球墨鑄鐵冷塑性變形量與表面硬度的關(guān)系

劉克仲,趙文輝,白云龍

在機(jī)械加工過程中，刀具對(duì)工件切削表面的工作壓力會(huì)使工件表面產(chǎn)生彈性變形甚至塑性變形，彈性變形可以在加工后恢復(fù)，對(duì)工件外形尺寸沒有影響，但是塑性變形會(huì)影響工件的最終尺寸和表面質(zhì)量。為控制工件的尺寸精度和表面質(zhì)量，針對(duì)加工過程中工件冷塑性變形的研究越來越受到重視。

球墨鑄鐵的綜合性能接近于鋼，并且有較高的塑性和韌性，已成功應(yīng)用于受力復(fù)雜，強(qiáng)度、韌性、耐磨性要求較高的零件，研究冷加工過程中球墨鑄鐵的加工特性具有非常重要的生產(chǎn)實(shí)踐意義。

1 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

本次試驗(yàn)重點(diǎn)研究在一定加工壓力下工件的冷塑性變形量和表面硬度的變化以及兩者之間的數(shù)值關(guān)系。試驗(yàn)棒料材質(zhì)為QT500-7，劃分試驗(yàn)區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ (見圖1)。車棒料外圓，使Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各部分直徑略有不同，表面粗糙度必須達(dá)到Ra6.3，以便于測(cè)量初始直徑和表面硬度，為后續(xù)的試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

圖1 試驗(yàn)棒料分區(qū)示意圖

記錄Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各部分初始尺寸和初始硬度(見表 1)。

表1 工件初始直徑和表面硬度

1.1 試驗(yàn)原理

本次試驗(yàn)重點(diǎn)研究塑性變形對(duì)零件外形尺寸和表面質(zhì)量的影響。塑性變形的物理實(shí)質(zhì)基本上就是由位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)引發(fā)塑性變形，即在位錯(cuò)發(fā)生發(fā)展過程中，位錯(cuò)、溶質(zhì)原子、間隙位置原子、空位、第二相質(zhì)點(diǎn)等都會(huì)發(fā)生相互作用，導(dǎo)致位錯(cuò)數(shù)量、分布和組態(tài)等發(fā)生變化。從微觀角度來看，就是金屬組織結(jié)構(gòu)經(jīng)過塑性變形，其晶格發(fā)生扭曲，晶粒被拉長(zhǎng)，破碎，阻礙了金屬進(jìn)一步變形而使金屬?gòu)?qiáng)化，硬度顯著提高[1]。

本次試驗(yàn)通過滾壓設(shè)備為工件表面提供一個(gè)穩(wěn)定的加工壓力，重點(diǎn)分析工件尺寸和表面硬度的變化。

試驗(yàn)所用主要設(shè)備為硬度計(jì) (見圖2)。硬度計(jì)的測(cè)量原理是用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈力作用下,以一定速度沖擊試樣表面，用沖頭在距試樣表面1 mm處的回彈速度與沖擊速度的比值計(jì)算硬度值。

圖2 試驗(yàn)所用硬度計(jì)

1.2 試驗(yàn)步驟

本次試驗(yàn)主要測(cè)量試驗(yàn)件表面冷塑性變形量和表面硬度，步驟如下：

(1)選擇合理的工藝參數(shù)，用滾壓設(shè)備依次加工Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各部分。

(2)檢測(cè)觀察工件加工后表面并記錄Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各部分直徑和表面硬度 (見表2)。

表2 加工后工件直徑和表面硬度

(3)用磨床分別磨削試驗(yàn)件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各部分表面，磨削后記錄試驗(yàn)件直徑變化量和表面硬度。

(4)重復(fù)上一步驟的磨削與記錄過程，直到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各部分的表面硬度接近對(duì)應(yīng)部分的硬度初始值時(shí)，停止磨削，并記錄試驗(yàn)件最后直徑尺寸和表面硬度（見表3～表5）。

