西北工业大学姚倡锋教授团队：机械加工表面完整性理论与控制技术

关键重要构件的表面完整性控制已经成为国内外学者关注和研究的热点，将机械加工表面完整性理论与控制技术真正应用于装备关键重要构件的制造中还面临着许多挑战和难题。

机械制造的终极目标是赋予产品形位和性能。体现装备性能的是关键构件，因此，先进制造技术总是起源于关键构件，并应用于关键构件。关键构件在动态条件下服役，主要失效模式是疲劳，因此先进制造技术总是着力于解决关键构件的疲劳失效问题。

▲ 机械加工缺陷

疲劳是一个非常复杂的过程，构件的疲劳失效受许多因素的影响，包括构件表面残余应力、表层显微组织、缺口效应、尺寸效应、表面应力集中、材料静强度及腐蚀环境等多种因素。在工程实际中，疲劳裂纹往往从表面起始，逐渐向内部扩展，其原因主要如下：构件结构往往很复杂，作用载荷的叠加会增加表面的最大应力，最高载荷往往位于表面或表层；构件表面机械加工引起的刀痕、缺陷等导致表面应力集中，造成工作载荷应力峰值比内部高；构件表面受腐蚀、脱碳等影响，材料表面强度低于材料内部强度；材料内部晶粒四周完全被其他晶粒包围，材料表面晶粒所受约束较少，比内部晶粒更易于产生滑移现象。现有资料表明，航空构件疲劳失效中80%以上的疲劳裂纹始于表面加工缺陷或损伤，如切削刀痕、表面微裂纹、表层应变硬化、表层组织损伤、表层拉应力等。粗糙表面或表面的损伤缺陷会引起很高的表面应力集中，直接成为疲劳源；潜伏在亚表层的微结构和微力学的损伤缺陷将急剧加速裂纹的萌生和扩展，加速疲劳失效。因此，表面完整性控制是保障航空关键构件长寿命服役的关键。

▲ 制造表面状态的参数化表征

传统的机械制造是用切削加工赋予构件形位的制造技术，又称成形制造。成形制造以满足设计图样要求为目标，其关键技术是切削加工，理念是高效、精密、不考虑寿命。表面完整性制造是控制表面完整性，以抗疲劳性为主要判据，以提高疲劳强度为主要目标的制造技术。表面完整性制造提出了表面完整性的概念。

表面完整性是控制加工工艺形成的无损伤和强化的表面状态，用标准数据组表征，理念是精密、长寿命、高效，表面完整性与疲劳行为直接相关。可见，表面完整性控制理念将疲劳学融入制造形成跨学科制造技术。

讨论表面完整性控制首先要弄清楚基本概念。什么是表面？表面是物体与外界接触的部分。完整性研究的是来源、去向及其本身，控制则是掌握，不使其任意活动或越出范围。具体地说，表面完整性来自制造技术，去向是指提高疲劳强度，达到极限寿命、极限可靠性、极限减重。表面完整性状态由表面粗糙度、硬度、残余压应力和微结构表征。表面完整性对关键构件服役寿命具有重要影响，机械加工表面完整性理论与控制技术是机械学科领域重要的基础性研究工作。

▲ 传统铣削与表面完整性铣削效果对比

西北工业大学机械加工表面完整性研究团队2003 年起开展航空关键构件机械加工的表面完整性相关研究，探索了精密切削、磨削表面完整性机理、影响规律和控制方法等基础科学问题，建立了航空关键构件机械加工表面完整性表征模型、检测和评价方法。2009 年起，在相关科研项目的资助下，开展了航空材料精密切/磨削表面完整性形成机理、机械加工表面完整性抗疲劳机制、机械加工表面完整性控制工艺方法研究，取得了一系列基础研究成果，建成了机械加工表面完整性工艺试验和测试分析研究环境。

为了总结经验、扩大交流与合作，《机械加工表面完整性理论与控制技术》（姚倡锋等著. 北京 :科学出版社, 2025. 1）一书总结了团队多年承担国家重大科研项目的研究成果，比较全面地介绍了机械加工表面完整性的基本概念、表征数据与测量等；重点介绍了典型材料切/磨削表面完整性形成机制、机械加工表面完整性控制和评价方法；详细介绍了铣削、磨削和车削表面完整性控制实例等方面的内容。本书可为从事机械加工表面完整性研究工作的科研人员和相关专业的师生提供参考。

本书共6 章，第1～3 章由姚倡锋教授撰写；第4 章由任军学教授、谭靓副研究员撰写；第5 章由张定华教授撰写；第6 章由谭靓副研究员撰写。全书由姚倡锋教授负责统稿并定稿。武导侠博士、沈雪红博士、周征博士等参与了本书部分内容的撰写及图表绘制工作。本书撰写过程中得到中国航发北京航空材料研究院赵振业院士、大连理工大学郭东明院士和康仁科教授等专家学者的大力支持，在此深表感谢。

本书的出版得到国家科学技术学术著作出版基金和西北工业大学精品学术著作培育项目的共同资助。

本文摘编自《机械加工表面完整性理论与控制技术》（姚倡锋等著. 北京 :科学出版社, 2025. 1）一书，有删减修改， 标题为编者所加。

杨丹，15502918619

罗瑶，18629426379

本书全面地总结了作者及其研究团队关于机械加工表面完整性理论与控制技术方面的研究成果，提出了表面完整性概念及表征模型、表面特征和表层微结构微力学特征表征与测量、切/磨削表面完整性形成机制、表面完整性控制、机械加工表面完整性评价等一系列新概念、新方法。本书包含大量的切/磨削工艺试验和表面完整性测试数据，资料丰富、覆盖面广，具有系统性、先进性和实用性，对抗疲劳制造领域机械加工表面完整性理论与控制技术的研究具有一定的指导意义和参考价值，对航空关键构件机械加工具有一定的指导作用。

本书可作为高等院校从事机械加工研究工作的教师和研究生的参考书，也可作为相关行业科研人员和工程技术人员的参考书。

（本文编辑：刘四旦）

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