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刀具的残余应力是怎样产生的?

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    工件表面层残余应力主要是由切削力、塑性变形、切削热所造成的。由于受到工艺过程的影响,在没有外力作用下,在工件内部所残存的应力,叫做残余应力。由于外力为零,所以工件内部的残余应力,必须保持平衡。
    已加工表面层常有的残余应力,有残余张应力和残余压应力之别。残余张应力会降低工件的疲劳强度,有时在切削加工后,会产生表面微裂纹。而残余压应力,有时却能提高工件的疲劳强度。工件各部分残余应力由于分布不均,会使工件发生变形,直接影响工件的形状与尺寸精度。残余应力产生的原因有以下几方面:
    (1)热塑性变形在第I变形区里,金属已发生塑性变形,到第II变形区之后,进一步发生强烈的塑性变形。在第I变形区里产生的变形热,温度约为3000C。后刀面与切削表面之间的摩擦面,除有变形热外,还有摩擦热。如高速切削碳钢时,摩擦面的温度可高达600一8000C。无论是第I变形区里,还是第i变形区里,已加工表面的塑性变形,都是在受热膨胀状态下进行的。已加工表面温度比较高,里层深处的温度较低。当切削过后,表层和里层的温度都降至常温,造成表层金属收缩多,里层收缩少。这样表层收缩受里层的牵制,使表层存在张应力,而里层存生压应力。
    (2)里层金属的弹性恢复已加工表面的形成过程,是金属经受强烈塑性变形的过程。表层金属塑性的过程,是在里层金属处于弹性变形的情况下进行的。当已加工表面形成后,刀具的作用力消失,弹性变形逐步复原,但受到里层金属的牵制,造成表层处于应力状态。如果里层的弹性变形是压缩变形,在表层造成张应力。如果里层的弹性变形是拉伸变形,则在表层造成压应力。
    (3)在切削热作用下发生相变在高速切削时,刀具与工件摩擦面的温度可高达600一8000C,表层金属可能发生相变而形成奥氏体,迅速冷却后变成马氏体。而马氏体的体积比奥氏体大,因而造成表层金属膨胀,而受到里层金属的牵制。其结果是使表层出现压力,而里层出现张应力。如在磨削淬火钢时,由于砂轮不锋利和冷却不充分,就会产生很高的磨削温度,使工件表层金属回火或退火,使金相组织从马氏体向屈氏体、索氏体或奥氏体转化。
    塑性变形与切削热引起的残余应力往往是同时存在。已加工表面残余应力的性质、大小和分布,决定于各种因素综合的结果。在一定条件下,必有一个因素起主导作用。为减小残余应力,可针对起主导作用的因素采用相应的措施。总的说来,凡能减小塑性变形、降低切削力和切削温度的方法,都可以减小残余应力。
 

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