1 切削加工中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生由于在切削加工中工件受到切削力、熱載荷或高溫相變作用，產(chǎn)生不均勻塑性變形，當(dāng)外載荷卸去后，工件內(nèi)部就產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。它可以是拉應(yīng)力，也可以是壓應(yīng)力，其性質(zhì)和大小隨材料的性能、產(chǎn)生條件的不同而變化。在常規(guī)加工條件下，殘余應(yīng)力存在于工件很薄的表層內(nèi)，作用范圍距表面小于5?m，應(yīng)力梯度很大，應(yīng)力值有時(shí)相當(dāng)大，數(shù)量可以是被加工材料原始屈服強(qiáng)度的1至3倍。切削時(shí)由于切屑對刀具的摩擦和擠壓，以及在第ⅲ變形區(qū)內(nèi)，切削刃分流點(diǎn)以下很小一部分材料經(jīng)受刀刃鈍圓部分強(qiáng)烈擠壓和摩擦，會進(jìn)一步發(fā)生嚴(yán)重的附加塑性變形并留在已加工表面上。切削后由于內(nèi)層材料的彈性恢復(fù)和后刀面與已加工表面的摩擦，使已加工表面層再次發(fā)生塑性變形：若內(nèi)層材料的彈性恢復(fù)是擴(kuò)張趨勢，則表面層呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，反之，內(nèi)層材料若是收縮趨勢的彈性恢復(fù)，表面層則呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)。刀-工接觸面的滑動摩擦造成刀-工接觸面間的剪切變形和局部高溫，當(dāng)切削區(qū)域溫度高于材料相變溫度時(shí)，材料發(fā)生熱相變并導(dǎo)致體積變化，但受到相鄰材料的約束，使表面層產(chǎn)生局部不均勻的殘余應(yīng)力，其應(yīng)力狀態(tài)隨材料金相組織變化狀態(tài)和加工條件而變化，或?yàn)閴簯?yīng)力，或?yàn)槔瓚?yīng)力。 殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象，除受力、熱因素影響外，還受材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)、加工條件（如刀具幾何參數(shù)、切削用量等）多種因素影響。因此切削加工中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是由多種因素綜合作用的結(jié)果。2 強(qiáng)冷切削機(jī)理如上所述，在常規(guī)切削過程中，已加工表面殘余應(yīng)力狀態(tài)主要取決于工件表面上所承受的切削力和熱載荷。對已加工表面殘余應(yīng)力的控制問題在很大程度上可以通過在切削過程中對工件切削區(qū)域因熱和切削力作用產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)的控制來實(shí)現(xiàn)。為達(dá)到此目的，對被加工材料表面實(shí)施快速強(qiáng)制冷卻，一方面可以降低工件切削區(qū)域的溫度，使工件材料脆性增加，減少切削時(shí)的塑性變形：另一方面會在材料表層形成一個(gè)以冷縮為主要特征的預(yù)應(yīng)力場，與切削過程中力和熱所形成的應(yīng)力場實(shí)現(xiàn)非線性疊加，抑制殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生，并可導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生。強(qiáng)制冷卻切削（簡稱強(qiáng)冷切削）正是基于這一機(jī)理提出的。 強(qiáng)冷切削試驗(yàn)采用液氮作為冷卻介質(zhì)。液態(tài)氮的溫度為-176℃，是化工產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品，無毒，無污染，容易獲取，是一種很好的冷卻介質(zhì)。將其噴注在被加工材料表面，通過液氮的揮發(fā)可以迅速吸收大量熱量，使工件表面溫度急劇下降。與常規(guī)切削的情況相比較，強(qiáng)冷切削時(shí)，快速強(qiáng)制冷卻收縮的效應(yīng)集附于被加工材料zui外層，而其內(nèi)部材料冷縮程度則相對較輕、冷卻速度也較慢，導(dǎo)致工件表層相對內(nèi)層發(fā)生了不均勻的彈塑性變形。解除強(qiáng)冷作用后，較大的相對溫差（溫升）使工件表層（相對內(nèi)層）發(fā)生擴(kuò)張，但受到內(nèi)層金屬的牽制，導(dǎo)致已加工表面殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生。
a）向待加工表面噴射
b）向已加工表面噴射
附圖 強(qiáng)冷切削裝置示意圖
