機械加工中影響表面物理機械性能變化因素分析

趙文英 李曉妍

【摘 要】機械加工中的表面物理機械性能的變化對其表面質(zhì)量有很大影響。

【關(guān)鍵詞】機械加工；表面物理；機械性能；變化因素

一、機械加工成件的表面質(zhì)量跟產(chǎn)品性能的關(guān)系

一般來說無論什么機械零件的使用都是難免有損耗的，這種損耗是無法避免的，只要零件在運轉(zhuǎn)，只要機械在運轉(zhuǎn)就會有，然而這種損耗并不是一下子出現(xiàn)的而是在不斷的日常中的運轉(zhuǎn)和使用中日益累積造成的，而零件的損耗會隨著時間的推移分為不同的階段，在進行研究的時候我們一般會將整個損耗過程分為初期磨損，正常磨損及劇烈磨損三個不同的階段，零件的使用時間越長這三個階段的特征就會越明顯，而三個階段設(shè)備的零件磨損程度更是不一樣。對于機械零件來說，表面越光滑，設(shè)備對于零件的磨損就會越小，相對的其抗磨損的能力也就更強，但是考慮到潤滑油的存儲也不能過于光滑，需要保持一個相對穩(wěn)定的度，還有就是往往一個零件表面的光滑程度也是能夠衡量這個零件是否能夠具有較強的抗腐蝕性的重要標準，越光滑抗腐蝕能力就越強。

二、機械加工中影響表面物理機械性能變化因素分析

1、表面層的冷作硬化

表面層顯微硬度的變化，是加工時塑性變形引起的冷作硬化和切削熱引起的金相組織變化綜合作用的結(jié)果。加工過程中表面層產(chǎn)生的塑性變形使晶體間產(chǎn)生剪切滑移，晶格嚴重扭曲，并產(chǎn)生晶粒的拉長、破碎和纖維化，引起材料的硬化，其強度和硬度均有所提高，這種變化的結(jié)果即形成冷作硬化。

（1）冷作硬化的特點。變形抵抗力提高（屈服點提高），塑性降低（相對延伸率降低）。金屬冷作硬化的結(jié)果，使金屬處于高能位不穩(wěn)定狀態(tài)，只要一有條件，金屬的冷硬結(jié)構(gòu)本能地向比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為弱化（回復(fù)）。機械加工過程中產(chǎn)生的切削熱，將使金屬在塑性變形中產(chǎn)生的冷硬現(xiàn)象得到恢復(fù)。由于金屬在機械加工過程中同時受到力因素和熱因素的作用，機械加下后表面層金屬的最后性質(zhì)取決于強化和弱化兩個過程的綜合。表面層的硬化程度決定于產(chǎn)生塑性變形的力、變形速度及變形時的溫度。力愈大，塑性變形大，則硬化程度嚴重。變形速度快，塑性變形不充分，硬化程度減弱。（2）影響冷作硬化的因素。①刀具：刀具刃口圓角和后刀面磨損量增加時，冷硬層深度和硬度也隨之增高。②切削用量：切削速度增大時，刀具與工件接觸時間短，塑形變形程度減小，硬化層深度和硬度都有所減小。進給量增大時，切削力增大，塑性變形也增大，硬化現(xiàn)象加強；但當進給量過小，由于刀刃圓弧在加工表面單位長度上的擠壓次數(shù)增多，硬化程度也會增大。③工件材質(zhì)：工件材料的硬度愈低，塑形愈大時，切削后的冷硬現(xiàn)象愈加重。

2、加工表面的金相組織變化

切削加工中，由于加工所消耗的能量絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能，因此在加工區(qū)，尤其在加工表面溫度將上升。溫度升高到超過金相組織變化的臨界點時，就會引起金相組織變化。對于一般的切削加工，切削熱大部分被切削帶走，加工表面溫度較低，其影響不甚嚴重。但對單位切削功率消耗特別多的一些加工方法，就會出現(xiàn)表面層的金相組織變化。磨削的單位切削力比其它加工方法大數(shù)十倍，其切削速度又特別高，所以磨削的單位切削功率消耗遠遠大于其它加工方法。如此大的功率消耗絕大部分轉(zhuǎn)化為磨削熱，其中大部分熱量傳給工件，引起工件表面金相組織變化。影響磨削燒傷的因素主要有：

（1）磨削用量。磨削深度。當磨削深度增加時，無論工件表面溫度，還是表面層下不同深度的溫度，都隨之升高。故燒傷會增加。工件縱向進給量?？v磨時工件縱向進給量增加，工件表面溫度及表層下不同深度的溫度都會降低，燒傷將減少。但為彌補縱向進給量增大而導(dǎo)致表面粗糙度增大的缺陷，可采用較寬的砂輪。工件速度。當工件速度增加時，磨削區(qū)的溫度會上升，其影響與磨削深度相比則小得多。但提高工件速度，會導(dǎo)致工件表面更為粗糙。為彌補此缺陷，一般可提高砂輪速度。

