切削加工表面完整性研究现状解析

表面的完整性。

微观结构的完整性在交差部分已经被检验了：在加工表面层大约10m μ下有塑性变形明显的。

在刀刃的2sin method ψ-地方可以观察到更大的压应力。

这是因为刀具的几何特性在那种情况下不是一样的。

并且这个切削实验比起用DIAGER 4牙/40︒螺旋角的刀具加工的产品，有更差的表面粗糙度和更多的振动问题。

另一个问题是在油喷雾的条件下加工在刀刃3n ︒（图19）的地方测量。

如果比起其他情况下受影响的深度更浅，表面残余应力表现为拉应力。

在处理残余应力时，切削温度是一个重要的影响因素，这个影响可以用在润滑状况下的变化来解释。

在有冷却油喷雾济的作用下，比起在水流的作用下，刀具和工件的冷却显得不是太重要，在刀具和工件的接触面上的高温也许会导致残余应力的变化。

因为残余压应力是首要的问题，这些结果对冷却油喷雾的利用或许是有害的，即使是开始的结论中也说明了这些辅助性的润滑济在侧铣TA6V 中提高刀具寿命的优点。

4．3．2 ON Inconel 718(RR)a ） 侧铣对残余应力、力的演变和表面粗糙度的影响应力的测量是在XY 平面中通过对任务2。

1中加工的薄试件测量得到的。

由于铸造材料伸长的细粒结构和为了减少测量的误差，我们作了二次实验以在XY 平面取得一个平均的残余应力值（图20）。

因为残余应力提供了有关航空器件的机械强度和耐疲劳度的重要信息，我们有必要对残余应力做一个评估。

我们知道在循环状态下压应力会抑制加工表面裂纹的扩大，因而对器件的使用寿命来说，压应力比拉应力有利。

图21表明了在薄试件的加工试验中共振和表面合成粗糙度的产生。

图22表明了随侧铣参数的改变切削力的变化。

a ）冷却辅助作用对表面完整性的影响MQL 和冷却液试件服从用X-射线衍射得到的表面残余应力测量结果。

所有的屈服试件展示了各种层次的表面张应力（表2）。

在MQL 的辅助下，对于在刀具的方向有着明显的不规则定位方式，从精加工刀具的试验中，我们可以很清楚的看到发生在试验的开始阶段的拖尾效应，并且随着刀具使用的延长，而变得更坏（图24）。

机械加工零件表面的质量控制措施分析摘要：现代工业的不断发展对机械加工零件提出了更高的要求，而零件表面质量对其整体工程建设也具有很大的影响，所以相关人员需要对其表面质量进行严格控制，综合探究质量控制策略，本文综合探究控制零件表面质量的具体策略。

关键词：机械加工零件；表面；质量控制引言：一般情况下，对于机械加工零件而言，表面完整度会在很大程度内影响零件整体质量，相关人员需要对其进行深入分析，确保能够对其零件表面质量进行有效控制，进而保证能够更为高效的应用机械加工零件，使其发挥更大的价值，为了进一步明确如何有效控制零件表面质量，特此进行本次研究。

一、零件表面完整性对于机械零部件而言，表面完整性对其零件外观完整和使用性能具有很大的影响，如果零部件表面存在残缺，则会使其机械性能变差。

相关人员在具体研究零部件时，需要从金相组织变化，表面损伤和表面粗糙度等方面研究其表面特征，而机械加工工艺会对该类因素造成很大影响，所以相关人员需要对其加工方式和工序顺序进行合理优化，确保在加工中能够有效避免机床刀具损伤零部件表面，对其加工工艺进行科学改进，确保零部件表面具有更高的完整度，使其机械运动和实际组装的具体需求得到高度满足，进而保障机械零部件具有更长的使用寿命。

二、对机械加工零件进行质量控制的具体策略（一）科学改进加工工艺对于机械加工零件而言，制作工艺会在很大程度内影响零件质量，而在现阶段，人为因素是使其机械加工零件质量无法满足应用需求的一个重要原因，为了对其机械加工质量进行有效的保障，加工人员需要确保加工工艺过程具有较高的科学性，确保能够使其零件加工时间得到有效减少，进而使其由于时间问题导致出现的工程延误，得到有效避免。

在对零件进行机械加工之前，需要科学完善准备工作，确保一次性完成，使其重复加工造成的原料损失和误差得到有效减少。

（二）合理优化加工程序在进行机械零件加工时，加工制作技术会对其零件整体质量造成很大的影响，在我国现阶段，具体进行零件机械加工时，无法确保高度满足表面质量标准，同时，人为元素也会在很大程度内影响机械表面质量，导致零件机械加工之后，表面质量很难满足行业标准。

