淺談機(jī)械加工中表面質(zhì)量控制

韓壽權(quán)

摘要：機(jī)械零件的破壞，一般總是從表面層開始的。產(chǎn)品的性能，尤其是它的可靠性和耐久性，在很大程度上取決于零件表面層的質(zhì)量。研究機(jī)械加工表面質(zhì)量的目的就是為了掌握機(jī)械加工中各種工藝因素對(duì)加工表面質(zhì)量影響的規(guī)律，以便運(yùn)用這些規(guī)律來控制加工過程，最終達(dá)到改善表面質(zhì)量、提高產(chǎn)品使用性能的目的。

關(guān)鍵詞：機(jī)械零件；表面質(zhì)量

1機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)機(jī)器使用性能的影響

1．1表面質(zhì)量對(duì)耐磨性的影響

1.1．1 表面粗糙度對(duì)耐磨性的影響

一個(gè)剛加工好的摩擦副的兩個(gè)接觸表面之間，最初階段只在表面粗糙的的峰部接觸，實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)小于理論接觸面積，在相互接觸的峰部有非常大的單位應(yīng)力，使實(shí)際接觸面積處產(chǎn)生塑性變形、彈性變形和峰部之間的剪切破壞，引起嚴(yán)重磨損。

零件磨損一般可分為三個(gè)階段，初期磨損階段、正常磨損階段和劇烈磨損階段。

表面粗糙度對(duì)零件表面磨損的影響很大。一般說表面粗糙度值愈小，其磨損性愈好。但表面粗糙度值太小，潤(rùn)滑油不易儲(chǔ)存，接觸面之間容易發(fā)生分子粘接，磨損反而增加。因此，接觸面的粗糙度有一個(gè)最佳值，其值與零件的工作情況有關(guān)，工作載荷加大時(shí)，初期磨損量增大，表面粗糙度最佳值也加大。

1．1．2. 表面冷作硬化對(duì)耐磨性的影響

加工表面的冷作硬化使摩擦副表面層金屬的顯微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。但也不是冷作硬化程度愈高，耐磨性就愈高，這是因?yàn)檫^分的冷作硬化將引起金屬組織過度疏松，甚至出現(xiàn)裂紋和表層金屬的剝落，使耐磨性下降。

1．2表面質(zhì)量對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

金屬受交變載荷作用后產(chǎn)生的疲勞破壞往往發(fā)生在零件表面和表面冷硬層下面，因此零件的表面質(zhì)量對(duì)疲勞強(qiáng)度影響很大。

表面粗糙度對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。表面粗糙度值愈大，表面的紋痕愈深，紋底半徑愈小，抗疲勞破壞底能力就愈差。

殘余應(yīng)力、冷作硬化對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。余應(yīng)力對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響很大。表面層殘余拉應(yīng)力將使疲勞裂紋擴(kuò)大，加速疲勞破壞；而表面層殘余應(yīng)力能夠阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，延緩疲勞破壞的產(chǎn)生表面冷硬一般伴有殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，可以防止裂紋產(chǎn)生并阻止已有裂紋的擴(kuò)展，對(duì)提高疲勞強(qiáng)度有利。

1．3 表面質(zhì)量對(duì)耐蝕性的影響

零件的耐蝕性在很大程度上取決于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，則凹谷中聚積腐蝕性物質(zhì)就愈多?？刮g性就愈差。

表面層的殘余拉應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，降低零件的耐磨性，而殘余壓應(yīng)力則能防止應(yīng)力腐蝕開裂。

1．4表面質(zhì)量對(duì)配合質(zhì)量的影響

表面粗糙度值的大小將影響配合表面的配合質(zhì)量。對(duì)于間隙配合，粗糙度值大會(huì)使磨損加大，間隙增大，破壞了要求的配合性質(zhì)。對(duì)于過盈配合，裝配過程中一部分表面凸峰被擠平，實(shí)際過盈量減小，降低了配合件間的連接強(qiáng)度。

2影響表面粗糙度的因素

2．1切削加工影響表面粗糙度的因素

刀具幾何形狀的復(fù)映。刀具相對(duì)于工件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，在加工表面留下了切削層殘留面積，其形狀時(shí)刀具幾何形狀的復(fù)映。減小進(jìn)給量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圓弧半徑，均可減小殘留面積的高度。

此外，適當(dāng)增大刀具的前角以減小切削時(shí)的塑性變形程度，合理選擇潤(rùn)滑液和提高刀具刃磨質(zhì)量以減小切削時(shí)的塑性變形和抑制刀瘤、鱗刺的生成，也是減小表面粗糙度值的有效措施。

工件材料的性質(zhì) 。加工塑性材料時(shí)，由刀具對(duì)金屬的擠壓產(chǎn)生了塑性變形，加之刀具迫使切屑與工件分離的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。工件材料韌性愈好，金屬的塑性變形愈大，加工表面就愈粗糙。

加工脆性材料時(shí)，其切屑呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點(diǎn)，使表面粗糙。

