機(jī)械加工表面完整性研究現(xiàn)狀綜述

宋策

摘 要：本文以航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工技術(shù)為切入點(diǎn)，以產(chǎn)品的抗疲勞制造為目標(biāo)，綜述今年廣受關(guān)注的表面完整性技術(shù)概念，通過(guò)簡(jiǎn)介表面完整性加工技術(shù)概念的提出與發(fā)展、內(nèi)涵與組成、幾何、物理和化學(xué)表征、表面完整性控制等幾方面，對(duì)表面完整性做較為基礎(chǔ)的綜述。

關(guān)鍵詞：表面完整性；表面完整性表征；表面完整性控制

1 引言

在不同載荷條件下，零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是不同的。對(duì)于同一材料而言，疲勞強(qiáng)度往往比靜載強(qiáng)度低很多。所以，受循環(huán)載荷的零件將疲勞壽命作為其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。隨著工程中受疲勞載荷的結(jié)構(gòu)越來(lái)越多，對(duì)結(jié)構(gòu)性能要求越來(lái)越高，提高零件的疲勞性能變得尤為重要。當(dāng)零件的加工尺寸及結(jié)構(gòu)形式和材料屬性確定以后，零件的加工表面質(zhì)量變得尤為重要，成為影響其疲勞壽命的關(guān)鍵因素。疲勞壽命對(duì)零件表面狀態(tài)相當(dāng)敏感表面缺陷、表面裂紋、表面組織變化都會(huì)引起疲勞壽命的改變。研究發(fā)現(xiàn)，大部分的疲勞裂紋都萌生于表面，也有部分萌生于零件內(nèi)部夾雜等應(yīng)力集中處。所以，零件的表面質(zhì)量受到很大重視，提高表面質(zhì)量就能提高零件抵抗疲勞裂紋萌生的能力。

2 表面完整性概念的提出與發(fā)展

國(guó)外早在上世紀(jì)就認(rèn)識(shí)到零件服役性能受機(jī)械加工方法和加工條件變化的制約和限制，在零件服役過(guò)程中，其表面的機(jī)械、物理和化學(xué)特征的改變會(huì)很大程度上影響構(gòu)建的疲勞性能。美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室從1948年開始進(jìn)行高強(qiáng)鋁合金2024、鈦合金Ti6Al4V、高強(qiáng)度鋼、高溫合金718等構(gòu)件的機(jī)械加工表面完整性研究，1970年出版的《機(jī)械加工構(gòu)件表面完整性指南》，1972年出版《加工數(shù)據(jù)手冊(cè)》，1980年出版的《加工數(shù)據(jù)手冊(cè)（第三版）》。

在美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室的研究中，提出表面完整性是控制制造工藝方法形成無(wú)損傷或強(qiáng)化構(gòu)件的表面狀態(tài)，是制造過(guò)程中零件表面（層）可能產(chǎn)生的各種改變和其對(duì)零件服役性能影響的描述。他們主要強(qiáng)調(diào)了除表面幾何形貌，紋理特性的改變以外的，包括表面機(jī)械、物理和化學(xué)特征改變對(duì)構(gòu)件疲勞性能具有重要影響。在之后進(jìn)30年，日本、英國(guó)、美國(guó)等知名學(xué)者對(duì)表面完整性也進(jìn)行了研究，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到構(gòu)件已加工表面形貌學(xué)的、機(jī)械的、化學(xué)的、冶金的性能與構(gòu)件使用性能具有重要關(guān)系。前蘇聯(lián)也進(jìn)行了大量的表面完整性研究工作，主要材料為鈦合金和高溫合金，并根據(jù)研究結(jié)果給出了表面粗糙度、冷作硬化和殘余應(yīng)力等引起的疲勞強(qiáng)度變化的相對(duì)百分比。其中表面粗糙度對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響百分比50-60%，冷作硬化為30-40%，殘余應(yīng)力為10%。

我國(guó)主要參考美國(guó)1970年出版的《機(jī)械加工構(gòu)件表面完整性指南》編寫而成《航空制造工程手冊(cè)》的《金屬材料切削加工》分冊(cè)中的“切削加工零件的表面完整性”。

3 表面完整性的內(nèi)涵與組成

機(jī)械加工是零件表面損傷的主要來(lái)源，總會(huì)在零件表面層產(chǎn)生各種各樣的缺陷或者改變，這些缺陷造成的局部高應(yīng)力集中，大大促進(jìn)疲勞裂紋的萌生，是零件疲勞強(qiáng)度急劇降低。機(jī)械加工零件表面完整性的內(nèi)涵是加工過(guò)程中零件表面層的改變。主要包含三個(gè)方面分別是：表面幾何形貌、紋理特征、表面機(jī)械、物理和化學(xué)的改變、表層機(jī)械、物理和化學(xué)的改變。

