切削加工表面完整性研究现状(模板)(答辩类论题).doc

大连理工大学网络教育学院毕业论文（设计）模板切削加工表面完整性研究现状 II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 11 切削加工表面完整性研究的发展 21.1 表面完整性的提出及发展 21.2 表面完整性研究意义 22 表面粗糙度研究 43 残余应力研究 63.1 残余应力的生成机理研究 63.2 残余应力影响因素的实验研究 74 加工硬化研究 84.1加工硬化的影响因素研究 84.2 材料特性对工件加工硬化的影响 94.3 显微硬度沿工件深度方向的分布规律研究 95 切削加工白层研究 105.1 白层的形成机制 105.2 白层的影响因素研究 115.2.1 切削参数对白层的影响 115.2.2 工件材料特性对白层的影响 116 变质层研究 136.1 变质层的组织特点 136.2 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11 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32 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[7]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，具体而言主要包括以下几个方面：一是影响耐磨性，表面粗糙度高的工件间有效接触面积较小，压强增大，摩擦阻力也随之增大，从而加快工件磨损[8]；二是影响疲劳强度，表面粗糙度较大的工件对应力集中更为敏感，工件表面的裂纹越多，抗疲劳强度就越低；三是影响耐腐蚀性，表面粗糙的工件更容易渗入腐蚀性气体或液体，耐腐蚀性较差；四是影响密封性，对于密封性要求较高的零部件需要有较低的表面粗糙度，以保证零件表面之间的严密贴合，避免气体或液体的渗漏；五是影响接触刚度，工件表面的波谷与缝隙越多，其接触面积就越小，在外力作用下，结合面解除变形的能力就越差，从而影响到机器的刚度；六是影响测量精度，零件表面及测量工具表面的粗糙度都会直接影响到测量精度；七是影响配合稳定性，对于需要间隙配合的工件，表面粗糙度越高，磨损状况就越差，从而使接触间歇不断增大，而对于过盈配合而言，表面粗糙度则会直接影响到工件间的连接强度目前对切削加工表面粗糙度的研究，主要有三种方法，一是理论建模法，二是设计实验法，三是人工智能法1）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。

早期表面粗糙度的理论模型主要以加工方式作为变量，而将刀具及工件视为刚性集合体，通过分析在不同加工方式下，刀具几何形状和进给量对表面残留面积的影响，来预测工件表面粗糙度近年来随着对切削加工表面粗糙度形成机理研究的进一步深入，道具跳动、进给方式、主轴回转偏心、轴向窜动、加工振动都被引入预测模型中，预测的结果也更加精确2）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，Taguchi分析法以及回归分析法是应用最为方法的实验方法；其中，Taguchi分析法基于矩阵理论的一种实验设计和分析方法，利用正交表安排实验方案，并以误差因素模拟造成预测结果波动的各种干扰，通过对各种实验数据的统计分析，确定对表面质量影响的主要因素与次要因素[9]；回归分析法是进行实验设计分析常用的一种数学方法，其主要思想是建立一个多项式模型，然后通过实验数据求解公式，获得预测模型的回归系数，建立表面粗糙度预测模型3）人工智能法是近年来出现的表面粗糙度预测方法，主要借助人工神经网络、模糊算法、遗传算法、支持向量机等算法来实现表面粗糙度预测；其中，人工神经网络能够通过对样本的学习训练，不断改变网络的连接权值以及拓扑结构，使网络的输出不断接近期望的输出，以建立精确的表面粗糙度预测模型，实现对表面粗糙度的预测[10]；模糊神经网络是通过模糊理论和人工神经网络理论的有机结合来实现的，具体的预测方式可以通过采集切向振动信号，并以主轴转速进给量和切向振动为影响因素，基于模糊网络对车削加工表面粗糙度进行预测。

143 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残余应力的产生定性地分析有三种形成机理1）机械应力引起的塑性变形：这也是这是工件在加工过程中最常出现的残余应力，多由于机械加工中的不均匀塑性变形而产生的工件表面在施加外载时，若工件的一部分区域发生不均匀塑性变形，则在卸载后，该部分就会产生残余应力[11]；同时，由于残余应力必须在整个工件内达到自相平衡，致使工件中不发生塑性变形的那些相关区域也产生了残余应力二、热应力引起的塑性变形：工件在热加工过程中常出现这种残余应力，这种残余应力是由于工件在热加工中的不均匀塑性变形而产生的当工件在加热、冷却过程中由于高温下材料的屈服强度较低，在热的作用下，易于产生塑性变形、并且由于工件的几何形状复杂等等因素，在加热、冷却过程中工件各部分的热传导状态不同，工件的温度场不均匀，致使工件内各部分的弹性模量、热膨胀系数等等各不相同，从而工件内部所产生的塑性变形也是不均匀的。

而这种塑性变形的不均匀性会破坏原有的内部力学结构，从而导致残余应力的出现三、相变引起的体积变化：工件在切削过程中经过热处理会出现因热应力引起的塑性变形，而在冷却时，工件各部分的瞬时冷却程度不均匀，冷却速度也不同，因而各部分的瞬时相变程度不均。