劉智博 南月沖 嚴(yán)復(fù)鋼 高海寧

摘要：在銑削過(guò)程中，不合適的銑削條件會(huì)降低零件表面質(zhì)量，甚至使得工件表面出現(xiàn)裂紋、撕裂、鱗刺等加工缺陷。為了更深入地理解和控制銑削工藝已加工表面完整性，本文將銑削表面完墊陸分為表面幾何特征和表面層物理學(xué)性能兩部分來(lái)討論，主要敘述了銑削表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力和表面加工硬化等三方面的最新研究成果。同時(shí)，歸納了目前研究表面完整性所使用的方法、測(cè)試手段、影響表面完整性的相關(guān)因素以及切削條件對(duì)表面完整性的影響規(guī)律。最后對(duì)銑削表面完整性的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，并列舉了改善表面完整性的措施。

關(guān)鍵詞：銑削工藝;表面完整性;表面粗糙度;加工硬化;殘余應(yīng)力

DOI：10.15938/j.jhust.2020.02.006

中圖分類號(hào)：TG156文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-2683（2020）02-0038-12

0引言

相比于其它的加工方式，銑削加工具有生產(chǎn)效率高，加工范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，它特別適合于形狀復(fù)雜的組合體零件的加工，尤其是在各種特形曲面的加工中，有著其它加工方式無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，所以銑削加工在機(jī)械制造行業(yè)占有重要的地位。而在零件銑削加工過(guò)程中，已加工表面有好的表面完整性極其重要，因?yàn)楸砻娴娜毕萃鶗?huì)加速零件的損壞，所以表面完整性是決定零件使用性能優(yōu)劣的重要因素。早在1964年，美國(guó)金屬切削協(xié)會(huì)就提出了表面完整性概念，直至1989年日本學(xué)者Tagazawa K公布了關(guān)于表面完整性的研究成果，到了20世紀(jì)下半葉，許多發(fā)達(dá)國(guó)家的科研人員已經(jīng)開始對(duì)表面完整性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。表面完整性主要包括表面幾何特征和表面層物理學(xué)性能。表面幾何特征可以用表面形貌、表面粗糙度和波紋度表示;表面層物理學(xué)特性主要用加工硬化、金相組織變化和殘余應(yīng)力表示。表面完整性會(huì)影響零件的使用性能，如表面粗糙度會(huì)影響零件的接觸剛度、配合性質(zhì)、耐磨性、抗腐蝕性及疲勞強(qiáng)度等。表面層殘余拉應(yīng)力容易使零件表面產(chǎn)生微裂紋，使其疲勞強(qiáng)度降低;殘余壓應(yīng)力能阻止微裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，提高零件的使用壽命。表面硬化層會(huì)使零件表層硬度增高，同時(shí)也增大了表層的脆性，硬化雖然會(huì)增強(qiáng)零件耐磨性，但是卻降低了抗沖擊的能力，使零件表面容易產(chǎn)生裂紋。

在整個(gè)加工過(guò)程中，影響表面完整性的因素有很多，如圖1所示，它涵蓋了影響表面完整性的基本因素，其中刀具因素、切削參數(shù)、切削過(guò)程、切削工藝和機(jī)床因素等是影響表面完整性的主要因素。本文闡述了諸多因素對(duì)銑削已加工表面完整性的影響，總結(jié)了這些因素對(duì)表面完整性的影響規(guī)律，對(duì)提高表面質(zhì)量有著重要的指導(dǎo)意義。

1 金屬銑削表面幾何特征

表面層幾何特征主要包括表面粗糙度、表面波紋度和表面形貌。表面粗糙度和表面波紋度主要區(qū)別主要是波距L不同，如圖2所示，表面粗糙度是波距L小于1mm的表面微小波紋;表面波紋度是指波距L在1-10mm之間的表面波紋。通常情況下，當(dāng)L/H（波距/波高）<50時(shí)為表面粗糙度，L/H=50～1000時(shí)為表面波紋度。

1.1銑削加工表面粗糙度的研究

表面粗糙度是指已加工表面紋理在1mm以下的微觀幾何形狀誤差，它主要是由刀具的形狀以及切削過(guò)程中塑性變形和振動(dòng)等因素引起的。其值的大小可以綜合地反映切削過(guò)程中系統(tǒng)變量和切削參數(shù)對(duì)加工精度的影響，是衡量零件表面完整性的一個(gè)重要指標(biāo)。在銑削加工中，機(jī)床剛性、切削參數(shù)、銑刀直徑、刀具跳動(dòng)和切削刃數(shù)都會(huì)影響表面粗糙度。