2．2 磨削加工影響表面粗糙度的因素

正像切削加工時(shí)表面粗糙度的形成過程一樣，磨削加工表面粗糙度的形成也時(shí)由幾何因素和表面金屬的塑性變形來決定的。

影響磨削表面粗糙的主要因素有：砂輪的粒度；砂輪的硬度；砂輪的修整；磨削速度；磨削徑向進(jìn)給量與光磨次數(shù)；工件圓周進(jìn)給速度與軸向進(jìn)給量；冷卻潤(rùn)滑液

3 影響加工表面層物理機(jī)械性能的因素

在切削加工中，工件由于受到切削力和切削熱的作用，使表面層金屬的物理機(jī)械性能產(chǎn)生變化，最主要的變化是表面層金屬顯微硬度的變化、金相組織的變化和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。由于磨削加工時(shí)所產(chǎn)生的塑性變形和切削熱比刀刃切削時(shí)更嚴(yán)重，因而磨削加工后加工表面層上述三項(xiàng)物理機(jī)械性能的變化會(huì)很大。

3．1 表面層冷作硬化

冷作硬化及其評(píng)定參數(shù)。機(jī)械加工過程中因切削力作用產(chǎn)生的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移,晶粒被拉長(zhǎng)和纖維化，甚至破碎，這些都會(huì)使表面層金屬的硬度和強(qiáng)度提高，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化(或稱為強(qiáng)化)。表面層金屬?gòu)?qiáng)化的結(jié)果，會(huì)增大金屬變形的阻力，減小金屬的塑性，金屬的物理性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化。

被冷作硬化的金屬處于高能位的不穩(wěn)定狀態(tài)，只有一有可能，金屬的不穩(wěn)定狀態(tài)就要向比較穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，這種現(xiàn)象稱為弱化。弱化作用的大小取決于溫度的高低、溫度持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短和強(qiáng)化程度的大小。由于金屬在機(jī)械加工過程中同時(shí)受到力和熱的作用，因此，加工后表層金屬的最后性質(zhì)取決于強(qiáng)化和弱化綜合作用的結(jié)果。

評(píng)定冷作硬化的指標(biāo)有三項(xiàng)，即表層金屬的顯微硬度HV、硬化層深度h和硬化程度N。

影響冷作硬化的主要因素 。切削刃鈍圓半徑增大，對(duì)表層金屬的擠壓作用增強(qiáng)，塑性變形加劇，導(dǎo)致冷硬增強(qiáng)。刀具后刀面磨損增大，后刀面與被加工表面的摩擦加劇，塑性變形增大，導(dǎo)致冷硬增強(qiáng)。

切削速度增大，刀具與工件的作用時(shí)間縮短，使塑性變形擴(kuò)展深度減小，冷硬層深度減小。切削速度增大后，切削熱在工件表面層上的作用時(shí)間也縮短樂，將使冷硬程度增加。進(jìn)給量增大，切削力也增大，表層金屬的塑性變形加劇，冷硬作用加強(qiáng)。

工件材料的塑性愈大，冷硬現(xiàn)象就愈嚴(yán)重。

3．2表面層材料金相組織變化

當(dāng)切削熱使被加工表面的溫度超過相變溫度后，表層金屬的金相組織將會(huì)發(fā)生變化。

磨削燒傷

當(dāng)被磨工件表面層溫度達(dá)到相變溫度以上時(shí)，表層金屬發(fā)生金相組織的變化，使表層金屬?gòu)?qiáng)度和硬度降低，并伴有殘余應(yīng)力產(chǎn)生，甚至出現(xiàn)微觀裂紋，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。在磨削淬火鋼時(shí)，可能產(chǎn)生以下三種燒傷：

回火燒傷

如果磨削區(qū)的溫度未超過淬火鋼的相變溫度，但已超過馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度，工件表層金屬的回火馬氏體組織將轉(zhuǎn)變成硬度較低的回火組織(索氏體或托氏體)，這種燒傷稱為回火燒傷。

淬火燒傷

如果磨削區(qū)溫度超過了相變溫度，再加上冷卻液的急冷作用，表層金屬發(fā)生二次淬火，使表層金屬出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織，其硬度比原來的回火馬氏體的高，在它的下層，因冷卻較慢，出現(xiàn)了硬度比原先的回火馬氏體低的回火組織(索氏體或托氏體)，這種燒傷稱為淬火燒傷。

退火燒傷

如果削區(qū)溫度超過了相變溫度，而磨削區(qū)域又無冷卻液進(jìn)入，表層金屬將產(chǎn)生退火組織，表面硬度將急劇下降，這種燒傷稱為退火燒傷。

3．3表面層殘余應(yīng)力

產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因

a. 切削時(shí)在加工表面金屬層內(nèi)有塑性變形發(fā)生，使表面金屬的比容加大

由于塑性變形只在表層金屬中產(chǎn)生，而表層金屬的比容增大，體積膨脹，不可避免地要受到與它相連的里層金屬的阻止，因此就在表面金屬層產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，而在里層金屬中產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。

b. 切削加工中，切削區(qū)會(huì)有大量的切削熱產(chǎn)生

c. 不同金相組織具有不同的密度，亦具有不同的比容。如果表面層金屬產(chǎn)生了金相組織的變化，表層金屬比容的變化必然要受到與之相連的基體金屬的阻礙，因而就有殘余應(yīng)力產(chǎn)生。