1 引言

隨著科技與生產(chǎn)的發(fā)展，高強度鋼、高溫合金、鈦合金等新材料的應(yīng)用日益增多。這些材料雖然具有良好的使用性能，但大多加工性能差，對其進行切削和磨削加工相當困難。同時，由于用這些材料制成的零件大都在高溫、高壓、高速、重載和受腐蝕性介質(zhì)侵蝕的惡劣條件下工作，零件的加工表面質(zhì)量對其使用性能(疲勞強度、抗腐蝕性、耐磨性等)具有直接和重要的影響。因此在加工這些零件時，不僅要求保證其尺寸精度，而且要求保證其加工表面完整性。生產(chǎn)實踐證明，許多因零件破壞造成的事故往往起源于零件的表面缺陷。對斷裂零件的金相分析及斷口分析表明，無論是動載疲勞斷裂還是靜載延滯斷裂，被加工零件表面狀態(tài)存在缺陷都是引起斷裂的主要原因之一。因此，為了充分發(fā)揮新型材料良好的使用性能，研究和解決零件加工表面完整性問題顯得尤為重要。

2 零件加工表面完整性的概念

零件的加工表面完整性即要求零件經(jīng)過機械加工后表面層完整無損，零件表面層的機械物理性能、金相組織等均能滿足使用要求，并確保具有一定的使用壽命。因此，零件的加工表面完整性包含兩方面內(nèi)容：一是與表面構(gòu)形或表面紋理組織有關(guān)的部分，研究零件最外層表面與周圍環(huán)境間界面的幾何形狀，包括表面微觀幾何形狀與表面缺陷等表面特征，通常用表面粗糙度來衡量；二是與加工表面層物理力學性能狀態(tài)有關(guān)的部分，研究表面層的特性，如變形強化、殘余應(yīng)力、裂紋等。

圖1 金屬零件表面層結(jié)構(gòu)示意圖

圖1為金屬零件在大氣中經(jīng)切削加工后的表面層結(jié)構(gòu)示意圖。金屬基體材料的上部為塑性變形區(qū)，這是零件表面在加工過程中產(chǎn)生彈性變形、塑性變形和晶格扭曲而形成的加工硬化層，該部分硬度較高且存在殘余應(yīng)力，金相組織也發(fā)生了較大變化；塑性變形區(qū)的上部是熱變質(zhì)區(qū)；熱變質(zhì)區(qū)的上部為貝氏區(qū)，這是加工過程中分子層熔化和表面層流動而形成的冷硬層，該層結(jié)晶很細，有利于提高表層耐磨性；在貝氏區(qū)上部還有氧化層、吸附氣體分子層以及由塵埃、磨屑等形成的污染層。

在金屬切削加工中，無論采用常規(guī)加工還是特種加工，各種材料零件的表面構(gòu)形或表面紋理組織都具有變化的特點，其表面物理特性也隨加工方法、加工條件的不同而不同，而零件表面層的變化對零件的使用性能有很大影響，如表面粗糙度影響零件表面的耐磨性、抗腐蝕性、零件配合性質(zhì)以及疲勞強度；殘余應(yīng)力(尤其是殘余拉應(yīng)力)易引起裂紋，使零件產(chǎn)生疲勞斷裂和應(yīng)力腐蝕，影響零件的使用壽命。

3 零件加工表面完整性對零件使用性能的影響

表面粗糙度對零件使用性能的影響

表面粗糙度反映已加工表面的微觀不平度高度。已加工表面粗糙度按其在加工過程中的形成方向分為縱向和橫向粗糙度，一般將沿切削速度方向的粗糙度稱為縱向粗糙度，垂直于切削速度方向(沿進給運動方向)的粗糙度稱為橫向粗糙度。一般縱向粗糙度主要決定于切削過程中產(chǎn)生的積屑瘤、鱗刺、刀具的邊界磨損及加工過程中的變形與振動；橫向粗糙度的產(chǎn)生除上述原因外，更重要的是受殘留面積高度及副刀刃對已加工表面的擠壓而產(chǎn)生的材料隆起等因素所支配，一般橫向粗糙度比縱向粗糙度大得多。

當兩個互相摩擦的零件配合時，由于零件表面粗糙不平，只有零件表面一些凸峰相互接觸，而不是全部表面配合接觸。由于實際接觸面積小，因此單位面積上壓力很大。當零件相互摩擦時，表面凸峰很快被壓扁壓平，產(chǎn)生劇烈磨損，從而影響零件的配合性質(zhì)。同時，粗糙表面的耐腐蝕性比光滑表面差，因為腐蝕性物質(zhì)容易聚集在粗糙表面的凹谷里和裂縫處，并逐漸擴大其腐蝕作用。同時，在外力作用下，粗糙表面極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使零件表面產(chǎn)生顯微裂紋，降低零件的疲勞強度。試驗表明，在沒有冷作硬化層和殘余應(yīng)力的情況下，表面粗糙度越小，零件就越接近基體材料的疲勞強度。

