热量大,再加冷却液冷却,造成相变,产生二次淬火,使得表面残余应力减小。
图1 工作台速度Vw 、磨削深度A p
对表面残余应力的影响
图2 磨削深度A p 、横向进给量V f
对表面残余应力的影响 图2所示为不同横向进给量条件下,磨削深度对表面残余应力的影响。
由图可见:随磨削深度增加,表面残余应力增大。
这种增大趋势随磨削深度增加而逐渐变缓。
同时由图还可以看出:磨削深度对表面残余应力影响的分布曲线一致性较好,说明横向进给量对磨削残余应力的影响较小。
但在两端,曲线比较分散,说明磨削深度与横向进给量之间存在一定的交互作用。
图3所示为不同磨削深度条件下,工作台速度对表面层残余拉应力峰值的影响。
由图可见:随工作台速度的提高,表面层残余拉应力峰值下降。
这种下降趋势随工作台速度提高而减弱。
当工作台速度取15m m in -20m m in 时,残余拉应力峰值较小。
由图还可以看出:随磨削深度增加,表面层残余拉应力峰值增大。
并且磨削深度愈大,这种增大趋势越快。
当磨削深度小于20Λm (或25Λm )时,残余拉应力峰值一般都比较小。
图3 磨削深度A p 与工作台速度Vw 对
表面层残余拉应力峰值的影响3 磨削残余应力的预报与控制
3.1 磨削残余应力的预报
在《平面磨削残余应力的试验研究》一文中,用方差分析对磨削残余应力的回归公式进行了理论检验,在误差度0.05或置信概率
0.95上,回归公式是显著的。
计算所得的回归公式可以用来对平面磨削残余应力进行预报与控制。
为了检验其效果,我们做了进一步试验。
具体磨削用量如下:工作台速度Vw为25m m in,磨削深度A p分别为12.5Λm和37.5Λm,横向进给量V f为3.5mm 双程,其它试验条件与《平面磨削残余应力的试验研究》一文中的试验条件相同。
由回归公式求出零件表面残余应力值Ρs,表面层残余拉应力峰值Ρm ax,见表1。
其中括号内为零件磨削残余应力的实测值。
表1 回归公式预报值
试件号3132
Ρs(M Pa)-213.4(-241.6)-20.0(-40.3)
Ρm ax(M Pa)83.7(0)462.4(410.0) 从表中可以看出,由回归公式所求出的预
报值与实测值很相近。
经检验,实测值完全在预报值方差允许的范围内。
即下式成立:
预报值-3Ρ≤实测值≤预报值+3Ρ
其中,Ρ为回归公式的方差。
3.2 磨削残余应力的控制
根据前面分析,磨削深度对残余应力的影响最大。
因此,控制磨削残余应力,应主要控制磨削深度,当磨削深度大于25Λm时,表面残余应力将无明显变化,但表面层残余拉应力峰值则较大。
磨削深度对表面层残余应力总的影响趋势是:残余应力代数值随磨削深度的增加而增大。
对于低应力磨削,一定要求磨削深度小于25Λm。
工作台纵向速度对残余应力的影响也比较大。
当工作台速度较低时,表面残余应力、表面层残余拉应力峰值都较大。
当工作台速度较大时,表面残余应力值逐渐增大。
但表面层残余拉应力峰值无明显变化。
因此,工作台纵向速度应适当选择大一些。
我们推荐的速度范围为15m m in-20m m in。
工作台速度对表面层残余应力总的影响趋势是:残余应力代数值随工作台速度的提高而减小。
工作台横向进给量对磨削残余应力的影响不太显著。
4结论
4.1 磨削深度对磨削残余应力的影响很大。
随磨削深度增大,表面残余应力与表面层残余拉应力峰值都增大,当磨削深度过大时产生大量的磨削热,往往引起相变,表面残余应力虽较小,但表面层残余拉应力峰值则很大。
4.2 工作台纵向速度对磨削残余应力的影响也比较大。
随工作台速度提高,表面残余应力与表面层残余拉应力峰值均减小,当工作台速度过高时,残余拉应力峰值无明显变化,但表面残余应力反而有些增大。
4.3 工作台横向进给量对磨削残余应力的影响很小,但它与其它磨削用量间存在一定的交互作用。
参考文献
1 郭晓军等,《平面磨削残余应力的试验研究》,航天工艺, 1997.6
2 郭晓军,《结构钢磨削表面层残余应力的定量研究》,哈尔滨工业大学硕士论文,1994.4
3 胡忠辉,姚智慧,袁哲俊,《磨削残余应力的试验研究》,哈尔滨工业大学科学研究报告,第408期,1988.12
4 项可凤等,《试验设计与数据分析》,上海科学技术出版社,1989.12。
