大连理工大学网络教育学院
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：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2023年8月20日
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。本文主要是对切削加工表面完整性问题进行论述，在对切削加工表面完整性研究的发展现状进行论述的基础上，详细的阐述表面粗糙度研究相关理论，指出残余应力的生成机理和残余应力影响因素，并对加工硬化的影响因素、材料特性对工件加工硬化的影响以及显微硬度沿工件深度方向的分布规律进行研究，最终得出白层和变质层的影响因素。
关键词：切削加工；表面完整性；研究现状
目 录
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
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......................................................................... 5
4.1加工硬化的影响因素研究.................................................................................. 7
4.2 材料特性对工件加工硬化的影响..................................................................... 8
4.3 显微硬度沿工件深度方向的分布规律研究..................................................... 8
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
6.1 变质层的组织特点........................................................................................... 13
6.2 切削参数对变质层的影响............................................................................... 14
前 言
表面完整性是表面纹理和表面层冶金后加工的部件质量，也称表面层质量。表面层冶金质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。
先进切削基础理论研究一直是国际研究热点，其对先进切削装备制造与先进切削工艺技术研发起着关键支撑作用。尤其在航空航天和汽车制造业和其他模具领域，批量生产的零部件使得切削技术成为一种最主要的技术。随着高新制造产业的飞速发展，种类繁多且复杂化的产品被社会需求的程度日益强烈，以及在汽车模具工业、飞行器工业以及铁路船舶等行业对产品的要求趋于高精和高效，显然传统机械制造业已无法适应这一趋势，能解决零件品种多变、精度高、实现高效化和自动化加工的数控加工技术逐步广泛应用于机械制造领域，成为现代制造工业领域一个主流发展和研究方向。随着机床以及刀具的不断研发，切削加工的精度，能效和自动化程度不断提升，使用的范围也不断的加大，从而推动现代机械制造业整体的发展。
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]；变质层的产生导致残余应力和加工表面的微观结构的变化，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。随着科学技术的发展，对产品的使用性能要求越来越高，一些重要零件需要在高温、高压和高速的情况下工作，表面层的任何缺陷都会直接影响零件的工作性能与作用，因此这是不可取的。
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[3]。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，表面残余应力，表面微观结构，表面层密度和表面裂纹[4]。金属材料的机械性能，物理和化学性质如抗疲劳性，抗应力腐蚀性和高温抗氧化性在很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。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，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；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，表面层的残余拉应力使表面微裂纹连续膨胀，加速疲劳强度，降低工件的耐腐蚀性。但是，表面残余压应力可以防止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳损伤的产生，并提高疲劳强度[5]。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。