目前研究銑削加工表面粗糙度的方法主要為實(shí)驗(yàn)法，通過(guò)銑削實(shí)驗(yàn)對(duì)工件表面粗糙度進(jìn)行分析。例如G.Mahesh等進(jìn)行了銑削鋁合金6063的銑削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度隨著刀具的徑向前角增大而增大，如圖3所示;隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而減小，如圖4所示。同樣，陳英俊對(duì)Crl8Ni9Ti不銹鋼進(jìn)行了數(shù)控銑削加工實(shí)驗(yàn)時(shí)，也發(fā)現(xiàn)表面粗糙度會(huì)隨銑削速度的增大而減小，但每齒進(jìn)給量、銑削深度和銑削寬度的增大會(huì)使表面粗糙度增大。在銑削過(guò)程中，增大切削速度雖然會(huì)降低表面粗糙度，但針對(duì)不同材料，其影響程度亦不相同。在陳英俊不銹鋼銑削實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)對(duì)表面粗糙度影響最大的是每齒進(jìn)給量，影響最小的是銑削速度。而Wang在銑削AI/SiC/65p鋁基復(fù)合材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)切削參數(shù)中銑削速度對(duì)表面粗糙度的影響最大，進(jìn)給速度影響最小。除了切削參數(shù)之外，表面粗糙度的大小還受到多種外界因素的影響，Henrique等研究端銑曲面硬化鋼時(shí)，發(fā)現(xiàn)徑向力對(duì)表面粗糙度有著直接的影響，如果能夠降低切削過(guò)程中的徑向力，則可以提高表面質(zhì)量。Cui在高速銑削淬硬鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)，較高的切屑溫度使產(chǎn)生材料軟化效應(yīng)，導(dǎo)致切削力降低，從而提高了表面質(zhì)量。而Wang通過(guò)A12014-T6干式銑削和冷卻銑削實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用切削液可以降低銑削工件表面粗糙度。

在上文的研究中可以看出，表面粗糙度是在切削參數(shù)、力、熱、冷卻條件等多種因素的綜合影響下形成的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)去定量分析每種因素對(duì)表面粗糙度的影響，雖然可以得到最為準(zhǔn)確的結(jié)果，但也會(huì)浪費(fèi)巨大的人力物力。為了克服這個(gè)困難，科研人員試圖模擬加工條件，建立各種影響因素和表面粗糙度間的關(guān)系，并提出了諸多表面粗糙度預(yù)測(cè)模型。例如Ibrahem等采用自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)（ANFIS）模型確定了切削參數(shù)、切削力和表面粗糙度之間的關(guān)系，如圖5所示。研究結(jié)果表明，切削深度和進(jìn)給量的增大會(huì)導(dǎo)致切削力增大，隨著切削力的增大，表面粗糙度也呈增大趨勢(shì)，合理提高機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速可以降低表面粗糙度。王明海則利用回歸分析法建立了鈦合金TC11銑削表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，得到了銑削鈦合金TCll的最佳參數(shù)組合，同樣發(fā)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的增大或每齒進(jìn)給量的降低均可減小表面粗糙度。王義強(qiáng)利用人工智能中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了一個(gè)高速銑削模具鋼NAK80表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，該模型可以對(duì)不同主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給速度，切削深度，切削行距，刀具傾角時(shí)工件的表面粗糙度進(jìn)行預(yù)測(cè)。Long則利用預(yù)測(cè)點(diǎn)局部線性估計(jì)法，以主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和銑削深度為輸入量，建立了表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，結(jié)果表明這個(gè)預(yù)測(cè)模型能更加快速地預(yù)測(cè)表面粗糙度。自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)、回歸分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是預(yù)測(cè)銑削表面粗糙度常用的方法，目前通過(guò)這幾種方法建立的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型大多只針對(duì)某一硬度的材料，通用性較差，若材料硬度改變則需要重新建模。因此段爭(zhēng)春利用回歸分析法、最小二乘支持向量機(jī)（LSSVM）和基于粒子群最小二乘支持向量機(jī)（PSO-LSSVM）算法，分別建立了考慮工件硬度的高速銑削表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，結(jié)果表明基于粒子群最小二乘支持向量機(jī)（PSO-LSSVM）算法具有最高的預(yù)測(cè)精度。

