工件残余应力对加工误差的影响

残余应力也称内应力(Inner Stress)，是指在外部载荷去除以后，仍然残存在工件内部的应力。具有残余应力的零件处于一种不稳定的状态。其内部组织有强烈要恢复到一个稳定的没有应力状态的倾向。因此不断地释放应力，直到其完全消失为止，在这一过程中，零件的形状逐渐变化，从而丧失原有精度。

残余应力是由于在冷、热加工中，金属内部组织发生了不均匀的体积变化而产生的。

1.毛坯制造和热处理过程中产生的残余应力

在铸、锻、焊、热处理等加工过程中，由于工件各部分热胀冷缩不均匀以及金相组织转变的体积变化，会使毛坯内部产生相当大的残余应力。毛坯的结构越复杂，壁厚越不均匀，散热条件相差越大，则毛坯内部产生的残余应力也越大。具有残余应力的毛坯由于应力暂时处于相对平衡状态，在短期内看不出有什么变化，但当切除某层表面后，就打破了这种平衡，残余应力将重新分布，零件明显地出现变形，甚至造成裂纹。

图4-22所示为一内外壁厚不同的铸件，浇铸后由于A、C比较薄，冷却速度快。当A、C先由塑性状态冷却到弹性状态时，B还处于高温塑性状态。此时A、C的收缩不会受到B的阻碍;但当B也冷却到弹性状态时，A、C的温度已降低很多，收缩速度变得很慢，B的较快收缩受到A、C的阻碍，因此在B内产生拉应力，A、C内就产生了压应力，形成相互平衡的状态。如果在A上开一缺口，A上的压应力消失，而B、C在残余应力作用下，B收缩、C伸长，使铸件产生弯曲变形。

图4-22　铸铁件残余应力的形成及分布

又如铸造后的机床床身，其导轨面和冷却快的地方都会出现压应力，若在粗加工中切去带有压应力的导轨表面，残余应力就会重新分布，结果使导轨中部下凹。

2.冷校直(Cold Alignment)带来的残余应力

在机械制造中，对于某些细长的工件常采用冷校直的方法使其达到平直要求。(www.xing528.com)

以轴的冷校直为例，为了纠正轴的弯曲变形，必须使工件产生反向弯曲(见图4-23(a))并使工件产生一定的塑性变形。当工件外层应力超过屈服强度时，其内层应力还未超过弹性极限，其应力分布情况如图4-23(b)所示，轴线以上产生压应力，轴线以下产生拉应力。去除外力后，弹性部分(细实线以内)力求恢复原状，而塑性变形部分已无法恢复原状，弹性恢复受到阻碍，形成图4-23(c)所示残余应力分布状态，即在上部外层产生残余拉应力，上部里层产生残余压应力;下部外层产生残余压应力，下部里层产生残余拉应力，冷校直虽然减少了弯曲变形，但内部组织处于不稳定状态，若再进行一次加工，又会产生新的弯曲。

图4-23　冷校直引起的残余应力

3．切削加工中产生的残余应力

切削加工时，工件表层在切削力和切削热的作用下，由于各部分产生程度不同的塑性变形，以及金相组织变化的影响，会使工件表层产生残余应力，这种残余应力，不仅影响加工精度，而且影响加工表面质量，这将在表面质量一章中讨论。

为了减少残余应力，一般可采取下列措施:

(1)合理设计零件结构，尽量结构对称，壁厚均匀。

(2)合理安排时效处理，铸、锻、焊接件都应进行时效处理，重要零件粗加工后也应进行时效处理，特别精密零件(如主轴、丝杠等)，在切削工序间应安排多次时效处理以消除残余内应力。

(3)合理安排工艺过程，如让粗、精加工分开在不同工序中进行，使粗加工后内应力充分释放和变形，以减少对精加工的影响，精密零件严禁采用冷校直工艺。