3.1 表面幾何形貌、紋理特征的改變

機(jī)械加工的目的是加工出滿足一定設(shè)計(jì)要求的形狀，可稱之為“成形”機(jī)械加工?！俺尚巍睓C(jī)械加工表面產(chǎn)生因材料去除而引起的各種加工紋理和刀痕，包含表面幾何形貌圖、表面粗糙度、表面波紋度、構(gòu)件形狀誤差等特征，這些特征是“成形”機(jī)械加工的固有特性。由于“成形”機(jī)械加工的不穩(wěn)定性和不確定性因素較多，而且難以控制，在極端非正常加工條件下，“成形”機(jī)械加工會(huì)導(dǎo)致表面出現(xiàn)各種缺陷，如加工刀痕不連續(xù)、磨削條帶、表面裂紋等。無(wú)論在優(yōu)良加工條件還是在極端非正常加工條件下所加工的零件，在服役動(dòng)載荷作用下，其表面的加工紋理、刀痕不連續(xù)等勢(shì)必會(huì)引起高應(yīng)力集中，加速零件疲勞破壞。

3.2 表面機(jī)械、物理和化學(xué)特征改變

在高強(qiáng)度合金零件的機(jī)械加工過(guò)程中，由于材料高強(qiáng)度、高硬度等特性，在加工過(guò)程中需要極大的剪切力將切削材料從構(gòu)件表面撕離；切削力超過(guò)構(gòu)件材料屈服極限的所產(chǎn)生的高應(yīng)變和高應(yīng)變速率是零件加工斷屑形成的機(jī)制，其作用表現(xiàn)為加工過(guò)程中顯著增強(qiáng)的熱力耦合作用。由于機(jī)械加工過(guò)程具有切削材料從零件表面被刀具撕離的本質(zhì)特性，其加工表面會(huì)產(chǎn)生材料被刀具擠壓、摩擦現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象會(huì)隨著不同的機(jī)械加工方法，如車削、銑削和磨削加工方法，存在很大的區(qū)別，但本質(zhì)上仍然是被切削表面所產(chǎn)生的高應(yīng)變和高應(yīng)變率機(jī)制程度不同，是的表面層晶粒完整性被破壞，引起熱力耦合作用程度不同。因此，機(jī)械加工過(guò)程中在零件表面必然會(huì)產(chǎn)生由于熱力耦合作用引起的表面的機(jī)械、物理和化學(xué)特征的改變，主要包含表面低倍組織、表面顯微硬度、表面殘余應(yīng)力以及表面微觀組織。在這里的表面的含義本質(zhì)上具有層深內(nèi)涵。

3.3 表層機(jī)械、物理和化學(xué)特征改變

已有研究表明，機(jī)械加工熱力耦合作用除了會(huì)在零件表面產(chǎn)生機(jī)械、物理和化學(xué)特征的改變，更為重要的是還在亞表層產(chǎn)生相應(yīng)的改變。這種變化隨著不同材料、不同加工方法等都有所不同。在機(jī)械加工過(guò)程表面材料會(huì)由于擠壓作用向里層金屬材料滲透；靈位，表面發(fā)證金屬材料的撕裂和變形現(xiàn)象，引起熱力耦合作用會(huì)在一定程度上向里層金屬傳遞，導(dǎo)致切削加工零件表層機(jī)械、物理和化學(xué)特征改變，包括吸附氧化層、相變與晶間腐蝕層、塑性應(yīng)變層、顯微硬度場(chǎng)、殘余應(yīng)力場(chǎng)等。

3.4 表面完整性控制的適用對(duì)象

我國(guó)航空制造業(yè)，近年來(lái)在趙振業(yè)院士的帶領(lǐng)下，研究發(fā)展抗疲勞制造技術(shù)。其實(shí)施的基本思路是控制表面完整性。抗疲勞制造技術(shù)的實(shí)施成本高、周期長(zhǎng)，實(shí)施對(duì)象為航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)齒輪、軸承、葉片、輪盤、輪軸等關(guān)鍵基礎(chǔ)零件。

4總結(jié)與展望

隨著表面完整性技術(shù)概念和技術(shù)內(nèi)涵的不斷豐富，從表面完整性出發(fā)的零件抗疲勞制造將會(huì)越來(lái)越多的對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝產(chǎn)生影響。在國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，表面完整性技術(shù)已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用，隨著對(duì)產(chǎn)品使用壽命要求的不斷提升，在國(guó)內(nèi)表面完整性技術(shù)勢(shì)必將成為未來(lái)制造工藝進(jìn)步的重要技術(shù)手段。

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