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2024.10.07

内应力的产生及其对零件加工精度的影响

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  内应力也称残余应力,是指外部载荷去掉后仍残留于物体内部的应力。内应力是由于金属内部组织发生了变化而产生的。其产生的外界因素为热加工和冷加工。具有内应力的工件,处在一种不稳定状态中,它内部的组织有强烈的恢复到没有内应力稳定状态的倾向。即使在常温下工件的内部组织也不断发生变化,直到内应力完全消失为止。在这一过程中,工件的形状逐步产生变形(如翘曲变形),从而丧失其原有精度。如果把存在内应力工件装配到机器中,则会因其在使用中发生变形而破坏整台机器的精度。

  1、内应力的产生及其对零件加工精度的影响

  1) 毛坯制造中产生的内应力。在铸、锻、焊及热处理等过程中,由于工件各部分热胀冷缩不均匀以及金相组织的变化使毛坯内部产生了相当大的内应力。毛坯结构越复杂,各部分的壁厚越不均匀,散热条件差别越大,毛坯内部产生的内应力也越大。具有内应力的毛在短时间还看不出变化,内应力暂时处于相对平衡的状态,但当切去一层金属后,就打破了这种平衡,内应力重新分布,工件就明显地出现变形。

  2) 冷校直产生的内应力。一些刚性较差、容易变形的工件(如丝杠),通常采用冷校直的方法修正变形。图1b所示的工件中部受到载荷F的作用时,工件内部产生应力,其轴心线以上产生压应力,其轴心线以下产生拉伸应力,而且两条虚线之间为弹性变形区,虚线之外为塑性变性区。去掉外力后,工件的弹性恢复收到塑性变形区的阻碍,致使内应力重新分布如图1c所示。由此可见,工件经冷校直后内部产生内应力,处于不稳定状态。

  3) 切削加工中产生的内应力。工件切削加工时,在各种力和热的作用下,各部分将产生不同程度的塑性变形及金相组织变化从而产生内应力,引起工件变形。实践证明,在加工过程中切去表面一层金属后,所引起内应力重新分布,变形最为剧烈。因此粗加工后,应将被夹紧的工件松开使它有时间使内应力重新分布。否则,在继续加工时工件处于弹性应力状态下,而在加工完成后必然要逐渐产生变形,致使破坏最终工序所得到的精度。图2所示为床身因内应力引起变形。

  2、减少或消除工艺系统内应力的几种方法

  1) 对工件进行时效处理或热处理。通过对铸、锻、焊接件进行退火或回火,以及对淬火后进行回火,都可达到减少或消除内应力的目的。另外对床身、箱体等大部分铸铁件、焊接件在粗加工后进行时效处理(自然时效、人工时效或振动时效)。

  2) 合理设计零件结构。设计零件结构时,应注意简化零件结构,提高其刚性,减小壁厚差。焊接件的焊缝应均匀,以减少内应力。

  3) 合理安排工艺程序。将粗、精加工分开在不同的工序中进行,使粗加工后的工件有一定的时间使残余应力重新分布,以减小对精加工的影响。在加工大型工件时,粗、精加工往往在一道工序中来完成,这时应在粗加工后松开工件,让工件可以自由变形,再用较小的夹紧力夹紧工件后进行精加工。对于焊接件,在焊接前,工件必须经过预热处理以减小温差,减小内应力。对精度要求较高的零件,在粗加工后或半精加工后,安排一次时效处理或稳定化处理,以消除之前切削加工引起的内应力。

  4) 用热校直来代替冷校直,不但可提高工件的加工质量,而且可提高生产率。热校直是将工件在正火温度下用压力机对轴类零件进行校直。


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