陶瓷材料磨削加工的技术讨论与进呈现状工程陶瓷具有很多优良的性能，比如较高的硬度和强度，很强的耐腐蚀、耐磨损、耐高温本领和良好的化学惰性等，因此在航空航天、化工、军事、机械、电子电器以及精密制造领域的应用日益广泛。

目前各发达国家如德、日、美、英等国特别重视工程陶瓷的开发及应用。

80时代以来，各国竞相投人大量的资金及人力，在工程陶瓷加工理论和技术、产品开发和应用等方面取得了很大的进展。

由于陶瓷材料的高硬度和高脆性，被加工陶瓷元件大多会产生各种类型的表面或亚表面损伤，这会导致陶瓷元件强度的降低，进而限制了大材料去除率的采纳。

对陶瓷高效磨削加工而言，根本目标就是在保持材料表面完整性和尺寸精度的同时获得最大的材料去除率。

目前陶瓷的加工成本己达到整个陶瓷元件成本的80%～90%，高加工成本以及难以测控的加工表面损伤层限制了陶瓷元件更广泛的应用。

陶瓷材料广阔的应用前景和多而杂的加工特性，都要求对陶瓷的磨削加工过程进行全面而深入的了解。

从上世纪90时代开始，国内外学者进行了大量的讨论，在陶瓷磨削的新型方式、陶瓷磨削的材料去除机理、磨削烧伤、磨削表面完整性等的影响因素、不同磨削条件的最佳磨削参数等多方面都取得了积极的讨论成果。

本文重要就陶瓷磨削的讨论现状及进展情形进行了归纳和总结。

1陶瓷材料磨削机理的进展1）磨削机理的讨论由于砂轮的磨粒尺寸、形状和磨粒分布的随机性以及磨削运动规律的多而杂性，给磨削机理的讨论带来了很大的困难。

在陶瓷磨削方面由于陶瓷的高硬度和高脆性，大多数讨论都使用了“压痕断裂力学”模型或“切削加工”模型来貌似处理。

20世纪80时代初，Frank和Lawn 首先建立了钝压痕器、尖锐压痕器和接触滑动三种机理分析讨论模型，提出了应力强度因子公式K=aEP/C2/3，依据脆性断裂力学条件KKC，导出了脆性断裂的临界载荷PBC＝CbK，他又依据材料的屈服条件ssY，导出了塑性变形模式下临界载荷PYYC=s3/g3（或PYYC=H3Y/g3）。

难加工金属材料磨削加工表面完整性研究进展摘要：高温合金、钛合金、不锈钢等难加工金属材料在高端装备制造特别是在国防军工领域应用广泛。

砂轮磨削是难加工金属材料零件的重要加工方式。

然而，磨削过程的力-热强耦合作用对表面完整性影响显著，而表面完整性的优劣对零件服役性能具有直接影响。

本文综述了近年来难加工金属材料磨削加工表面完整性的研究进展，全面总结了表面完整性核心要素（如表面粗糙度、残余应力、显微硬度、微观结构等）的创成机理、影响因素及其作用规律以及预测与控制，并对表面完整性控制技术的发展趋势进行了展望。

关键词：磨削；表面完整性；金属材料高温合金、钛合金、不锈钢等难加工金属材料在国民经济各行各业，尤其是国防军工领域具有极其广泛且重要的应用。

镍基高温合金（如变形高温合金GH4169、铸造高温合金K424 及粉末冶金高温合金FGH96 等）由于优良的抗热疲劳性能、高温强度、耐腐蚀性、抗冲击性以及抗蠕变性能被广泛应用于燃气轮机与航空发动机热端部件以及核反应堆部件等；钛材料（如钛合金TC4、TC6；钛铝金属间化合物Ti2AlNb、γ-TiAl 等）具有密度低、强度高、抗腐蚀性好等优良特性，大量应用于航空发动机叶片、叶轮、叶盘和机匣等重要部件；超高强度钢（如300M）兼顾高强度、高韧性以及优异的耐蚀性能，应用于飞机起落架、核电设施等[1-3]。

目前我国航空航天、国防军工领域正处于攻坚克难的关键时期，发动机各个部件的加工方式在一定程度上决定了我国航空发动机的性能。

然而航空发动机所用的材料多为难加工材料，这些材料由于强度和硬度高、导热系数低等，在加工过程中往往会产生较大的切削力和切削温度，造成加工过程完成后表面完整性难以保证[4-5]。