前文所述的幾種表面粗糙度預(yù)測(cè)模型僅僅建立了切削參數(shù)與表面粗糙度的關(guān)系，而Shi等對(duì)表面粗糙度研究后認(rèn)為，刀具軸向和徑向的跳動(dòng)誤差對(duì)表面粗糙度的影響比切削參數(shù)大，并建立了端銑過(guò)程表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，該模型考慮了切削參數(shù)、刀齒形狀、刀尖圓弧半徑、刀具固有前角以及刀具徑向跳動(dòng)等多種因素對(duì)表面粗糙度的影響，能夠?qū)Ρ砻娲植诙冗M(jìn)行更為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比如圖6所示。

目前，雖然許多學(xué)者已經(jīng)建立了高精度的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，但大多數(shù)模型仍然是有不足的。在高精度加工中，表面粗糙度顯得更為重要，為獲得更為精準(zhǔn)的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，像刀具變形，切削熱等因素都應(yīng)該被考慮。且目前所建立的表面粗糙度模型大多只針對(duì)某一種材料，通用性差，若把這些模型集中在一個(gè)咨詢系統(tǒng)里，將會(huì)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)影響很大。

1.2 銑削加工表面波紋度的研究

表面波紋度也是評(píng)價(jià)表面完整性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是指表面上波距1-10mm的幾何形狀誤差，它是介于宏觀形狀誤差與微觀表面粗糙度之間的周期性形狀誤差，大小主要由波長(zhǎng)和波高表示，主要是由機(jī)械加工過(guò)程中低頻振動(dòng)引起的，應(yīng)作為工藝缺陷設(shè)法消除。波紋度和粗糙度雖然存在于同一表面上，但兩者的幾何特征不同，表面功能亦不相同，其加工工藝的影響因素也是不同的。

Lin等研究了銑削薄壁葉片過(guò)程中表面波紋度的形成機(jī)制，采用微波分析研究表面輪廓的測(cè)量結(jié)果，其結(jié)果表明在銑削薄壁件過(guò)程中表面波紋度不是由自激振動(dòng)造成的，而是強(qiáng)迫振動(dòng)造成的。Jiang等則對(duì)五軸側(cè)銑表面波紋度的控制方法進(jìn)行了研究，依據(jù)低頻顫振，提出了一個(gè)綜合的控制方法;該方法通過(guò)減小切削力的變化和改善旋轉(zhuǎn)軸不穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)狀態(tài)來(lái)抑制低頻銑削顫振，改善了表面波紋度。王洪勒等對(duì)航空結(jié)構(gòu)件銑削加工表面波紋度進(jìn)行了研究，提出了一種銑削表面波紋度形貌特征的識(shí)別方法，該方法提取到的表面波紋度形貌特征和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本吻合，對(duì)于研究復(fù)雜航空結(jié)構(gòu)件在銑削加工過(guò)程中表面波紋度誤差產(chǎn)生的機(jī)理、結(jié)構(gòu)件的整體設(shè)計(jì)和銑削加工工藝改進(jìn)具有較大的指導(dǎo)價(jià)值。

銑削加工表面波紋度產(chǎn)生的根源是銑削過(guò)程中刀具和工件間產(chǎn)生的不穩(wěn)定的低頻振動(dòng)。要想降低表面波紋度，除選擇合適的切削路徑和切削深度外，降低切削振動(dòng)，提高銑削過(guò)程穩(wěn)定性是關(guān)鍵。目前的研究熱點(diǎn)主要聚焦于通過(guò)控制主軸轉(zhuǎn)速和切削力的變化來(lái)抑制加工過(guò)程中的振動(dòng)，從而達(dá)到降低加工表面波紋度的目的。

1.3 銑削加工表面三維形貌的研究

長(zhǎng)期以來(lái)，表面形貌的表征一直是二維的，但隨著對(duì)表面完整性要求的提高，二維參數(shù)表征已不能滿足工程界的要求，只有利用三維參數(shù)，才能對(duì)零件表面形貌進(jìn)行完整的表述。三維表面參數(shù)通常以S表示，以區(qū)別于二維表面參數(shù)R。目前，已經(jīng)有越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)銑削表面的三維形貌進(jìn)行了研究。

