高速切削加工表面质量研究现状浅析

高速切削加工表面质量研究现状浅析[摘要] 本文首先阐述了加工表面质量对零部件使用性能产生的影响，然后通过分析国内外高速切削加工表面质量（表面粗糙度、表面加工硬化、表面残余应力）研究现状，指出了继续研究需要克服的技术难题及思维误区。

[关键词] 高速切削表面质量表面粗糙度加工硬化残余应力Research Status Analysis of High SpeedMachining Surface Quality[Abstract] This paper describes the machined surface quality impact on parts’ using performance, and then by analyzing the domestic and international research of high-speed machining surface quality (surface roughness, surface hardening, surface residual stress) ，finally，points out that we need to overcome technical problems and thinking errors to continue to research.[Keywords] High-Speed machining；Surface quality；Surface roughness；Work hardening；Residual stress0 前言数控加工就是通过对机床的数字化控制实现零件加工的技术。

高速切削作为数控加工的先进技术，逐渐占据了切削加工的主导地位。

自上世纪90年代以来，高速切削技术逐渐被应用到制造业中，其应用不仅大大提高了生产效率，而且提高了汽车、航空航天等领域整体结构件、薄壁件、复杂曲面的加工质量，引领了传统制造业的革命。

已加工表面质量是指零件加工后所得到表面的几何及物理状态。

主要的衡量指标有表面粗糙度、表面加工硬化程度和表面残余应力的性质及大小等。

表面质量的高低一般会直接影响零件的使用性能，比如粗糙度会影响零部件的耐磨性，配合性质以及疲劳强度等；表面残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度，但残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的使用寿命；表面冷作硬化在一定程度上可以提高零部件的耐磨性，但因其脆性也增加了，从而减低了零件的疲劳强度。

因此，对加工表面质量进行研究是十分必要的。

整个切削加工过程中，影响已加工表面质量的因素很多，一般主要从以下方面进行研究，如图1所示[1]：图1已加工表面质量影响因素对已加工表面质量的研究主要是对其三个主要衡量指标：表面粗糙度的大小，表面残余应力的性质和大小以及表面硬化程度的研究。

对加工表面质量的研究主要有两种方法[2]：一是试验法，二是数值分析法。

近年来，随着计算机软件及硬件技术的发展，应用有限元软件对切削全过程进行动态仿真，直观的显示加工表面在各因素作用下的质量变化情况，已经成为研究的主要方法。

1 表面粗糙度研究现状表面粗糙度是衡量产品质量的一个重要指标，主要受切削系统变量和切削参数等的影响。

随着对零件质量要求的提高及数控加工的普及，高速精加工表面粗糙度的研究越来越受到国内、外研究学者的关注。

目前，粗糙度的研究方法主要有两种[3]：一是建立理论模型+实验，二是实验+数据处理。

高速切削加工表面粗糙度的理论研究大多是基于刀具几何参数、切削运动学建立的几何模型，而所建立的理论模型有较大误差，这主要是因为切削过程太复杂及其不确定因素所引起的，加之模型的建立是研究人员依据经验对实际切削过程进行的较大程度上的简化，最终导致理论计算结果与实验测量结果往往差距比较大。

在韩国、日本等发达国家，许多知名科学家都对表面粗糙度进行了深入的研究[1]：韩国两院院士K.Y.Lee主要考虑主轴振动对表面粗糙度的影响，对高速铣削过程进行了模拟，他突破传统思维的限制，提出了加速度信号代替切削力信号的研究新方法，并对机床振动、主轴变形等因素对表面粗糙度的影响进行了分析，同时建立了统计模型。

日本科学家Y.Mizugaki等人对铣削过程中刀具路径对表面粗糙度的影响进行了深入研究，提出了常见零件加工过程中刀具切削路径的优选原则。

山东华安重工有限公司总经理国外资深金属表面处理专家B.H.Kim等人通过建立切削模型，对刀具切削刃的圆角半径对表面粗糙度的影响进行了模拟。

美国科学家Michael Jacobson等研究了硬车削贝氏体钢时切削速度对表面粗糙度的影响，指出存在某一切削速度可以产生最小的表面粗糙度。

R.S.Pawade等人对高速车削镍合金718时切削参数及切削边几何形状对表面粗糙度的影响进行了研究。

P.Koshy等人研究了高速铣削淬硬工具钢AISI D2时刀具寿命与表面粗糙度的关系。

国内虽然对高速切削对加工表面粗糙度研究起步较晚，但也取得了一定的成果。

山东大学的王素玉[1]等在假设刀具没有磨损的情况下，对45#钢、铝合金、灰铸铁和3Cr2Mo模具钢分别进行了高速铣削加工试验，对切削参数对表面粗糙度的影响进行了研究。

南京理工大学张雷[4]等人通过在HSM-700型高速铣床上进行正交铣削试验，分析高速铣削加工参数对零件表面粗糙的影响。

邹浩波[3]等人利用CBN刀具对铸铁进行了切削试验，并对试验结果进行了极差和方差分析，利用回归分析，得出了表面粗糙度的预测模型。

尚广庆[2]等人应用Deform3D仿真软件进行了数值分析，研究了切削参数对表面粗糙度的影响。

熊建武[5,6]等人进行了硬质合金刀具切削铝合金的实验，研究了硬质合金刀具磨损过程中已加工表面质量的变化规律，以及刀刃钝圆半径的变化与刀具磨损状态之间的联系。

并且研究了刀尖状态对已加工表面质量的影响，采用不同刀尖状态的硬质合金刀具，进行了切削铝合金的对比试验。

目前，国内对高速精加工表面粗糙度的研究还停留在初级阶段，随着对加工质量要求的进一步提高及国家对自动化加工领域投入的增加，对表面粗糙度的研究会越来越深入。

2表面残余应力的研究现状表面残余应力[7]是指切削加工完成后，表面的温度恢复到室温，弹性变形完全释放后工件表层局部位置残留着的压应力或拉应力，它们在各局部之间保持适当的平衡而不在外部表现出来，通常利用X射线衍射技术测试加工工件的残余应力。