（2）冷卻方法。采用切削液帶走磨削區(qū)的熱量可以避免燒傷。常用的冷卻方法效果較差，由于砂輪高速旋轉(zhuǎn)時，圓周方向產(chǎn)生強大氣流，使切削液很難進入磨削區(qū)。如圖1所示，切削液不易進入磨削區(qū)AB，且大量傾注在已經(jīng)離開磨削區(qū)的加工面上，這時燒傷早已產(chǎn)生。為改善冷卻方法，可采用圖2所示的內(nèi)冷法，即將經(jīng)過嚴格過濾的冷卻液通過中空主軸引進砂輪的中空腔內(nèi)。由于離心力的作用，將切削液沿砂輪孔隙向四周甩出，直接冷卻磨削區(qū)；另外，冷卻液噴嘴加裝空氣擋板可減輕砂輪圓周表面的高壓氣流作用使冷卻液易進入磨削區(qū)（如圖3）。

3、加工表面層的殘余應(yīng)力

工件經(jīng)機械加工后，其表面層都存在殘余應(yīng)力。殘余壓應(yīng)力可提高工件表面的耐磨性和受拉應(yīng)力時的疲勞強度，殘余拉應(yīng)力的作用正好相反。若拉應(yīng)力值超過工件材料的疲勞強度極限時，則使工件表面產(chǎn)生裂紋，加速工件的損壞。

（1）產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因

①冷塑性變形的影響機械加工時，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，體積膨脹，則因受基體材料制約就會在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而在里層金屬中產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。

②熱塑性變形的影響

機械加工時，切削區(qū)會有大量的切削熱產(chǎn)生，表面層與里層金屬間產(chǎn)生很大的溫度梯度。冷卻時，表面層收縮從而形成較大的殘余拉應(yīng)力，而在里層金屬中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

③金相組織的影響

切削時的高溫會引起表面層金相組織變化。由于不同金相組織有不同的密度，亦具有不同的比容。

當表層金屬體積膨脹，則因受基體材料制約就會在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力；相反，則表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。殘余拉應(yīng)力超過材料屈服極限時，產(chǎn)生表面裂紋。各種金相組織中馬氏體比重最小，奧氏體比重最大。

以淬火鋼磨削加工為例說明表面變相所引起的殘余應(yīng)力。

淬火鋼原來的組織是馬氏體，磨削加工后，表面層可能回火轉(zhuǎn)化為接近珠光體的屈氏體或索氏體，因體積縮小，表面層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。如果表層出現(xiàn)超過750-800℃的高溫，則除了稍深處有回火現(xiàn)象外，表面由于冷卻速度快還可能出現(xiàn)二次淬火，則表面層產(chǎn)生二次淬火馬氏體，其體積比里層的回火組織大，因而表層產(chǎn)生壓應(yīng)力，里層產(chǎn)生拉應(yīng)力。

（2）影響殘余應(yīng)力的工藝因素

影響殘余應(yīng)力的工藝因素主要是刀具的前角、切削速度以及工件材料的性質(zhì)和冷卻潤滑液。具體的情況則看其對切削時的塑性變形、切削溫度和金相組織變化的影響程度而定。一般來說，低速車削時，切削熱的作用起主導(dǎo)作用；高速切削時，表層金屬的淬火進行得較充分，金相組織變化因素起主導(dǎo)作用。一般來說，工件材料的強度越高、導(dǎo)熱性越差、塑性越低，在磨削時表面金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的傾向就越大。

三、提高機械加工質(zhì)量

1、對癥下藥，那些部件容易出現(xiàn)誤差要認真對待，選用質(zhì)量過硬的部件，比如夾具，刀具和一些其他的基本的工具的精度和剛度，控制好溫度以免造成誤差，在日常的維護工作當中要及時的發(fā)現(xiàn)誤差，找到根本原因進行改正，精密的加工更是需要提升整個機床的精度以達到相應(yīng)的要求。

2、誤差補償發(fā)現(xiàn)誤差之后通過人為制造出相應(yīng)的誤差進行補償使得部件達到相應(yīng)的標準。

3、分化誤差，出現(xiàn)一定程度上的誤差之后需要把原始的誤差進行分化，找出誤差的反應(yīng)出的基本情況及基本規(guī)律特征，也就是說把風(fēng)險的統(tǒng)一調(diào)整劃分，將誤差類別想死的工件集中到一起，使得誤差的影響分散到幾個不同的部分，分化誤差造成的影響。

結(jié)束語

綜上所述，在進行工件的加工過程中，機械加工表面的質(zhì)量對機械零件的質(zhì)量等有著很深的影響，這需要我們在機床加工過程中要根據(jù)不同的機械產(chǎn)品加工要求，采取不同的加工手段與措施，促進機械產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

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