铣削表面残余应力检测及分析

时间：2023-11-02

大量研究表明，表面残余应力影响工件的疲劳强度、耐腐蚀性、可靠性和精度保持性。特别是对于在外部环境工作中承受周期性载荷作用的大型机械而言，提高其可靠性显得尤为重要。为了减少残余应力对铣削加工零件质量的影响，避免因零件失效导致大型机械故障，对退火H13热作模具钢铣削后，利用盲孔法对已加工表面进行残余应力检测，分析测量结果，优化铣削加工参数，减小切削加工产生的残余应力，提高加工零件表面质量。

铣削表面残余应力产生原因

铣削加工过程中，切削力的方向随着刀具的旋转而不断变化。同时，切削过程中产生大量的热也在交替传递中。由此必然导致加工后残余应力的生成受到不均匀的力-热弹塑性耦合场的综合作用。在整个过程中，在刀具-工件接触区存在塑性凸出效应、挤压、挤光效应以及热效应的综合影响，从而形成最后的残余应力。

切削产生残余应力原因有以下几个方面：

1. 切削力引起的残余应力。铣削加工过程中，刀具刀尖与工件材料接触，瞬间产生激烈的拉伸和压缩，从而使工件材料从表面剥离，形成切削。在切削塑性变形过程中，已加工部分的材料产生压缩，同时在变形区还会有摩擦和挤压的共同作用，在垂直已加工表面方向，有拉伸力将材料从母体剥离，而工件内部深层次的金属材料会对表面产生力的作用做出反应，由此产生残余应力。

2. 切削热引起的残余应力。切削过程中会产生大量的热，在材料发生塑性变形时温度会升高。同时，刀具的后刀面与工件材料也会产生摩擦，摩擦后会产生大量的热，造成已加工表面受热不均匀。切削完成后，受热膨胀后的材料会冷却收缩，导致表层材料受到深层金属材料的拉扯，产生残余应力。

3. 相变引起的残余应力。如果在切削过程中产生的热量导致温度较高，**过了金属的相变温度，会直接引起表层组织发生相变，产生残余应力。

在切削过程中，引起加工表面不均匀塑性变形的切削力和切削热时同时存在的，因此表面残余应力的计算是一个热-力耦合的热弹塑性问题。

残余应力测量方案及设备

完成退火H13热作模具钢铣削加工以后，为防止切削引起的残余应力释放，需要尽快对试验样块进行残余应力检测试验。本次实验采用盲孔法测量残余应力，测量仪器采用聚航科技生产的JHMK残余应力测试系统，由JHYC静态应变仪和JHZK钻孔装置组成。仪器软件式操作，自动实时计算残余应力，并实时显示和保存应力应变数值，测量结果直观明了，仪器精度高。打孔装置适应性好，方便灵活，可用于平面、曲面、角焊缝、拐角等。定位精度高，钻孔误差小。

应变花完全粘贴在被测表面以后，以端子为中介连接导线和引线。在钻孔前，需先使用显微镜，利用其上的刻度线与应变花对中。根据需要，调整打孔速度，以削弱由于钻孔的温升对切削表面残余应力的影响。三角支架的3个支架脚是磁铁，可以用磁力固定，也可以通过**胶水粘结固定，再用支架的磁铁吸附。在外部环境中，可方便固定在大型机械外壁等场合。显微镜的精度为0.01mm，钻孔的直径为1.5mm，使用的钻头可调速范围为3000-12000r/min。

表面残余应力测量

在盲孔法残余应力测量时，需要对退火H13热作模具钢进行预处理。在进行相应切削参数铣削试样以后，在已加工好的表面上，采用800目的砂纸进行打磨，打磨出十字交叉的纹路。在同一个方向上以直线来回打磨。打磨结束以后，使用无水酒精棉球进行表面清洁，待自动晾干后，将应变花粘贴在待测表面。在粘贴的过程中不能够产生气泡、折痕等。

应变片上的引线通过端子焊接连接到残余应力测量仪的导线上，同时，在钻孔之前，必须使用相同材料的试验样块作为温度补偿块。

温度补偿块的导线与盲孔测量导线都连接到残余应力测量仪上。将已经连接好的被测样件通过显微镜进行对中，样件放在三角支架的底部，测量过程需要有良好的视野。对中结束后，将钻孔机放入导套中，将2mm的垫片放在固定套下，使钻头能够刚好自由接触到应变片中心。撤掉垫片后，用钻孔机开始打孔，当固定套接触到导套时，钻孔工作结束。

启动残余应力测试仪后，设置被测工件的各项物理参数，如弹性模量等，还包括残余应力的应变释放系数（A=-0.072，B=-0.151）。在钻孔过程中，显示屏上的残余应力数值会不断变化，钻孔完成后，需要等待应力释放完成，即数值不再发生较为明显改变，测量结束。

以上就是盲孔法残余应力检测仪在铣削表面残余应力检测中的应用，如果您还想了解更多盲孔法残余应力测试系统信息，可联系聚航科技热线，我们欢迎您的咨询！

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