残余应力对工件变形的影响

残余应力也称内应力，是指当外载荷去掉后仍存在于工件内部的应力。存在内应力时，工件处于一种不稳定的相对平衡状态，在外界某种因素影响下它内部的组织很容易失去原有的平衡，并达到新的平衡状态。在这一过程中，工件将产生相应的变形，从而破坏其原有的精度。

特别提示

残余应力是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化而产生的。促成这种不均匀体积变化的因素主要来自冷、热加工。

1．残余应力产生的原因

（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，由于各部分冷热收缩不均匀及金相组织转变的体积变化，毛坯内部产生了相当大的残余应力。毛坯的结构越复杂，各部分的厚度越不均匀，散热条件相差越大，则在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残余应力暂时处于相对平衡的状态，在短时间内还看不出有什么变化。当加工时某些表面被切去一层金属后，就打破了这种平衡，残余应力将重新分布，零件就明显地出现了变形。

较大的铸件在铸造过程中产生残余应力。铸件残余应力的形成过程如图4-42 所示。铸件浇铸后，由于壁A 和C 比较薄，散热容易，因此冷却速度较B 快。当A、C 从塑性状态冷却到了弹性状态时（约620℃），B 尚处于塑性状态，如图4-42a）所示。此时，A、C 继续收缩，B 不起阻止变形的作用，故不会产生残余应力。当B 也冷却到了弹性状态时，A、C 的温度已降低很多，其收缩速度变得很慢，但这时B 收缩较快，因而受到A、C 的阻碍。这时，B内就产生了拉应力，而A、C 内就产生了压应力，形成相互平衡的状态，如图4-42b）所示。如果在A 上开一缺口，A 上的压应力消失，铸件在B、C 的残余应力作用下，B 收缩，C 伸长，铸件就产生了弯曲变形，直至残余应力重新分布达到新的平衡状态为止，如图4-42c）所示。

图4-42　铸件残余应力的形成过程

a）壁厚不均的铸件；b）冷却时产生内应力；c）切口后产生变形

特别提示

推广至一般情况，各种铸件都难免因冷却不均匀而产生残余应力。例如，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。带有压应力的导轨表面在粗加工中被切去一层后，残余应力就重新分布，结果使导轨出现中部下凹的直线度误差，如图4-43 所示。

图4-43　床身内应力引起的变形(www.xing528.com)

a）变形前；b）变形后

图4-44　冷校直时产生内应力的过程

a）弯曲工件；b）压直；c）反弯曲；d）校正后

（2）冷校直带来的残余应力

冷校直带来的残余应力可以用图4-44 来说明。弯曲的工件（原来无残余应力）要校直，必须使工件产生反向弯曲［图4-44a）］，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，故其应力分布情况如图4-44c）所示。去除外力后，由于下部外层已产生拉伸的塑性变形，上部外层已产生压缩的塑性变形，故里层的弹性恢复受到阻碍。结果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［图4-44d）］。冷校直后虽然弯曲减小了，但内部组织处于不稳定状态，如再进行后续加工，又会产生新的弯曲。故重要、精密的零件不允许进行冷校直。

（3）切削加工带来的残余应力

工件表面在切削力、切削热的作用下，也会出现不同程度的塑性变形和由于金相组织的变化引起的体积改变，从而产生残余应力。这种残余应力的大小和方向是由加工时各种工艺因素所决定的。切削加工产生残余应力使工件加工后由于内应力重新分布而变形，从而破坏加工精度。

2．减少残余应力的措施

要减少残余应力，一般可采取下列措施：

1）增加消除内应力的热处理工序。例如，对铸、锻、焊接件进行退火或回火，零件淬火后进行回火，对精度要求高的零件如床身、丝杠、箱体、精密主轴等在粗加工后进行时效处理。

2）合理安排工艺过程。例如，粗、精加工分开在不同工序中进行，使粗加工后有一定时间让残余应力重新分布，以减少对精加工的影响。在加工大型工件时，粗、精加工往往在一个工序中完成，这时应在粗加工后松开工件，让工件有自由变形的可能，再用较小的夹紧力夹紧工件后进行精加工。对于精密零件（如精密丝杠），在加工过程中不允许进行冷校直（可采用热校直）。

3）改善零件结构，提高零件的刚性，使壁厚均匀等均可减少残余应力的产生。