振动切削技术与零件加工表面完整性

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1 引言

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随着科技与生产的发展，高强度钢、高温合金、钛合金等新材料的应用日益增多。这些材料虽然具有良好的使用性能，但大多加工性能差，对其进行切削和磨削加工相当困难。同时，由于用这些材料制成的零件大都在高温、高压、高速、重载和受腐蚀性介质侵蚀的恶劣条件下工作，零件的加工表面质量对其使用性能(疲劳强度、抗腐蚀性、耐磨性等)具有直接和重要的影响。因此在加工这些零件时，不仅要求保证其尺寸精度，而且要求保证其加工表面完整性。生产实践证明，许多因零件破坏造成的事故往往起源于零件的表面缺陷。对断裂零件的金相分析及断口分析表明，无论是动载疲劳断裂还是静载延滞断裂，被加工零件表面状态存在缺陷都是引起断裂的主要原因之一。因此，为了充分发挥新型材料良好的使用性能，研究和解决零件加工表面完整性问题显得尤为重要。 1 ~( Y2 x" @: @" `5 {+ m4 ]1 O

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经过机械加工后表面层完整无损，零件表面层的机械物理性能、金相组织等均能满足使用要求，并确保具有一定的使用寿命。因此，零件的加工表面完整性包含两方面内容：一是与表面构形或表面纹理组织有关的部分，研究零件最外层表面与周围环境间界面的几何形状，包括表面微观几何形状与表面缺陷等表面特征，通常用表面粗糙度来衡量；二是与加工表面层物理力学性能状态有关的部分，研究表面层的特性，如变形强化、残余应力、裂纹等。
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图1 金属零件表面层结构示意图

图1为金属零件在大气中经切削加工后的表面层结构示意图。金属基体材料的上部为塑性变形区，这是零件表面在加工过程中产生弹性变形、塑性变形和晶格扭曲而形成的加工硬化层，该部分硬度较高且存在残余应力，金相组织也发生了较大变化；塑性变形区的上部是热变质区；热变质区的上部为贝氏区，这是加工过程中分子层熔化和表面层流动而形成的冷硬层，该层结晶很细，有利于提高表层耐磨性；在贝氏区上部还有氧化层、吸附气体分子层以及由尘埃、磨屑等形成的污染层。 - M: A( K4 z, L2 D& P4 X

在金属切削加工中，无论采用常规加工还是特种加工，各种材料零件的表面构形或表面纹理组织都具有变化的特点，其表面物理特性也随加工方法、加工条件的不同而不同，而零件表面层的变化对零件的使用性能有很大影响，如表面粗糙度影响零件表面的耐磨性、抗腐蚀性、零件配合性质以及疲劳强度；残余应力(尤其是残余拉应力)易引起裂纹，使零件产生疲劳断裂和应力腐蚀，影响零件的使用寿命。