由表1和表2數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過加工后的試驗(yàn)件外圓Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各部分直徑變化量分別為0 mm，0．01 mm，0．005 mm，加工過程中冷塑性變形量基本在10－3mm數(shù)量級(jí)，正是由于這部分變形，對(duì)工件表面硬度產(chǎn)生了很大的影響。

表3 試驗(yàn)件Ⅰ部分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 試驗(yàn)件Ⅱ部分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 試驗(yàn)件Ⅲ部分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 數(shù)據(jù)處理與分析

鑒于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不連續(xù)性，如果要研究一定范圍內(nèi)的數(shù)值連續(xù)變化關(guān)系就要應(yīng)用插值法，目前許多軟件針對(duì)不同的計(jì)算需求開發(fā)出了相應(yīng)功能，使計(jì)算更加便捷，結(jié)果表達(dá)更直觀，Matlab就是其中一款應(yīng)用非常廣泛的軟件。

2.1 數(shù)據(jù)處理

為了更直觀地研究直徑變化量與表面硬度的關(guān)系，用Matlab軟件擬合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各部分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)系曲線 (見圖3、圖4、圖5)。

圖3 Ⅰ部分的數(shù)據(jù)擬合曲線

圖4 Ⅱ部分的數(shù)據(jù)擬合曲線

圖5 Ⅲ部分的數(shù)據(jù)擬合曲線

從以上各圖我們可以看出，隨工件直徑的減小，表面硬度呈現(xiàn)總體逐漸下降的趨勢(shì)。

2.2 數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)比試驗(yàn)件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各部分加工前后的尺寸和硬度值以及磨削過程中記錄的數(shù)據(jù)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)Ⅰ部分初始直徑為?325．24 mm，初始表面硬度為35．7HSD，經(jīng)過加工后表面硬度提高至41．3HSD。磨削后最終直徑為 ?324．55 mm，表面硬度為36．2HSD。從圖3中可以看出，硬度在距離表面0～0．3 mm厚度層內(nèi)變化較快，總體呈現(xiàn)線性變化。

(2)Ⅱ部分經(jīng)過加工后直徑由?328．10 mm減小至 ?328．09 mm，減少了 0．01 mm；表面硬度由35．5HSD 增大至 41．5HSD，增大了 6HSD。磨削過程中記錄硬度最大值為42．8HSD。工件表面硬度隨磨削量的增加逐漸降低，總體趨勢(shì)也近似為線性變化。

(3)Ⅲ部分外圓直徑減小了0．005 mm，表面硬度提高了7HSD。工件表面硬度變化和外圓直徑變化量呈線性遞減關(guān)系，但變化速率對(duì)比Ⅰ、Ⅱ兩部分較平緩。

2.3 總結(jié)

總結(jié)本次試驗(yàn)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各部分的數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，我們可以看出，在一定的加工壓力作用下，零件外形尺寸發(fā)生0～0．01 mm范圍內(nèi)的變化，表面硬度增加了5～7HSD；硬度變化層厚度約為0．5～0．7 mm，距離加工表面越遠(yuǎn)，硬度變化越小，并且在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性變化。

因此，在機(jī)械加工過程中，對(duì)于尺寸精度要求高于10－3mm級(jí)別的工件，精加工最后一道工序時(shí)要考慮加工壓力對(duì)工件尺寸的影響；另外，工件的表面硬度在加工后會(huì)發(fā)生變化，所以對(duì)表面金屬性能有特殊要求的工件要進(jìn)行適當(dāng)處理。

3 結(jié) 語

通過試驗(yàn)分析了機(jī)械加工過程中相對(duì)壓力對(duì)工件外形和表面質(zhì)量的影響，以球墨鑄鐵為試驗(yàn)對(duì)象，總結(jié)并初步分析了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明在已加工的表面形成過程中，塑性變形深度已經(jīng)達(dá)到了表面層以下10－1mm級(jí)，表面硬度提高了15%～20%，越接近加工表面，變形硬化越嚴(yán)重。

[1]韓榮第．《金屬切削原理與刀具》 [M]．哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社．2007,95．