其中，磨削是难加工材料及其零件的重要加工方式，具有加工表面粗糙度低、加工精度高等优点，尤其是现代磨削技术（如高速磨削、超高速磨削等）的加工效率也大幅提高[6]，改变了粗切精磨的传统加工方式。

Ti-6A1-4V微铣削表面完整性研究许金凯;刘静静;于占江;李一全【摘要】为研究高强金属材料Ti-6A1-4V微铣削加工的表面完整性,利用直径为1mm的四刃微铣刀,分别对Ti-6A1-4V表面进行微沟槽铣削三因素四水平的正交试验和微小平面铣削的单因素试验.通过极差分析得出主轴转速、进给速度、切削深度对表面粗糙度值与残余应力值影响的变化规律及主次顺序,获得了理想的铣削参数组合.结果表明,在高转速、中低进给速度和切削深度的加工条件下表面粗糙度值和残余应力值可以达到比较理想状态.通过单因素试验得出了各个因素对于表面粗糙度值、压痕硬度值以及残余应力值的影响规律.试验结果对于提高高强金属材料Ti-6A1-4V的微铣削表面完整性具有一定的参考意义.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(041)005【总页数】5页(P41-45)【关键词】Ti-6A1-4V;微铣削;表面完整性;工艺优化【作者】许金凯;刘静静;于占江;李一全【作者单位】长春理工大学机电工程学院,长春 130022;长春理工大学机电工程学院,长春 130022;长春理工大学机电工程学院,长春 130022;长春理工大学机电工程学院,长春 130022【正文语种】中文【中图分类】TG54微铣削是指用微型铣刀对微小零部件进行精密铣削的加工技术，微型铣刀的直径通常小于等于1mm[1]。

大量的实践经验表明，微铣削与传统铣削在系统的刚度、切削条件、切削用量等方面差异都很大。

只有通过有效的方式选择适合的加工条件和切削参数，铣削表面的加工精度和表面质量[2-3]才得以保证。

Ti-6A1-4V具有热强度大、比强度高、抗腐蚀能力强、低温性能好以及化学活性大等物理特点，在航空工业、医疗器械以及其他高科技产品制造中发挥重要作用。

Ti-6A1-4V属于典型难加工材料，加工过程中存在切削力大以及刀具易磨损等问题[4-5]，这些因素会对表面质量造成不同程度的不良影响，严重影响零件的使用性能。

I ndustry development行业发展钛合金切削加工研究现状及发展趋势杨 涛摘要：钛合金广泛应用于各个领域，提高其切削性能和降低加工成本，开发出性能更好的新型钛合金是目前钛合金加工的主要研究方向。

钛合金的三种基体组织分别为α合金、(α+β)合金和β合金，我国分别以TA、TC和TB表示，其中TC4钛合金最受青睐。

国内外学者对钛合金进行了大量研究工作，特别是对TC4钛合金进行了深入研究。

关键词：钛合金；切削加工；现状；发展趋势钛合金具有低密度、高韧性和强抗腐蚀性等优点，常被用于制造航空发动机关键零部件，如叶轮和叶片。

优异的物理特性提升了钛合金的服役性能，但同时也增加了加工难度，如刀具寿命短、加工表面质量不可控等问题，使得钛合金成为典型的难加工材料。

钛合金切削过程中产生锯齿形切屑，不仅导致切削力的周期性波动，而且影响加工零件的表面质量。

此外，由热塑性变形引起的表面残余应力对零件的疲劳寿命和服役性能也有显著影响。

因此，准确预测切屑形态和表面残余应力对刀具设计和工艺优化具有重要指导意义。

1 钛合金切削仿真技术研究现状通过建立高速切削三维有限元模型，对切屑的形成过程进行了仿真研究。

研究发现最大应力值出现在第Ⅰ变形区，最大切削温度出现在第Ⅱ变形区。

模型只考虑了模型底部的完全约束，并未考虑夹紧和夹具的定位对加工变形的影响。

另外，建立了变刚度三维仿真模型和热力耦合三维动态铣削模型，误差控制在0.0681mm和0.0255mm内，但为了减小计算量，两种模型均为简化模型。

还建立了高速铣削TC4钛合金的三维全热—力耦合有限元模型，对铣削温度进行了模拟分析结果表明，铣削热只影响被加工表面层的温度，刀具温度随铣削速度和径向切削深度的增加而升高且影响小于切削速度。

