3 表面完整性

飞行器事故和故障的分析表明： 飞行器事故和故障的分析表明： 疲劳破坏大都起源于工作应力高、 形状复杂、 工 作条件恶劣的飞行器零件表面或接近表面的部位。 这个问题起先并未为人们所认识。设计和修理人 设计和修理人 员只是单纯地选择高强度的材料或增加零件的断 面面积。这样既提高了成本又增加了重量， 面面积。这样既提高了成本又增加了重量，还不 能根本防止事故的发生。 能根本防止事故的发生。重要受力零件大都用高 强度或高温材料（包括各种高温合金、钛合金、 高强度合金钢等）制成，在高温、高速条件下承 受反复载荷和腐蚀介质的表面完整性
改善零件加工表面完整性对于改善零件使用性能、 改善零件加工表面完整性对于改善零件使用性能、 延长零件使用寿命十分重要。 延长零件使用寿命十分重要。控制加工表面完整性的方法 较多。在普通切削、磨削加工中， 较多。在普通切削、磨削加工中，可针对不同的加工工艺 方法，合理选择刀具材料、刀具几何参数、 方法，合理选择刀具材料、刀具几何参数、切削用量和切 削液，对零件进行表面处理和表面强化， 削液，对零件进行表面处理和表面强化，从而得到要求的 加工表面粗糙度和表面质量，改善零件加工表面完整性； 加工表面粗糙度和表面质量，改善零件加工表面完整性； 此外，利用一些新的切削加工技术，如振动切削、 此外，利用一些新的切削加工技术，如振动切削、低温切 激光切削、水力切削等，也可达到提高加工表面质量、 削、激光切削、水力切削等，也可达到提高加工表面质量、 改善加工表面完整性的目的。 改善加工表面完整性的目的。 在改善零件加工表面完整性的众多方法中， 在改善零件加工表面完整性的众多方法中，振动切削 技术较易实现且应用效果很好。 技术较易实现且应用效果很好。
应用振动切削改善零件加工表面完整性
振动切削原理
振动切削的实质是在切削过程中使刀具或工件产生某种 有规律的、可控的振动，使切削速度(或进给量、 有规律的、可控的振动，使切削速度(或进给量、切削深 按某种规律变化，从而改善切削状态， 度)按某种规律变化，从而改善切削状态，提高工件表面 质量。振动切削原理如图所示。 质量。振动切削原理如图所示。
振动切削原理
振动切削通过改变刀具与工件之间的空间—时间存在条件， 振动切削通过改变刀具与工件之间的空间 时间存在条件， 时间存在条件 从而改变切削加工机理，达到降低切削力和切削热、 从而改变切削加工机理，达到降低切削力和切削热、提高 加工质量和加工效率的目的。振动切削是一种脉冲切削， 加工质量和加工效率的目的。振动切削是一种脉冲切削， 切削时间短，瞬时切入切出，切削时工件还来不及振动， 切削时间短，瞬时切入切出，切削时工件还来不及振动， 刀具即已离开工件。根据动态切削理论和冲量平衡理论， 刀具即已离开工件。根据动态切削理论和冲量平衡理论， 采用振动切削时切削温度低，工件表面质量好。 采用振动切削时切削温度低，工件表面质量好。在振动切 削过程中，由于刀具周期性地接触和脱离工件， 削过程中，由于刀具周期性地接触和脱离工件，其运动速 度的大小和方向不断改变。 度的大小和方向不断改变。振动切削引起刀具速度变化和 加速度的产生，使加工精度和表面质量明显提高。 加速度的产生，使加工精度和表面质量明显提高。振动切 削的特点使其在改善零件加工表面完整性方面独具优势。 削的特点使其在改善零件加工表面完整性方面独具优势。
振动切削改善零件加工表面完整性的优势