冷作硬化對零件使用性能的影響

表面冷作硬化通常對常溫下工作的零件較為有利，有時能提高其疲勞強度，但對高溫下工作的零件則不利。由于零件表面層硬度在高溫作用下發(fā)生改變，零件表面層會發(fā)生殘余應(yīng)力松馳，塑性變形層內(nèi)的原子擴散遷移率就會增加，從而導(dǎo)致合金元素加速氧化和晶界層軟化。此時，冷作硬化層越深、冷作硬化程度越大、溫度越高、時間越長，塑性變形層內(nèi)上述變化過程就越劇烈，進而導(dǎo)致零件沿冷作硬化層晶界形成表面起始裂紋。起始裂紋進一步擴展就會成為疲勞裂紋，從而使零件疲勞強度下降。切削加工后表面層的硬化程度取決于金屬在切削過程中強化、弱化和相變作用的綜合結(jié)果。當切削過程中強烈變形起主導(dǎo)作用時，已加工表面就產(chǎn)生加工硬化；而當切削溫度起主導(dǎo)作用時，往往引起工件表層硬度降低和相變。因此，在加工中增大變形和摩擦都將加劇加工硬化現(xiàn)象，而較高的溫度、較低的工件材料熔點則會減輕冷作硬化作用。

殘余應(yīng)力對零件使用性能的影響

殘余應(yīng)力是指在沒有外力作用情況下零件內(nèi)部為保持平衡而存留的應(yīng)力。殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因，一是在切削過程中由于塑性變形而產(chǎn)生的機械應(yīng)力；二是由于切削加工中切削溫度的變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)力；三是由于相變引起體積變化而產(chǎn)生的應(yīng)力。其中，切削表面層由于塑性變形，表面被拉長，基體的彈性變形易恢復(fù)，而表層的塑性變形不能恢復(fù)，因此表層受壓，基體受拉，在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力；切削溫度的升高導(dǎo)致工件溫度升高，但工件表層溫度高于基體溫度，待工件全部冷卻后，表層冷卻收縮受到基體的牽制，表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。影響殘余應(yīng)力的因素多而復(fù)雜，試驗表明：凡能減小塑性變形和降低切削溫度的因素都能使已加工表面的殘余應(yīng)力減小。

殘余應(yīng)力對零件的使用性能有很大影響。一般說來，如果殘余壓應(yīng)力在表面層內(nèi)足夠大且分布合理，會提高零件的疲勞強度；而殘余拉應(yīng)力則會引起裂紋，使零件產(chǎn)生疲勞斷裂和應(yīng)力腐蝕。

4 應(yīng)用振動切削改善零件加工表面完整性

綜上所述，改善零件加工表面完整性對于改善零件使用性能、延長零件使用壽命十分重要。控制加工表面完整性的方法較多。在普通切削、磨削加工中，可針對不同的加工工藝方法，合理選擇刀具材料、刀具幾何參數(shù)、切削用量和切削液，對零件進行表面處理和表面強化，從而得到要求的加工表面粗糙度和表面質(zhì)量，改善零件加工表面完整性；此外，利用一些新的切削加工技術(shù)，如振動切削、低溫切削、激光切削、水力切削等，也可達到提高加工表面質(zhì)量、改善加工表面完整性的目的。

在改善零件加工表面完整性的眾多方法中，振動切削技術(shù)較易實現(xiàn)且應(yīng)用效果很好。

振動切削原理

振動切削的實質(zhì)是在切削過程中使刀具或工件產(chǎn)生某種有規(guī)律的、可控的振動，使切削速度(或進給量、切削深度)按某種規(guī)律變化，從而改善切削狀態(tài)，提高工件表面質(zhì)量。振動切削原理如圖2 所示。

圖2 振動切削原理示意圖

振動切削通過改變刀具與工件之間的空間—時間存在條件，從而改變切削加工機理，達到降低切削力和切削熱、提高加工質(zhì)量和加工效率的目的。振動切削是一種脈沖切削，切削時間短，瞬時切入切出，切削時工件還來不及振動，刀具即已離開工件。根據(jù)動態(tài)切削理論和沖量平衡理論，采用振動切削時切削溫度低，工件表面質(zhì)量好。在振動切削過程中，由于刀具周期性地接觸和脫離工件，其運動速度的大小和方向不斷改變。振動切削引起刀具速度變化和加速度的產(chǎn)生，使加工精度和表面質(zhì)量明顯提高。振動切削的特點使其在改善零件加工表面完整性方面獨具優(yōu)勢。