2 表面粗糙度研究
表面粗糙度是研究表面完整性的最常用指标。表面粗糙度测量工件表面的纹理和纹理。表面粗糙度是指实际表面在垂直方向上与理想表面的偏差。如果偏差较大，则工件表面越粗糙，工件之间的摩擦系数越大，这将影响工件的耐磨性，疲劳强度和耐腐蚀性。如果偏差小，工件表面更光滑，工件性能优异。如图2.1所示。
图2.1 表面粗糙度示意图
表面粗糙度作为工件表面完整性的重要评价指标之一，其形成的原因可归纳为三个方面：一是几何因素，如叶片形成的残余面积和工件的相对运动轨迹；另一种是加工过程中工件表面产生的物理变形，积屑瘤，刻度和振动等；第三是与加工技术有关的过程因素。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[3]。表面粗糙度的理论建模法主要是对工件的加工方式以及加工过程中表面 粗糙度的生成机理进行分析，并研究刀具形状、加工参数和振动等因素对表面粗 糙度的影响，从而对表面粗糙度进行预测。粗糙度预测的第二种方法是设计实验法，即通过实验设计、实验数据处理与分析来对切削加工的表面粗糙度进行预测。
表面粗糙度直接影响产品的质量，尤其在高速、高温和高压的条件下对零件影响更大。为合理选用表面粗糙度参数，首先需要对影响质量的因素进行分析：
（1）影响零件表面的磨损。两个表面接触时，表面越粗糙，有效接触面积就越小，接触点处压强就会很大，从而形成干摩擦。但表面粗糙度值太小，容易发生分子粘接，难于储存润滑液，磨损反而加剧。
（2）影响零件配合质量。对间隙配合表面，起始磨损的影响最为显著，粗糙度越大，间隙因急剧的磨损而改变越大，就越影响配合的稳定性。对于过盈配合表面，粗糙度越大，过盈量减少越多，连结刚度就越低。
（3）影响零件的耐疲劳性。加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抵抗疲劳破坏的能力就越差。在交变载荷作用下，极易产生裂纹。
（4）影响零件的密封性。零件表面不可能绝对光滑，两表面会因表层的突起而无法紧密贴合，表面越粗糙，空隙越大，气体或液体渗漏的几率越大。
（5）影响零件的抗腐蚀性。表面粗糙度大，则表面容易吸附和积聚气体和液体，所处介质若具有腐蚀性，就会发生腐蚀。因此，在零件制造过程中，应保证其获得指定的表面质量，特别是表面粗糙度的要求，以便更多的掌握已加工表面质量变化的规律。
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。一是机械应力引起的塑性变形；二是热应力引起的塑性变形；三是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。
图3.1 残余应力分布示意图
造成材料中产生残余应力的因素，可分别来自于材料自身内部成分结构及外来载荷和热的作用两类。
（1）不均匀变形
当材料在拉伸、压缩、弯曲等过程中，由于受到不均匀的载荷作用，必将使材料发生不均匀的塑性变形，从而在材料中引进残余应力。另一方面，由于材料中可能存在的夹杂和非晶成分等，必将造成材料各个部分的塑性屈服性能不均匀。
（2）化学变化
由于材料所处的环境或加工过程的影响，材料内部发生化学变化，从而引起材料体积或温度的变化，这些改变也将使材料产生残余应力。
（3）热的作用
构件在机械加工或热处理的加热冷却过程中，由于材料各处的几何形状不对称、成分的不均匀、导热系数和热膨胀系数的不同，从而造成材料各处温度的不均匀；进而使构件内部产生热应力，该热应力容易使高温下屈服强度低的材料产生不均匀的塑性变形。基于铝合金板件力学性能的需要，需要提供足够的冷却速度使铝合金板件在固溶处理后进行淬火，以保证合金的过饱和度。而淬火冷却的速度与材料内部温度梯度差成正比，因而淬火后产生残余应力也相应的增大。
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：
（1）残余应力对金属抗应力腐蚀性能的影响
若材料在接触腐蚀介质时，还受到外力加载，此情况下经常会让物体经过一段时段后就会逐渐出现裂纹，进而拓张满断面后使物体毁坏，形成应力腐蚀断裂。物体中本身存在的残余拉应力或由于外界作用施加的拉应力都有可能使物体产生应力腐蚀断裂。但令人吃惊的是，大量统计表明：百分之八十的铝合金板材应力腐蚀引起的材料失效事件都是因为残余拉应力造成的。其中板材的生产、机械加工阶段都可能引进残余应力，也可能是由于机械设备的安装、配置造成的，甚者还可能是因为温度改变导致的。往往应力腐蚀断裂是发生在物体的某一小块区域，而且是优先出现在有利于应力腐蚀断裂的地方。实际表明[4]：可以用二种办法来减少物体的应力腐蚀开裂：首先可以控制残余拉应力；其次可以通过在物体表面附加残余压应力。其结果都将使物体的加载外力和残余应力相抵消，减小应力腐蚀开裂发生的概率。消除残余应力的方法包括上坡淬火法、振动消除法、预拉伸法、压缩法和电流法等。
（2）对静载荷强度的影响
物体中存在的微观残余应力基本上决定物体的力学强度。相对于微观应力，宏观应力的影响较小，而且不是直接的。当物体受外力作用时，可以把残余应力作为一部分应力值相加到外力上，其对材料的静强度的作用在于两应力叠加后材料的实际塑性变形情况。如果是韧性材料，那么叠加应力接近该材料的弹性上限
