機械加工表面完整性研究現狀綜述

宋策

摘 要：本文以航空發動機機械加工技術為切入點，以產品的抗疲勞制造為目標，綜述今年廣受關注的表面完整性技術概念，通過簡介表面完整性加工技術概念的提出與發展、內涵與組成、幾何、物理和化學表征、表面完整性控制等幾方面，對表面完整性做較為基礎的綜述。

關鍵詞：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，零件的設計準則是不同的。對于同一材料而言，疲勞強度往往比靜載強度低很多。所以，受循環載荷的零件將疲勞壽命作為其設計準則。隨著工程中受疲勞載荷的結構越來越多，對結構性能要求越來越高，提高零件的疲勞性能變得尤為重要。當零件的加工尺寸及結構形式和材料屬性確定以后，零件的加工表面質量變得尤為重要，成為影響其疲勞壽命的關鍵因素。疲勞壽命對零件表面狀態相當敏感表面缺陷、表面裂紋、表面組織變化都會引起疲勞壽命的改變。研究發現，大部分的疲勞裂紋都萌生于表面，也有部分萌生于零件內部夾雜等應力集中處。所以，零件的表面質量受到很大重視，提高表面質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展

國外早在上世紀就認識到零件服役性能受機械加工方法和加工條件變化的制約和限制，在零件服役過程中，其表面的機械、物理和化學特征的改變會很大程度上影響構建的疲勞性能。美國空軍材料實驗室從1948年開始進行高強鋁合金2024、鈦合金Ti6Al4V、高強度鋼、高溫合金718等構件的機械加工表面完整性研究，1970年出版的《機械加工構件表面完整性指南》，1972年出版《加工數據手冊》，1980年出版的《加工數據手冊（第三版）》。

在美國空軍材料實驗室的研究中，提出表面完整性是控制制造工藝方法形成無損傷或強化構件的表面狀態，是制造過程中零件表面（層）可能產生的各種改變和其對零件服役性能影響的描述。他們主要強調了除表面幾何形貌，紋理特性的改變以外的，包括表面機械、物理和化學特征改變對構件疲勞性能具有重要影響。在之后進30年，日本、英國、美國等知名學者對表面完整性也進行了研究，進一步認識到構件已加工表面形貌學的、機械的、化學的、冶金的性能與構件使用性能具有重要關系。前蘇聯也進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，并根據研究結果給出了表面粗糙度、冷作硬化和殘余應力等引起的疲勞強度變化的相對百分比。其中表面粗糙度對疲勞強度的影響百分比50-60%，冷作硬化為30-40%，殘余應力為10%。

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

3 表面完整性的內涵與組成

機械加工是零件表面損傷的主要來源，總會在零件表面層產生各種各樣的缺陷或者改變，這些缺陷造成的局部高應力集中，大大促進疲勞裂紋的萌生，是零件疲勞強度急劇降低。機械加工零件表面完整性的內涵是加工過程中零件表面層的改變。主要包含三個方面分別是：表面幾何形貌、紋理特征、表面機械、物理和化學的改變、表層機械、物理和化學的改變。

3.1 表面幾何形貌、紋理特征的改變

機械加工的目的是加工出滿足一定設計要求的形狀，可稱之為“成形”機械加工。“成形”機械加工表面產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、構件形狀誤差等特征，這些特征是“成形”機械加工的固有特性。由于“成形”機械加工的不穩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”機械加工會導致表面出現各種缺陷，如加工刀痕不連續、磨削條帶、表面裂紋等。無論在優良加工條件還是在極端非正常加工條件下所加工的零件，在服役動載荷作用下，其表面的加工紋理、刀痕不連續等勢必會引起高應力集中，加速零件疲勞破壞。

3.2 表面機械、物理和化學特征改變

在高強度合金零件的機械加工過程中，由于材料高強度、高硬度等特性，在加工過程中需要極大的剪切力將切削材料從構件表面撕離；切削力超過構件材料屈服極限的所產生的高應變和高應變速率是零件加工斷屑形成的機制，其作用表現為加工過程中顯著增強的熱力耦合作用。由于機械加工過程具有切削材料從零件表面被刀具撕離的本質特性，其加工表面會產生材料被刀具擠壓、摩擦現象，而這種現象會隨著不同的機械加工方法，如車削、銑削和磨削加工方法，存在很大的區別，但本質上仍然是被切削表面所產生的高應變和高應變率機制程度不同，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，機械加工過程中在零件表面必然會產生由于熱力耦合作用引起的表面的機械、物理和化學特征的改變，主要包含表面低倍組織、表面顯微硬度、表面殘余應力以及表面微觀組織。在這里的表面的含義本質上具有層深內涵。

3.3 表層機械、物理和化學特征改變

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

3.4 表面完整性控制的適用對象

我國航空制造業，近年來在趙振業院士的帶領下，研究發展抗疲勞制造技術。其實施的基本思路是控制表面完整性。抗疲勞制造技術的實施成本高、周期長，實施對象為航空發動機傳動齒輪、軸承、葉片、輪盤、輪軸等關鍵基礎零件。

4總結與展望

隨著表面完整性技術概念和技術內涵的不斷豐富，從表面完整性出發的零件抗疲勞制造將會越來越多的對產品設計和制造工藝產生影響。在國外航空發動機領域，表面完整性技術已經開始廣泛應用，隨著對產品使用壽命要求的不斷提升，在國內表面完整性技術勢必將成為未來制造工藝進步的重要技術手段。

參考文獻：

[1]何柏林，鄧海鵬.表面完整性研究現狀及發展趨勢[學術期刊].表面技術，44期第9卷

[2]張華. 機械加工表面完整性研究[學術期刊] 工業技術.2015年第30期

[3]張定華、姚倡鋒. 機械加工零件的表面完整性[學術著作]