在基于TC4钛合金三维铣削有限元仿真模型的基础上，研究发现，切削参数对铣削力的影响程度为轴向切削深度＞刀具速度＞进给速度。

另外，通过建立斜切模型，对最小切削厚度进行了仿真计算，降低了由于切削厚度设置误差导致的最终仿真误差。

网络教育学院本科生毕业论文（设计）题目：切削加工表面完整性研究现状学习中心：层次：专科起点本科专业：机械设计制造及其自动化年级：年季学号：学生：指导教师：完成日期：年月日内容摘要机械加工得到的零件表面完整性特征可分为三类：（1）表面形貌特征：表面缺陷、表面纹理和表面粗糙度等；（2）表面机械性能：残余应力和显微硬度等；（3）金相组织变化：加工变质层、白层、夹杂物等。

本文围绕切削加工后零件表面完整性三类特征指标，系统论述了各自的研究发展历程，重点对表面粗糙度、残余应力、显微硬度、白层及变质层进行了归纳，概括了各自的研究方案、技术手段及研究成果。

关键词：切削加工；表面完整性；研究现状目录内容摘要 (I)前言 (1)1 切削加工表面完整性研究的发展 (2)1.1 表面完整性的提出及发展 (2)1.2 表面完整性研究意义 (2)2 表面粗糙度研究 (3)3 残余应力研究 (4)3.1 残余应力的生成机理研究 (4)3.2 残余应力影响因素的实验研究 (4)4 加工硬化研究 (5)4.1加工硬化的影响因素研究 (5)4.2 材料特性对工件加工硬化的影响 (5)4.3 显微硬度沿工件深度方向的分布规律研究 (5)5 切削加工白层研究 (6)5.1 白层的形成机制 (6)5.2 白层的影响因素研究 (6)5.2.1 切削参数对白层的影响 (6)5.2.2 工件材料特性对白层的影响 (7)6 变质层研究 (8)6.1 变质层的组织特点 (8)6.2 切削参数对变质层的影响 (8)参考文献 (9)前言机械加工得到的零件表面完整性特征可分为三类：（1）表面形貌特征:表面缺陷，表面纹理和表面粗糙度等；（2）表面机械性能：残余应力和显微硬度等；（3）金相组织变化：加工变质层，白层、夹杂物等。

零件的表面完整性影响着零件的后续加工以及最终使用性能，尤其在航空航天领域对关键零件的耐磨性能和耐疲劳性能要求很高。

表面完整性中的残余应力如果是残余压应力可以减小零件表面裂纹的扩展，提高耐疲劳性能，而拉伸残余应力则会加速表面裂纹的扩展，加速了零件的疲劳破坏，且在有应力集中或者有腐蚀性介质存在的工况下，残余拉应力对零件疲劳强度的影响更为突出；加工硬化会降低零件表面的塑形和韧性，对零件的疲劳强度和疲劳寿命不利，但是均匀的加工硬化有利于提高零件的硬度和耐磨性；白层有耐蚀和硬度高的特点，但是其内部常常含有裂纹，脆性大且与基体结合不牢固，容易发生早期剥落脱离；变质层的产生会引起加工表面产生残余应力和微观组织结构的改变，由于其组织均匀性较差且伴有裂纹，容易降低零件的耐磨性和耐疲劳性能。

