铸造件切削加工残余应力及变形分析

张爱玲

（中国电科网络通信研究院 装备制造部，河北 石家庄）

0 引言

目前，对于大多数的复杂零件加工往往采用压铸的加工方法，但由于此过程中铸造变形也是整个铸造工艺中的比较普遍的一个问题，因此机械加工技术人员通常都会使用各种方法去除在加工过程中所产生的应力，作为最常用的方法就是冷态和热态的矫正。当进行了铸造件冷态和热态矫正之后，往往会在铸造件内形成不可避免的残余应力，这就是造成铸造件精度的原因。

1 切削加工过程中残余应力的研究分析

在工业行业中，铸造件加工过程中往往会产生残余应力，对此很多国内外的研究者都进行了全面且深层次的分析。由于切削实验存在着一定的弊端和局限性，但随着很多大型化计算软件的发展和进步，仿真分析残余应力技术被广泛得到使用。结合有限元方法对残余应力进行充分的分析，是指要在准备初期建立切削加工的原理模型，再利用弹塑性热力耦合理论使用有限元方法对整个切削加工过程进行加工模拟，进而得到工件残留应力的分布规律。此方法涉及了工件材料特征、网格自适应划分、摩擦模型以及切削分离准则等重要的切削分析技术。最终可得出残余应力对铸造件变形的实际影响，对预防铸造件加工过程中发生变形，优化切削加工参数有良好的促进作用。

1.1 宏观应力与微观应力

在铸造件的切削加工过程中，通常在铸造件表面上形成相应的残余应力，而这种残余应力又按照影响铸造件的程度，通常分为宏观应力和微观应力，这三类应力又被称之为第一类残余应力和其二类、第三类残余应力。

第一类残余应力通常分布于整个铸造件的材质范围内及其晶粒范围外，其残余应力的程度和方式常常可以采用机械或物理化学的方法测量出来。对第一类残余应力而言，往往对加工的产品质量是否合格以及铸造件最终产品质量能否合格等方面，都会产生相应的影响。所以，在铸造件的切削工艺及其实际铸造过程中，需要充分注意的残余应力就是指第一类残余应力。第二类残余应力通常指的是出现于晶粒区域内应力，而第三类残余应力则是指出现于晶粒内粒子中间的晶内应力。

1.2 体积应力

根据残余应力所形成的因素分析，可把宏观残留应力可以称为体积应力，而把微观应力则可以称为结构应力。而体积应力就是物质在遭受不平衡的外力之后，受到机械化的、热的以及化学反应的影响所形成的。铸造件内组织结构平衡的物质，通常也会由于上述因素形成残余应力。而且，结构应力也通常由于物质内组织结构不平衡所形成的，因此即使获得了结构平衡的外力作用，也会在此过程中形成这些残余应力。

1.3 残余拉应力与残余压应力

铸造件的残余应力，往往能够通过表现形式分成残余压应力和残余拉应力。在此过程中，当铸造件在使用过程中承受到了外部的压力荷载时，铸造件所承受的实际荷载量是外部荷载与内部荷载残余应力的叠加之和[1]。这就常常会影响到整个铸造件的实际负荷效应，使工件在使用过程中很容易出现突然负荷过度，而发生机械破坏。如果这种现象发生在整个加工过程中的重要环节，那么必将会引起重大的加工事故。此外，残余拉应力的产生也会促进了铸造件表层裂纹的发展，从而降低了铸造件的耐疲劳强度、耐腐蚀性以及工件尺寸的精准度。然而残余压应力则将在一定条件下提升工件的特性。因此，对于工件表面产生的残余压应力的加工工艺是十分有价值的。

2 金属切削加工过程以及残余应力产生的原理

2.1 金属切削加工的整个过程

在整个金属切削的加工过程中，都是被加工材料受刀具前刃面的推挤，而沿切削横截面剪切滑移产生的。在这个切削过程中，切削层金属往往会出现相应的变化，并且随着对金属切削的摩擦而形成了巨大的热量。在铸造件加工过程中，在第一变形区域形成的金属切屑也会随着刀的移动，沿着前方刀面的走向而移动[2]。在整个移动流程中，切屑底层与前刀面之间通常会引起进一步的碰撞与挤压，而这样的流程往往会伴随着塑性变化的生成与热量的排出，从而形成了第二变形区。

此外，由于刀刃上钝角的出现，往往在第一次变形区中切削层金属材料还未被彻底的切削下去时，会残留一些尚未被完全去除的金属表面。在刀具与铸造件之间进行相对运动时，这层薄薄的表面金属层就会被挤出而直接通过切削刃钝角和后刀面。这也就将导致表面金属的材质往往会直接产生塑性变化以及生成巨大热能从而导致各种金属材质基体产生变化，这也就被称为金属切削过程中的第三大变形区。图1为切削加工过程示意图。

图1 切削加工过程示意图

2.2 残余应力产生的原理

对于残余应力所产生的原理问题，在理论上的定量分析中往往存在着一定的难度。所以，在此过程中只能对其进行定性分析。

首先，是由于机械应力所形成的残余应力。当用刀切削工件材料时，在刀尖的前方三角部分往往会由于刀的移动，而形成沿着切削方向的挤压变形和垂直于与切削表面方向的拉设塑性变形。但是，在切削加工的过程中沿着切削方向往往会形成拉伸残余应力。而在此基础上，刀具的向后刃面又会对刚被加工处理的表面进行进一步的挤压和磨损，同时会导致对工件的表面产生塑性拉伸而形成沿加工表面方向的压缩残余应力[3]。在实际的加工过程中，由于机械应力所形成的残余应力是指加工刀接触部位前方塑性凸出效果和加工刀具接触点后方效果的叠加总和。