残余应力容易使零件发生变形、开裂等严重不利后果，但若能使其大小和分布合理，则会提高关键表面硬度和疲劳强度，可以大大提高零件的使用寿命，因此，残余应力的研究意义重大。

由于残余应力对零件的使用性能有很大影响，近年来，国内、外许多科学家利用各种方法对残余应力的机理进行了研究。

从20世纪50年代末开始，Oxley[1]等人通过简单的直角切削模型对表面硬化及残余应力问题进行了研究。

随着有限元分析技术的飞速发展，B.Klamecki与C.R.Liu[1]等人通过有限元法金属切削形成原理、热应力和残余应力等进行了研究。

J.A.Bailey和M.Field[8]研究了有组织相变时淬硬钢已加工表面中残余应力的大小及性质。

J.S.Strenkowski、Obikawa[8]等人将工件看做刚塑性或弹塑性，并忽略应变效率和温度的影响，应用有限元法模拟直角切削过程，得出了工件表面的塑性变形区及其应力分布情况，模拟了连续低速车削时工件加工表面的残余应力及应变。

进入21世纪以来，J.C.Outeiro[9]等人对干车削难加工材料过程中工件表面的残余应力进行了分析，建立了一种用来预测残余应力的有限元模型。

Sasahara和Segawa等人研究了硬车和切削45号钢的表面质量，分析了切削参数对加工表面残余应力、表面硬化的影响。

D.Umbrello等人在有限元和实验的基础上，提出了新的预测模型，新模型基于神经网络，并取得不错的效果。

国内方面，对残余应力的研究相对较晚。

山东大学王素玉等[1]对高速铣削加工表面质量进行了较系统的研究，并利用X射线应力分析仪测试了残余应力的分布情况，分析了铣削参数(进给速度、主轴转速等)对残余应力的影响。

浙江大学王立涛等人通过模拟实验得出了铣削参数与表面残余应力之间的关系，在忽略了温度和应变速率的影响下，建立了二者之间的数学模型。

另外，清华大学、同济大学、哈尔滨工业大学等高校对残余应力的分布规律、产生机理等也进行了卓有成效的研究。

由于残余应力的检测技术还相对落后，目前对残余应力的研究还只是通过有限元分析的方法来进行，基于实验的研究还很少。

而且，对残余应力的研究大都是通过对实际切削过程的简化而建立的模型，直接从理论上建模的较少。

3表面加工硬化的研究现状经过切削加工，会使工件已加工表面层材料的硬度和强度提高，这一现象称为加工硬化。

加工硬化是塑性变形和切削热综合作用的结果。

在形成已加工表面的过程中，塑性变形深入到材料内一定深度，最里层是为变形的基体材料，中间一层是弹性变形层，最上面一层则是由于塑性变形引起的的金属晶粒细化、破碎、扭曲、致密形成的塑性变形层。

表面硬化的均匀性对零件的耐磨性和疲劳强度等有很大影响，因此，对已加工表面的加工硬化程度及机理等的研究在工程上有重大意义。

国外对切削表面加工硬化的研究早在20世纪50年代就开始了，T.I.El-Wardany[1]等利用PCBN刀具车削淬硬模具钢，研究了表面残余应力、显微硬度等，得出了刀具钝圆半径、后刀面磨损带的宽度对其影响较大而进给量和切削深度的影响较小。

近年，J.Sun[1]等研究了立铣Ti6Al4V的加工硬化情况，得出加工后的表面显微硬度值提高了70%-90%。

Emmanuel O.Ezugwu[1]利用PVD刀具切削Ti6Al4V，研究了在普通冷却和高压冷却条件下精加工表面的完整性，发现不同的冷却方式对加工表面硬化是有影响的。

在关于表面硬化机理的研究，G.V.S.S.Prasad[1]等提出了一种基于多位错密度的加工硬化模型；I.Gutiérrez等人对体心立方材料铁素体的加工硬化理论进行了研究。

国内方面也有很多学者对表面加工硬化机理进行了研究。

合肥工业大学对金属变形区的弹塑性应力场进行了分析，拟定了在低速正交切削时工件表面产生加工硬化深度的预报准则，获得了已加工表面的加工硬化变形图及其数值解。

山东大学的王素玉[1]等研究了基于热-力耦合变形理论和位错理论，分析了流动应力与加工硬化及位错密度之间的关系。

熊建武[6]等人对刀具刀尖状态对已加工表面质量的影响进行了研究，指出刀具各刀面粗糙度对已加工表面加工硬化有较大影响。

4 进一步开发的技术问题(1)对于机理的研究，以往的研究大都集中在金属剥离理论的研究上，对各种材料切屑的成形机理及切削力、切削热对表面质量的影响等方面研究比较深入，而对高速切削机理的研究却很少，建立的模型大多是简化的正交切削模型（如图2），而与实际较接近的三维斜角切削模型很少。