切削加工表面完整性的理论和方法_陈涛_9787030467430

切削加工表面完整性的理论和方法

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本书是一本关于切削表面完整性理论与方法的专著。全书系统的介绍了切削表面完整性的概念、内涵、研究历程、影响切削表面完整性的因素，阐述了切削表面完整性对零件使用性能的影响。对切削表面形貌的表征与测试技术、切削表层微观结构特征及检测、切削表面残余应力及测试、试验设计方法、切削表面特征的数值分析方法、切削表面完整性的预测与优化进行了系统的阐述，尤其在第6章，结合了目前切削加工中研究的热点、难点问题，通过具体实例，对淬硬钢、钛合金、镍基合金中典型材料进行了详实的分析。全书是在作者多年对切削加工表面完整性研究的相关成果的基础上完成的，对于切削加工表面完整性的研究和通过控制表面完整性而提高零件的使用性能的制造方法具有一定的参考价值。

　　随着科学技术的迅速发展，尤其是航空、航天、装备制造等领域的发展，零件常工作在高温、高压、高速、交变载荷等极端复杂环境下，对零件的抗疲劳、磨损和腐蚀的性能提出了更高要求。这些性能均取决于零件表面层的状态和性能，即表面完整性。改善和提高零件切削表面完整性，对于预防零件失效、延长使用寿命、减少经济损失、提高装备的安全可靠性都非常重要，已引起机械制造界的广泛关注。
　　早在20世纪70年代，国外就开始研究加工表面完整性对零件疲劳性能的影响，提出了不同等级的表面完整性数据组，为后续加工表面完整性理论研究奠定了基础。历经几十年的发展，加工表面完整性技术正推动着机械加工制造向“高性能制造”方向转变，控制零件的表面完整性，使零件的性能满足设计要求，是实现高性能切削的理论基础，也是高品质零件加工制造的实际需要。
　　本书旨在总结过去研究工作的基础上，阐述切削表面完整性的基础理论、技术方法以及应用实践，为科学研究和工业生产提供基本理论与方法。全书共8章，主要内容包括：切削表面完整性总论，切削表面形貌表征和测试，切削表层微观结构特征及检测，切削表面残余应力及测试，切削试验设计与数据分析，难加工材料切削加工表面完整性，切削加工过程的有限元模拟，切削表面完整性的预测优化与评价等。
　　本书系统地阐述了切削表面完整性的表征及分析研究方法。除第1章总论和第6章实例外，其余各章均由两部分组成：第1部分是理论阐述，力求系统性和完备性；第二部分是具体研究方法及应用。本书力求步骤详细，图文并茂，通过理论和应用的结合，使枯燥的内容鲜活生动，易于掌握理解，可操作性强。第6章中，还结合切削加工研究的热点和难点，将表面完整性理论与方法贯穿于淬硬钢和镍基合金等典型难加工材料切削加工表面完整性的分析中，具有较好的实用价值和参考价值。另外，本书还尽量地吸收了当前有关切削表面完整性的新研究内容以及相关的新技术，以体现知识的先进性和及时性。
　　本书的研究工作得到了国家自然科学基金项目（项目编号：51235003，51475125）、国家重大科技专项（项目编号：2012ZX04012021）的资助，特此向支持和关心作者研究工作的单位和个人表示衷心的感谢。哈尔滨理工大学“高效切削及刀具国家地方联合工程实验室”的同事和研究生为本书的撰写做了大量的资料整理及收集工作，在此表示感谢。书中有部分内容参考了有关单位和个人的研究成果，在此一并致谢。
　　由于切削表面完整性涉及的范围广、内容多，加之作者水平有限，书中不妥之处在所难免，恳请广大读者提出宝贵意见。

　《切削加工表面完整性的理论和方法》：
　　1.2 切削表面完整性分析方法
　　切削表面完整性对零件的使用性能具有决定性的影响，零件在服役中所表现的使用性能又体现了切削表面完整性，因此，人们对于表面及其亚表层加工后发生的变化产生了强烈的好奇心，并希望能够对其进行提前的预测，进而对其进行优化，所以人们不断探求各种物理或化学方法，用高分辨率的显微镜、高精密的测试分析技术、数值模拟方法等来预测、优化和测试分析切削表面的完整性，从而定性、定量地分析工艺系统关键因素对切削表面完整性的影响，设计经济、合理的切削加工试验方案，得出对生产实践具有实用性的理论和工艺方案。
　　1.2.1 测试分析方法
　　随着数据处理、图像分析、计算机技术等的飞速发展，越来越多的测试技术被应用于描述和评价切削表面完整性。目前，主要集中在对切削表面形貌、表面及表层残余应力、表层微观结构等的测试分析。
　　切削表面形貌在微观上是由凹凸不平的峰谷组成的，这些峰谷的高低、宽窄程度与零件的使用特性具有直接关系。通过合理的测试方法能正确反映表面形貌，使其以图像和具体数值的形式表现出来，一般来说，表面形貌的测试方法可分为光学测试法和非光学测试法。光学测试方法以非接触式为主，其具有效率高、对被测表面无损伤、易实现在线检测等特点，包括扫描共焦显微测试法、离焦误差测试法、干涉测试法、全积分散射法等，其中扫描共聚焦显微测试法和白光干涉测试法较为常用。非光学测试方法以接触式为主，通过探针和表面之间接触进行测量，包括机械探针测试法和扫描探针测试法：机械探针测试法的探针与被测表面完全接触，且操作简单、技术成熟、应用广泛，但其效率低，易损伤被测表面，触头的状态影响测量的结果；扫描探针测试法的探针与被测表面的距离通常为几纳米或数十纳米，常用扫描探针式测试仪器有扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）。关于表面形貌的二维表征，国内外均有系统完善的评定标准，但由于切削表面形貌的三维特性，应用二维参数不能全面地表征切削表面的形貌信息，因此国内外研究人员在二维表征的基础上开展了对表面形貌的三维表征及其测量技术的研究。目前，表面形貌三维表征参数很多，但还没有统一的国内外评定标准。
　　切削表层残余应力的存在状态将会严重影响材料的物理力学性能，残余拉应力能促使疲劳裂纹的形成与扩展，降低疲劳强度；残余压应力能阻碍裂纹扩展，提高疲劳强度，因此测量分析切削表面及表层残余应力十分重要。残余应力测试技术包括具有一定机械损伤的应力释放测量方法和无损伤的物理测量方法。机械有损测量方法顾名思义就是会对工件造成一定程度的损伤或破坏，但其技术成熟，应用较为广泛，通过机械加工的方法，对被测构件进行部分加工或完全剥离，使被测构件上的残余应力部分释放或完全释放，利用电阻应变计测出残余应力，包括切条法、逐层薄层法、小孔法等，其中盲孔法在工程中应用较为广泛。无损物理测量法不会损伤工件，有X射线衍射法、中子衍射法、电磁法等，其中X射线衍射法在科学研究和工业生产各领域中应用最为广泛。但由于X射线穿透深度较小，只能测量一定层深应力，其垂直于表层方向上的应力分量为零，因此它所测量的是二维应力，并且只有通过对样品逐层剥离，再测量剥离后表层的应力，才能测量材料内部各深度的残余应力，所以研究人员致力于如何测定三维残余应力及其沿层深的分布的研究。
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