3 零件加工表面完整性对零件使用性能的影响

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1. 表面粗糙度对零件使用性能的影响 ; t* a! V! }$ `
   表面粗糙度反映已加工表面的微观不平度高度。已加工表面粗糙度按其在加工过程中的形成方向分为纵向和横向粗糙度，一般将沿切削速度方向的粗糙度称为纵向粗糙度，垂直于切削速度方向(沿进给运动方向)的粗糙度称为横向粗糙度。一般纵向粗糙度主要决定于切削过程中产生的积屑瘤、鳞刺、刀具的边界磨损及加工过程中的变形与振动；横向粗糙度的产生除上述原因外，更重要的是受残留面积高度及副刀刃对已加工表面的挤压而产生的材料隆起等因素所支配，一般横向粗糙度比纵向粗糙度大得多。 4 L, ?! X3 M" c2 G, G" y& x$ n0 @' ?
   当两个互相摩擦的零件配合时，由于零件表面粗糙不平，只有零件表面一些凸峰相互接触，而不是全部表面配合接触。由于实际接触面积小，因此单位面积上压力很大。当零件相互摩擦时，表面凸峰很快被压扁压平，产生剧烈磨损，从而影响零件的配合性质。同时，粗糙表面的耐腐蚀性比光滑表面差，因为腐蚀性物质容易聚集在粗糙表面的凹谷里和裂缝处，并逐渐扩大其腐蚀作用。同时，在外力作用下，粗糙表面极易产生应力集中，使零件表面产生显微裂纹，降低零件的疲劳强度。试验表明，在没有冷作硬化层和残余应力的情况下，表面粗糙度越小，零件就越接近基体材料的疲劳强度。
2. 冷作硬化对零件使用性能的影响 ' h7 X% o2 T# m% b5 I2 Q9 p0 ]- x) B& d
   表面冷作硬化通常对常温下工作的零件较为有利，有时能提高其疲劳强度，但对高温下工作的零件则不利。由于零件表面层硬度在高温作用下发生改变，零件表面层会发生残余应力松驰，塑性变形层内的原子扩散迁移率就会增加，从而导致合金元素加速氧化和晶界层软化。此时，冷作硬化层越深、冷作硬化程度越大、温度越高、时间越长，塑性变形层内上述变化过程就越剧烈，进而导致零件沿冷作硬化层晶界形成表面起始裂纹。起始裂纹进一步扩展就会成为疲劳裂纹，从而使零件疲劳强度下降。切削加工后表面层的硬化程度取决于金属在切削过程中强化、弱化和相变作用的综合结果。当切削过程中强烈变形起主导作用时，已加工表面就产生加工硬化；而当切削温度起主导作用时，往往引起工件表层硬度降低和相变。因此，在加工中增大变形和摩擦都将加剧加工硬化现象，而较高的温度、较低的工件材料熔点则会减轻冷作硬化作用。
3. 残余应力对零件使用性能的影响 : h- ]0 S& w$ y1 L# e# F
   残余应力是指在没有外力作用情况下零件内部为保持平衡而存留的应力。残余应力的产生原因，一是在切削过程中由于塑性变形而产生的机械应力；二是由于切削加工中切削温度的变化而产生的热应力；三是由于相变引起体积变化而产生的应力。其中，切削表面层由于塑性变形，表面被拉长，基体的弹性变形易恢复，而表层的塑性变形不能恢复，因此表层受压，基体受拉，在表层产生残余压应力；切削温度的升高导致工件温度升高，但工件表层温度高于基体温度，待工件全部冷却后，表层冷却收缩受到基体的牵制，表面产生残余拉应力。影响残余应力的因素多而复杂，试验表明：凡能减小塑性变形和降低切削温度的因素都能使已加工表面的残余应力减小。 7 Z+ d/ Q' ~ t9 M6 j) Y
   残余应力对零件的使用性能有很大影响。一般说来，如果残余压应力在表面层内足够大且分布合理，会提高零件的疲劳强度；而残余拉应力则会引起裂纹，使零件产生疲劳断裂和应力腐蚀。

4 应用振动切削改善零件加工表面完整性

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综上所述，改善零件加工表面完整性对于改善零件使用性能、延长零件使用寿命十分重要。控制加工表面完整性的方法较多。在普通切削、磨削加工中，可针对不同的加工工艺方法，合理选择刀具材料、刀具几何参数、切削用量和切削液，对零件进行表面处理和表面强化，从而得到要求的加工表面粗糙度和表面质量，改善零件加工表面完整性；此外，利用一些新的切削加工技术，如振动切削、低温切削、激光切削、水力切削等，也可达到提高加工表面质量、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众多方法中，振动切削技术较易实现且应用效果很好。

1. 振动切削原理 * V, c! C3 B% P: m5 T
   振动切削的实质是在切削过程中使刀具或工件产生某种有规律的、可控的振动，使切削速度(或进给量、切削深度)按某种规律变化，从而改善切削状态，提高工件表面质量。振动切削原理如图2 所示。
   

