摘要：在机械零件制造领域，残余应力对零件的性能与精度影响显著。本文深入探究数控铣削工艺中残余应力的产生机制，分析其对零件的影响，并从切削参数优化、刀具选择、加工工艺改进等方面提出基于残余应力控制的数控铣削工艺优化策略，旨在为提升机械零件数控铣削加工质量提供参考。关键词：残余应力；数控铣削；工艺优化；机械零件

引言：数控铣削作为机械零件加工的关键手段，广泛应用于航空航天、汽车制造等众多领域。在数控铣削过程中，零件内部会不可避免地产生残余应力。残余应力的存在，可能导致零件变形、尺寸精度下降，甚至引发裂纹，严重影响零件的使用性能与寿命。随着制造业对零件精度和性能要求的不断提高，有效控制残余应力已成为数控铣削工艺优化的核心任务。

1 残余应力在数控铣削中的产生机制

1.1 切削力引发的残余应力

在数控铣削时，刀具与工件间存在强烈的切削力。切削力可分解为垂直于加工表面的法向力和平行于加工表面的切向力。法向力使工件表面产生压缩变形，切向力则促使工件表面产生剪切变形。当切削力超过材料的弹性极限时，工件表面就会发生塑性变形。在切削过程结束后，已加工表面的塑性变形区受到基体材料的约束，无法自由恢复，从而在工件内部形成残余应力。

1.2 切削热导致的残余应力

切削过程中，切削热的产生不可避免。切削热主要源于刀具与工件、切屑之间的摩擦，以及工件材料的塑性变形。大量的切削热使工件表面温度急剧升高，形成较大的温度梯度。在高温作用下，工件表面材料膨胀，而内部材料温度相对较低，膨胀较小，这就导致表面材料受到内部材料的约束，产生热应力。当切削结束，工件冷却时，表面材料收缩，但由于内部材料的牵制，无法完全恢复到初始状态，从而在工件内部形成残余应力。

2 残余应力对机械零件的影响

2.1 对零件尺寸精度的影响

残余应力在零件内部处于一种不平衡状态，时刻有释放的趋势。当零件受到外界因素（如温度变化、机械振动等）影响时，残余应力会重新分布，导致零件发生变形，进而影响其尺寸精度。例如，在航空发动机叶片的数控铣削加工中，如果叶片内部残余应力过大且分布不均匀，在后续的装配和使用过程中，叶片可能会发生扭曲、弯曲等变形，使叶片的尺寸偏离设计要求，影响发动机的性能和可靠性。

2.2 对零件疲劳强度的影响

拉伸残余应力会降低零件的疲劳强度。在零件承受交变载荷时，残余应力与工作应力叠加，使零件表面的实际应力水平升高。当叠加后的应力超过材料的疲劳极限时，零件表面更容易产生疲劳裂纹，并加速裂纹的扩展，从而缩短零件的疲劳寿命。例如，汽车发动机的曲轴在工作过程中承受着复杂的交变载荷，若曲轴在数控铣削加工后表面存在较大的拉伸残余应力，其疲劳寿命将大幅降低，增加发动机故障的风险。

3 基于残余应力控制的数控铣削工艺优化策略

3.1 切削参数优化

3.1.1 切削速度的选择

切削速度对残余应力有显著影响。一般来说，提高切削速度可以降低残余应力。这是因为在高速切削时，切削力的作用时间缩短，热量来不及大量传入工件内部，从而减少了因切削热和切削力导致的塑性变形。但切削速度过高也可能引发其他问题，如刀具磨损加剧、切削振动增大等。因此，在实际加工中，需要综合考虑工件材料、刀具材料和加工要求等因素，选择合适的切削速度。例如，在铣削钛合金零件时，通常选择较高的切削速度（ 200-500m/min ）来降低残余应力，同时配合优质的刀具和冷却润滑条件，以保证加工的稳定性和刀具寿命。

3.1.2 进给量的调整

减小进给量可以降低切削力，从而减少残余应力的产生。较小的进给量使刀具对工件的切削作用更加均匀，表面塑性变形程度减小。然而，进给量过小会导致加工效率降低。在实际应用中，应根据零件的精度要求和加工效率进行权衡。对于对尺寸精度和表面质量要求较高的零件，如精密模具的型芯和型腔，可适当减小进给量（ 0.05-0.2mm/z ）来控制残余应力。

3.2 刀具的合理选择

3.2.1 刀具材料的选择

刀具材料的性能对残余应力有重要影响。应选择硬度高、耐磨性好、热导率高的刀具材料，以减少刀具磨损和切削热的产生。例如，硬质合金刀具在数控铣削中应用广泛，其具有较高的硬度和耐磨性，能承受较高的切削温度。对于一些难加工材料，如高温合金、钛合金等，可以选择涂层硬质合金刀具或陶瓷刀具。涂层硬质合金刀具表面的涂层能有效降低刀具与工件之间的摩擦系数，减少切削力和切削热；陶瓷刀具则具有更高的硬度和热稳定性，能在高速切削下保持良好的切削性能，降低残余应力。

3.2.2 刀具几何参数的优化

刀具的几何参数，如前角、后角、刃倾角等，会影响切削力的大小和方向，进而影响残余应力。适当增大前角可以减小切削力，降低残余应力，但前角过大可能导致刀具强度下降。后角的大小影响刀具与已加工表面之间的摩擦，合适的后角能减少摩擦热，降低残余应力。刃倾角主要影响切屑的流向和切削力的分布，选择合适的刃倾角可以使切削力更加均匀，减小残余应力。在实际加工中，应根据工件材料和加工工艺要求，优化刀具的几何参数。

3.3 加工工艺改进

3.3.1 分层铣削与多道次加工

对于一些薄壁零件或对残余应力控制要求较高的零件，采用分层铣削和多道次加工的方法可以有效降低残余应力。分层铣削将零件的加工余量分成若干层，逐层进行铣削，每一层的切削深度较小，能减少切削力和切削热对工件的影响。多道次加工则是在每一层铣削后，适当降低切削参数进行后续加工，进一步减小残余应力。例如，在加工航空薄壁结构件时，通常采用分层铣削和多道次加工相结合的方式，每层切削深度控制在 0.5-1mm ，经过 3 - 5 道次的加工，保证零件的尺寸精度和表面质量。

3.3.2 冷却润滑技术的应用

合理的冷却润滑可以降低切削温度，减少刀具磨损，同时对残余应力有明显的控制作用。切削液能带走大量的切削热，降低工件表面温度，减小热应力。此外，切削液在刀具与工件之间形成润滑膜，减小切削力，降低因切削力导致的残余应力。在选择切削液时，应根据工件材料和加工工艺要求，选择合适的切削液类型，如乳化液、切削油等。

结语：

残余应力对机械零件数控铣削加工质量有着至关重要的影响。通过深入理解残余应力的产生机制，认识其对零件性能的危害，并采取基于残余应力控制的数控铣削工艺优化策略，如合理选择切削参数、优化刀具性能、改进加工工艺等，可以有效降低残余应力，提高机械零件的尺寸精度、疲劳强度和耐腐蚀性，满足现代制造业对高质量机械零件的需求。

参考文献：

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