第36卷第5期2014年9月沈阳工业大学学报Journal of Shenyang University of TechnologyV o l.36No.5Sep.2014收稿日期：2013－12－04．基金项目：国家自然科学基金资助项目（51205096）；中国博士后科学基金资助项目（2013M531056）；黑龙江省博士后基金资助项目（LBH －Z12138）．作者简介：张为（1977－），男，辽宁阜新人，副教授，博士，主要从事高速切削技术、表面质量控制等方面的研究．*本文已于2014－06－1916ʒ54在中国知网优先数字出版．网络出版地址：http ：∥www ．cnki．net /kcms /detail /21．1189．T．20140619．1654．024．html檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏殏殏殏机械工程doi ：10．7688/j．issn．1000－1646．2014．05．08切削加工表面完整性建模现状与发展趋势*张为a ，b ，程晓亮a ，郑敏利a ，张兆星a（哈尔滨理工大学a.机械动力工程学院，b.测控技术与仪器黑龙江省高校重点实验室，哈尔滨150080）摘要：针对切削加工表面完整性建模方法种类繁多且相互关系揭示不明等问题，总结了各表面完整性指标，包括表面形貌、残余应力、加工硬化和相变的主要建模方法，并从各建模方法的应用范围以及主要成果的角度概括了表面完整性建模的研究现状．论述了解析建模与数值建模方法在预测表面完整性各指标时的优缺点及内在联系，重点分析了数值模拟技术在表面完整性建模中的作用．指出了国内外表面完整性研究体系的区别及联系，并对表面完整性建模的发展方向作了展望．关键词：切削加工；表面完整性；表面形貌；残余应力；加工硬化；相变；解析建模；数值建模中图分类号：TH 161.14文献标志码：A文章编号：1000－1646（2014）05－0519－07Status and development trend of surface integrity modelingin metal cuttingZHANG Wei a ，b ，CHENG Xiao-liang a ，ZHENG Min-li a ，ZHANG Zhao-xing a（a．College of Mechanical and Power Engineering ，b．Measurement-control Technology and Instrument Key Laboratory of Universities in Heilongjiang Province ，Harbin University of Science and Technology ，Harbin 150080，China ）Abstract ：In order to solve the problems that the types of surface integrity modeling methods in metal cutting are various and the revelation for the relationship between the methods is not clear ，the main modeling methods for such surface integrity indexes as the surface morphology ，residual stress ，work hardening and phase transformation were summarized．From the view of both application scope and main achievements of each modeling method ，the research status of surface integrity modeling was generalized．The advantages ，disadvantages and their internal relationship of both analytical and numerical modeling methods in predicting each surface integrity index were discussed．In addition ，the effect of numerical simulation technology in the surface integrity modeling was mainly analyzed．The difference and relation in the research systems for the surface integrity at home and abroad were indicated．Moreover ，the development direction of surface integrity modeling was prospected．Key words ：metal cutting ；surface integrity ；surface morphology ；residual stress ；work hardening ；phasetransformation ；analytical modeling ；numerical modeling切削加工的目的是获得精度和表面质量都符合要求的零件［1］．