如何优化加工表面层的残余应力？

切削加工中表面层组织发生形状变化或组织变化时，在表面层及其与基体材料的交界处就会产生互相平衡的弹性应力，这种应力即表面层的残余应力。

图4⁃2 常用的冷却方法

图4⁃3 内冷却砂轮结构

1—锥形盖 2—冷却液通孔 3—砂轮中心腔 4—有径向小孔的薄壁套

引起表面层残余应力的原因：

1.热塑性变形的影响

工件被加工表面在切削热作用下产生热膨胀，此时基体金属温度较低，因此表层的热伸长受到基体材料的阻止，而产生热压应力。当切削过程结束时，温度下降至与基体材料温度一致时，因为表面层已产生热塑性变形，受到基体的限制产生了残余拉应力，里层则产生相应的压应力。当磨削温度愈高，热塑性变形愈大，残余拉应力也愈大，有时甚至会产生磨削裂纹。(www.xing528.com)

另外，表面层的残余拉应力与工件材料的性能有直接关系。如硬质合金的传热性能特别差，当残余拉应力大到超过其极限强度值时，磨削裂纹会随时出现。

2.冷塑性变形的影响

在切削力作用下，已加工表面受到强烈的塑性变形，表面层金属体积发生变化，此时基体金属受到影响，处于弹性变形状态。切削力除去后，基本金属趋向恢复，但受到已产生塑性变形的表面层的限制。恢复不到原状，因而在表面层产生残余应力。一般说，表面层在切削时受刀具后面的挤压和摩擦影响较大，其作用使表面层产生伸长塑性变形，但受到基体材料的限制，产生残余压应力。

3.金相组织的影响

切削时产生的高温会引起表面层的金相组织变化。由于不同的金相组织有不同的密度，表面层金相组织变化的结果引起体积的变化。当表面层体积膨胀时，因受到基体的限制，产生了压应力。反之，表面层体积缩小时，则产生拉应力。各种金相组织中马氏体的密度最小，奥氏体的密度最大（密度ρ值如下：ρ_马=7.75，ρ_奥=7.96，ρ_珠=7.78，ρ_铁=7.88，单位：g/cm³）。

以淬火钢磨削加工为例说明表面相交所引起的残余应力。

淬火钢原来的组织是马氏体，磨削加工后，表面层可能回火转化为接近珠光体的屈氏体或索氏体，因为体积小，表面层产生残余拉应力，里层产生残余压应力。如果表面层出现超过750～800℃的高温，则除了稍深处有回火现象外，表面由于冷却速度快还可能出现二次淬火，则表面层产生二淬火马氏体，其体积比里层的回火组织大，因而表层产生压应力，里层产生拉应力。

综上所述，加工后表面层残余应力是三方面原因引起的综合结果。在一定条件下，其中某一种或两种原因可能起主导作用。如切削加工中，当切削热不高时，表面层中没有热塑性变形，而是以冷塑性变形为主，此时，表面层中将产生残余压应力。而磨削时，一般因磨削热较高，相变和热塑性变形占主导地位，所以表面层产生残余拉应力。