M·B。Mamdi等研究了球頭銑刀傾斜角度和銑削速度對(duì)表面三維形貌的影響，認(rèn)為刀具傾斜角度會(huì)影響有效切削速度，從而影響表面三維形貌參數(shù)中Sa（區(qū)域形貌的算術(shù)平均偏差）和Sq（表面形貌均方根偏差）的值。研究結(jié)果表明，刀具傾角為60°時(shí)表面質(zhì)量最好，如圖7所示。Li等對(duì)In。conel718高溫合金表面形貌研究發(fā)現(xiàn)，增大切削速度，雖然Sa和Sq的值增加，但使得工件表面更加光滑;每齒進(jìn)給量的增加使得表面更加粗糙，表面質(zhì)量惡化，如圖8所示。

Yao研究高速銑削鋁合金7075表面形貌同樣發(fā)現(xiàn)提高切削速度，減小進(jìn)給量可以降低表面粗糙度;銑削深度則對(duì)表面質(zhì)量的影響較小。每齒進(jìn)給量對(duì)表面形貌的影響最為嚴(yán)重，如圖9所示，每齒進(jìn)給量較小時(shí)，表面溝痕窄而且薄;每齒進(jìn)給量較大時(shí)，溝痕變得寬而且厚，一致性很差。Yang等研究刀具磨損對(duì)鈦合金Ti-1023銑削過(guò)程中表面完整性的影響，得到了不同刀具磨損量VB值下工件的表面三維形貌，如圖10所示，發(fā)現(xiàn)VB=0.2mm時(shí)表面粗糙度最小;但VB=0時(shí)表面形貌的振幅更好，這是由于靠近刀尖處切削刃磨損，會(huì)致使表面溝痕增大。

2 金屬銑削表面層物理學(xué)性能

在機(jī)械加工中，工件表層金屬因受到切削力和切削熱的影響，其物理學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化，造成表面層金屬與基體材料的性能有較大差異。主要表現(xiàn)為表面層金屬加工硬化、表面層金屬中產(chǎn)生殘余應(yīng)力和金相組織的變化。

2.1 銑削表面加工硬化的研究

在銑削加工過(guò)程中，由于刀具和工件的作用，使工件上表層材料承受較大的塑性變形，從而導(dǎo)致工件表面硬度升高。加工硬化通常以硬化層深度h_d和硬化程度N表示。h_d是指已加工表面至未硬化處的垂直距離，硬化程度N是已加工表面的顯微硬度值對(duì)原始顯微硬度的百分?jǐn)?shù)。

加工硬化會(huì)導(dǎo)致金屬密度和塑性變形程度成比例地降低，并且導(dǎo)致金屬變形阻力增大，塑性降低，硬度增高，因此對(duì)銑削表面加工硬化展開研究，也是十分必要的。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用實(shí)驗(yàn)法，有限元法和解析法等方法來(lái)研究切削參數(shù)、刀具幾何參數(shù)、刀具磨損以及工件材料等因素對(duì)工件表面加工硬化的影響。

在切削過(guò)程中，切削參數(shù)直接影響刀具和工件的作用程度，從而對(duì)加工硬化產(chǎn)生影響。王素玉等通過(guò)3Cr2Mo模具鋼高速銑削加工實(shí)驗(yàn)，得出了主軸轉(zhuǎn)速與工件表面硬化的關(guān)系，如圖11（a）所示;并采用電子掃描顯微鏡觀察加工后表面形貌，分析了變質(zhì)層的形成機(jī)理，如圖11（b）。結(jié)果表明，表面加工硬化程度隨主軸轉(zhuǎn)速的提高略有下降;表面變形層厚度很小，且深度不均，有微裂紋出現(xiàn)，對(duì)零件的抗疲勞性能是不利的。辛民等通過(guò)高速銑削高強(qiáng)高硬鋼實(shí)驗(yàn)研究了材料表面層金相組織和硬度的變化，發(fā)現(xiàn)切削熱對(duì)表面變質(zhì)層的影響尤為嚴(yán)重，適當(dāng)降低切削速度、增大切削深度和每齒進(jìn)給量，可以減小表面變質(zhì)層的組織化程度及深度。楊文杰等進(jìn)行了3Cr2Mo塑料模具鋼的高速銑削試驗(yàn)，測(cè)量了銑削加工后硬化層硬度沿層深的分布，并用位錯(cuò)理論分析了加工硬化的形成機(jī)理;研究結(jié)果表明隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，表面硬化程度略有下降。Pereira等通過(guò)研究面銑AISll00和AISl4340鋼表面完整性發(fā)現(xiàn)，提高切削速度和進(jìn)給量會(huì)使AI-S14340鋼表面硬度升高;但是對(duì)于AISll00鋼來(lái)說(shuō)，切削參數(shù)的變化對(duì)其表面硬度的影響并不大。Li等研究了銑削參數(shù)對(duì)Ti1023表面硬化的影響，發(fā)現(xiàn)切削速度和每齒進(jìn)給量的增大都能使表面硬化程度減小，但相比于每齒進(jìn)給量，切削速度對(duì)微觀硬度的影響較大。

