切削加工表面完整性研究现状 (模板)(答辩类论题)解读

切削加工表面完整性研究现状

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 (4)

3 残余应力研究 (6)

3.1 残余应力的生成机理研究 (6)

3.2 残余应力影响因素的实验研究 (7)

4 加工硬化研究 (8)

4.1加工硬化的影响因素研究 (8)

4.2 材料特性对工件加工硬化的影响 (9)

4.3 显微硬度沿工件深度方向的分布规律研究 (9)

5 切削加工白层研究 (10)

5.1 白层的形成机制 (10)

5.2 白层的影响因素研究 (11)

5.2.1 切削参数对白层的影响 (11)

5.2.2 工件材料特性对白层的影响 (11)

6 变质层研究 (13)

6.1 变质层的组织特点 (13)

6.2 切削参数对变质层的影响 (14)

参考文献 (15)

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[1]；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[2]；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，是表征、评价和控制加工制造过程中被加工零件表面层内可能产生的各种变化及其对最终成品使用性能影响的一个综合性指标[3]。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：

一是表面几何特征，又称表面纹理指标，主要用于表征被加工零件表面的各类几何特征，包括表面粗糙度、波度、纹理方向、表面瑕疵等都属于表面几何特征的范畴[4]。其中，表面粗糙度是最为主要的表面几何特征，常用来表示表面纹理。

二是表面物理力学特性，主要以表面层物理力学性能指标来衡量。机械工件表面在加工过程中由于受其自身物理与化学性质的影响，其力学特性、物理特性、化学性质均会出现一定的变化，而表面层物理力学性能指标就是用来评价工件表面的此类特性的。一般情况下，工件的表面物理力学特性主要包括以下几个方面的内容：（1）表面层硬度：主要指工件的切削加工后表层冷作硬化所引起的弹塑性变形；（2）表面层组织：主要指工件切削加工表面的金相组织变化，如再结晶、相变等；（3）表面层残余应力：主要用来衡量工件表面残余应力的大小、分布状态、表面宏观与微观裂纹等。

相对于工件表面质量而言，表面完整性更注重工件微观表面质量的研究，主要内容包括表面形貌、表层冶金层质量、表面化学组分与性质等。对表面完整性的评价可以采用最少数据组、标准数据组和扩展数据组等三个级别标准[5]，具体的评价指标包括表面粗糙度、表层显微形貌、表层加工硬化、残余应力以及金相组织变化等。

1.2 表面完整性研究意义

表面完整性是衡量切削加工工件整体性能的重要指标，通过研究表面完整性能够对工件表面几何特性以及表面物理力学特性有更进一步的了解，并可以通过切削参数、材料选择、加工工艺等方面的改进提高工件的耐疲劳强度、耐应力腐

蚀和耐高温氧化等力学、物理和化学性能。下面将分别从表面形貌特征、表面机械性能中的残余应力与显微硬度、金相组织变化的白层等三个方面论述表面完整性的研究意义。

表面形貌特征主要包括表面缺陷、表面粗糙度等，通过降低表面粗糙度，能够增加零件之间接触面积，进而减少表面接触压强，降低零件表面磨损；但在实际加工过程中，表面粗糙度过小，接触面见润滑油不易存储，会导致接触面之间产生分子黏粘，增加磨损[6]；通过表面完整性的研究能够改善工件的表面形貌特征，降低工件表面磨损，延长工件的使用寿命，提高工业生产的安全系数。工件的表面机械性能主要包括残余应力、显微硬度等指标，在切削加工过程中，加工表面冷作硬化后，工件表面层显微硬度增加，能够提高工件表面的耐磨性；而残余应力也会直接影响到工件的表面质量，表面层残余拉应力作用使得表面微裂纹不断扩大，会加速耐疲劳强度，降低工件的抗腐蚀性，但表面残余压应力则能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的产生，可提高耐疲劳强度。金相组织变化的白层是指伴随着硬态切削过程所形成的存在于已加工表面或亚表面下的、经金相试剂浸蚀后在光学显微镜下无特征形貌并呈白色或白亮色的硬层，白层能够抵抗一般的腐蚀，通常具有比原始材料更高的硬度，因此，通过研究表面完整性中的白层对于材料摩擦、磨损性能的提高有着重要意义。