金属切削加工表面缺陷的形成机理及统计预测方法综述

综述 Special Reports ____________________________________________________________________________________2020年第4期金属切削加工表面缺陷的形成机理及统计预测方法综述

**国家自然科学基金（51675231）

王川亮①张珂①陈光军②③

（①沈阳建筑大学机械工程学院，辽宁沈阳110168；②天津职业技术师范大学机械工程学院，天津300222；

③佳木斯大学机械工程学院，黑龙江佳木斯154007）

摘 要:切削加工表面存在的裂纹、凹坑等缺陷会降低零件的疲劳强度和耐腐蚀性，引起零件过早的损坏，研

究缺陷的生成机理，提出有效的加工表面缺陷的预测方法，对提高产品的质量以及保证产品生产效 率具有重要意义。阐述了加工表面缺陷的生成机理，分析了加工参数对表面缺陷的影响；总结了现

有的缺陷统计分析与预测的研究成果,综述了表面缺陷对工件耐腐蚀性的影响。

关键词:表面缺陷;统计;预测;加工参数;耐腐蚀性

中图分类号:TH161.1 文献标识码:A

DOI ： 10.19287/j. cnki. 1005-2402. 2020. 04・ 008

Review of formation mechanism and statistical prediction methods

of surface defects in metal cutting

WANG Chuanliang®,ZHANG Ke ①，CHEN Guangjim ②③

（① College of Mechanical Engineering , Shenyang Jianzhu University , Shenyang 110168 ,CHN ；

②School of Mechanical Engineering.Tianjin University of Technology and Education , Tianjin 300222, CHN ；

©College of Mechanical Engineering , Jiamusi University , Jiamusi 154007,CHN ）

Abstract : Defects such as cracks and pits on the surface of the machined surface may reduce the fatigue strength

and corrosion resistance of the part, cause premature failure of the part, study the formation mechanism

of defects , and propose effective methods for predicting surface defects to improve the quality of the prod­

uct and to ensure the efficiency of product production is of great significance. Discribed the formation mechanism of surface defects , analyzed the influence of processing parameters on surface defects , sum ­marized the research results of statistical analysis and prediction of existing defects , and reviewed the

effects of surface defects on the corrosion resistance of workpieces.

Keywords : surface defects ； statistics ； prediction ； processing parameters ； corrosion resistance

加工表面缺陷是指在加工前、加工中、加工后零件 表面形成的局部切削或遗留材料的不正常痕迹，如沟

槽、隆起、坑穴（气孔、缩孔、砂眼，凹坑）、划痕、裂痕 （裂纹、崩裂）、伤痕、蚀痕（锈迹、黑斑）、毛刺（拉毛、鳞

片）等。表面缺陷会产生集中应力,增加局部磨损，降 低零件抗疲劳强度、抗腐蚀能力、有损零件表面质量、

引起零件过早破坏⑴。如何减少加工缺陷的产生，提

出有效的加工表面缺陷的预测方法,对提高产品的质 量以及保证产品生产效率具有重要意义。

1加工表面缺陷生成机理研究

缺陷形成的原因复杂多样,近年来国内外学者对

金属加工表面缺陷产生的原因进行大量的研究。图1

为张璐硕士所拍摄鎳基合金加工后表面图片及其典型

缺陷图⑵。

图］镰合金加工^面典型缺陷图

2010年，蔺亚琳等⑶对磨削加工中裂纹缺陷产生

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2020年第4期

的机理及预防措施进行了分析,发现磨削加工所产生的磨削热会使工件表面产生裂纹，这种裂纹只发生在工件表面，与淬火产生的裂纹明显不同,为了预防裂纹缺陷的产生,文章还指出在两台磨床上分别进行粗磨和精磨的方法。同年,GKDosbaeva等⑷利用光学金相和SEM/EDS对DA718合金进行金相观察,发现加工表面主要存在两种缺陷:裂纹和撕裂,通过分析得出裂纹的形成主要与DA718合金组织中的TiC/NbC碳化物有关，撕裂形成的主要原因是复合碳化物的富Nb 区域与环境(来自空气的氧)相互作用,在表面上进一步形成低强度氧化层造成的，形成的缺陷如图2所示。2012年，山东大学李晨硕士⑴用模型图解释了铳削航空铝合金表面所出现的裂纹是由于工件表面弹塑性不均匀,切削产生的拉应力导致的。2015年，仲照琳⑹通过试验和观察高速铳削铝合金7050-T7451表面得出,残留高度和应变大小会影响工件表面测流条纹的宽度，工件表面出现不同形态的微裂纹主要有两方面原因:其一,不同的晶体结构导致在切削时出现了不同的裂纹扩展机制;其二,受切削时产生的机械应力和热应力耦合作用。人在不同切削条件下对镰基合金进行了铳削试验,发现在被加工表面上经常出现撕裂、空腔、积屑瘤(BUE)和沟槽4种缺陷，研究切削参数对这些表面缺陷严重程度的影响，提出了两个定性指标，即每场平均缺陷数和每场平均缺陷面积比，并在此基础上总结了它们的影响规律，加工参数对表面缺陷的影响如图3和图4所示。2017年，山东大学杨东博士⑼采用自相关函数法分析了切削参数与缺陷总量的相关关系。随后，杨后川等通过实验发现刀具磨损量的增加会使加工表面出现的缺陷增多，但随着切削速度的提高毛刺会逐渐减少，冷却润滑条件下的加工表面比干铳削所产生的表面缺陷更少。

(a)DA718合金加工表面的裂纹(b)DA718合金加工表面的撕裂

图2DA718合金表面的缺陷

图3表面峡陷随切削速度的变化通过以上学者的研究可以发现，缺陷的产生除与

工件的材料成分有关外,还与机加工条件有很大的相

关,如能建立一个在线监控系统,及时改变容易产生缺

陷的加工条件，将可以有效的减少加工表面缺陷提高

加工表面质量。

2加工参数对表面缺陷的影响

张璐⑵采用面积表征撕裂和沟槽缺陷，采用出

现的频率来表征积屑瘤和凹坑缺陷，研究了切削速

度对表面缺陷的影响规律，实验结果表明随着切削

速度的提高表面产生的撕裂明显减少，但切削速度

增大到一定程度时又会使表面的积屑瘤增多，同时

还得出切削液有助于减少表面缺陷提高加工表面质

量。2015年，湖南大学陈剑斌博士⑺研究了磨削参数和主轴震动参数对亚表面损伤的影响，结果表明较高的磨削速度、较大的磨削深度和较大的震动初始项会增加亚表面裂纹的深度。同年,Liuchang[8]等

进给速度/(mm/齿)进给速度/(mm/齿)

(c)空腔(d)BUE

图4表面峡陷随进给速度的变化

综合以上文献可以看出，加工表面缺陷与加工

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