切削加工后零件的表面质量也称表面完整性，主要包括两方面内容：一方面是几何方面的，即表面形貌，通常以表面粗糙度表示；第5期吕丹，等：PE /MMT 纳米复合材料制备及热性能另一方面是材料特征方面的，常称为表面变质层，包括表面层的加工硬化程度、结晶组织变化和残余应力等［1］．表面完整性直接影响到零件的使用性能和寿命，因此，研究已加工表面的形成过程，对切削加工表面完整性进行实施预测和控制，一直是切削加工领域的一个研究重点．切削建模是研究切削加工的重要手段．切削模型可集成到加工工艺规程中以提高生产率和产品质量，对切削过程进行实时控制［2］．表面完整性建模是切削建模的一个主要内容，有效的表面完整性模型能对切削加工表面质量进行预测和控制，对优化工艺参数和提高表面质量意义重大．目前常见的切削建模方法种类繁多，相互间联系密切，在预测表面完整性各指标时又各有侧重．国内外在表面完整性研究体系上有所差异，因此，有必要对这些内容进行系统总结，以促进切削加工表面完整性建模的发展．1表面完整性建模研究现状表面完整性常用建模方法有解析建模、数值建模、实验建模以及将这些方法有机组合的混合建模等．表面完整性主要建模方法的基本原理、主要预测内容、主要成果、优势及局限性对比如表1所示．表1表面完整性主要建模方法对比Tab.1Comparison of surface integrity main modeling methods建模方法基本原理主要预测内容主要成果优势局限性解析方法滑移线理论、能量最小原理或分形学等残余应力、相变与加工硬化及表面粗糙度几何建模残余应力和相变与加工硬化的2D模型、基于分形算法的表面微观形貌模型实用新型刀具的开发，简单情况下变量的快速预测通常仅限于2D分析，只存在一些简单的3D模型数值方法有限元、有限差分、SPH等无网格有限元法残余应力和相变与加工硬化残余应力和相变及加工硬化的2D、部分3D有限元模型能考虑材料本构关系，各过程变量的耦合关系需要输入材料模型，计算限制，例如网格的控制实验方法实验数据的曲线拟合表面形貌（表面粗糙度）表面形貌（表面粗糙度）经验模型快速估算性能参数只适用于实验范围混合方法结合其他方法的优势残余应力和相变与加工硬化残余应力快速准确预测、BP神经网络预测模型提高基本模型的功能和精度功能受所用基础模型的限制2表面形貌建模2.1表面形貌的主要建模方法及特点表面形貌的主要指标是表面粗糙度，即已加工表面的微观几何不平度，包括进给方向和切削方向．此外还有基于分形理论和基于一致结构理论的表面微观形貌表示方法［3］，其中表面粗糙度在很大程度上决定了工件已加工表面的质量［1］．表面粗糙度建模方法主要有几何建模与实验建模．几何建模主要建立考虑几何参数、振动和最小切削厚度等切削因素的几何模型［4－5］．切削加工中，影响已加工表面形成的因素众多且有部分不可控因素，这些因素之间存在着相互耦合关系，这使得表面形貌的建模几乎是一个黑箱问题，因此，从理论上综合研究所有变量对表面粗糙度的影响是十分困难的．实验建模方法是在大量实验数据基础上，基于回归分析原理建立经验模型．在特定的工艺系统中，实验模型能克服几何模型无法考虑复杂过程变量的缺陷，是一种有效的表面形貌预测模型，其缺点主要是需要大量的实验数据．随着计算机软件和硬件技术的发展，神经网络等人工智能方法在预测表面形貌上也有所应用．很多工程表面形貌都不是严格意义下的自相似，而是统计意义下的自相似，统计意义下的自相似意味着一个局部的概率分布与整个表面的概率分布保持自相似性，这就是随机分形［6］．使用分形几何能在所有尺度上对表面形貌特征进行分析、评价和建模，特别是对纳米尺度下的表面微观形貌．有学者用W-M等数学模型模拟分形表面并用所设计的分形算法对其进行分形分析［6］．2.2表面形貌建模的发展状况近几十年不少学者发展了表面形貌的预测模型．在几何建模方面，哈尔滨工业大学王洪祥等建立了圆弧刃车刀金刚石车削表面微观形貌模型，并开发了考虑刀具几何参数、振动和最小切削厚025沈阳工业大学学报第36卷度的仿真程序，在亚微米CNC 超精密机床上的实验表明所建立的模型能预测金刚石车削加工将要获得的表面粗糙度［4］．随着计算机应用技术的发展，学者们建立了考虑复杂切削因素的几何模型，借助CAM 仿真软件或数学仿真软件实现了表面形貌的仿真．Sylvain Lavernhe 等建立了五轴铣削加工中主要考虑刀具倾角、进给速率影响的表面形貌预测几何模型，经大量实验验证偏差基本都在5%以内，其模拟与实测表面形貌轮廓对比如图1所示［7］．图1模拟与测量的表面形貌轮廓对比Fig.1Comparison in simulated and measured surface morphology profiles实验建模方面，山东大学王素玉以高速铣削加工试验数据为依据，利用多元正交回归分析法，建立了平面铣削45#钢和3Cr2Mo 模具钢表面粗糙度经验预测模型，得出了铣削参数对表面粗糙度的直接影响关系［8］；Tugrul O 等基于线性回归和神经网络方法建立了预测表面粗糙度的预测模型，并指出神经网络模型预测效果较好［9］．关于表面形貌建模的分形分析与建模方面，陆涛、曹伟、师汉民等在超精密加工的表面形貌预测中，发展了基于分形特征的表面微观形貌模拟．其分形模拟的表面和用扫描隧道显微镜测量的加工表面微观形貌的对比分析表明：分形维数（FD ）是一个与测量尺度无关的参数，并且其大小反映了表面的粗糙程度，分形维数越大则表面越粗糙（如图2所示，图中N 为尺度数，H 为回归系数的最小二乘估计，r 为自相关系数）．