加工残余应力对工件变形的影响

根据变形机理的不同，薄壁零件的残余应力变形可以分为两种：初始残余应力变形和加工残余应力变形。一方面，毛坯材料生产制造过程中不可避免地会引入初始残余应力。虽然航空用零件毛坯大多经过了去应力处理工序，但是初始残余应力不可能完全消除，经过去应力处理后，毛坯的残余应力大多在几十兆帕左右。加工过程中，特别是粗加工过程中，材料被大量去除，毛坯的内应力平衡状态被打破，造成内应力重分布与再平衡。在此过程中，应力再平衡产生了应变，便产生了初始残余应力变形。另一方面，材料去除时，在刀具-工件接触界面上存在强烈的热力耦合作用，工件表层产生塑性变形，在热力载荷卸载后无法恢复，造成已加工区域表层存在很大的加工残余应力。这个应力在表层沿深度方向变化梯度很大，作用范围在表层几百微米以内。加工残余应力的引入产生了等效力矩，使工件发生加工残余应力变形。一般情况下，两种变形形式共同作用，决定了最终零件的变形状态。当工件壁厚较大时，工件刚度较大，由于加工残余应力作用层很薄，因此，其对零件的变形量贡献较小。但是在薄壁零件加工中，零件最终的厚度可能达到1 mm以下，工件刚度很小，这时加工残余应力作用层已经占了整个工件厚度相当大的比例，此时加工残余应力变形作用非常显著。

如图6.2所示，假设毛坯初始状态为应力平衡状态，零件未发生变形，如图6.2中的a状态。初始残余应力变形是由毛坯材料被切除造成的，这就相当于材料的去除导致部分应力弹簧（残余应力）的去除，零件内应力平衡状态发生改变，零件发生变形恢复平衡状态，造成了零件的初始残余应力变形，如图6.2中的b状态。相应的，切削加工会在工件表层引入加工残余应力，这就相当于在原工件系统上添加了应力弹簧，同样会造成内应力的失衡，引起工件变形，如图6.2中的c状态，这就是加工残余应力变形。

图6.2　残余应力变形的弹簧模型

（a）初始残余应力变形（b）加工残余应力变形

在零件的整个加工过程中，这两种残余应力变形同时存在，根据变形叠加原理，两者叠加表现为最终的零件残余应力变形。根据这两种变形的生成机理，可将加工过程分为粗加工过程和半精、精加工过程两个工序阶段来进行分析。如图6.3所示，对于航空发动机难加工材料薄壁零件，粗加工阶段，零件厚度比较大、刚度较大，毛坯材料被大量去除，初始残余应力变形程度与材料去除量密切相关，此时零件初始残余应力变形较大，占据绝对主导地位，可近似认为初始残余应力变形就是此过程的残余应力变形。半精、精加工阶段，特别是对精密薄壁结构件制造而言，零件多经过了去应力和校形工序，粗加工阶段的变形较少引入后续工序或在后续工序中被切除。在零件的半精、精加工阶段，材料去除量较小，此时零件将被加工至最终的零件厚度，壁厚很小，此时对变形起主要作用的是切削引入的表层残余应力，加工残余应力变形将起主导作用。(www.xing528.com)

根据材料力学原理，在加工零件上建立直角坐标系，则其内部任一点的内应力可表示为如下的张量形式［3］：

图6.3　各工序阶段残余应力变形分析

式中：σxx、σyy、σzz为正应力分量；τxy、τyx、τxz、τzx、τyz、τzy为剪应力分量。

正应力分量与剪应力分量共同构成了一点的应力状态，正应力的不平衡将导致零件的弯曲，剪应力的不平衡将导致零件的剪切扭曲。三个正应力分量中，σzz为厚度方向的正应力，对薄壁零件而言，厚度方向的抗弯刚度最大，σzz对变形的贡献非常小。另外实际生产中，采用的毛坯多为预拉伸板材或者轧制板材，且经过了去应力处理，剪应力分量非常小。因此，在目前的研究中，研究者多忽略厚度方向的正应力和剪应力分量对薄壁零件加工变形的影响，重点分析目前可以有效测量的σxx、σyy两个正应力分量。σxx和σyy为平面应力，分别对应零件沿XX方向和YY方向的弯曲变形。基于以上原因，对于初始残余应力场，可重点分析零件长宽方向的正应力对初始残余应力变形的影响；对于加工残余应力场，可重点分析刀具切削进给方向和垂直进给方向上的正应力对加工残余应力变形的影响。