机械加工表面完整性研究现状综述

宋策

摘 要：本文以航空发动机机械加工技术为切入点，以产品的抗疲劳制造为目标，综述今年广受关注的表面完整性技术概念，通过简介表面完整性加工技术概念的提出与发展、内涵与组成、几何、物理和化学表征、表面完整性控制等几方面，对表面完整性做较为基础的综述。

关键词：表面完整性；表面完整性表征；表面完整性控制

1 引言

在不同载荷条件下，零件的设计准则是不同的。对于同一材料而言，疲劳强度往往比静载强度低很多。所以，受循环载荷的零件将疲劳寿命作为其设计准则。随着工程中受疲劳载荷的结构越来越多，对结构性能要求越来越高，提高零件的疲劳性能变得尤为重要。当零件的加工尺寸及结构形式和材料属性确定以后，零件的加工表面质量变得尤为重要，成为影响其疲劳寿命的关键因素。疲劳寿命对零件表面状态相当敏感表面缺陷、表面裂纹、表面组织变化都会引起疲劳寿命的改变。研究发现，大部分的疲劳裂纹都萌生于表面，也有部分萌生于零件内部夹杂等应力集中处。所以，零件的表面质量受到很大重视，提高表面质量就能提高零件抵抗疲劳裂纹萌生的能力。

2 表面完整性概念的提出与发展

国外早在上世纪就认识到零件服役性能受机械加工方法和加工条件变化的制约和限制，在零件服役过程中，其表面的机械、物理和化学特征的改变会很大程度上影响构建的疲劳性能。美国空军材料实验室从1948年开始进行高强铝合金2024、钛合金Ti6Al4V、高强度钢、高温合金718等构件的机械加工表面完整性研究，1970年出版的《机械加工构件表面完整性指南》，1972年出版《加工数据手册》，1980年出版的《加工数据手册（第三版）》。

在美国空军材料实验室的研究中，提出表面完整性是控制制造工艺方法形成无损伤或强化构件的表面状态，是制造過程中零件表面（层）可能产生的各种改变和其对零件服役性能影响的描述。他们主要强调了除表面几何形貌，纹理特性的改变以外的，包括表面机械、物理和化学特征改变对构件疲劳性能具有重要影响。在之后进30年，日本、英国、美国等知名学者对表面完整性也进行了研究，进一步认识到构件已加工表面形貌学的、机械的、化学的、冶金的性能与构件使用性能具有重要关系。前苏联也进行了大量的表面完整性研究工作，主要材料为钛合金和高温合金，并根据研究结果给出了表面粗糙度、冷作硬化和残余应力等引起的疲劳强度变化的相对百分比。其中表面粗糙度对疲劳强度的影响百分比50-60%，冷作硬化为30-40%，残余应力为10%。

我国主要参考美国1970年出版的《机械加工构件表面完整性指南》编写而成《航空制造工程手册》的《金属材料切削加工》分册中的“切削加工零件的表面完整性”。

3 表面完整性的内涵与组成

机械加工是零件表面损伤的主要来源，总会在零件表面层产生各种各样的缺陷或者改变，这些缺陷造成的局部高应力集中，大大促进疲劳裂纹的萌生，是零件疲劳强度急剧降低。机械加工零件表面完整性的内涵是加工过程中零件表面层的改变。主要包含三个方面分别是：表面几何形貌、纹理特征、表面机械、物理和化学的改变、表层机械、物理和化学的改变。

3.1 表面几何形貌、纹理特征的改变

机械加工的目的是加工出满足一定设计要求的形状，可称之为“成形”机械加工。“成形”机械加工表面产生因材料去除而引起的各种加工纹理和刀痕，包含表面几何形貌图、表面粗糙度、表面波纹度、构件形状误差等特征，这些特征是“成形”机械加工的固有特性。由于“成形”机械加工的不稳定性和不确定性因素较多，而且难以控制，在极端非正常加工条件下，“成形”机械加工会导致表面出现各种缺陷，如加工刀痕不连续、磨削条带、表面裂纹等。无论在优良加工条件还是在极端非正常加工条件下所加工的零件，在服役动载荷作用下，其表面的加工纹理、刀痕不连续等势必会引起高应力集中，加速零件疲劳破坏。

3.2 表面机械、物理和化学特征改变

在高强度合金零件的机械加工过程中，由于材料高强度、高硬度等特性，在加工过程中需要极大的剪切力将切削材料从构件表面撕离；切削力超过构件材料屈服极限的所产生的高应变和高应变速率是零件加工断屑形成的机制，其作用表现为加工过程中显著增强的热力耦合作用。由于机械加工过程具有切削材料从零件表面被刀具撕离的本质特性，其加工表面会产生材料被刀具挤压、摩擦现象，而这种现象会随着不同的机械加工方法，如车削、铣削和磨削加工方法，存在很大的区别，但本质上仍然是被切削表面所产生的高应变和高应变率机制程度不同，是的表面层晶粒完整性被破坏，引起热力耦合作用程度不同。因此，机械加工过程中在零件表面必然会产生由于热力耦合作用引起的表面的机械、物理和化学特征的改变，主要包含表面低倍组织、表面显微硬度、表面残余应力以及表面微观组织。在这里的表面的含义本质上具有层深内涵。

3.3 表层机械、物理和化学特征改变

已有研究表明，机械加工热力耦合作用除了会在零件表面产生机械、物理和化学特征的改变，更为重要的是还在亚表层产生相应的改变。这种变化随着不同材料、不同加工方法等都有所不同。在机械加工过程表面材料会由于挤压作用向里层金属材料渗透；灵位，表面发证金属材料的撕裂和变形现象，引起热力耦合作用会在一定程度上向里层金属传递，导致切削加工零件表层机械、物理和化学特征改变，包括吸附氧化层、相变与晶间腐蚀层、塑性应变层、显微硬度场、残余应力场等。

3.4 表面完整性控制的适用对象

我国航空制造业，近年来在赵振业院士的带领下，研究发展抗疲劳制造技术。其实施的基本思路是控制表面完整性。抗疲劳制造技术的实施成本高、周期长，实施对象为航空发动机传动齿轮、轴承、叶片、轮盘、轮轴等关键基础零件。

4总结与展望

随着表面完整性技术概念和技术内涵的不断丰富，从表面完整性出发的零件抗疲劳制造将会越来越多的对产品设计和制造工艺产生影响。在国外航空发动机领域，表面完整性技术已经开始广泛应用，随着对产品使用寿命要求的不断提升，在国内表面完整性技术势必将成为未来制造工艺进步的重要技术手段。

参考文献：

[1]何柏林，邓海鹏.表面完整性研究现状及发展趋势[学术期刊].表面技术，44期第9卷

[2]张华. 机械加工表面完整性研究[学术期刊] 工业技术.2015年第30期

[3]张定华、姚倡锋. 机械加工零件的表面完整性[学术著作]