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切削加工表面完整性研究现状

6 变质层研究

对材料进行加工或表面处理时，加工表面受到作用力或热效应的影响，使得加工表面下某深度层的材料在热力耦合的作用下发生变化，该层通常被成为加工变质层。

6.1 变质层的组织特点

安徽理工大学的马伏波等人将加工表面变质层分为三类，分别是由外部元素的作用引起的变质层、由组织的变化所引起的变质层和应力作为主要考虑因素的变质层。

由外部元素的作用引起的变质层的形成原因包括污染、吸附物、化合物质、异物嵌入等。在由外部的元素和物质引起的变质中，由于切削表面的显微裂纹、宏观裂纹、积屑瘤碎片等的影响，以及外界环境的污染腐蚀和电、磁方面引起的特殊变化层等，损伤了已加工表面层。特别是在磨削加工中，磨粒的影响最为严重，这些磨粒使得加工表面温度升高，产生烧伤现象，而使得零件表面层性能发生变化。

由组织的变化所引起的变质层的形成原因包括非晶体的基体、微细结晶层、位错密度的上升、双晶的生成、合金中的一种成分覆盖于表面层上、纤维组织、研磨相变、由加工引起的结晶的应变、由摩擦热引起的再结晶等。由晶粒组织的变化所引起的变质的组织特点较为复杂，表面金属组织的变化包括：晶格的扭曲、拉长，晶粒的破碎、纤维化和相变等。金属在塑性变形中，晶格发生变化，失去平衡位置，离零件表面距离越近，晶格发生扭曲变形越严重。所以，零件表面层的硬化程度最严重，硬度最大[25]。在切削加工时，加工温度对硬化程度也有很大影响，如磨削淬火钢引起退火，使表面硬度降低产生软化；但在充分冷却时，则会再次淬火，出现硬化。

应力作为主要考虑因素的变质层主要受残留应力层的影响，加工表面层的应力状态发生紊乱的情况较为复杂，由于热及应力效应而在表面层的结晶中发生相变，使加工前后的体积发生变化；在表面层中生成超过屈服应力的强大的热应力； 由于刀具的作用力，在表面层的材料中残留有塑性应变等。此类残余应力都会产生残留应力层而导致加工变质层的出现。

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6.2 切削参数对变质层的影响

加工参数直接影响到切削力和切削热，对加工变质层有很大影响。王大镇[26]

在2008年研究了超精密加工铝基复合材料的切削变质层，采用聚晶金刚石PCD刀具对航天碳化硅增强铝基复合材料进行超精密车削加工，用扫描电子显微镜(SEM)对已加工切削变质层的微观结构进行检测,采用显微硬度计检测显微硬度，并从理论上分析切削变质层形成过程中碳化硅增强相断裂而细化的理论根据。超精密车削工况下，采用聚晶金刚石PCD刀具车削碳化硅增强铝基复合材料SiCw/LD2，尽管切削力很小，切削热很低，但仍会产生很薄的切削变质层。其微观结构分为3层，即缺陷聚集层，细化硬化层和硬度衰减层。切削变质层中硬度值最高处在细化硬化层，约距已加工表面10-20Lm。在切削变质层形成过程中，碳化硅增强相发生了向切削速度方向的转动，且转动时伴随着断裂和细化，从而强化了切削变质层。

岳彩旭[27]在2014年研究精密硬态切削过程中已加工表面变质层的生成，精密硬态切削过程中刀具与工件发生剧烈的热力耦合作用，使得一定条件下已加工表面出现变质层。为揭示变质层的生成机制，研究了PCBN刀具硬态切削淬硬模具钢 Cr12MoV的工艺过程。通过实验手段揭示了表面变质层生成机理，得到了不同刀具磨损情况下变质层中白层厚度的变化规律，并发现变质层厚度随切削速度和工件硬度的增大而增大。

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