机械加工表面完整性研究

张华

摘 要：表面完整性是描述、鉴定和控制加工过程在零件表面层内可能产生的各种变化及其对零件使用性能影响的技术。文章着眼于传统的机械加工方法及其与表面完整性的关系，阐述了提高表面完整性的加工方法及注意事项，以满足当前的抗疲劳制造要求。

关键词：机械加工；表面；完整性

前言

疲劳准则是航空零部件设计的基本依据，疲劳性能是航空零件使用可靠性及寿命的决定性因素。在零件结构尺寸和材料性能一定的情况下，机械加工表面质量又是影响零件疲劳寿命的关键因素。航空零件断裂故障的晶相分析或断口分析表明，无论是动载疲劳断裂还是静载延迟断裂，其主要原因主要是加工表面层状态不良。

为保证零件长寿命使用，六十年代中期美国率先提出了切削加工零件表面完整性的概念，将已加工的表面质量称为表面完整性。随着航空制造业的发展及新兴材料使用的增加，表面完整性内容更为丰富，以致传统工艺切削加工的零件表面完整性的研究工作显得尤为重要。文章着眼于传统的机械加工方法及其与表面完整性的关系，阐述了提高表面完整性的加工方法及注意事项，以满足当前的抗疲劳制造要求。

1 表面完整性概念及机制

1.1 表面完整性概念

表面完整性是描述、鉴定和控制加工过程在零件表面及次表面内可能产生的各种变化及其对零件使用性能影响的技术。从广义上讲，表面完整性包括两个组成部分：（1）与零件表面纹理有关的部分，称为外部效应：其中包括表面粗糙度、波纹度、刀纹方向和宏观缺陷。粗糙度算术平均值Ra是表面纹理构型要素中最主要的表征参数。（2）与表面冶金层冶金物理特性变化有关的部分，即内部效应：其中包括显微结构变化：再结晶、晶间腐蚀、热影响区、显微裂纹、硬度变化、残余应力、材料非同质性和合金贫化等。表面完整性技术把零件制造中的尺寸公差、表面纹理和冶金物理变化综合协调考虑，能使零件表面层不受（或少受）损伤甚至有所改善，从而有效地提高零件产品的使用寿命。

1.2 表面完整性的形成机制

零件机械加工表面由多种要素及属性构成，如表面微观形貌、晶相结构及力学特性等。零件表面质量的形成与机械加工过程中的三种效应密切相关，即力学效应。热效应与化学效应。化学机制形成的表面会有化学变化和腐蚀等表面特征；机械、热机制形成的表面会有残余应力、堆积、重叠、褶皱、塑形变形等特征，热机制表面会有晶相转化和裂纹等特征。零件表面状态的形成往往是多种机制共同作用的结果，不同的加工方法中某种机制的参与能量是不同的，不同的能量值决定了某种机制在表面形成过程中的主导或辅助地位。研究表明，高能量的输入会导致晶相破坏可能性的增加，从而导致表面完整性恶化。由此可见，加工过程中降低能量的输入，有利于表面完整性的提升，这也为合理选择加工方法提供了理论依据。

1.3 表面完整性对零件使用性能的影响

表面纹理、加工硬化和残余应力等对零件疲劳强度的影响往往是综合起作用的，其单项效应的影响，在不同条件下有利弊两重性。晶间腐蚀、有害的金相组织和机械损伤对零件疲劳强度的影响都是有害的，一般都会造成疲劳破坏源，其中机械损伤对高应力的影响尤为突出，会造成严重的事故。表面层特性与应力腐蚀的关系比较复杂，因为材料、加工方法、加工能量、承受的应力以及周围环境中液体和气体间的不同组合情况是不确定的，只能针对各种应用的具体情况进行充分试验，然后再确定评定的程序。

1.4 加工硬化和残余应力

加工硬化和残余应力形成原因主要是工件表面的塑形变形、热应力和组织应力。

工件表面层材料在经过第三变形区时，收到后刀面的挤压和摩擦拉伸，发生了塑形变形，使金属的晶格扭曲而强化，同时金属在塑形变形后体积增大，但由于内层未变形材料的阻碍，是表层内产生残余应力。由于热应力，切削时工件表层在切削温度的作用下受热膨胀，切削后表层冷却快，收缩时收到内层材料的阻碍，使表层内产生残留拉应力。当切削温度高于工件材料的相变温度时，表层材料的组织会发生相变，不同组织的比容不同，从而形成组织应力。

2 工艺方法与表面完整性

不同的加工方法产生不同的表面纹理构形，表面纹理构形包含了所用加工方法的某些特征。常规的机械加工一般会在表面层产生加工硬化、残余应力和由于刀具积屑瘤引起的皱折、撕裂以及刀痕一类的机械损伤；磨削加工会产生烧伤和裂纹；电解和化学加工可能使表面产生晶间腐蚀和选择性浸蚀。电火花、电子束和激光束加工会使表面形成重熔金属的沉积层。对于某些淬硬钢、马氏体高强钢、常规加工和特种加工都可能产生回火马氏体和过回火马氏体等有害晶相组织。

2.1 磨削与表面完整性

在零件磨削过程中存在很多影响工件表层特征的参数。例如：砂轮类型、修整砂轮的方法、砂轮速度、工作台速度、横向和向下进给率以及磨削液等。

砂轮的修整过程（主要包括修整深度和修整进给）是影响砂轮的有效形貌的重要因素，也是影响零件表面最终状态的重要因素。如果砂轮在磨削前能够及时得到修整，磨削后的零件表面纹理主要取决于磨削条件，砂轮类型和砂轮修整方法。

2.2 车、镗削与表面完整性

车削与镗削后的零件表面粗糙度和尺寸精度受进给速度/刀尖圆弧半径尺寸、进给率、加工稳定性、工件及工装夹紧状态等加工条件的影响。在采用小进给率的精加工过程中，切削刃状态与其刀尖圆弧半径是获得光滑加工表面的关键因素。

2.3 铣削与表面完整性

铣削是多刃切削的典型。多刃回转刀具的最大特点是难以消除刀齿的径向跳动，这是由磨刀误差、刀杆弯曲、刀具与主轴轴线不重合等原因造成的。刀齿径向跳动造成刀齿负荷不一致、磨损不均匀，也直接影响加工表面粗糙度。断屑切削会对工件产生冲击，加工过程中，刀具会经受周期性的温度骤变，产生热冲击，刀片在这种情况下，容易产生裂纹和磨损。

3 结束语

随着航空发动机的更新换代，提高零部件的表面完整性已成为航空发动机制造领域的热门话题，近年来国内航空行业也正在开展表面完整性研究。为适应航空制造业的发展需要，应从思想上改变过去那种只限零件外形和表面粗糙度控制机械加工的质量检验和片面追求生产效率的观念，而注重工艺加工过程中严格控制表面完整性。