除了切削參數(shù)外，刀具的磨損程度，刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù)同樣對(duì)加工硬化有嚴(yán)重的影響。周子同等進(jìn)行銑削鈦合金TB6實(shí)驗(yàn)，研究了銑削參數(shù)和刀具磨損對(duì)表面硬化層深度的影響。研究結(jié)果表明，切削速度對(duì)表面加工硬化影響較大，進(jìn)給量和切深影響較小;當(dāng)?shù)毒吣p量VB超過(guò)一定值時(shí)，會(huì)使硬化層深度急劇增加。圖12（a）所示為硬化深度隨刀具磨損的變化規(guī)律，圖12（b）所示為表面微觀組織隨刀具磨損的變化。Li等研究了銑削Inconel718過(guò)程中，不同刀具磨損量VB值對(duì)工件表面和下表面硬化的影響，如圖13所示，發(fā)現(xiàn)工件表面下約5um處硬化程度最小。Carl等在對(duì)比了順銑和逆銑Ti6A14V過(guò)程中，刀具刃口半徑對(duì)工件表面加工硬化的影響。發(fā)現(xiàn)，逆銑過(guò)程中刀具刃口半徑的增大使工件表面硬化程度略有增大;順銑過(guò)程中，刀具刃口半徑對(duì)工件加工硬化沒(méi)有明顯的影響。

目前，也有少部分學(xué)者利用有限元法對(duì)切削過(guò)程中硬化進(jìn)行研究，但有限元法不能直接對(duì)加工硬化進(jìn)行仿真，大多數(shù)學(xué)者只能利用有限元法得出切削過(guò)程中工件表面的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度分布，以此估算加工硬化程度。例如Wang等通過(guò)高速銑削H13工具鋼實(shí)驗(yàn)研究了切削條件對(duì)加工硬化和微觀結(jié)構(gòu)的影響，并建立了ABAQUS有限元模型分析了不同切削速度和每齒進(jìn)給量下溫度在加工表面的分布規(guī)律。研究結(jié)果表明，機(jī)械載荷引起的嚴(yán)重的塑性變形是導(dǎo)致加工硬化的主要原因，隨著切削速度和每齒進(jìn)給量的增加表面硬化程度會(huì)減小。Lu等針對(duì)鎳基高溫合金微細(xì)銑削過(guò)程中加工硬化問(wèn)題，建立了ABAQUS有限元仿真模型，輸出In-conel718的微銑削槽表面的等效塑性應(yīng)變，利用等效塑性應(yīng)變和硬度之間的關(guān)系來(lái)對(duì)表面硬化程度進(jìn)行預(yù)測(cè)。從仿真結(jié)果得出，隨著每齒進(jìn)給量的增加等效塑性應(yīng)變先下降再上升再緩慢下降，在每齒進(jìn)給量0.7um/z時(shí)達(dá)到最小值。Wang等通過(guò)高速銑削Ti6A14V實(shí)驗(yàn)以及建立Abaqus有限元模型，研究了銑削過(guò)程中切屑和表面形成過(guò)程中表面晶粒尺寸和硬度的變化，在v=100m/min時(shí)，實(shí)驗(yàn)和仿真的結(jié)果如圖14所示，結(jié)果表明，切削速度的增大可以減小品粒尺寸和表面硬度。

綜上所述，對(duì)銑削表面加工硬化的研究，主要集中于對(duì)銑削加工硬化形成機(jī)理的研究，以及切削參數(shù)和刀具參數(shù)對(duì)加工硬化的影響。刀具的刃口半徑以及后刀面磨損量VB的大小對(duì)加工硬化的影響很大。切削用量中，提高主軸轉(zhuǎn)速，合理增大切削速度，能使表面加工硬化程度降低。每齒進(jìn)給量同樣對(duì)加工硬化有著重要影響，可以通過(guò)適當(dāng)增大進(jìn)給量來(lái)減小加工硬化。