由于分形维数是一统计参数，因而可以用它建立起表面分形模型，用于摩擦磨损的表面建模和分析［6］．目前，三维表面形貌预测模型已用于研究切削参数、刀具夹具磨损和振动等对表面粗糙度、尖点和波纹的形状与高度的影响，为正确的切削策略提供了有效参考；在硬态车削和立铣加工表面粗糙度预测中已考虑了刀具切削刃缺陷对表面粗糙度的影响；在薄壁零件的铣削研究中，所建立的模型能分析工件振动对表面形貌的影响［10－13］．在上述表面形貌建模研究中，实验建模法以多元回归分析为主，一般只适用于实验条件范围内情况，移植到其他工艺系统上会产生很大偏差；分形建模也是一种数学统计方法，不能表达表面形貌形成的物理本质．因此，如何从切削加工的实际物理过程出发，结合切削加工中基本过程变量来进行表面形貌的建模，成为切削加工表面完整性建模的重要研究方向．图2分形维数不同的模拟表面分形分析Fig.2Fractal analysis for simulated surface with different fractal dimensions3残余应力建模3.1残余应力主要建模方法及特点残余应力是零件经加工（或热处理）、消除外力和温度场等作用后，仍留在物体内的平衡内应力，残余应力有类型、大小和方向之分［1］．预测零件加工表面残余应力的主要方法是解析建模与数值建模．解析模型能在较短的时间内得到较为准确的结果．同时，解析模型可以详细准确解释各个参数的影响作用，因此也便于实现工艺参数的优化．然而残余应力是在复杂的工艺和几何变量综合影响下产生的，并且其他重要因素（如前次加工留下的残余应力）也很难在解析模型里考虑．有限元数值模型可以考虑这些影响，有限元模型能考虑复杂的材料本构，并可构造一个亚模型考虑相变与动态再结晶等复杂过程，使其能更深入地准确预测残余应力的分布．因此，尽管数值模型比解析模型花费的时间更多，但仍在残余应力建模中得到广泛应用［14］．为了改进模拟的速度与精度，混合模型得到125第5期张为，等：切削加工表面完整性建模现状与发展趋势了发展．混合模型综合了解析模型和有限元数值模型的优势，能以较低的时间成本较精确预测切削加工中产生的残余应力［15］．3.2残余应力建模的发展状况在过去的二十多年里，已加工表面残余应力的建模得到了极大关注和发展．由于需要考虑一些复杂因素对残余应力的影响，如切削条件、刀具几何参数、冷却条件，还有最近备受关注的微观结构改变和尺寸效应等，国内外相关单位为对此投入了很多研究［14］．在解析建模方面，Wu和Matsumoto用解析模型研究了工件硬度对工件表面残余应力类型的影响［16］；Liang S Y，Su J C建立了正交加工残余应力解析预测模型，通过大量不同工件材料的实验验证模型预测的残余应力与试验测得值吻合很好［17］．在数值建模方面，比较有代表性的有Li J L 等利用二维热-力耦合有限元模型分析高速端面铣削淬硬钢SKD11的残余应力，该模型将三维端面铣削等效简化成二维正交切削，并将二次铣削对残余应力的影响进行了分析［18］；哈尔滨工业大学孙雅洲等基于热-弹塑性有限元理论，建立了切削加工三维有限元分析模型，对切削航空合金材料A1212产生的残余应力进行了预测，并分析了二次切削对残余应力分布的影响［19］；Umbrello D 用有限元方法模拟了切削参数和刃口参数对工件表面残余应力分布的影响规律，并结合神经网络方法对硬态加工表层残余应力进行了预测［20］；Chen等研究指出正确的切屑模拟与温度分布预测是准确预测残余应力状态的关键［21］；Umbrello 等研究表明正确的材料本构模型对残余应力的预测至关重要［22］；Umbrello D等利用有限元软件子程序的扩展功能，将切削时的材料相变耦合进残余应力预测，探讨了微观组织相变对残余应力分布的影响［23］．尽管残余应力建模已取得一些研究成果，残余应力的精确预测仍是个问题．残余应力分布的预测模型即使是采用正交切削模型，也还有很多硬性缺陷［2］．在有限元数值模拟中，模型选用的材料本构关系及其对后期塑性变形、切屑形成、分离和折断的影响会造成模拟结果的失准［14］．由于残余应力本质上是塑性变形、切削温度和相变综合作用的结果，建立考虑这些因素的综合预测模型，将切削应力、切削温度等过程变量的模拟与残余应力的模拟建立准确量化联系，才能得到精确的残余应力预测模型．4相变和加工硬化的建模国内学者认为，结晶组织变化对表面质量的影响主要表现在对残余应力和加工硬质层的影响上，结晶组织变化不作为表面完整性的衡量指标，而由于加工硬化对零件加工后的服役性能和使用寿命影响很大，选取表面层加工硬化作为主要研究对象．国外学者则把加工硬化看做是结晶组织变化的产物，例如在淬硬钢的硬态切削中，往往从相变影响白层形成的角度研究表面完整性，不把加工硬化作为表面完整性的指标，而把相变或结晶组织改变作为表面完整性的内容之一．由于相变与加工硬化的联系紧密，本文将两者的建模方法一起讨论．4.1相变和加工硬化的建模方法及特点随着计算机计算能力和解析模型预测能力的极大进步，出现了预测相变与加工硬化的解析建模方法，然而，解析模型很难全面考虑冶金变化、动态再结晶等由加工引起的薄层材料性质的变化［14］．最近几年，人们更关注预测相变的数值模型的发展，数值模拟技术的材料本构模块能描述复杂的材料属性，使数值模型对相变的预测变得更全面和准确．数值模拟技术也具有开发定制用户子程序的能力，利用这些子程序能扑捉更复杂的现象，比如微观组织改变和动态再结晶等．