振動切削改善零件加工表面完整性的優(yōu)勢

降低切削力和切削溫度

振動切削時，刀具與工件間相對運動速度的大小和方向均產(chǎn)生周期性變化，被加工材料的彈塑性變形和刀具各接觸表面的摩擦系數(shù)都較小，且切削力和切削熱均以脈沖形式出現(xiàn)，使切削力和切削溫度的平均值大幅度下降(切削力僅為普通切削時的1/2～1/10，切屑的平均溫度僅40℃左右)，從而改善了切削條件，提高了工件加工質(zhì)量和刀具使用壽命，減小了切削力引起的變形和切削溫度引起的表面熱損傷、表面熱應(yīng)力及工件熱變形，尤其為需要熱處理的零件減小熱處理變形及裂紋創(chuàng)造了十分有利的條件，容易實現(xiàn)高精密加工。

表面粗糙度小、加工精度高

振動切削破壞了積屑瘤的產(chǎn)生條件，同時由于切削力小、切削溫度低及工件的剛性化效果，使加工表面粗糙度減小、幾何精度提高。在振動切削中，雖然刀刃振動，但在刀刃與工件接觸并產(chǎn)生切屑的各個瞬間，刀刃所處位置是保持不變的。由于工件與刀具在切削過程中的位置不隨時間變化，從而提高了加工精度。

刀具使用壽命長

振動切削時，由于切削力小、切削溫度低、冷卻充分，切屑的折斷和排出都比較容易，可明顯提高刀具使用壽命。如振動參數(shù)選擇適當，一般可使刀具壽命延長幾倍至幾十倍，對難加工材料和難加工工序應(yīng)用效果更好。用硬質(zhì)合金刀具對不銹鋼進行超聲振動切削試驗證明，刀具使用壽命比普通切削方式提高20倍。刀具壽命的延長不僅可節(jié)約刀具材料，減少輔助時間，降低加工成本，提高生產(chǎn)效率，而且有利于保證加工質(zhì)量。

切削液使用效果好

采用普通切削時，切屑總是壓在刀具前刀面上形成一個高溫高壓區(qū)，切削液難以進入切削區(qū)，只能在刀具外圍起間接冷卻作用；采用振動切削時，由于切削為斷續(xù)形式，當?shù)毒吲c工件分離時，切削液從周圍進入切削區(qū)，對刀尖進行充分冷卻和潤滑。特別在超聲振動切削時，由于超聲振動形成的空化作用，一方面可使切削液均勻乳化，形成均勻一致的乳化液微粒；另一方面切削液更容易滲入材料的裂紋內(nèi)，可進一步提高切削液使用效果，改善排屑條件。

已加工表面的耐磨性、耐腐蝕性提高

動切削時，刀具按正弦規(guī)律振動，在已加工表面形成細小刀痕，類似二次再加工時形成的花格式網(wǎng)狀花紋。大量花紋均勻密布在零件工作表面上，使零件工作時易形成較厚油膜，可提高滑動摩擦的耐磨性。振動切削的殘余應(yīng)力很小，加工變質(zhì)層較淺，只在刃口附近有很小加工變形，工作表面金相組織變化很小，與材料內(nèi)部金相組織幾乎相當，因此提高了工件表面耐腐蝕性。切削試驗證明，振動切削工件表面的耐磨性及耐腐蝕性接近于磨削加工表面。

5 結(jié)論

零件的加工表面狀態(tài)嚴重影響其使用性能，如表面粗糙度影響零件表面的耐磨性、抗腐蝕性、零件配合性質(zhì)和疲勞強度；表面層的冷作硬化、殘余應(yīng)力易引起裂紋，使零件產(chǎn)生疲勞斷裂和應(yīng)力腐蝕，影響零件使用壽命。因此，對于加工質(zhì)量要求高的關(guān)鍵零件，需要采取有效措施改善零件加工表面狀態(tài)，提高加工表面完整性。

振動切削通過使刀具或工件產(chǎn)生某種有規(guī)律的可控振動，可減小或消除切削振動，明顯提高零件加工精度和表面質(zhì)量。振動切削減小甚至消除振動的機理在于超聲振動切削的實際切削時間短(小于刀具—工件振動的過渡時間)，即切削時工件來不及振動刀具就已離開工件。振動切削產(chǎn)生脈沖切削力，切削力小，刀刃與工件間的相對位置不隨時間變化，切削刃鋒利，切屑易于形成，可加工出尺寸精度和形狀精度很高的工件。同時因已加工表面變形小，加工變質(zhì)層淺，殘余應(yīng)力小，表面粗糙度值低，因此振動切削可獲得良好、完整的加工表面。振動切削為提高零件加工表面完整性、實現(xiàn)高精密切削提供了行之有效的方法和重要途徑。