2.2 銑削表面殘余應(yīng)力的研究

在銑削過(guò)程中由于機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的共同作用，會(huì)在已加工表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在切削過(guò)程中刀尖對(duì)工件表面的拉扯，產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力;而后刀面與工件表面的擠壓和摩擦?xí)斐蓺堄鄩簯?yīng)力;切削過(guò)程中產(chǎn)生的熱使工件表面膨脹又會(huì)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。工件表面殘余應(yīng)力是由這幾種因素交疊形成的。表面殘余應(yīng)力的存在對(duì)零件的性能有著嚴(yán)重的影響，例如在零件銑削過(guò)程中，殘余應(yīng)力會(huì)不斷產(chǎn)生并且會(huì)重新分布;在加工完成后，零件表面的殘余應(yīng)力也在很緩慢的釋放，可能導(dǎo)致零件變形而影響零件精度。所以，對(duì)殘余應(yīng)力的研究一直是科學(xué)研究的熱點(diǎn)。在銑削過(guò)程中，切削參數(shù)、刀具參數(shù)以及工件材料都會(huì)影響表面殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，且在不同切削條件下，每種因素影響的程度也不相同。目前，研究殘余應(yīng)力的主要方法主要有三種：實(shí)驗(yàn)法、解析法和有限元法。實(shí)驗(yàn)法是研究殘余應(yīng)力的主要方法，而有限元法則可以極大程度的節(jié)約成本，提高效率，所以應(yīng)用也變得越來(lái)越廣泛。

在實(shí)際加工過(guò)程中，切削參數(shù)和刀具結(jié)構(gòu)是影響殘余應(yīng)力的兩個(gè)重要因素。切削參數(shù)方面，李峰等進(jìn)行了GH4169高速銑削實(shí)驗(yàn)，研究了切削參數(shù)對(duì)工件表面殘余應(yīng)力和切削深度方向殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在銑削過(guò)程中減小切削深度和每齒進(jìn)給量以及增大切削速度，可以降低表面殘余拉應(yīng)力。Yao等研究了高速銑削TB6過(guò)程中切削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)在切削參數(shù)中對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響最大的是切削速度，殘余壓應(yīng)力會(huì)伴隨著切削速度的增大而增大。徐偉峰等為了探究銑削高溫理想結(jié)構(gòu)材料TiAI合金時(shí)的表面殘余應(yīng)力特性，對(duì)各種加工參數(shù)對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響程度進(jìn)行了研究，建立了殘余應(yīng)力的各因素靈敏度數(shù)學(xué)模型，繪制了殘余應(yīng)力靈敏度曲線，如圖15所示，從圖中可以看出殘余應(yīng)力對(duì)銑削速度變化最敏感，對(duì)每齒進(jìn)給量、銑削深度和銑削寬度的敏感程度近似相同。Su開發(fā)了銑削過(guò)程中殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)模型，以銑削過(guò)程中的加工條件，例如，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削深度、工件材料和刀具參數(shù)等為輸入量，首先預(yù)測(cè)切削力和切削溫度，然后用得出的結(jié)果輸入熱機(jī)械預(yù)測(cè)模型，最后形成表面殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果。該模型準(zhǔn)確地對(duì)殘余應(yīng)力趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，但預(yù)測(cè)值比實(shí)驗(yàn)獲得的測(cè)量值大。

