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

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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。

4 加工硬化研究

工件已加工表面层和表层以下金属在切削力的作用下会产生塑形变形，使得表层和次表层的金属硬度提高的现象叫做加工硬化。加工硬化是塑性变形的强化作用、切削热的软化作用以及金属相变综合作用的结果。其中，塑形变形和切削热的热-力耦合作用对加工硬化的影响较为显着。表面加工硬化是评价机械加工表面完整性的重要指标之一。加工硬化的评价指标有显微硬度、加工硬化深度和加工硬化率，其中加工硬化率一般采用加工后的表面显微硬度与原始显微硬度之比的百分数来表示。

4.1加工硬化的影响因素研究

国内外学者研究了切削条件（切削速度、进给量、背吃刀量、刀具磨损以及冷却润滑条件等因素）、刀具参数和工件材料特性等因素对加工硬化的影响。

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。

可见，切削速度、进给量和切削深度对于加工硬化的影响规律会随着加工方法和加工材料的变化而不同。

4.2 材料特性对工件加工硬化的影响

工件材料的塑性会影响强化指数，进而影响其加工硬化特性，影响因素如材料的含碳量，含碳量越高，塑形越低；工件材料的熔点与切削热软化作用有关，熔点越高，则越不易发生软化；在一定温度下得到的金相组织的特性则直接影响了加工后材料的硬度特性。

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。

4.3 显微硬度沿工件深度方向的分布规律研究

加工硬化在工件深度方向的分布规律与以上各种因素有关。在不同的加工条件下以及加工不同的工件材料得到的显微硬度沿深度方向的分布规律不同。

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。

5 切削加工白层研究

“白层”这一概念是1912年由Stead首次提出的，它是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，因此被称为白层。此外，有色金属的白层有时呈“暗色”，故也称为“暗层”。白层会影响材料的摩擦磨损性能，因此又被称为白色浸蚀层、绝热剪切带、再结晶层和摩擦学转变结构等不同名称[46]。在白层的下方常常伴有颜色较暗，硬度较低的过渡层金属区域，因其在光学显微镜下常呈现黑色而成为黑层。

对于金属材料，白层具有耐腐蚀和硬度较高的特点。Herbert等人[47]通过钻削镍基高温合金RR1000在已加工表面得到了白层，发现白层中的晶粒与基体材料比更细小、取向更杂乱，白层的硬度也比基体高出45%。

5.1 白层的形成机制

关于白层的研究，很大一部分研究的焦点集中在白层的形成机制上，普遍认为白层的形成机制有三种：第一，快速加热和快速冷却引起的相变；第二，表面对于环境的反应，磨损的表面，含氧和氮；第三，塑形流动引起的均匀结构或晶粒细化的结构。此外，他还认为应变率、压力和冷却速率对白层的形成也有影响。目前关于白层形成机制的研究结果主要分为：相变机制、塑性变形机制和相变-塑性变形综合机制。

本段文字可按照相变机制、塑性变形机制和相变-塑性变形综合机制分别展开论述。写好后，本段加黄底色颜色的文字请删去。

5.2 白层的影响因素研究

白层的形成受切削参数（切削速度、进给量和切削深度）和工件材料特性（晶粒尺寸、含碳量、塑性、相变温度）的影响。

5.2.1 切削参数对白层的影响

本段文字可将研究方法和研究成果展开论述。写好后，本段加黄底色颜色的文字请删去。

5.2.2 工件材料特性对白层的影响

工件材料的相变温度会影响白层的形成，当相变温度较高时，不容易形成白层；相变温度较低时更容易形成白层。此外，材料的晶粒尺寸、塑性和含碳量等也会影响白层的形成。

本段文字可将研究方法和研究成果展开论述。写好后，本段加黄底色颜色的文字请删去。

6 变质层研究

对材料进行加工或表面处理时，加工表面受到作用力或热效应的影响，使得加工表面下某深度层的材料在热力耦合的作用下发生变化，该层通常被成为加工变质层。

6.1 变质层的组织特点

安徽理工大学的马伏波等人将加工表面变质层分为三类，分别是由外部元素的作用引起的变质层、由组织的变化所引起的变质层和应力作为主要考虑因素的变质层。

本段文字根据自己查阅的文献资料补充。写好后，本段加黄底色颜色的文字请删去。

6.2 切削参数对变质层的影响

加工参数直接影响到切削力和切削热，对加工变质层有很大影响。

本段文字根据自己查阅的文献资料补充。写好后，本段加黄底色颜色的文字请删去。

参考文献

[1] Ulutan D, Ozel T. Machining induced surface integrity in titanium and nickel alloys:

A review. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2011.51(3): p.250-280.

[2]陈日耀. 金属切削原理[M].北京：机械工业出版社.2001,01].