机械加工残余应力的生成机理研究综述
机械加工残余应力的生成机理研究综述
先进制造技术的快速发展对零件的质量和性能提出了更高的要求，各种新兴加工工艺层出不
穷，但是传统的材料去除加工工艺在制造领域仍然拥有不可取代的地位。制造零件的性能很大
程度上受到加工表面质量的影响，加工表面质量是由表面层和亚表面层的几何、力学、金相等
状态量决定。残余应力作为表面质量一个重要的评价参数，受到越来越多的关注。机械加工过
程中，伴随着高温、高压、高应变率的塑性变形，在已加工表面会形成一定层深的残余应力分
布。切削加工表面残余应力分为残余拉应力和残余压应力。残余应力会对零件的疲劳寿命，蠕
变及抗腐蚀性能产生巨大影响。近几十年来很多学者对机械加工残余应力的生成机理进行了研
究，并取得了令人瞩目的成绩。
1 对材料性能的影响
残余应力是外部载荷卸去后保留在固体内部的自平衡应力，机械加工残余应力来源于机械加工
过程中机械载荷、温度梯度、相变等导致的非均匀材料变形。关于内应力概念，最早由德国铁
路工程师 Woe-hler 于1860 年提出的，他认为火车主轴的断裂有内应力作用这个因素。1973
年，德国学者 Macherauch 对内应力重新定义，将宏观残余应力称为第一类残余应力，将微观
残余应力称为第二、三类残余应力。宏观残余应力存在于材料亚表层较大范围内，微观残余应
力存在于晶粒尺寸范围内。一般实际测量到的残余应力指第一类残余应力。
残余应力依据其数值大小和形态分布对零件的性能影响有利有弊。很多情况下，残余应力是在
零件发生故障或者破坏的情况下才被识别。一般认为，一定层深分布的残余压应力对零件的疲
劳寿命、蠕变寿命以及抗应力腐蚀性能有利。Brinksmeier 等[1]在1982 年总结了残余应力对机
电产品最主要的影响，如图 1 所示。残余应力不仅对产品的使用性能有重要影响，而且其大小
和分布可以作为加工工艺参数选择的重要标准。
2 残余应力的检测
在过去的几十年里，发展了很多用于测量残余应力的先进技术。通常，残余应力的测量可以分
为有损和无损两类。对于残余应力在层深分布的测量需要对工件进行一定程度的破坏，因此需
要一种直接或者间接有效的测量方法。Lu[2]总结了不同的残余应力测量方法以及各自的优缺
点，见表1.
在目前的研究中，X 射线衍射法、中子衍射法以及盲孔法是最常用的 3 种残余应力测量方法。
实验测量结果表明，中子衍射法和X 射线衍射法测量结果比较接近。中子衍射测量法的主要优
点是可以达到毫米级的渗透深度，缺点是高成本和低空间分辨率。
盲孔法适合用于对粗大晶体材料的残余应力测量，但是不能测量不同相之间的残余应力。相比
较而言，X射线衍射法既是一种无损测量方法，又可以通过剥层法实现不同深度的残余应力测
量，目前应用最为广泛。
3 残余应力的研究方法
20 世纪 70 年代提出的表面完整性概念的基本研究内容如图 2 所示，作为表面完整性的一个重
要表征参数，残余应力的研究取得了令人瞩目的成果。切削加工过程中的切削参数、刀具（刀
具几何[3-5]、涂层[3,6-9]、刀具磨损[10]等）、工件材料（硬度[9]、热软化率以及热导率[11]）
等都会对残余应力的生成有影响，其中进给速度、刀具边缘圆角、刀具磨损对残余应力的影响
比较显着。如何通过控制工艺参数得到比较好的残余压应力，进而实现更长的服役寿命成为当
下热门的研究课题。本文主要从实验方法、解析模型、有限元方法等3 个方面介绍切削加工残
余应力的生成规律。
3. 1 实验方法
研究切削加工机理最常用且最实用的方法就是实验，通过设计不同工艺参数进行对比总结，得
出相应结论具有较高的可信度。不过由于实验过程中影响因素较多，很难做到精确地控制变
量，且考虑实验装置、仪器、环境、实验样品的一致性问题，实验结果的可重复性较差。在保
证实验条件基本一致的前提下，实验仍然是研究工艺参数对残余应力影响最为可靠的一种方
式。很多学者都开展了对机加工残余应力生成机理的实验研究，并取得了不少成果。
Dahlman 等[5]发现一个大的负前角和大的进给速度能够产生很好的表面残余压应力；最大应力
的深度随着刀具前角的变大而增加，切削深度对残余应力影响不大。Toshiaki 等[14]设计了一
种新型铣刀，这种刀具可以在切削层生成残余压应力，加工表面残余应力在 -100 ~ -200 MPa,
在表面以下 0. 05 mm 处残余应力大小在 -300 ~ -400 MPa 之间。Capello[15] 研究了 3 种材料在
切削加工过程中的进给速度、刀具圆角以及切入角对材料表面残余应力的影响，研究结果表