尽管如此，有学者还是指出了数值模拟的不足：1）需要预设分离面；2）忽略了淬硬材料中切屑分离对材料的重要影响；3）在加工前切屑中单元方向改变了，而基体材料中并未改变；4）需要大量的实验数据、复杂的金相分析和耗时的显微结构系数辨识程序开发，大多数数值模型还没有足够的实例验证，其精度还不能确定［14］．最近提出了结合先进实验方法的实验-有限混合模型［24］，该模型把实验模型的实用性通过有限元代码在数值模型里表现出来，使混合模型在相变与加工硬化的预测方面优越于其他预测模型．4.2相变与加工硬化建模的发展状况4.2.1相变建模的发展状况解析建模方面，Chou和Evans通过假设白层是热驱动相变引起的，用解析方法预测了白层的形成［25］．有限元建模方面，Attanasio A等建立了硬态车削AISI52100钢的有限元模型，研究表明，随着后刀面磨损加剧，白层和暗层厚度增大；而切削速度的增加使白层厚度增加，暗层厚度减小［26］．Schulze等最近提出了一个预测切削225沈阳工业大学学报第36卷42CrMo4钢相变的有限元模型，该模型能预测奥氏体化的进程以及产生马氏体形态所需的温度，如图3所示［27］．该模型还具有模拟主导相变过程的瞬时奥氏体化现象的能力，该模型还能模拟铁素体/珠光体、贝氏体、马氏体的产生．图3马氏体形态特征及转变温度Fig.3Morphological characteristics and transformation temperatures of martensite4.2.2加工硬化建模的发展状况加工硬化是不经热处理而由切削加工产生的硬化现象．表面层的加工硬化可使零件耐磨性提高，但脆性增加，抗冲击性能下降，增加后续加工难度和刀具磨损，因此必须给予重视［1］．国内早期研究中，高维林等建立了考虑金属塑性变形过程中位错增值、螺型位错交滑移和刃型位错攀移过程的5阶段硬化位错解析模型，并利用计算机对理论模型进行了计算，计算结果和实验结果吻合很好［28］；随后杨继昌和刘伟成确定了低速正交金属切削时工件表面层加工硬化深度的预报准则，并利用有限元法模拟已加工表面的形成过程，获得了加工硬化深度的数值解［29］；近年来国内对加工硬化的研究多采用试验方法，华中科技大学王志光等对难加工材料不锈钢0Cr18Ni9设计正交切削试验，从显微硬度和微观结构两方面研究加工硬化现象［30］；最近，张为等针对车削钛合金Ti-6Al-4V 的加工硬化进行了相关研究［31］．国外学者从相变着手进行加工硬化的有限元数值模拟，如Umbrello 等用建立的元素混合法则、材料属性模型和基于硬度的流动应力模型预测了AISI52100钢的白层厚度和加工硬化［32］．随后他们用混合模型方法建立了经验-有限元模型，预测了AISI 52100钢材料加工过程中白层与暗层的形成，如图4［32］所示．图4白层与暗层的形成Fig.4Formation of white and dark layers加工硬化是塑性变形和切削温度影响下的强化、弱化及相变综合作用的结果，因此建立切削力、切削热等过程变量与加工硬化的精确量化关系是未来模拟加工硬化的重要方向．5结论在表面完整性建模研究中，应用有限元技术的数值建模方法可以考虑工件材料复杂本构关系、切削过程中复杂过程变量及其耦合关系，这些优势使其成为表面完整性建模的重要手段．数值建模的基础是基于物理的解析模型，在全面深入理解切削机理基础上，建立更符合切削实际的物理过程解析模型，才能从根本上建立更先进的有限元数值模型，实现表面完整性的准确预测，因此，解析-数值混合建模将成为未来的发展趋势．综上所述，未来表面完整性建模的发展方向是：1）深入研究切削机理，建立准确反映切削物理过程的预测模型；2）发展预测表面完整性的混325第5期张为，等：切削加工表面完整性建模现状与发展趋势合建模方法，尤其是其他建模方法与数值建模方法的混合；3）对表面微观结构建模进行更深入的研究，以及对表面完整性进行宏观、微观、纳观多尺度建模；4）在切削模拟中建立切削应力、切削温度等切削过程变量与表面完整性指标的准确量化关系．参考文献（Ｒeferences）：［1］韩荣第．金属切削原理与刀具［M］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007：91－100．（HANＲong-di．Metal cutting principle and tool［M］．Harbin：Harbin Institute of Technology Press，2007：91－100．）［2］Jawahir I S，Brinksmeier E，SaoubiＲ，et al．Surface integrity in material removal processes：recent ad-vances［J］．CIＲP Annals-Manufacturing Technology，2011，60（2）：603－626．［3］Arizmendi M．Model for surface topography prediction in peripheral milling considering tool vibration［J］．CIＲP Annals Manufacturing Technology，2009，58（1）：93－96．［4］Ｒoques C C，Bodin 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