金属切削工件表面完整性的控制研究

表层 金属 因受 到切 削热 的作用 ，还 有可 能发 生相 变 。 当切 削温 度超 过相 变温 度时 ，金相 组 织发 生 变化 ，表 层材 料在 高温 状态 下形 成奥 氏体 ，冷 却
１ 金属表面完整性
表面 完整 性是 指零 件加 工后 的表面 纹 理和表 面层 冶金 质 量 。表 面纹 理主 要包 括表 面粗 糙度 、
金 属要 产生 相变 收缩 ， 因受到 里层 金属 的阻止 ，
作者 简介 ：邱 Ｔ ， ￣（ １ １ ９ ９ ３ －） ，女 ，助 理工程 师 ，研究 方 向：现代 机械 制造 技术 。
第 ４期
邱玉明 等 ：金属切 削工件表面 完整性 的控制研 究
１ ０ ３
在表 层 金 属 中产生 残 余拉 应 力 ，里层 金 属产 生残
晶 间腐蚀 、 显微裂 纹 、塑性 变形 ，残 余应 力 、合
金 贫化等 。残 余应 力对 工件表 面 完整 性 的影响较
大 ，残 余拉 应力会 使 得金属 表 面层 中拉应 力 高度 集 中 ，引发 金属疲 劳产 生 ；而残 余压 应 力会 导致 金 属表层 收 缩 ，致 使 表面 上的微 观裂 纹 闭合 ，对 金 属抗疲 劳 强度有较 大提 高 。
余压 应 力 。
表 面残 余应 力状 态 的主动 控制 。 试 验 中设定 液氮 流量ｑ ＝ｌ ２ ０ ０ ｍ ｍ３ ／ ｓ ，液氮 流
波 纹度 、刀 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、
后 奥 氏体 变为 马 氏体使 金属 膨胀 ， 同样 受 到里层
金属 的阻碍 ，使得 表层 产生 残余 压应 力 ，而在里 层产 生 了残 余拉 应力 。 与切 削加 工相 比，磨 削加 工 获得 的工件 表层 残 余应 力状 况更 为复杂 多变 。一 方面 ，磨 粒切 削
时 ，工件表 面就 会 出现 磨 削裂纹 。同样在 磨 削加 工过程 中，表层 金属 因磨 削热 的作 用 ，也有 可能
发生相 变 。 以磨 削淬 火钢 为例 ，磨 削热 导致表 层
可 能产 生 回火 ，当表层 金 属组 织 由马 氏体 转变 为
屈 氏体 或索 氏体 时 ，密度 增大 ，体积 减 小 ，表 层
关键词 ：实时深冷；深冷铣 削；深冷磨削 ：表面完整性 ；表面粗糙度值：残余应力；液氮喷注 中图分 类号 ：Ｔ Ｇ５ ０ １ ． １ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ６ ７ ２ － ４ ８ ０ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ — １ ０ ２ ． ０ ３
在切 削加工 过程 中 ， 被 加工 材料受 到切 般 为切 向切 削力 的 ２ ～３ 倍， 磨粒 对加 工表面 的作 用 引起 冷塑 性变形 ， 产 生残 余压应 力 ；另 一方面 ，磨 削温 度高 ，磨 削
热 量很 大 ，容 易引起 热塑 性变形 ，表 面 出现残 余
工件经切削加工后 ，在工件 内部依然残存着 的 内应 力 即为残余 应 力 。无 论 是残余 拉应 力还 是 残 余压 应力 ，应 力值 的大 小都 会随着 表 层深度 的
机 电技术
２ ０ １ ３ 年８ 月
金属切削工件表 面完整性 的控制研究
邱 玉明 郭 中州 杜文芳 劳学军 钟佳 中
（ 广东轻工职业技术学院，广东 广 州 ５ １ ０ ３ ０ ０ ） 摘 要 ：在常规铣削加 工过程 中，由于刀具切削工件 材料 的变形本质决定 了只能获得 中等加工尺寸精度 ，而且铣 削
加 深而 变化 ，对 工件 表面层 的物理 力学 性能产 生 影 响 。不受 外力 作用 的工件 表 面 ，最外 层 的应 力 状 态与 里层 的应力状 态属 性相 反 ， 彼此保 持平 衡 。 在 切 削过程 中 ，受到 切 削力作用 ，工件 已加工 表
拉应力 。当残余拉应力超过工件材料的强度极限
塑形变形，在工件表层中产生残余应力 ，残余应 力 的表现 形式 为残余 拉应 力和 残余 压应 力 ，残余
拉应 力会 导致 金属表 层扩 张 ，使得 金属 表面 层 中
拉应 力 高度集 中，引发 金属 疲劳 产生 ；而残 余压
件 已加工表 面 层 因温 度 升高而 膨胀 ，里 层温 升幅 度较 小 ，膨胀 幅度 也较 小 。切 削过后 ， 已产 生热 塑性 变形 的表 层与 里层 均要 降温 到相 同的 室温 ，
加 工的已加工表面粗糙度值较大，而磨削加工往往 是作为最终精加工的手段之一，人们希望得 到更小的表面粗糙度 值和 更高的尺寸加工精度 ，就这两种加 工方式而言 ，无论哪一种加 工方 式，都不可避免地会在 工件 已加工表层中产生残 余应
力， 残余拉应力会 引发金属疲劳 ， 而残余压应力的产生可 以提高工件 的抗疲劳强度 。 针对所存在的残余应力 的这一现象， 作 者实验观察发现：若是在对工件进行切 削加工过程中，能采 用液氮实时对工件表面进行冷却处理 ，就能对工件表面质 量 以及表面残余应力实现人为的主动控制 ，从而获得更为理想的工件表面加工质量。
面产 生剧 烈 的塑性变 形 ，使得 工件 表层 金属 体积 膨胀 ，但 受到 里层金 属 的牵制 ，从 而在 表层 产生 残余 压应力 ， 在 里层产 生 了残余 拉应力 【 ２ 。切 削 过程 中 ，表 层材 料 同时 受到切 削热 作用 ，使 得工
切 削热或 高 温相 变 的作 用【 】 】 ，会产 生 不均 匀 的弹
此时 ，表 层收 缩量 大 ，里层 收缩量 小 ，表层 的收
应力会导致金属表层收缩，致使表面上的微观裂
纹 闭合 ，对金 属抗 疲劳 强度 有较 大提 高 。因此 ，
工件 表面 残余 应力对 工 件 已加 工表 面完 整 性会产
生较 大影 响 ，有 必要 开展对 此方 面 的研 究 。
缩受 到里 层 的牵制 ， 因此切 削热作 用使 表层 表现 为残 余拉应 力 ，里层 为残余 压应 力 。 切 削过程 中，