切削加工表面完整性研究现状（模板）（答辩类论题）

切削加工表面完整性研究现状

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

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匀，即有的部位相变已经完全结束，而有的部位相变尚未开始，从而引起工件各部分的体积变化不均匀，导致残余应力的出现。另外，金属材料在进行材化学热处理、电镀、喷涂等等加工时，同样会因相变而引起体积变化[12]；如钢材进行氮化时，在钢件表面由于形成氮化铁的相变而引起密度变化，从而在钢件表面形成明显的压缩残余应力。

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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：

唐志涛[13]在2008年对航空铝合金残余应力进行了研究，分析了航空铝合金预拉伸板7050一T7451内部残余应力的产生机理，并基于裂纹柔度法测量铝合金厚板内部残余应力的分布规律；采用有限元法计算得到测试试样的裂纹柔度函数,在分析应力计算不确定度来源的基础上，研究裂纹柔度法中插值函数及其阶数的选择对应力计算结果不确定度的影响；计算得到45mm厚铝合金预拉伸板7050一7451内部残余应力分布规律；基于Doene一Hauk法测量铣削加工航空铝合金工件表面残余应力的状态，研究了铣削加工引入的残余应力引起的加工变形规律。

郭培燕[14]则对高速切削加工表面残余应力进行了研究，通过机械制造、热一弹塑性力学和有限元法等多学科的深入交叉，采用理论建模、软件分析和实验研究的方法,从金属切削原理入手，对高速切削加工表面的残余应力进行了深入的理论研究和数值模拟，并提出了残余应力的预测模型；通过有限元软件对切削过程的仿真模拟,研究了已加工表面残余应力的分布规律，以及切削用量、刀具参数对残余应力的影响规律；进行高速铣削实验和残余应力测试实验，研究残余应力的分布规律,并验证了有限元模型的可用性；运用正交回归分析方法,预测了残余应力与影响因素关系的数学模型。

覃孟扬[15]在2012年研究了基于预应力切削的加工表面残余应力控制研究，通过热力耦合理论分析、切削实验和有限元模拟与试验研究相结合的方法，对加工表面残余应力的分布以及控制残余应力的相关工艺进行了研究，在此基础上进一步提出和讨论了残余应力公差概念，作为技术参数来指导工件的加工和检测，并讨论了该概念的可行性。

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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）、刀具参数等因素对加工硬化的影响。

切削条件中切削速度、进给量对加工硬化的影响最为显著，切削速度增加时，塑性变形减小，塑性变形区也缩小，因此，硬化层深度减小。另一方面，切削速度增加时，切削温度升高，弱化过程加快；但切削速度增加，又会使导热时间缩短，因而弱化来不及进行[16]。当切削温度超过Ac3时，表面层组织将产生相变，形成淬火组织，因此，硬化层深度及硬化程度又将增加；硬化层深度先是随切削速度的增加而减小，然后又随切削速度的增加二增大。当进给量较大时，通过增大进给量，能够提高切削力，表面层金属的塑性变形加剧，冷硬程度增加；而当进给量较小时，由于刀具的刃口圆角在加工表面单位长度的挤压次数增多，硬化现象也会相应的增加。另外，采取有效的冷却润滑措施，可使加工硬化层深度减少。

刀具参数也是影响加工硬化的重要因素，袁子洲[17]指出，刀具的前角越大，切削层金属的塑性变形越小，故硬化层深度HV越小。当前角从-60°增大到0°时，表面金属的显微硬度HV从730减至450，硬化层深度从200μm减到50μm。刀刃钝圆半径rβ越大，已加工表面再形成过程中受挤压的程度越大，故已加工硬化层也越大。随着刀具后刀面磨损量VB的增加，后刀面与已加工表面的摩擦随之增大，从而加工硬化层深度增大，刀具厚道面磨损宽度VB由220增大到340。单磨损宽度VB继续增大，摩擦热急剧增大，弱化趋势明显增加，表层金属的显微硬度HV逐渐下降，直至稳定在某一水平。

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4.2 材料特性对工件加工硬化的影响

工件的加工硬化一方面会给进一步加工带来困难，并使工件表层变得脆而硬，从而加速刀具磨损、增大切削力等；另一方面，工件的加工硬化能够提高金属材料的强度、硬度以及耐磨性，特别是对于那些不能以热处理方法提高强度的纯金属和某些合金就显得尤为重要。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。工件材料的塑性越大，强化指数越大，则硬化越严重。对于一般碳素结构钢，碳含量越少，塑性越大，硬化层越严重[18]。高锰钢Mn12的强化指数很大，切削后已加工表面的硬度增高2倍以上，有色合金金属的熔点低，容易弱化，加工硬化比结构钢轻得多，铜件比钢件小30%，铝件比钢件小75%左右。

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。薛文斌使用X射线衍射仪和显微硬度计测定了LY12铝合金微等离子体氧化陶瓷膜沿深度方向的相分布及显微硬度变化曲线；结果表明，铝合金微等离子体氧化陶瓷膜主要由α-Al2O3、γ- Al2O3相组成，从表层到里层，α-Al2O3相含量逐渐增加；膜的显微硬度沿深度方向变化同α-Al2O3含量变化一致，致密层中显微硬度大于HV1500，极值点达到HV2300[19]。盛文斌[20]等在2007年研究了金属型离心铸造TiAl 基合金显微硬度分布规律，利用离心铸造的方法，浇注了目标成分为

Ti-48Al-2Cr-2Nb(at.%)的合金，并对其进行热等静压(HIP)处理(1 270 ℃/173 M Pa /4 h)，研究了样品截面内的显微硬度分布规律，以及热等静压工艺对其显微硬度分布的影响；结果表明，由于金属型离心铸造TiAl 基合金内部往往存在难以消除的微观缩松，铸态样品横截面内的显微硬度分布不存在明显的规律性；HIP工艺明显减小了样品横截面的显微硬度平均值，且呈现出较强的规律性，表现为中心区域附近较高，而边缘区域较低。

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