A 降低切削力和切削温度 振动切削时， 振动切削时，刀具与工件间相对运动速度的大小和方 向均产生周期性变化， 向均产生周期性变化，被加工材料的弹塑性变形和刀具 各接触表面的摩擦系数都较小， 各接触表面的摩擦系数都较小，且切削力和切削热均以 脉冲形式出现， 脉冲形式出现，使切削力和切削温度的平均值大幅度下 切削力仅为普通切削时的1/2 1/10， 1/2～ 降(切削力仅为普通切削时的1/2～1/10，切屑的平均温 度仅40℃左右) 从而改善了切削条件， 40℃左右 度仅40℃左右)，从而改善了切削条件，提高了工件加 工质量和刀具使用寿命， 工质量和刀具使用寿命，减小了切削力引起的变形和切 削温度引起的表面热损伤、表面热应力及工件热变形， 削温度引起的表面热损伤、表面热应力及工件热变形， 尤其为需要热处理的零件减小热处理变形及裂纹创造了 十分有利的条件，容易实现高精密加工。 十分有利的条件，容易实现高精密加工。
可节约刀具材料，减少辅助时间， 可节约刀具材料，减少辅助时间，降低加工成 提高生产效率，而且有利于保证加工质量。 本，提高生产效率，而且有利于保证加工质量。
振动切削改善零件加工表面完整性的优势
D 切削液使用效果好
采用普通切削时， 采用普通切削时，切屑总是压在刀具前刀 面上形成一个高温高压区， 面上形成一个高温高压区，切削液难以进 入切削区， 入切削区，只能在刀具外围起间接冷却作 用；采用振动切削时，由于切削为断续形 采用振动切削时， 当刀具与工件分离时， 式，当刀具与工件分离时，切削液从周围 进入切削区，对刀尖进行充分冷却和润滑。 进入切削区，对刀尖进行充分冷却和润滑。 特别在超声振动切削时， 特别在超声振动切削时，由于超声振动形 成的空化作用， 成的空化作用，一方面可使切削液均匀乳 形成均匀一致的乳化液微粒； 化，形成均匀一致的乳化液微粒；另一方 面切削液更容易渗入材料的裂纹内， 面切削液更容易渗入材料的裂纹内，可进 一步提高切削液使用效果， 一步提高切削液使用效果，改善排屑条件。
（一）表面形貌 主要描述加工后零件的几何特征，它包括表面粗糙 度、表面波度和纹理等。 （二）表面缺陷 它是指加工表面上出现的宏观裂纹、伤痕和腐蚀 现象等，对零件的使用有很大影响。 （三）微观组织和表面层的冶金化学性能 三 主要包括微观裂纹、微观组织变化及晶间腐蚀等。
（四）表面层物理力学性能
主要包括表面层硬化深度和程度、表面层残 余应力的大小、分布。
3. 残余应力对零件使用性能的影响 残余应力是指在没有外力作用情况下零件 内部为保持平衡而存留的应力。 内部为保持平衡而存留的应力。残余应力的产 生原因， 生原因，一是在切削过程中由于塑性变形而产 生的机械应力； 生的机械应力；二是由于切削加工中切削温度 的变化而产生的热应力；三是由于相变引起体 的变化而产生的热应力； 积变化而产生的应力。 积变化而产生的应力。 残余应力对零件的使用性能有很大影响。 残余应力对零件的使用性能有很大影响。 一般说来， 一般说来，如果残余压应力在表面层内足够大 且分布合理，会提高零件的疲劳强度； 且分布合理，会提高零件的疲劳强度；而残余 拉应力则会引起裂纹， 拉应力则会引起裂纹，使零件产生疲劳断裂和 应力腐蚀。 应力腐蚀。
（五）表面层的其他工程技术特征
主要包括摩擦特性、光的反射率、导电性和 导磁性等。
零件加工后的表面纹理和表面层冶金质量，又称表 零件加工后的表面纹理和表面层冶金质量， 面层质量。表面纹理主要包括粗糙度 波纹度、 粗糙度、 面层质量。表面纹理主要包括粗糙度、波纹度、刀 纹方向、宏观裂纹、皱折和撕裂等； 纹方向、宏观裂纹、皱折和撕裂等；表面层冶金质 量主要包括显微结构变化、再结晶、晶间腐蚀、 量主要包括显微结构变化、再结晶、晶间腐蚀、显 微裂纹、塑性变形，残余应力、合金贫化等。 微裂纹、塑性变形，残余应力、合金贫化等。 受加工影响而在零件 表面下一定深度处产 生的受扰材料层称表 面层（见图) 面层（见图)。表面 层的深度通常为百分 之几毫米, 之几毫米,在特殊的 加工条件下深度可达 0.3毫米左右 毫米左右。 0.3毫米左右。