刀具結(jié)構(gòu)方面，Carl等對(duì)Ti6A14V銑削過(guò)程刀具刃口半徑對(duì)表面完整性的影響進(jìn)行了研究，分析了刀具刃口半徑對(duì)殘余應(yīng)力、表面粗糙度、表面層硬化以及毛刺的影響規(guī)律。在殘余應(yīng)力方面他們發(fā)現(xiàn)，在逆銑過(guò)程中，隨著刀具刃口半徑的增大殘余壓應(yīng)力也增大;在順銑過(guò)程中則沒(méi)有發(fā)現(xiàn)統(tǒng)一的規(guī)律，如圖16所示，他們認(rèn)為，這種不同是由加工運(yùn)動(dòng)學(xué)和切削溫度引起的。Liu等研究了不同幾何參數(shù)的硬質(zhì)合金刀具對(duì)干式切削鈦合金TB6表面殘余應(yīng)力的影響，得到了變螺旋銑刀、變螺距銑刀和標(biāo)準(zhǔn)銑刀三種端銑刀對(duì)鈦合金TB6表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。他們發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力的性質(zhì)主要由切削狀態(tài)、刀具幾何參數(shù)和刀具磨損程度決定，切削熱更可能引起殘余拉應(yīng)力;銑刀螺距的變化改變了切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響，銑刀螺旋的變化改變了進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力的影響。Jiang認(rèn)為在高速銑削中未變形切屑厚度對(duì)殘余應(yīng)力有嚴(yán)重影響。研究結(jié)果表明，未變形切屑厚度對(duì)銑削過(guò)程中切削力和切削熱有直接影響，而切削力和切削熱又決定了殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，小進(jìn)給量下，徑向和切向殘余應(yīng)力值都與未變形切屑厚度呈線性比例，大進(jìn)給量下，只有切向殘余應(yīng)力與未變形切屑厚度呈線性比例。之后他們還研究了銑削鋁合金薄壁件過(guò)程中刀具直徑對(duì)零件變形和殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)銑刀的參數(shù)同樣對(duì)殘余應(yīng)力有著重要影響，刀具的直徑增大，能減小表面殘余拉應(yīng)力，他們分別用6mm和12mm直徑銑刀進(jìn)行薄壁件銑削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)12mm銑刀能極大減小零件變形，使加工表面和次表面殘余應(yīng)力分布更加均勻。

以上通過(guò)實(shí)驗(yàn)法對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行研究，一般需要對(duì)工件用選定的加工參數(shù)加工完成后，再進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量，從而研究殘余應(yīng)力的一些性質(zhì)。而零件的加工過(guò)程比較繁瑣，殘余應(yīng)力檢測(cè)的價(jià)格昂貴，且誤差較大，所以目前也有越來(lái)越多的學(xué)者開始利用有限元法對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行研究。盧曉紅利用ABAQUS軟件建立了微銑削Inconel718三維仿真模型，得到相同單元在進(jìn)給方向和垂直進(jìn)給方向的殘余應(yīng)力值，發(fā)現(xiàn)在主軸轉(zhuǎn)速為6000r/min，切深30um，每齒進(jìn)給量1.1um/z時(shí)，在兩個(gè)方向的殘余應(yīng)力都達(dá)到最小。Wu等利用ABAQUS建立了鈦合金Ti6A14V的銑削過(guò)程有限元仿真模型，得到了不同切削時(shí)刻切屑的變形和應(yīng)力分布情況，從仿真結(jié)果中可以觀測(cè)切屑主剪切帶，結(jié)果表明，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在主剪切帶處，大約為1925GPa。

綜上所述，影響銑削表面殘余應(yīng)力因素是多方面的，大多數(shù)學(xué)者是研究切削參數(shù)以及刀具幾何參數(shù)對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響，目前也有越來(lái)越多的學(xué)者熱衷于用有限元技術(shù)去研究表面殘余應(yīng)力，以便研究獲取不同切削時(shí)刻表面殘余應(yīng)力的分布情況。在切削參數(shù)方面，不同的材料，加工參數(shù)對(duì)其影響程度也不同。一般情況下，銑削速度對(duì)表面殘余應(yīng)力影響較為嚴(yán)重，增大切削速度可以降低殘余拉應(yīng)力，提高殘余壓應(yīng)力。刀具幾何參數(shù)方面，增大刀具刃口半徑可以使表面殘余壓應(yīng)力增大;較大的銑刀半徑能減小表面殘余拉應(yīng)力，使其分布更加均勻;刀具的螺距和螺旋的變化則會(huì)改變切削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響程度。

3 表面完整性對(duì)零件使用性能的影響

在切削條件下對(duì)工件進(jìn)行加工，根本目的是使工件成為滿足使用功能的零件，但是任何切削加工得到的零件表面都不是理想的，總會(huì)存在一定問(wèn)題，如表面硬化、殘余應(yīng)力以及表面撕裂、鱗刺等。雖然這些問(wèn)題只存在于極薄的表層中，但是它們卻會(huì)對(duì)零件的使用性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。零件的使用性能如疲勞強(qiáng)度、耐磨性以及耐腐蝕性不僅與自身材料有關(guān)，與表面完整性也是息息相關(guān)的。