強(qiáng)冷切削時(shí)，液氮噴注的方向和部位可以是待加工和已加工表面區(qū)（見附圖），即從刀具的前后兩個(gè)不同方向向切削區(qū)域噴注液氮。向待加工區(qū)域噴注是為了冷卻待加工區(qū)域材料表層，形成冷縮預(yù)應(yīng)力場：向已加工區(qū)域噴注是加速工件冷卻過程，使zui外層急劇冷卻與內(nèi)層形成較大梯度溫度場。兩種方式都使工件在恢復(fù)常溫過程中，因表層擴(kuò)張而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。3 強(qiáng)冷切削試驗(yàn) 試驗(yàn)條件 工件表面層的冷卻程度和冷縮預(yù)應(yīng)力狀態(tài)與液氮流量q、工件與液氮噴嘴相對移動速度（試驗(yàn)中為切削速度vc）、被加工材料熱特性等因素有關(guān)，通過對流量q、速度vc和切削用量的控制，來達(dá)到實(shí)現(xiàn)對已加工表面殘余應(yīng)力狀態(tài)的主動控制。試驗(yàn)中設(shè)定液氮流量q=1000mm3/s（液氮流量的設(shè)定應(yīng)能使其在作用表面*汽化后所吸收的熱量滿足對冷卻程度的要求，zui低限度也要保證所吸收的熱量大于切削熱）。液氮噴嘴為矩形b×l=7mm×3mm，保證了所噴出液氮形成的穩(wěn)定的冷卻場覆罩整個(gè)切削區(qū)域，噴嘴盡可能接近切削區(qū)域，距離越近，冷卻效果越好。噴嘴相對工件表面移動速度將影響工件表面冷縮預(yù)應(yīng)力場的形成，對不同的加工材料和加工條件有不同的優(yōu)化值，速度過小，工件材料冷卻充分，無法在表層形成相對內(nèi)層的冷縮預(yù)應(yīng)力場，也不利于工件表面粗糙度值的減小和生產(chǎn)效率的提高：若速度過大，表層來不及冷卻，也難以形成冷卻場。在這兩種情況下都無法實(shí)現(xiàn)強(qiáng)冷切削對已加工表面殘余應(yīng)力的控制。 試驗(yàn)機(jī)床為cm6140型車床。切削用量:切削速度vc采用兩種即50m/min和100m/min， 進(jìn)給量f為0.10mm/r，切削深度ap為0.30mm?？v向外圓切削。 試驗(yàn)刀具為硬質(zhì)合金yg15外圓車刀。 試驗(yàn)刀具幾何參數(shù):前角g0=0°，后角a0=6°，副后角a0'=5°，主偏角kr=45°，副偏角kr'=45° ，刃傾角ls=0°，刀尖圓弧半徑re=0.8mm 試驗(yàn)材料為45號鋼（退火狀態(tài)），試件為直徑70mm棒料。 每項(xiàng)試驗(yàn)試件分三組:*組是干式切削，第二組是強(qiáng)冷切削（液氮向待加工表面噴注），第三組是強(qiáng)冷切削（液氮向已加工表面噴注）。
試驗(yàn)1的試驗(yàn)結(jié)果 測定項(xiàng)目 *組 第二組 第三組
徑向 軸向 徑向 軸向 徑向 軸向
表面應(yīng)力sf（mpa） 104 -13 -216 -283 -203 -240
表面粗糙度ra（?m） 1.9 1.85 1.81
試驗(yàn)2的試驗(yàn)結(jié)果 測定項(xiàng)目 *組 第二組 第三組
徑向 軸向 徑向 軸向 徑向 軸向
表面應(yīng)力sf（mpa） 213 96 -196 -224 -192 -205
表面粗糙度ra（?m） 1.8 1.72 1.7
試驗(yàn)結(jié)果 試驗(yàn)1:切削速度vc=50m/min 試驗(yàn)2:切削速度vc=100m/min 以上兩個(gè)試驗(yàn)結(jié)果均是在相同切削條件下經(jīng)再次切削所取得的平均應(yīng)力。切削后對試樣表面采用х-п型х射線應(yīng)力測定儀測定表面應(yīng)力狀態(tài)。х射線應(yīng)力測定是通過測量衍射角2q 的改變求得晶面間距的變化計(jì)算出晶體表面應(yīng)變，從而換算出金屬表面存在的應(yīng)力，即 sf=- e cot （ q p ） ?（2q）
2（1+?） 180 ?（sin2f）
式中：?——泊松比 e——彈性模量 q——入射角 f——衍射晶面法線與試件表面法線夾角 實(shí)驗(yàn)采用0°～45°法測定應(yīng)力值，上式變?yōu)? sf=- e cot （ q p ） 2q0-2q45 k·?2q
2（1+?） 180 sin2f1-sin2f2
式中：k——應(yīng)力系數(shù) 若2q為正，表示拉應(yīng)力：反之表示壓應(yīng)力。 計(jì)算結(jié)果見上述兩表。4 結(jié)論與分析 強(qiáng)冷切削可以使工件已加工表面獲得殘余壓應(yīng)力，或降低殘余拉應(yīng)力。適當(dāng)控制強(qiáng)冷切削的液氮流量和切削用量，可以達(dá)到控制表面殘余應(yīng)力、改善表面質(zhì)量的目的。強(qiáng)冷切削尤其適用于小切削深度的精細(xì)加工。 從刀具前后不同方向向工件表面噴注液氮，會造成對殘余應(yīng)力控制效果的差異。在具體實(shí)施過程中，應(yīng)根據(jù)工件形狀及工藝狀態(tài)合理地選擇液氮噴注方向。 切削過程中對工件強(qiáng)制冷使材料脆性增加，減小了切削過程中材料的塑性變形，對降低已加工表面粗糙度值有一定的效果。試驗(yàn)1 和試驗(yàn)2 中表面粗糙度ra值分別由1.9?m 和1.8?m 降為1.81?m 和1.7?m。 刀具作用在工件表面徑向與軸向的切削分力是不同的，所以在相同的強(qiáng)冷條件下，兩個(gè)方向上呈現(xiàn)的殘余應(yīng)力值不同。 強(qiáng)冷切削工藝方法簡單，使用方便。采用人工控制液氮流量，對冷卻效果不易控制：在試驗(yàn)中，只采用了一個(gè)矩形噴嘴，難以協(xié)調(diào)切削速度與冷卻速度之間的差異，所以采用的切削速度不高，若能大面積提前冷卻工件待加工表面，并采用傳感器測溫，通過溫控調(diào)節(jié)液氮流量，能取得好的冷卻效果，實(shí)現(xiàn)對殘余應(yīng)力性質(zhì)和大小的主動控制，同時(shí)獲得更好的表面質(zhì)量。 冷卻場周圍環(huán)境對冷卻效果有一定影響。保持空氣流動相對靜止，能提高冷卻效果。但液氮汽化產(chǎn)生的煙霧，會影響操作者對切削區(qū)觀察，應(yīng)及時(shí)排除。