機(jī)械加工中亞表面缺陷對(duì)表面質(zhì)量的影響

謝偉東，郭宇佳

（齊齊哈爾工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

1 在機(jī)械加工中亞表面缺陷對(duì)表面質(zhì)量的影響

在機(jī)械加工的過程中，材料是保障項(xiàng)目完成的基礎(chǔ)，但在現(xiàn)實(shí)中材料往往出現(xiàn)各種缺陷，比如夾雜、裂紋、空穴等，這不僅在很大程度上影響著材料本質(zhì)屬性和功能的發(fā)揮，而且還會(huì)導(dǎo)致材料長期處于失效的狀態(tài)。特別是當(dāng)缺陷出現(xiàn)在材料表面或者附近時(shí)，這種損傷能力會(huì)達(dá)到更高水平。亞表面缺陷現(xiàn)象的出現(xiàn)一部分是在加工前引起的，另一方面是由加工后亞表面損傷問題引起的。材料亞表面現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)對(duì)材料加工后的表面質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。并且，一旦遇到材料加工后表面損傷程度比較大的問題時(shí)，那么就后續(xù)研磨處理工作的復(fù)雜程度會(huì)更高，不僅周期會(huì)延長，材料的損耗也會(huì)越來越嚴(yán)重，這對(duì)于機(jī)械加工制造企業(yè)經(jīng)營效益的提高具有嚴(yán)重的不良影響。

2 改善亞表面缺陷對(duì)表面質(zhì)量造成不良影響的建議

（1）建立在夾雜因素影響下的二維有限元切削模型。在夾雜因素影響下的二維有限元切削模型是指在材料雜質(zhì)夾雜于材料中時(shí)，材料基體中存在于不同尺寸和位置的雜質(zhì)會(huì)對(duì)切削能力和材料表面的殘余應(yīng)力造成不同層面的影響，通過對(duì)這種影響因素的分析，采用數(shù)理結(jié)合以及力學(xué)的思想和知識(shí)，討論夾雜因素對(duì)材料表面質(zhì)量的影響。在建立二維有限元切削模型的過程中，應(yīng)以確定的切削厚度為假設(shè)，達(dá)到變量控制的目的，從而通過實(shí)驗(yàn)得出切削厚度與夾雜尺寸之間有效的比例關(guān)系，最終達(dá)到準(zhǔn)確快速推斷亞表面缺陷對(duì)材料表面整體性程度影響的目的。另外，通過二維有限元切削模型，還可以得出夾雜因素和切削加工之間具有密切聯(lián)系的結(jié)論，即夾雜越大，與加工表面的距離越近，材料的表面殘余應(yīng)力和切削力就會(huì)越大。在建立模型和實(shí)驗(yàn)的過程中，更加值得關(guān)注的是材料表面殘余應(yīng)力以及切削力的大小變化情況和切割刀近距離接近夾雜時(shí)對(duì)其產(chǎn)生的應(yīng)力是密不可分的。通過二維有限元切削模型的建立，加工表面整體性的提高和當(dāng)前機(jī)械加工切削技術(shù)的改進(jìn)將面臨越來越廣闊的前景。

（2）以連續(xù)位錯(cuò)分布法為基礎(chǔ)建立脆性材料磨削模型。通過對(duì)材料基體的研究發(fā)現(xiàn)，材料基體應(yīng)力場是由材料本身發(fā)出的塑性應(yīng)力場以及材料外部由于壓頭接觸而產(chǎn)生的彈性應(yīng)力場兩部分組成的。以連續(xù)位錯(cuò)分布法為基礎(chǔ)的脆性材料磨削模型的建立是以壓頭半角的大小和外載的大小這兩方面的參數(shù)為基礎(chǔ)的。通過分析可以看出，亞表面缺陷中斜裂紋不是以非拉伸斷裂為斷裂形式表現(xiàn)的，而是以剪切斷裂為主要斷裂形式表現(xiàn)的，在壓頭半角的大小為確定數(shù)值時(shí)，亞表面缺陷中的斜裂紋現(xiàn)象將不會(huì)出現(xiàn)I型的擴(kuò)展方式。在數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)，壓頭半角的大小與裂紋擴(kuò)展的形式是緊密相關(guān)的。在外載數(shù)值確定的情況下，數(shù)值比較大的壓頭半角將會(huì)對(duì)裂紋擴(kuò)展的形式變化造成較強(qiáng)的屏蔽。為了達(dá)到裂紋擴(kuò)展條件更加精確的目的，還應(yīng)該有效應(yīng)用臨界外載與壓頭半角的關(guān)系圖進(jìn)行參考。

（3）建立以多晶銅、單晶銅以及孿晶多晶銅為材料的納米壓痕分子動(dòng)力模型。模擬出的模型顯示出的整體結(jié)果是多晶銅、單晶銅以及孿晶多晶銅的彈性恢復(fù)比、硬度以及溫度都在很大程度上與晶體的結(jié)構(gòu)、孿晶的厚度緊密相關(guān)。通過對(duì)新型納米壓痕分子動(dòng)力模型的建立、探究和分析，可以看出在材料表層壓痕深度逐漸增大的過程中，材料表面的塑性區(qū)域會(huì)隨之快速增大。在研究中可以發(fā)現(xiàn)，最初的形核位錯(cuò)現(xiàn)象一般都發(fā)生在壓頭的下方；在壓痕深度不同的地方所出現(xiàn)的壓力大小是非線性下降的；在壓痕的過程中，形核位錯(cuò)是隨著壓力深度的大小變化不斷滑移和形核的。從另一方面來說，晶體結(jié)構(gòu)在塑性變形的基礎(chǔ)上會(huì)發(fā)生一系列的變化：多晶銅在塑性變形的過程中會(huì)對(duì)晶界和位錯(cuò)產(chǎn)生劇烈影響；單晶銅在塑性變形的過程中會(huì)對(duì)位錯(cuò)的產(chǎn)生、擴(kuò)展以及位錯(cuò)與位錯(cuò)之間的相互作用產(chǎn)生重要影響；納米孿晶多晶銅在塑性變形的過程中則與孿生、退孿生的位錯(cuò)行為以及孿晶界之間的相互作用關(guān)系緊密。除此之外，還應(yīng)該有效運(yùn)用孿晶厚度、晶體結(jié)構(gòu)對(duì)以銅為基礎(chǔ)的材料納米壓痕所產(chǎn)生的力學(xué)響應(yīng)，從而為解決其他立方結(jié)構(gòu)納米材料性能問題提供有效支撐。

3 結(jié)語

綜上所述，亞表面缺陷對(duì)于材料表面質(zhì)量具有嚴(yán)重的不良影響。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的日新月異，工業(yè)經(jīng)濟(jì)在國民經(jīng)濟(jì)中所占據(jù)的地位越來越重要。作為現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，機(jī)械加工制造行業(yè)是工業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)。作為機(jī)械加工企業(yè)，其應(yīng)重視亞表面缺陷對(duì)加工制造所帶來的影響，并不斷進(jìn)行研究和創(chuàng)新，從而通過技術(shù)革新達(dá)到減輕亞表面缺陷對(duì)表面質(zhì)量影響的目的。

［1］黃波，高玉飛，葛培琪，等.金剛石線鋸切割單晶硅表面缺陷與鋸絲磨損分析［J］.金剛石與磨料磨具工程，2014，31（1）：53-57.

［2］高玉飛，葛培琪，畢文波，等.KDP晶體金剛石線鋸切割表面缺陷分析［J］.人工晶體學(xué)報(bào)，2013，42（7）：1278-1282.