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精密零部件切削加工表面完整性要素

2019-07-14 15:07:43

精密加切削工是是获得高尺寸形状精度和高表面质量的手段,也是优化产品性能、提升其可靠性,并在生产中提高装配率、促进自动化装配的重要途径。随着加工技术的日益发展,精密加工技术也在不断完善,在五六十年代需要用超精密加工技术才能获得的精度在如今只需要精密加工技术就可以获得,因此,精密加工技术是一个相对的概念。目前的精密加工技术中表面粗糙度己达到纳米级别。

长期以来,由于检测表面完整性所用的的仪器装置暂且无法满足精密机械加工生产现场直接应用的需要,通常情况下,为了实用性只能将表面粗糙度作为衡量零件加工表面质量好坏的主要特征参数。在普通切削加工中,由于对零件的尺寸精度要求相对一般,所以通常可以忽略由微观裂纹缺陷、加工硬化等特征参数引起的形位尺寸变化。但在精密切削加工中,由于对零件精度及性能要求非常高,残余应力分布和微观组织变化等表层质量问题都会影响零件的稳定性和可靠性。

随着航空航天的快速发展,市场不断需求重量轻、稳定性好、可靠性高以及疲劳寿命长等加工性能的关键航空结构件,而研究发现,零件表层的机械、物理和力学性能对使用性能和疲劳寿命也具有重要影响。量实践表明,大多数零部件是在循环载荷的情况下发生疲劳失效的,并在几微米到几十微米的范围内发生损坏。而材料的强度及疲劳寿命准则是机械加工航空零件的设计依据,疲劳性能是航空零件可靠性及使用寿命的决定性因素,而零件的加工表面完整性有影响其疲劳寿命的关键因素。

从精密加工表面形成机理和涉及的特征参数出发,构建出基于表面完整性的精密切削加工质量综合评价体系,提出表征表面完整性的特征参数及评价指标,对促进机械制造科学与技术发展具有重要科学意义及实用价值。

表面完整性是表面质量评价体系的扩展和延伸,表面质量主要是指己加工零件表面的微观几何形状误差以及表面以下几十微米范围的物理力学性能的变化。表面质量的主要内容通常包括表面粗糙度,表层的残余应力分布、加工硬化以及显微组织的变化。

现代精密切削加工中为了保证零件的可靠性,不仅要控制工件表面粗糙度等表面质量的特征参数,还应该分析考虑表层加工变质层的机械、物理以及力学性能的变化。与此同时,以传统圆角形式的宏观定性技术要求也不适用于精密微小构件棱边质量,而给出微观的定量要求。由此,表面质量、棱边质量和表层质量这三个层面的质量要求一起汇聚成现代机械加工的表面完整性体系。

显然,表面完整性包含了传统表面质量的全部内容,而且是根据具体的加工需要和相关技术要求的重要性大小、可靠性程度(基于计量学和模拟实验学理论)等,通过粗糙度、残余应力、显微硬度、毛刺尺寸、疲劳强度等若干个要素的定量或定性检验(实验)结果,结合表面技术要求和加工成本高低的综合性评价。因此,用表面完整性评定机械加工零件的表面质量比用传统的表面质量评价参数指标(表面粗糙度、表层加工硬化和残余应力)深入、系统、全面、合理。

从单一的表面状态评价,到目前的综合工件表面的质量、表层的质量以及棱边的质量对使用性能影响的一个整体性指标,可以说,表面完整性的发展是从单项指标质量评价转换为多项指标综合质量评判,从单纯的测量评价转换为测量与实验数据的集成权衡,从以几何学理论为基础测量评价转变为以计量学和实验学为基础的模糊综合评价。

现代精密切削表面完整性体系不仅包含了传统的表面质量技术要求,也综合考虑到表层加工变质层的机械、物理、力学性能的变化,同时,对加工零件棱边形态尺寸也给出了微观的定量要求。所以,现代完整的精密车削加工加工表面应由表面几何特征、表层物理力学性能特征和棱边质量等三个方面特征参数组成的要素集成。其中,表面几何特征可细分为传统的粗糙度、表面纹理和表面缺陷;表层的物理力学特征包含加工硬化、微观组织、残余应力、微观裂纹等;而棱边(毛刺)的质量包括毛刺尺寸、毛刺形态和毛刺形成位。