張華

摘 要：表面完整性是描述、鑒定和控制加工過程在零件表面層內可能產(chǎn)生的各種變化及其對零件使用性能影響的技術。文章著眼于傳統(tǒng)的機械加工方法及其與表面完整性的關系，闡述了提高表面完整性的加工方法及注意事項，以滿足當前的抗疲勞制造要求。

關鍵詞：機械加工；表面；完整性

前言

疲勞準則是航空零部件設計的基本依據(jù)，疲勞性能是航空零件使用可靠性及壽命的決定性因素。在零件結構尺寸和材料性能一定的情況下，機械加工表面質量又是影響零件疲勞壽命的關鍵因素。航空零件斷裂故障的晶相分析或斷口分析表明，無論是動載疲勞斷裂還是靜載延遲斷裂，其主要原因主要是加工表面層狀態(tài)不良。

為保證零件長壽命使用，六十年代中期美國率先提出了切削加工零件表面完整性的概念，將已加工的表面質量稱為表面完整性。隨著航空制造業(yè)的發(fā)展及新興材料使用的增加，表面完整性內容更為豐富，以致傳統(tǒng)工藝切削加工的零件表面完整性的研究工作顯得尤為重要。文章著眼于傳統(tǒng)的機械加工方法及其與表面完整性的關系，闡述了提高表面完整性的加工方法及注意事項，以滿足當前的抗疲勞制造要求。

1 表面完整性概念及機制

1.1 表面完整性概念

表面完整性是描述、鑒定和控制加工過程在零件表面及次表面內可能產(chǎn)生的各種變化及其對零件使用性能影響的技術。從廣義上講，表面完整性包括兩個組成部分：（1）與零件表面紋理有關的部分，稱為外部效應：其中包括表面粗糙度、波紋度、刀紋方向和宏觀缺陷。粗糙度算術平均值Ra是表面紋理構型要素中最主要的表征參數(shù)。（2）與表面冶金層冶金物理特性變化有關的部分，即內部效應：其中包括顯微結構變化：再結晶、晶間腐蝕、熱影響區(qū)、顯微裂紋、硬度變化、殘余應力、材料非同質性和合金貧化等。表面完整性技術把零件制造中的尺寸公差、表面紋理和冶金物理變化綜合協(xié)調考慮，能使零件表面層不受（或少受）損傷甚至有所改善，從而有效地提高零件產(chǎn)品的使用壽命。

1.2 表面完整性的形成機制

零件機械加工表面由多種要素及屬性構成，如表面微觀形貌、晶相結構及力學特性等。零件表面質量的形成與機械加工過程中的三種效應密切相關，即力學效應。熱效應與化學效應?；瘜W機制形成的表面會有化學變化和腐蝕等表面特征；機械、熱機制形成的表面會有殘余應力、堆積、重疊、褶皺、塑形變形等特征，熱機制表面會有晶相轉化和裂紋等特征。零件表面狀態(tài)的形成往往是多種機制共同作用的結果，不同的加工方法中某種機制的參與能量是不同的，不同的能量值決定了某種機制在表面形成過程中的主導或輔助地位。研究表明，高能量的輸入會導致晶相破壞可能性的增加，從而導致表面完整性惡化。由此可見，加工過程中降低能量的輸入，有利于表面完整性的提升，這也為合理選擇加工方法提供了理論依據(jù)。

1.3 表面完整性對零件使用性能的影響

表面紋理、加工硬化和殘余應力等對零件疲勞強度的影響往往是綜合起作用的，其單項效應的影響，在不同條件下有利弊兩重性。晶間腐蝕、有害的金相組織和機械損傷對零件疲勞強度的影響都是有害的，一般都會造成疲勞破壞源，其中機械損傷對高應力的影響尤為突出，會造成嚴重的事故。表面層特性與應力腐蝕的關系比較復雜，因為材料、加工方法、加工能量、承受的應力以及周圍環(huán)境中液體和氣體間的不同組合情況是不確定的，只能針對各種應用的具體情況進行充分試驗，然后再確定評定的程序。

1.4 加工硬化和殘余應力

加工硬化和殘余應力形成原因主要是工件表面的塑形變形、熱應力和組織應力。

工件表面層材料在經(jīng)過第三變形區(qū)時，收到后刀面的擠壓和摩擦拉伸，發(fā)生了塑形變形，使金屬的晶格扭曲而強化，同時金屬在塑形變形后體積增大，但由于內層未變形材料的阻礙，是表層內產(chǎn)生殘余應力。由于熱應力，切削時工件表層在切削溫度的作用下受熱膨脹，切削后表層冷卻快，收縮時收到內層材料的阻礙，使表層內產(chǎn)生殘留拉應力。當切削溫度高于工件材料的相變溫度時，表層材料的組織會發(fā)生相變，不同組織的比容不同，從而形成組織應力。

2 工藝方法與表面完整性

不同的加工方法產(chǎn)生不同的表面紋理構形，表面紋理構形包含了所用加工方法的某些特征。常規(guī)的機械加工一般會在表面層產(chǎn)生加工硬化、殘余應力和由于刀具積屑瘤引起的皺折、撕裂以及刀痕一類的機械損傷；磨削加工會產(chǎn)生燒傷和裂紋；電解和化學加工可能使表面產(chǎn)生晶間腐蝕和選擇性浸蝕。電火花、電子束和激光束加工會使表面形成重熔金屬的沉積層。對于某些淬硬鋼、馬氏體高強鋼、常規(guī)加工和特種加工都可能產(chǎn)生回火馬氏體和過回火馬氏體等有害晶相組織。

2.1 磨削與表面完整性

在零件磨削過程中存在很多影響工件表層特征的參數(shù)。例如：砂輪類型、修整砂輪的方法、砂輪速度、工作臺速度、橫向和向下進給率以及磨削液等。

砂輪的修整過程（主要包括修整深度和修整進給）是影響砂輪的有效形貌的重要因素，也是影響零件表面最終狀態(tài)的重要因素。如果砂輪在磨削前能夠及時得到修整，磨削后的零件表面紋理主要取決于磨削條件，砂輪類型和砂輪修整方法。

2.2 車、鏜削與表面完整性

車削與鏜削后的零件表面粗糙度和尺寸精度受進給速度/刀尖圓弧半徑尺寸、進給率、加工穩(wěn)定性、工件及工裝夾緊狀態(tài)等加工條件的影響。在采用小進給率的精加工過程中，切削刃狀態(tài)與其刀尖圓弧半徑是獲得光滑加工表面的關鍵因素。

2.3 銑削與表面完整性

銑削是多刃切削的典型。多刃回轉刀具的最大特點是難以消除刀齒的徑向跳動，這是由磨刀誤差、刀桿彎曲、刀具與主軸軸線不重合等原因造成的。刀齒徑向跳動造成刀齒負荷不一致、磨損不均勻，也直接影響加工表面粗糙度。斷屑切削會對工件產(chǎn)生沖擊，加工過程中，刀具會經(jīng)受周期性的溫度驟變，產(chǎn)生熱沖擊，刀片在這種情況下，容易產(chǎn)生裂紋和磨損。

3 結束語

隨著航空發(fā)動機的更新?lián)Q代，提高零部件的表面完整性已成為航空發(fā)動機制造領域的熱門話題，近年來國內航空行業(yè)也正在開展表面完整性研究。為適應航空制造業(yè)的發(fā)展需要，應從思想上改變過去那種只限零件外形和表面粗糙度控制機械加工的質量檢驗和片面追求生產(chǎn)效率的觀念，而注重工藝加工過程中嚴格控制表面完整性。