   图2 振动切削原理示意图

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   振动切削通过改变刀具与工件之间的空间—时间存在条件，从而改变切削加工机理，达到降低切削力和切削热、提高加工质量和加工效率的目的。振动切削是一种脉冲切削，切削时间短，瞬时切入切出，切削时工件还来不及振动，刀具即已离开工件。根据动态切削理论和冲量平衡理论，采用振动切削时切削温度低，工件表面质量好。在振动切削过程中，由于刀具周期性地接触和脱离工件，其运动速度的大小和方向不断改变。振动切削引起刀具速度变化和加速度的产生，使加工精度和表面质量明显提高。振动切削的特点使其在改善零件加工表面完整性方面独具优势。
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2. 振动切削改善零件加工表面完整性的优势 ! C# w7 J7 X; x
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   1. 降低切削力和切削温度 & m& s- |. r D1 P3 G
      振动切削时，刀具与工件间相对运动速度的大小和方向均产生周期性变化，被加工材料的弹塑性变形和刀具各接触表面的摩擦系数都较小，且切削力和切削热均以脉冲形式出现，使切削力和切削温度的平均值大幅度下降(切削力仅为普通切削时的1/2～1/10，切屑的平均温度仅40℃左右)，从而改善了切削条件，提高了工件加工质量和刀具使用寿命，减小了切削力引起的变形和切削温度引起的表面热损伤、表面热应力及工件热变形，尤其为需要热处理的零件减小热处理变形及裂纹创造了十分有利的条件，容易实现高精密加工。
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   2. 表面粗糙度小、加工精度高 ( z H, |0 ^. S5 P' R
      振动切削破坏了积屑瘤的产生条件，同时由于切削力小、切削温度低及工件的刚性化效果，使加工表面粗糙度减小、几何精度提高。在振动切削中，虽然刀刃振动，但在刀刃与工件接触并产生切屑的各个瞬间，刀刃所处位置是保持不变的。由于工件与刀具在切削过程中的位置不随时间变化，从而提高了加工精度。
   3. 刀具使用寿命长 9 d0 A a1 d. x8 r: S- Z
      振动切削时，由于切削力小、切削温度低、冷却充分，切屑的折断和排出都比较容易，可明显提高刀具使用寿命。如振动参数选择适当，一般可使刀具寿命延长几倍至几十倍，对难加工材料和难加工工序应用效果更好。用硬质合金刀具对不锈钢进行超声振动切削试验证明，刀具使用寿命比普通切削方式提高20倍。刀具寿命的延长不仅可节约刀具材料，减少辅助时间，降低加工成本，提高生产效率，而且有利于保证加工质量。
   4. 切削液使用效果好
      采用普通切削时，切屑总是压在刀具前刀面上形成一个高温高压区，切削液难以进入切削区，只能在刀具外围起间接冷却作用；采用振动切削时，由于切削为断续形式，当刀具与工件分离时，切削液从周围进入切削区，对刀尖进行充分冷却和润滑。特别在超声振动切削时，由于超声振动形成的空化作用，一方面可使切削液均匀乳化，形成均匀一致的乳化液微粒；另一方面切削液更容易渗入材料的裂纹内，可进一步提高切削液使用效果，改善排屑条件。
   5. 已加工表面的耐磨性、耐腐蚀性提高
      动切削时，刀具按正弦规律振动，在已加工表面形成细小刀痕，类似二次再加工时形成的花格式网状花纹。大量花纹均匀密布在零件工作表面上，使零件工作时易形成较厚油膜，可提高滑动摩擦的耐磨性。振动切削的残余应力很小，加工变质层较浅，只在刃口附近有很小加工变形，工作表面金相组织变化很小，与材料内部金相组织几乎相当，因此提高了工件表面耐腐蚀性。切削试验证明，振动切削工件表面的耐磨性及耐腐蚀性接近于磨削加工表面。

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5 结论

零件的加工表面状态严重影响其使用性能，如表面粗糙度影响零件表面的耐磨性、抗腐蚀性、零件配合性质和疲劳强度；表面层的冷作硬化、残余应力易引起裂纹，使零件产生疲劳断裂和应力腐蚀，影响零件使用寿命。因此，对于加工质量要求高的关键零件，需要采取有效措施改善零件加工表面状态，提高加工表面完整性。

振动切削通过使刀具或工件产生某种有规律的可控振动，可减小或消除切削振动，明显提高零件加工精度和表面质量。振动切削减小甚至消除振动的机理在于超声振动切削的实际切削时间短(小于刀具—工件振动的过渡时间)，即切削时工件来不及振动刀具就已离开工件。振动切削产生脉冲切削力，切削力小，刀刃与工件间的相对位置不随时间变化，切削刃锋利，切屑易于形成，可加工出尺寸精度和形状精度很高的工件。同时因已加工表面变形小，加工变质层浅，残余应力小，表面粗糙度值低，因此振动切削可获得良好、完整的加工表面。振动切削为提高零件加工表面完整性、实现高精密切削提供了行之有效的方法和重要途径。

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