振动切削改善零件加工表面完整性的优势
已加工表面的耐磨性、 E 已加工表面的耐磨性、耐腐蚀性提高
概述
随着科学技术的发展，对产品的使用性能要求越来越高， 随着科学技术的发展，对产品的使用性能要求越来越高，一些 重要零件需在高温、高压、高速的条件下工作， 重要零件需在高温、高压、高速的条件下工作，表面层的任何 缺陷，直接影响零件的工作性能，为适应科学技术的发展， 缺陷，直接影响零件的工作性能，为适应科学技术的发展，在 表面完整性的概念 研究表面质量的领域里提出了表面完整性的概念，主要有： 研究表面质量的领域里提出了表面完整性的概念，主要有：
振动切削改善零件加工表面完整性的优势
表面粗糙度小、 B 表面粗糙度小、加工精度高 振动切削破坏了积屑瘤的产生条件，同时由于切削力小、 振动切削破坏了积屑瘤的产生条件，同时由于切削力小、 切削温度低及工件的刚性化效果， 切削温度低及工件的刚性化效果，使加工表面粗糙度减 几何精度提高。在振动切削中，虽然刀刃振动， 小、几何精度提高。在振动切削中，虽然刀刃振动，但 在刀刃与工件接触并产生切屑的各个瞬间， 在刀刃与工件接触并产生切屑的各个瞬间，刀刃所处位 置是保持不变的。 置是保持不变的。由于工件与刀具在切削过程中的位置 不随时间变化， 不随时间变化，从而提高了加工精度。
振动切削改善零件加工表面完整性的优势
C 刀具使用寿命长
振动切削时，由于切削力小、切削温度低、 振动切削时，由于切削力小、切削温度低、 冷却充分，切屑的折断和排出都比较容易， 冷却充分，切屑的折断和排出都比较容易， 可明显提高刀具使用寿命。 可明显提高刀具使用寿命。如振动参数选 择适当，一般可使刀具寿命延长几倍至几 择适当， 十倍， 十倍，对难加工材料和难加工工序应用效 果更好。 果更好。用硬质合金刀具对不锈钢进行超 声振动切削试验证明， 声振动切削试验证明，刀具使用寿命比普 20倍 通切削方式提高20倍。刀具寿命的延长不仅
零件加工表面完整性对零件使用性能的影响 1.表面粗糙度对零件使用性能的影响 表面粗糙度对零件使用性能的影响
当两个互相摩擦的零件配合时， 当两个互相摩擦的零件配合时，由于零件表面粗糙不 只有零件表面一些凸峰相互接触， 平，只有零件表面一些凸峰相互接触，而不是全部表面配 合接触。由于实际接触面积小，因此单位面积上压力很大。 合接触。由于实际接触面积小，因此单位面积上压力很大。 当零件相互摩擦时，表面凸峰很快被压扁压平， 当零件相互摩擦时，表面凸峰很快被压扁压平，产生剧烈 磨损，从而影响零件的配合性质。 磨损，从而影响零件的配合性质。 粗糙表面的耐腐蚀性比光滑表面差， 粗糙表面的耐腐蚀性比光滑表面差，因为腐蚀性物质容 易聚集在粗糙表面的凹谷里和裂缝处， 易聚集在粗糙表面的凹谷里和裂缝处，并逐渐扩大其腐蚀 作用。 作用。 在外力作用下，粗糙表面极易产生应力集中， 在外力作用下，粗糙表面极易产生应力集中，使零件表 面产生显微裂纹，降低零件的疲劳强度。试验表明， 面产生显微裂纹，降低零件的疲劳强度。试验表明，在没 有冷作硬化层和残余应力的情况下，表面粗糙度越小， 有冷作硬化层和残余应力的情况下，表面粗糙度越小，零 件就越接近基体材料的疲劳强度。 件就越接近基体材料的疲劳强度。