切削加工表面完整性研究现状解析

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本科生毕业论文（设计）

题目：切削加工表面完整性研究现状

学习中心：

层次：专科起点本科

专业：机械设计制造及其自动化

年级：年季

学号：

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完成日期：年月日

内容摘要

机械加工得到的零件表面完整性特征可分为三类：（1）表面形貌特征：表面缺陷、表面纹理和表面粗糙度等；（2）表面机械性能：残余应力和显微硬度等；（3）金相组织变化：加工变质层、白层、夹杂物等。本文围绕切削加工后零件表面完整性三类特征指标，系统论述了各自的研究发展历程，重点对表面粗糙度、残余应力、显微硬度、白层及变质层进行了归纳，概括了各自的研究方案、技术手段及研究成果。

关键词：切削加工；表面完整性；研究现状

目录

内容摘要 ........................................................................................................................... I 前言 .. (1)

1 切削加工表面完整性研究的发展 (2)

1.1 表面完整性的提出及发展 (2)

1.2 表面完整性研究意义 (2)

2 表面粗糙度研究 (3)

3 残余应力研究 (4)

3.1 残余应力的生成机理研究 (4)

3.2 残余应力影响因素的实验研究 (4)

4 加工硬化研究 (5)

4.1加工硬化的影响因素研究 (5)

4.2 材料特性对工件加工硬化的影响 (5)

4.3 显微硬度沿工件深度方向的分布规律研究 (5)

5 切削加工白层研究 (6)

5.1 白层的形成机制 (6)

5.2 白层的影响因素研究 (6)

5.2.1 切削参数对白层的影响 (6)

5.2.2 工件材料特性对白层的影响 (7)

6 变质层研究 (8)

6.1 变质层的组织特点 (8)

6.2 切削参数对变质层的影响 (8)

参考文献 (9)

前言

机械加工得到的零件表面完整性特征可分为三类：（1）表面形貌特征:表面缺陷，表面纹理和表面粗糙度等；（2）表面机械性能：残余应力和显微硬度等；（3）金相组织变化：加工变质层，白层、夹杂物等。

零件的表面完整性影响着零件的后续加工以及最终使用性能，尤其在航空航天领域对关键零件的耐磨性能和耐疲劳性能要求很高。表面完整性中的残余应力如果是残余压应力可以减小零件表面裂纹的扩展，提高耐疲劳性能，而拉伸残余应力则会加速表面裂纹的扩展，加速了零件的疲劳破坏，且在有应力集中或者有腐蚀性介质存在的工况下，残余拉应力对零件疲劳强度的影响更为突出；加工硬化会降低零件表面的塑形和韧性，对零件的疲劳强度和疲劳寿命不利，但是均匀的加工硬化有利于提高零件的硬度和耐磨性；白层有耐蚀和硬度高的特点，但是其内部常常含有裂纹，脆性大且与基体结合不牢固，容易发生早期剥落脱离；变质层的产生会引起加工表面产生残余应力和微观组织结构的改变，由于其组织均匀性较差且伴有裂纹，容易降低零件的耐磨性和耐疲劳性能。

残余应力、加工硬化、白层和加工变质层，这些表面完整性指标是加工过程中切削力、切削热以及相变综合作用的结果。表面完整性的好坏直接决定着零件的工作性能和使用寿命。

1 切削加工表面完整性研究的发展

1.1 表面完整性的提出及发展

表面完整性是在美国金属切削研究协会在1964年召开的一次技术座谈会上由Field和Kahles首次提出的。所谓表面完整性是指表面粗糙度、表层残余应力、表层显微组织、表层致密度和表面类裂纹等状态的完好程度。金属材料的耐疲劳强度、耐应力腐蚀和耐高温氧化等力学、物理和化学性能, 绝大程度上取决于材料的表面完整性。

表面完整性具体包含两方面的内容：

本部分可从几何方面和物理方面分别论述表面完整性研究内容。写好后，本段加黄底色颜色的文字请删去。

1.2 表面完整性研究意义

本部分可从表面形貌特征中的表面缺陷和表面粗糙度；表面机械性能中的残余应力和显微硬度等；金相组织变化的白层等三个方面系统论述各自的概念和研究意义。写好后，本段加黄底色颜色的文字请删去。

2 表面粗糙度研究

表面粗糙度（Surface roughness）是在研究表面完整性时最常用的指标。表面粗糙度衡量的是工件表面的纹理和质地。表面粗糙度的大小是指实际表面和理想表面在垂直方向的偏差，若偏差大，则工件表面越粗糙，工件间的摩擦系数越大，会影响到工件的耐磨性、疲劳强度、抗腐蚀性；若偏差小，则工件表面越光滑，工件有优异的使用性能。

表面粗糙度作为工件表面完整性的重要评价指标之一，其形成原因可归纳为三个方面：一是刀刃和工件相对运动轨迹所形成的残留面积等几何因素；二是加工过程中在工件表面产生的塑性变形、积屑瘤、鳞刺和振动等物理因素；三是与加工工艺相关的工艺因素。表面粗糙度对零件的装配、耐磨性、抗腐蚀性和疲劳寿命等有重要影响。

目前对切削加工表面粗糙度的研究，主要有两种方法，一种采用理论解析法，一种为实验研究法。

本段文字可根据上述两种表面粗糙度研究方法分别展开论述，也可根据自己所选材料适当补充。写好后，本段加黄底色颜色的文字请删去。

3 残余应力研究

残余应力是指物体在没有外力施加或外力施加了卸载后，其内部存在的保持自相平衡的应力系统。金属切削加工过程伴随着材料内部的高温、高应变和高应变率，在已加工表面产生较大的残余应力；同时，经热处理后的被加工材料具有初始残余应力，加之铣削过程中的切削力、切削热和相变，加工表面与刀具间的摩擦和挤压都会引起零件内部残余应力的重新分布。

3.1 残余应力的生成机理研究

残余应力的产生定性地分析有三种形成机理[2]。一、机械应力引起的塑性变形；

二、热应力引起的塑性变形；三、相变引起的体积变化。已加工表面和里层金属产生的最终残余应力是拉应力还是压应力以及大小是这几种机制竞争的结果，主导作用决定着最终的残余应力状态。

本段文字可根据三种不同的残余应力形成机理分别展开论述，也可根据自己所选材料适当补充。写好后，本段加黄底色颜色的文字请删去。

3.2 残余应力影响因素的实验研究

残余应力对工件的静态力学性能、抗疲劳性能、抗应力腐蚀性能、尺寸稳定性以及使用寿命均有着显着的影响。残余应力分拉伸残余应力和压缩残余应力，其中压缩残余应力有助于提高加工表面的机械力学性能，如表面有微裂纹时，表层压缩残余应力能够促进裂纹的闭合，提高零件的耐疲劳性能，并且压缩残余压应力越大越有利；而表层拉伸残余应力则抑制裂纹的闭合，不利于零件的耐疲劳和耐腐蚀性能。因此通过控制切削条件以得到有利的残余应力分布就变得十分有意义。针对残余应力分布影响因素的研究主要有：

本段文字可根据自己所选材料适当补充。写好后，本段加黄底色颜色的文字请删去。