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        金屬加工表面質(zhì)量的影響因素及改進措施

        2016-12-29 00:40:09劉曉敏天津職業(yè)大學
        大陸橋視野 2016年24期
        關(guān)鍵詞:表面層表面質(zhì)量機械加工

        劉曉敏/天津職業(yè)大學

        金屬加工表面質(zhì)量的影響因素及改進措施

        劉曉敏/天津職業(yè)大學

        機械加工表面質(zhì)量,是指零件在機械加工后被加工面的微觀不平度,也叫粗糙度,其加工后的表面質(zhì)量直接影響被加工件的物理、化學及力學性能。分析機械加工過程中影響加工表面質(zhì)量的各種工藝因素,改善表面質(zhì)量、提高產(chǎn)品使用性能具有重要的意義

        粗糙度;機械加工工藝;金屬切削

        1.表面質(zhì)量的含義

        任何機械加工的表面,不可能是理想的光滑表面,總是存在一定的微觀幾何形狀誤差。表面材料在加工時受切削力、切削熱的影響,也會使原有的物理-機械性能發(fā)生變化。表面質(zhì)量包括:

        (1)加工表面粗糙度。是指加工表面的較小間距和微小峰谷的微觀幾何形狀誤差。

        (2)表面層的物理——機械性能變化。物理-機械性能變化主要有以下三個方面的內(nèi)容:

        ①表面層的冷作硬化。在機械加工過程中,工件表面層金屬產(chǎn)生了強烈的塑性變化,使表層的強度和硬度都有所提高,稱表面冷作硬化。

        ②表面層殘余應(yīng)力。在切削加工過程中,由于切削變形和切削熱的影響,在加工表面會產(chǎn)生殘余應(yīng)力,如果殘余應(yīng)力超過材料的屈服強度,就會產(chǎn)生表面裂紋,表面的微觀裂紋將給零件帶來嚴重的隱患。

        ③表面層金相組織的變化。工件表面經(jīng)磨削精加工時,磨削產(chǎn)生的高溫,會燒壞工作表面,使淬火鋼件表面退火,引起表層金屬發(fā)生相變,將大大降低表面層的物理-機械性能。

        2.機械加工表面質(zhì)量對機器使用性能的影響

        2.1對耐磨性的影響

        (1)表面粗糙度對零件表面磨損的影響。表面粗糙度值愈小,其耐磨損性愈好。但表面粗糙度值太小,潤滑油不易儲存,接觸面之間容易發(fā)生分子粘接,磨損反而增加。

        (2)表面冷作硬化對耐磨性的影響。加工表面的冷作硬化一般可使耐磨性提高。但過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。

        2.2對疲勞強度的影響

        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)量對疲勞強度影響很大。

        (1)表面粗糙度對疲勞強度的影響。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,抗疲勞破壞的能力就愈差。

        (2)殘余應(yīng)力、冷作硬化對疲勞強度的影響。表面層殘余拉應(yīng)力,將使疲勞裂紋擴大,加速疲勞破壞;而表面層殘余壓應(yīng)力,能夠阻止疲勞裂紋的擴展,延緩疲勞破壞的產(chǎn)生;表面冷硬化一般伴有殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生,可以防止裂紋產(chǎn)生并阻止已有裂紋的擴展,對提高疲勞強度有利。

        2.3對耐蝕性的影響

        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,抗蝕性就愈差;表面層的殘余拉應(yīng)力,會產(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。

        2.4對配合質(zhì)量的影響

        對于間隙配合,粗糙度值大會使磨損加大,間隙增大,破壞了要求的配合性質(zhì);對于過盈配合,裝配過程中一部分表面凸峰被擠平,實際過盈量減小,降低了配合件間的聯(lián)接強度。

        3.影響表面粗糙度的因素

        (1)切削加工影響表面粗糙度的因素。在加工表面留下了切削層殘留面積,其形狀是刀具幾何形狀的復映。減小進給量 vf、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。

        (2)工件材料的性質(zhì)。加工塑性材料時,由于刀具對金屬的擠壓,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。加工脆性材料時,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,使表面粗糙度增大。

