机械加工中亚表面缺陷对表面质量的影响

谢伟东，郭宇佳

（齐齐哈尔工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161005）

1 在机械加工中亚表面缺陷对表面质量的影响

在机械加工的过程中，材料是保障项目完成的基础，但在现实中材料往往出现各种缺陷，比如夹杂、裂纹、空穴等，这不仅在很大程度上影响着材料本质属性和功能的发挥，而且还会导致材料长期处于失效的状态。特别是当缺陷出现在材料表面或者附近时，这种损伤能力会达到更高水平。亚表面缺陷现象的出现一部分是在加工前引起的，另一方面是由加工后亚表面损伤问题引起的。材料亚表面现象的出现会对材料加工后的表面质量造成严重影响。并且，一旦遇到材料加工后表面损伤程度比较大的问题时，那么就后续研磨处理工作的复杂程度会更高，不仅周期会延长，材料的损耗也会越来越严重，这对于机械加工制造企业经营效益的提高具有严重的不良影响。

2 改善亚表面缺陷对表面质量造成不良影响的建议

（1）建立在夹杂因素影响下的二维有限元切削模型。在夹杂因素影响下的二维有限元切削模型是指在材料杂质夹杂于材料中时，材料基体中存在于不同尺寸和位置的杂质会对切削能力和材料表面的残余应力造成不同层面的影响，通过对这种影响因素的分析，采用数理结合以及力学的思想和知识，讨论夹杂因素对材料表面质量的影响。在建立二维有限元切削模型的过程中，应以确定的切削厚度为假设，达到变量控制的目的，从而通过实验得出切削厚度与夹杂尺寸之间有效的比例关系，最终达到准确快速推断亚表面缺陷对材料表面整体性程度影响的目的。另外，通过二维有限元切削模型，还可以得出夹杂因素和切削加工之间具有密切联系的结论，即夹杂越大，与加工表面的距离越近，材料的表面残余应力和切削力就会越大。在建立模型和实验的过程中，更加值得关注的是材料表面残余应力以及切削力的大小变化情况和切割刀近距离接近夹杂时对其产生的应力是密不可分的。通过二维有限元切削模型的建立，加工表面整体性的提高和当前机械加工切削技术的改进将面临越来越广阔的前景。

（2）以连续位错分布法为基础建立脆性材料磨削模型。通过对材料基体的研究发现，材料基体应力场是由材料本身发出的塑性应力场以及材料外部由于压头接触而产生的弹性应力场两部分组成的。以连续位错分布法为基础的脆性材料磨削模型的建立是以压头半角的大小和外载的大小这两方面的参数为基础的。通过分析可以看出，亚表面缺陷中斜裂纹不是以非拉伸断裂为断裂形式表现的，而是以剪切断裂为主要断裂形式表现的，在压头半角的大小为确定数值时，亚表面缺陷中的斜裂纹现象将不会出现I型的扩展方式。在数据分析中发现，压头半角的大小与裂纹扩展的形式是紧密相关的。在外载数值确定的情况下，数值比较大的压头半角将会对裂纹扩展的形式变化造成较强的屏蔽。为了达到裂纹扩展条件更加精确的目的，还应该有效应用临界外载与压头半角的关系图进行参考。

（3）建立以多晶铜、单晶铜以及孪晶多晶铜为材料的纳米压痕分子动力模型。模拟出的模型显示出的整体结果是多晶铜、单晶铜以及孪晶多晶铜的弹性恢复比、硬度以及温度都在很大程度上与晶体的结构、孪晶的厚度紧密相关。通过对新型纳米压痕分子动力模型的建立、探究和分析，可以看出在材料表层压痕深度逐渐增大的过程中，材料表面的塑性区域会随之快速增大。在研究中可以发现，最初的形核位错现象一般都发生在压头的下方；在压痕深度不同的地方所出现的压力大小是非线性下降的；在压痕的过程中，形核位错是随着压力深度的大小变化不断滑移和形核的。从另一方面来说，晶体结构在塑性变形的基础上会发生一系列的变化：多晶铜在塑性变形的过程中会对晶界和位错产生剧烈影响；单晶铜在塑性变形的过程中会对位错的产生、扩展以及位错与位错之间的相互作用产生重要影响；纳米孪晶多晶铜在塑性变形的过程中则与孪生、退孪生的位错行为以及孪晶界之间的相互作用关系紧密。除此之外，还应该有效运用孪晶厚度、晶体结构对以铜为基础的材料纳米压痕所产生的力学响应，从而为解决其他立方结构纳米材料性能问题提供有效支撑。

3 结语

综上所述，亚表面缺陷对于材料表面质量具有严重的不良影响。随着社会经济的日新月异，工业经济在国民经济中所占据的地位越来越重要。作为现代工业经济的重要组成部分，机械加工制造行业是工业经济的重要基础。作为机械加工企业，其应重视亚表面缺陷对加工制造所带来的影响，并不断进行研究和创新，从而通过技术革新达到减轻亚表面缺陷对表面质量影响的目的。

［1］黄波，高玉飞，葛培琪，等.金刚石线锯切割单晶硅表面缺陷与锯丝磨损分析［J］.金刚石与磨料磨具工程，2014，31（1）：53-57.

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