李占明等進(jìn)行了30CrMnSiNi2A鋼銑削實(shí)驗(yàn)，研究了表面完整性與其抗疲勞特性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在銑削該材料時(shí)在表面容易出現(xiàn)撕裂、鱗刺和折皺等加工缺陷，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的應(yīng)力集中，降低了零件疲勞壽命;對(duì)零件進(jìn)行噴丸處理能夠有效降低銑削表面粗糙度，增加壓應(yīng)力水平，使零件疲勞強(qiáng)度增強(qiáng)。劉彥臣等通過(guò)研究表面完整性對(duì)高強(qiáng)度鋼疲勞壽命的影響發(fā)現(xiàn)殘余壓應(yīng)力的增大可以使零件的疲勞壽命急劇增高;表面粗糙度較小時(shí)對(duì)零件疲勞壽命影響不明顯，隨著粗糙度增大疲勞壽命普遍降低;加工硬化程度越高高強(qiáng)度鋼疲勞壽命越低;減小刀尖圓弧半徑和進(jìn)給速度可以提高高強(qiáng)度鋼疲勞壽命。Moussaoui研究了表面粗糙度和殘余應(yīng)力對(duì)鈦合金零件疲勞壽命的影響，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度對(duì)零件疲勞壽命的影響較小，殘余應(yīng)力才是起決定性作用的因素，殘余壓應(yīng)力對(duì)零件的疲勞壽命是有利的。朱有利等研究了平尾大軸抗疲勞特與應(yīng)力集中、表面完整性之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)大軸內(nèi)表面的損壞，破壞了軸的表面完整性，導(dǎo)致了其疲勞壽命的降低;變截面臺(tái)階造成的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中和粗加工刀痕形成的附加應(yīng)力集中會(huì)在加工刀痕谷底萌生疲勞裂紋;這三種因素是造成大軸發(fā)生疲勞斷裂的根本原因。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

在銑削過(guò)程中表面幾何形狀誤差和表面物理學(xué)性能的變化，雖然只發(fā)生在零件很薄的表面層，但是這些表面層缺陷會(huì)嚴(yán)重影響零件使用性能，尤其是零件的可靠性和安全性與表面完整性有很大的關(guān)系。諸多科研人員在銑削表面完整性方面的研究成果揭示了表面完整性的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素，為我們?cè)诩庸み^(guò)程中控制表面完整性提供了指導(dǎo)，主要有以下幾點(diǎn)：

1）從切削方面來(lái)看，主要是結(jié)合工藝特點(diǎn)調(diào)整切削速度，切削深度以及每齒進(jìn)給量來(lái)達(dá)到提高表面完整性的目的。

2）刀具方面主要是刀具前角、后刀面和刀尖圓弧半徑以及刀具磨損程度對(duì)表面完整性影響最大，主要是注重改進(jìn)刀具的幾何形狀以及摩擦磨損狀況來(lái)改善表面完整性。

3）在加工材料方面，應(yīng)該考慮到工件材料和刀具材料匹配是否適宜，并配以適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，提高表面完整性?/p>

4）切削過(guò)程中的振動(dòng)對(duì)表面完整性亦有較大影響，應(yīng)該采取措施減小加工過(guò)程中振動(dòng)。此外，還可以考慮新的切削方式來(lái)改善表面完整性，如振動(dòng)切削、激光切削、水力切削、電解加工以及超聲加工等，這些措施將能極大改善銑削過(guò)程中零件的表面完整性。

目前，表面完整性的研究熱點(diǎn)主要集中在表面粗糙度、加工硬化和殘余應(yīng)力三方面;研究的目的主要是研究切削參數(shù)、刀具參數(shù)以及工藝系統(tǒng)等多種因素對(duì)表面完整性的影響規(guī)律，以控制零件的加工過(guò)程，產(chǎn)生最優(yōu)的表面質(zhì)量;研究的手段在表面粗糙度方面白光干涉法、激光實(shí)時(shí)全息法等無(wú)損測(cè)量方法得到了越來(lái)越多的應(yīng)用;XRD和超聲檢測(cè)等技術(shù)的應(yīng)用也實(shí)現(xiàn)了殘余應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)。在未來(lái)，必須將表面完整性工藝研究與模型研究結(jié)合起來(lái)，更加注重于新技術(shù)來(lái)提高表面完整性以及實(shí)現(xiàn)表面完整性方便、有效、精準(zhǔn)、無(wú)損的檢測(cè)，才能使表面完整性在生產(chǎn)工序中不斷優(yōu)化，促進(jìn)表面質(zhì)量的進(jìn)一步提升。