        (3)磨削加工影響表面粗糙度的因素。

        ①砂輪的粒度與硬度。砂輪硬度應(yīng)適當,應(yīng)使磨粒鈍后會及時脫落,露出新的磨粒來繼續(xù)切削,即具有良好的“自礪性”。

        ②砂輪的修整。砂輪應(yīng)及時修整,以去除已鈍化的磨粒,保證砂輪具有微刃性和等高性。

        ③磨削速度、徑向進給量、光磨次數(shù)、工件圓周進給速度與軸向進給量。減小磨削用量和提高砂輪速度,可以增加工件單位面積上的刻痕數(shù),同時可降低因塑性變形造成的表面粗糙度。

        ④切削液。切削液對加工過程起冷卻和潤滑作用,能降低切削區(qū)的溫度,減少刀刃與工件的摩擦。

        ⑤工件材質(zhì)。工件材料的硬度、塑性、韌性和導熱性能等,對表面粗糙度有顯著的影響。工件材料太硬時,磨粒易鈍化;太軟時,砂輪易堵塞;韌性大和導熱性能差的材料,使磨粒早期崩落,而破壞了微刃的等高性,因而均使表面粗糙度增高。

        4.影響加工表面層物理機械性能的因素

        4.1冷作硬化及其因素

        (1)金屬的冷作硬化。在機械加工過程中,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,晶粒被拉長和纖維化,甚至破碎,這些都會使表面層金屬的硬度和強度提高,這種現(xiàn)象稱為冷作硬化。

        (2)影響冷作硬化的主要因素。切削刃鈍圓半徑增大,塑性變形加劇,導致冷硬增強。刀具后刀面磨損增大,塑性變形增大,導致冷硬增強。切削速度增大,塑性變形擴展深度減小,冷硬層深度減小。進給量增大,冷硬作用加強。工件材料的塑性愈大,冷作硬化現(xiàn)象就愈嚴重。

        4.2表面層材料金相組織的變化

        (1)磨削燒傷。當被磨工件表面層的溫度達到相變溫度以上時,表層金屬發(fā)生金相組織的變化,使表層金屬強度和硬度降低,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)表面層殘余應(yīng)力。在切削力作用下,表面層受拉應(yīng)力作用,產(chǎn)生伸長塑性變形,表面積趨向增大,里層處于彈性變形狀態(tài)下。當切削力去除后,里層金屬趨向復原,但受到表面層的限制,恢復不到原狀,因而在表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,里層則為拉應(yīng)力與之相平衡。

        (3)熱塑性變形的影響。表面層在切削熱的作用下產(chǎn)生熱膨脹,此時基體溫度較低,因此表面層熱膨脹受基體的限制產(chǎn)生熱壓縮應(yīng)力。當表面層的溫度超過材料的彈性變形范圍時,就會產(chǎn)生熱塑性變形。當切削過程結(jié)束,溫度下降至與基體溫度一致時,因為表面層已產(chǎn)生熱塑性變形,但受到基體的限制產(chǎn)生了殘余拉應(yīng)力,里層則產(chǎn)生了壓應(yīng)力。

        (4)金相組織變化的影響。切削時產(chǎn)生的高溫,會引起表面層的相變。表面層體積膨脹時,因受到基體的限制,產(chǎn)生了壓應(yīng)力。反之,表面層體積縮小,則產(chǎn)生拉應(yīng)力。

        5.結(jié)束語

        機械加工表面對機器零件的使用性能如耐磨性、接觸剛度、疲勞強度、配合性質(zhì)、抗腐蝕性能及精度的穩(wěn)定性等有很大的影響,因此對機器零件的重要表面應(yīng)提出一定的表面質(zhì)量要求。影響表面質(zhì)量的因素是多方面的,應(yīng)該綜合考慮各方面的因素,對表面質(zhì)量根據(jù)需要提出比較經(jīng)濟適用性的要求。

        [1]于駿一,夏卿,包善斐.機械制造工藝學[M].長春:吉林教育出版社,1985.

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