明，残余应力生成的基本原理与材料的力学性能无关，材料的力学性能只影响残余应力的平均
水平；并且残余应力主要可以通过进给速度和刀具圆角控制。
Pawade 等[16] 开展了高速车削 718 铬镍铁合金的实验，研究了加工工艺和刀具边缘几何参数对
加工表面残余应力的影响，研究成果建设性地提出了切削 3 要素对加工表面残余应力的综合影
响作用，且建议在切削速度为 475 m/min, 进给速度为 0. 05 mm/rev, 切削深度为 0. 5/0. 75 mm,配
合使用打磨过的刀具边缘时，可以得到较好的残余压应力。覃孟扬等[14]研究了切削刃钝圆对
残余应力的影响，结果表明钝圆半径越大，残余压应力越大，应力层越厚。
通过实验选定的工艺参数可以得到比较满意的残余应力分布，但是并没有从机理层面揭示机械
加工过程残余应力的生成原理。因此，在开展实验的基础上，应该多进行仿真建模工作，通过
仿真建模和实验结果对比揭示残余应力生成的基本原理，为得到适用性更好的预测模型奠定理
论基础。
3. 2 解析方法
解析方法是所有预测方法中最难实现的，因为切削加工过程中存在很多不确定因素，这些不确
定因素需要通过其他方法表征或者假设来简化。经过简化后的模型得到的结果与实际情况相差
很大。但是解析模型是通过物理基础理论推导得到，能够反映切削过程中的物理本质和表面完
整性生成机理。在过去的几十年时间里，多数学者将表面完整性的建模过程集中在残余应力建
模上。
Liang 等[18] 综合了Oxley[19]的可预测剪切力模型、Waldorf 等[20] 的犁耕力模型及Komanduri
的热源模型[21-23] 进行力热载荷的解析预测，并通过 Mc-Dowell 关于弹塑性滚/ 滑接触问题的
算法[24]计算了正交切削条件下的残余应力。Su[25]在预测切削加工表面残余应力的分布时，
首先对切削加工过程中的切削力和切削温度分布进行了预测，其次基于接触力学理论计算了工
件在切削中的机械应力场分布，并假设材料服从随动硬化规律，最终通过弹塑性加卸载混合算
法预测出了残余应力分布。Su 等[26]在原有研究的基础上考虑了立铣刀的几何条件，并将该方
法拓展到铣削加工的残余应力预测中。Ulutan 等[27]在用解析法对切削加工残余应力进行建模
时，先用有限差分法计算出切削区域工件、刀具以及切屑的温度分布，并用于热应力的计算，
在计算塑性应变增量时，假设材料服从等向硬化规律。最终运用弹塑性模型和应力释放处理得
到了残余应力的分布，模型预测的结果与文献中的实验数据吻合度较高。Agrawal 等[28]基于
Su 的思想，提出了新的机械应力的分布，进而研究了直角切削 AISI 4340 的残余应力的解析模
型。Outeiro 等[6]研究了涂层刀具和非涂层刀具对车削加工过程中残余应力生成的影响，通过
温度和力测量以及建立一个热分区的解析模型来计算车削过程中残余应力变化。
总的说来，解析建模是研究切削加工过程表面形成机理的一种有效方法，但是实现的过程复
杂。切削加工过程中产生的力，通过剪切和摩擦过程生成热，在力和热的综合作用下，材料发
生塑性变形和相变。
塑性变形和相变使材料表面生成加工硬化层。目前提出的解析模型大多只能保证预测趋势的一
致性，离模型的实用性还有一定的距离。在将来的研究过程中，需要在解析模型中将切削过程
中的几何、力热、硬度、相变等纳入建模过程中，使建模过程更贴近切削过程真实情况。
3. 3 有限元方法
摘要：
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机械加工残余应力的生成机理研究综述先进制造技术的快速发展对零件的质量和性能提出了更高的要求，各种新兴加工工艺层出不穷，但是传统的材料去除加工工艺在制造领域仍然拥有不可取代的地位。制造零件的性能很大程度上受到加工表面质量的影响，加工表面质量是由表面层和亚表面层的几何、力学、金相等状态量决定。残余应力作为表面质量一个重要的评价参数，受到越来越多的关注。机械加工过程中，伴随着高温、高压、高应变率的塑性变形，在已加工表面会形成一定层深的残余应力分布。切削加工表面残余应力分为残余拉应力和残余压应力。残余应力会对零件的疲劳寿命，蠕变及抗腐蚀性能产生巨大影响。近几十年来很多学者对机械加工残余应力的生成机理进...
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作者：闻远设计
分类：非标机械电气自动化
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时间：2023-03-06
