影響工件表面物理機(jī)械性能的因素

劉超

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)零件的表面質(zhì)量的要求已越來(lái)越高。為了獲得合格零件，保證機(jī)器的使用性能，人們一直在研究控制和提高零件表面質(zhì)量的途徑。本文主要對(duì)影響工件表面物理機(jī)械性能進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：工件表面；物理；機(jī)械性能

1.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(guò)相變溫度后，表層金屬的金相組織將會(huì)發(fā)生變化。（1）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。（2）改善磨削燒傷的途徑磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷由兩個(gè)途徑：一是盡可能地減少磨削熱的產(chǎn)生；二是改善冷卻條件，盡量使產(chǎn)生的熱量少傳入工件。正確選擇砂輪合理選擇切削用量改善冷卻條件。

2.表面層殘余應(yīng)力

（1）產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因：①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；②切削加工中，切削區(qū)會(huì)有大量的切削熱產(chǎn)生；③不同金相組織具有不同的密度，亦具有不同的比容的變化必然要受到與相連的基體金屬的阻礙，因而就有殘余應(yīng)力產(chǎn)生。（2）工件主要工作表面最終工序加工方法的選擇。選擇零件主要工作表面最終工序加工方法，須考慮該零件主要工作表面的具體工作條件和可能的損壞形式。在交變載荷作用下，機(jī)器零件表面上的局部微觀裂紋，會(huì)因拉應(yīng)力的作用使原生裂紋擴(kuò)大，最后導(dǎo)致零件斷裂。從提高零件抵抗疲勞破壞的角度考慮，該表面最終工序應(yīng)選擇能在該表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的加工方法。在切削加工過(guò)程中，刀具對(duì)工件的擠壓和摩擦使金屬材料發(fā)生塑性變形，引起原有的殘留面積扭曲或溝紋加深，增大表面粗糙度。當(dāng)采用中等或中等偏低的切削速度切削塑性材料時(shí)，在前刀面上容易形成硬度很高的積屑瘤，它可以代替刀具進(jìn)行切削，但狀態(tài)極不穩(wěn)定，積屑瘤生成、長(zhǎng)大和脫落將嚴(yán)重影響加工表面的表面粗糙度值。另外，在切削過(guò)程中由于切屑和前刀面的強(qiáng)烈摩擦作用以及撕裂現(xiàn)象，還可能在加工表面上產(chǎn)生鱗刺，使加工表面的粗糙度增加。

3磨削表面層金相組織變化——磨削燒傷

（1）磨削表面層金相組織變化與磨削燒傷

機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱會(huì)使得工件的加工表面產(chǎn)生劇烈的溫升，當(dāng)溫度超過(guò)工件材料金相組織變化的臨界溫度時(shí)，將發(fā)生金相組織轉(zhuǎn)變。在磨削加工中，由于多數(shù)磨粒為負(fù)前角切削，磨削溫度很高，產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于切削時(shí)的熱量，而且磨削熱有60～80%傳給工件，所以極容易出現(xiàn)金相組織的轉(zhuǎn)變，使得表面層金屬的硬度和強(qiáng)度下降，產(chǎn)生殘余應(yīng)力甚至引起顯微裂紋，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。產(chǎn)生磨削燒傷時(shí)，加工表面常會(huì)出現(xiàn)黃、褐、紫、青等燒傷色，這是磨削表面在瞬時(shí)高溫下的氧化下膜顏色。不同的燒傷色，表明工件表面受到的燒傷程度不同。

磨削淬火鋼時(shí)，工件表面層由于受到瞬時(shí)高溫的作用，將可能產(chǎn)生以下三種金相組織變化：

①如果磨削表面層溫度未超過(guò)相變溫度，但超過(guò)了馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度，這時(shí)馬氏體將轉(zhuǎn)變成為硬度較低的回火索氏體或索氏體，這叫回火燒傷。

②如果磨削表面層溫度超過(guò)相變溫度，則馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，這時(shí)若無(wú)切削液，則磨削表面硬度急劇下降，表層被退火，這種現(xiàn)象稱為退火燒傷。干磨時(shí)很容易產(chǎn)生這種現(xiàn)象。

③如果磨削表面層溫度超過(guò)相變溫度，但有充分的切削液對(duì)其進(jìn)行冷卻，則磨削表面層將急冷形成二次淬火馬氏體，硬度比回火馬氏體高，不過(guò)該表面層很薄，只有幾微米厚，其下為硬度較低的回火索氏體和索氏體，使表面層總的硬度仍然降低，稱為淬火燒傷。

（2）磨削燒傷的改善措施

影響磨削燒傷的因素主要是磨削用量、砂輪、工件材料和冷卻條件。由于磨削熱是造成磨削燒傷的根本原因，因此要避免磨削燒傷，就應(yīng)盡可能減少磨削時(shí)產(chǎn)生的熱量及盡量減少傳入工件的熱量。具體可采用下列措施：

①合理選擇磨削用量 不能采用太大的磨削深度，因?yàn)楫?dāng)磨削深度增加時(shí)，工件的塑性變形會(huì)隨之增加，工件表面及里層的溫度都將升高，燒傷亦會(huì)增加；工件速度增加，磨削區(qū)表面溫度會(huì)增高，但由于熱作用時(shí)間減少，因而可減輕燒傷。

②工件材料 工件材料對(duì)磨削區(qū)溫度的影響主要取決于它的硬度、強(qiáng)度、韌性和熱導(dǎo)率。工件材料硬度、強(qiáng)度越高，韌性越大，磨削時(shí)耗功越多，產(chǎn)生的熱量越多，越易產(chǎn)生燒傷；導(dǎo)熱性較差的材料，在磨削時(shí)也容易出現(xiàn)燒傷。

③砂輪的選擇 硬度太高的砂輪，鈍化后的磨粒不易脫落，容易產(chǎn)生燒傷，因此用軟砂輪較好；選用粗粒度砂輪磨削，砂輪不易被磨削堵塞，可減少燒傷；結(jié)合劑對(duì)磨削燒傷也有很大影響，樹脂結(jié)合劑比陶瓷結(jié)合劑容易產(chǎn)生燒傷，橡膠結(jié)合劑比樹脂結(jié)合劑更易產(chǎn)生燒傷。

④冷卻條件 為降低磨削區(qū)的溫度，在磨削時(shí)廣泛采用切削液冷卻。為了使切削液能噴注到工件表面上，通常增加切削液的流量和壓力并采用特殊噴嘴，并在砂輪上安裝帶有空氣擋板的切削液噴嘴，這樣既可加強(qiáng)冷卻作用，又能減輕高速旋轉(zhuǎn)砂輪表面的高壓附著作用，使切削液順利地噴注到磨削區(qū)。此外，還可采用多孔砂輪、內(nèi)冷卻砂輪和浸油砂輪，切削液被引入砂輪的中心腔內(nèi)，由于離心力的作用，切削液再經(jīng)過(guò)砂輪內(nèi)部的孔隙從砂輪四周的邊緣甩出，這樣切削液即可直接進(jìn)入磨削區(qū)，發(fā)揮有效的冷卻作用。

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