1 切削加工中殘余應力的產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，產生不均勻塑性變形，當外載荷卸去后，工件內部就產生了殘余應力。它可以是拉應力，也可以是壓應力，其性質和大小隨材料的性能、產生條件的不同而變化。在常規加工條件下，殘余應力存在于工件很薄的表層內，作用范圍距表面小于5?m，應力梯度很大，應力值有時相當大，數量可以是被加工材料原始屈服強度的1至3倍。切削時由于切屑對刀具的摩擦和擠壓，以及在第ⅲ變形區內，切削刃分流點以下很小一部分材料經受刀刃鈍圓部分強烈擠壓和摩擦，會進一步發生嚴重的附加塑性變形并留在已加工表面上。切削后由于內層材料的彈性恢復和后刀面與已加工表面的摩擦，使已加工表面層再次發生塑性變形：若內層材料的彈性恢復是擴張趨勢，則表面層呈現拉應力狀態，反之，內層材料若是收縮趨勢的彈性恢復，表面層則呈現壓應力狀態。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，當切削區域溫度高于材料相變溫度時，材料發生熱相變并導致體積變化，但受到相鄰材料的約束，使表面層產生局部不均勻的殘余應力，其應力狀態隨材料金相組織變化狀態和加工條件而變化，或為壓應力，或為拉應力。 殘余應力的產生是一個復雜的現象，除受力、熱因素影響外，還受材料內部微觀結構、加工條件（如刀具幾何參數、切削用量等）多種因素影響。因此切削加工中殘余應力的產生是由多種因素綜合作用的結果。2 強冷切削機理如上所述，在常規切削過程中，已加工表面殘余應力狀態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域因熱和切削力作用產生的應力狀態的控制來實現。為達到此目的，對被加工材料表面實施快速強制冷卻，一方面可以降低工件切削區域的溫度，使工件材料脆性增加，減少切削時的塑性變形：另一方面會在材料表層形成一個以冷縮為主要特征的預應力場，與切削過程中力和熱所形成的應力場實現非線性疊加，抑制殘余拉應力的產生，并可導致殘余壓應力的產生。強制冷卻切削（簡稱強冷切削）正是基于這一機理提出的。 強冷切削試驗采用液氮作為冷卻介質。液態氮的溫度為-176℃，是化工產業的副產品，無毒，無污染，容易獲取，是一種很好的冷卻介質。將其噴注在被加工材料表面，通過液氮的揮發可以迅速吸收大量熱量，使工件表面溫度急劇下降。與常規切削的情況相比較，強冷切削時，快速強制冷卻收縮的效應集附于被加工材料zui外層，而其內部材料冷縮程度則相對較輕、冷卻速度也較慢，導致工件表層相對內層發生了不均勻的彈塑性變形。解除強冷作用后，較大的相對溫差（溫升）使工件表層（相對內層）發生擴張，但受到內層金屬的牽制，導致已加工表面殘余壓應力的產生。
a）向待加工表面噴射
b）向已加工表面噴射
附圖　強冷切削裝置示意圖
強冷切削時，液氮噴注的方向和部位可以是待加工和已加工表面區（見附圖），即從刀具的前后兩個不同方向向切削區域噴注液氮。向待加工區域噴注是為了冷卻待加工區域材料表層，形成冷縮預應力場：向已加工區域噴注是加速工件冷卻過程，使zui外層急劇冷卻與內層形成較大梯度溫度場。兩種方式都使工件在恢復常溫過程中，因表層擴張而產生殘余壓應力。3 強冷切削試驗 試驗條件 工件表面層的冷卻程度和冷縮預應力狀態與液氮流量q、工件與液氮噴嘴相對移動速度（試驗中為切削速度vc）、被加工材料熱特性等因素有關，通過對流量q、速度vc和切削用量的控制，來達到實現對已加工表面殘余應力狀態的主動控制。試驗中設定液氮流量q=1000mm3/s（液氮流量的設定應能使其在作用表面*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定的冷卻場覆罩整個切削區域，噴嘴盡可能接近切削區域，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應力場的形成，對不同的加工材料和加工條件有不同的優化值，速度過小，工件材料冷卻充分，無法在表層形成相對內層的冷縮預應力場，也不利于工件表面粗糙度值的減小和生產效率的提高：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現強冷切削對已加工表面殘余應力的控制。 試驗機床為cm6140型車床。切削用量:切削速度vc采用兩種即50m/min和100m/min， 進給量f為0.10mm/r，切削深度ap為0.30mm。縱向外圓切削。 試驗刀具為硬質合金yg15外圓車刀。 試驗刀具幾何參數: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 試驗材料為45號鋼（退火狀態），試件為直徑70mm棒料。 每項試驗試件分三組:*組是干式切削，第二組是強冷切削（液氮向待加工表面噴注），第三組是強冷切削（液氮向已加工表面噴注）。
試驗1的試驗結果 測定項目 *組 第二組 第三組
徑向 軸向 徑向 軸向 徑向 軸向
表面應力sf（mpa） 104 -13 -216 -283 -203 -240
表面粗糙度ra（?m） 1.9 1.85 1.81
試驗2的試驗結果 測定項目 *組 第二組 第三組
徑向 軸向 徑向 軸向 徑向 軸向
表面應力sf（mpa） 213 96 -196 -224 -192 -205
表面粗糙度ra（?m） 1.8 1.72 1.7
試驗結果 試驗1:切削速度vc=50m/min 試驗2:切削速度vc=100m/min 以上兩個試驗結果均是在相同切削條件下經再次切削所取得的平均應力。切削后對試樣表面采用х-п型х射線應力測定儀測定表面應力狀態。х射線應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算出晶體表面應變，從而換算出金屬表面存在的應力，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 實驗采用0°～45°法測定應力值，上式變為 sf=- e cot （ q p ） 2q0-2q45 k·?2q
2（1+?） 180 sin2f1-sin2f2
式中：k——應力系數 若2q為正，表示拉應力：反之表示壓應力。 計算結果見上述兩表。4 結論與分析 強冷切削可以使工件已加工表面獲得殘余壓應力，或降低殘余拉應力。適當控制強冷切削的液氮流量和切削用量，可以達到控制表面殘余應力、改善表面質量的目的。強冷切削尤其適用于小切削深度的精細加工。 從刀具前后不同方向向工件表面噴注液氮，會造成對殘余應力控制效果的差異。在具體實施過程中，應根據工件形狀及工藝狀態合理地選擇液氮噴注方向。 切削過程中對工件強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1 和試驗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，所以在相同的強冷條件下，兩個方向上呈現的殘余應力值不同。 強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：在試驗中，只采用了一個矩形噴嘴，難以協調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，通過溫控調節液氮流量，能取得好的冷卻效果，實現對殘余應力性質和大小的主動控制，同時獲得更好的表面質量。 冷卻場周圍環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。但液氮汽化產生的煙霧，會影響操作者對切削區觀察，應及時排除。

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