其次，是因为热应力所形成的残余应力。在金属材料切削加工过程中的3个主要变化区因为摩擦系数和塑性的变化，往往都会形成巨大的热量。在此过程中，所产生的热能就很难在整个加热切削过程中被分散开来，从而使得整个铸造件材料的表层都受热而产生了扩张。不过，表层的扩张也往往由于基体的热束缚而最终形成压塑性的变化。当铸造件材料进行了加热并慢慢冷却到一定温度以后，产生压塑性变形的表面热就会在整个铸造件的表层产生了拉伸残余应力[4]。对于以上的情形并不涉及铸造件受热和冷却过程中产生的变形，但是如果是在切削过程中产生的热能最终超过了铸造件材料的转变温度，那么在此时铸造件表面的金属材料也会在淬火过程中转变，并使得铸造件的表面体受到了一定的改变，最后在工作表面上形成了相应的残余应力。

在实际铸造件切削加工过程中，铸造件的表面最终的残余应力一般为上述几种情况的叠加之和。在一般状态下，若是金属切削工件的加工速率缓慢、表面冷却状况较好、金属切削的加工温度较适宜时，则机械应力将对残余应力的形成与特性，具有一定的作用。当切削速度逐渐变快时，切削温度也将到达相应的峰值，而铸造件材料的相对变化也会对工作表面的残余内部应力产生一定的主导作用。由此就可发现在切削加工过程中残余应力的形成，是个十分复杂的环节与过程，与金属切削工艺中的机械热力耦合有着密切的联系。

3 消除残余应力的方法

3.1 保证零件结构设计的合理化

在铸造件生产过程中，应确保铸造件结构设计的科学合理，并充分防止尖角和壁厚之间的不平衡结构情况产生。优选加工工艺的路线，并在每一加工环节中选用最合理化的加工工艺参数，以降低零件在各个加工工序中所形成的残余应力，同时结合合理的加工方式，充分减小残余应力。

3.2 自然时效处理

在铸造件切削加工过程中，要使铸造件在室温下或露天存放一段时间后，在昼夜温度变化以及复杂的环境动荡因素的共同影响下，铸造件结构内部的晶粒进行微观移动和扩展，从而引起微观残余应力的显著降低，促使铸造件结构在宏观情况下进行塑性化变形，从而实现减小宏观残余应力的最终目的。这些方法所需的时间都较长，而且去除残余应力的能力也有限。

3.3 人工时效处理

最常用的人工时效处理方法就是时效退火降温，因为金属材料的屈服强度通常会因为温度或提高或减弱，所以时效退火的办法就是把铸造件升温在金属材料的回复或再结晶温度范围内保持了几小时或超过十几个小时，对那些在残余应力的影响下仍然可以达到强度极限的部分，进行热塑性变形来减少残余应力。这种人工时效处理的方式应充分保证冷却速率的减缓，并在很大程度上防止了铸造件在冷却过程中形成了新的残余应力。在目前阶段，人工时效处理使用得非常普遍，最高程度的效果能够减少铸造件内百分之八十的残余应力，其设备费用较高，而且对周围环境也有一定环境污染。

3.4 振动时效处理

振动时效，往往是指通过机械共振的方法减少在机械加工后所形成的残余应力。这种方法主要是采用向铸造件表面进行特定大小和频率激荡力的方法给予铸造件的热传导能力，使工件表面产生非常细微化且细小的形变，从而减少残余应力。在振动时效法，不仅可以极大程度地减少产品内的残余应力，而且由于设备的结构简单、节能环保的特性，可以确保残余应力效果的提高。

4 应用与结论

实际生产加工中应针对不同产品制定不同的工艺流程方法。某产品中铝合金铸件如图2所示，从结构形式分析，铸件结构复杂壁厚不同，受铝液流动速度、固化时间以及收缩率等影响，铸件会产生一定应力。因产品要求具有密封性，对两个安装面提出了较高平面度要求，铸造工艺无法满足平面度要求，所以工艺上安排切削加工工序，而切削加工也会产生应力。要保证两安装面的平面度精度，首要解决的问题是最大限度去除两个加工环节产生的应力。

图2 铸件示意图

该产品要求在铸造过程中检验铝锭的材质成分，保证材料成分符合性；检测原料材质硬度和产品热处理后的硬度，保证热处理的有效性；铸造后对铸件进行固溶、时效处理；铣削加工采用高速切削，降低削应力。此铸件机械加工应力的去除曾经采用过振动时效方法，但应力去除能力较低无法满足产品平面度要求。也采用过粗加工—热处理去应力—精加工工艺流程，但加工周期长，费用较高。最终通过安装加固支撑，利用高速铣设置合理的切削参数，完成了铸件安装面的机械加工，达到高效、高质和经济目的。

综上所述，在铸造件加工过程中，所产生的残余应力是机械应力与热应力共同作用下的叠加之和。虽然了解了残余应力所产生的工作原理，但是对于残余应力的控制和分析依然有着一定的难度，需要理论分析和进行不同工艺试验相结合来寻找有效的消除残余应力方法。残余应力的消除能够更好的保证产品加工质量，延长产品使用寿命，并对发展铸造加工有着重要的促进意义。