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淺談加工表面粗糙度和物理力學(xué)性能的影響因素研究
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。表面面質(zhì)量對零件耐磨性、疲勞強(qiáng)度、耐蝕性、配合質(zhì)量都有嚴(yán)重的影響。機(jī)械機(jī)械加工表面質(zhì)量的內(nèi)容主要包括：表面粗糙度、表面層的物理力學(xué)性能和表面波度等。本文主要以影響加工表面粗糙度和加工表面物理力學(xué)性能變化的因素進(jìn)行分析研究。
1 影響表面粗糙度的因素
1.1 切削加工影響表面粗糙度的因素
從幾何因素方面分析，刀具相對于工件作進(jìn)給運(yùn)動時(shí)，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(fù)映。殘留面積的大小與進(jìn)給量、刀尖圓弧半徑及刀具的主偏角、副偏角有關(guān)。對于寬刃刀具、定尺寸刀具和成形刀具等，其切削刃本身的表面粗糙度對加工表面粗糙度的影響也很大。
從物理因素方面分析，主要是切削過程中刀具刃口鈍圓半徑及后刀面對工件的擠壓、摩擦作用使金屬材料發(fā)生塑性變形，使表面粗糙度惡化。當(dāng)?shù)退偾邢魉苄圆牧希ㄈ绲吞间摵筒讳P鋼等）時(shí)，由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，產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，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。當(dāng)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。精加工時(shí)，因切削深度小，刀刃容易打滑，也影響表面粗糙度。
綜上所述，在切削加工中影響表面粗糙度的工藝因素主要有：
1）切削用量
切削速度v在一定的范圍內(nèi)容易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺；減少進(jìn)給量f可降低殘留面積高度。因些合理選擇切削用量是降低粗糙度的重要條件。
2）刀具材料和幾何參數(shù)
實(shí)踐表明，在切削條件相同時(shí)，用硬質(zhì)合金刀具加工的工作表面粗糙度比用高速鋼刀具加工的低。用金鋼石車刀加工因不易形成積屑瘤，故可獲得粗糙度很低的表面。
刀類圓弧半徑rE、主偏角KC和副偏角kcC均影響殘留面積的大小。因些適當(dāng)減小rE、KC和kcC可使表面粗糙度變低。前角C1增大可抑制積屑瘤和鱗刺的生長，幫有利于降低表面粗糙度。
3）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，從而減少切削過程的塑性變形，抑制積屑瘤和鱗刺的生長，對降低表面粗糙度有很大作用。
1.2 磨削加工影響表面粗糙度的因素
磨削加工表面是由砂輪表面上磨粒的切削運(yùn)動所刻劃和滑擦出的溝痕所形成的表面，單位面積上的刻痕愈多，刻痕的細(xì)密越均勻，則表面粗糙度愈低。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，不僅有幾何因素，而且還有表面金屬的塑性變形等物理因素的影響。因?yàn)槟チ４蠖鄶?shù)呈負(fù)前角，切削刃又不鋒利，切削深度僅”.2左右，所以大多數(shù)磨粒經(jīng)滑擦-耕犁兩階段后才起切削作用。加工表面在多次擠壓下，反復(fù)出現(xiàn)塑性變形，又由于磨削區(qū)溫度高，使塑性變形加快，從而進(jìn)一步提高表面粗糙度。
綜上所述，磨削加工中影響磨削表面粗糙度的工藝因素主要有：
1）砂輪的粒度、硬度、修整
砂輪的粒度愈細(xì)，即單位面積上的磨粒數(shù)愈多，則加工表面的刻痕愈細(xì)密，表面粗糙度愈低。但若粒度過細(xì)，則容易堵塞砂輪而使工件表面塑性變形增加，從而影響表面粗糙度的降低。
砂輪硬度應(yīng)適當(dāng)，應(yīng)使磨粒鈍后會及時(shí)脫落，露出新的磨粒來繼續(xù)切削，即具有良好的“自礪性”.砂輪應(yīng)及時(shí)修整，以去除已鈍化的磨粒，保證砂輪具有微刃性和等高性。用金剛石修整砂輪相當(dāng)于在砂輪上“車削”外圓，縱向和橫向的進(jìn)給量愈小，修整出來的砂輪表面的微刃性和等高性就愈好，磨出工件表面的粗糙度也愈低。
2）磨削用量
提高砂輪速度，可以增加工件單位面積上的刻痕數(shù)，同時(shí)可降低因塑性變形造成的表面粗糙度。因?yàn)樵诟咚倌ハ飨履ハ鞅砻鎭聿患八苄宰冃危蚨岣呱拜喫俣扔欣诮档捅砻娲植诙�。增大磨削深度和提高工件速度會使塑性變形加劇，從而增高粗糙度。為了提高磨削效率，通常在開始磨削時(shí)采用較大的磨削深度，而在磨削后期采用小的磨削深度或進(jìn)行無進(jìn)給磨削（光磨），以降低表面粗糙度。
3）工件材料
工件材料的硬度、塑性、韌性和導(dǎo)熱性能等對表面粗糙度有顯著的影響。工件材料太硬時(shí)，磨粒易鈍化；太軟時(shí)砂輪易堵塞；韌性大和導(dǎo)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）磨削液及其它
磨削液對減小磨削力、降低磨削溫度及減少砂輪磨損等都有良好的效果。磨削工藝系統(tǒng)的剛度、主軸的回轉(zhuǎn)精度及砂輪的平衡等都影響砂輪與工件的瞬時(shí)接觸狀態(tài)，從而影響表面粗糙度。
2 影響加工表面層物理力學(xué)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)械性能的變化會很大。
2.1 表面層冷作硬化
1）加工表面冷作硬化
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，晶粒被拉長和纖維化，甚至破碎，這些都會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）。表面層金屬強(qiáng)化的結(jié)果，會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。
2）影響冷作硬化的主要因素
從刀具幾何參數(shù)來分析，切削刃鈍圓半徑增大，對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)。刀具前角增大可減少塑性變形，使冷硬程度降低。
從切削用量來分析，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，同時(shí)，隨著切削速度的提高，切削溫度亦隨著提高，有助于冷硬回復(fù)作用，使冷硬程度降低。
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)。但若進(jìn)給量太小，由于刀具對工件的擠壓次數(shù)增多，使冷硬程度反而增高。
從工件材料的性質(zhì)來看，工件材料的塑性愈大，冷硬現(xiàn)象就愈嚴(yán)重。
2.2 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發(fā)生變化。一般切削加工中，大部分切削熱被切屑帶走，因此影響甚小。
但磨削時(shí)，磨削區(qū)的瞬時(shí)溫度很高，有時(shí)可達(dá)1000以上，會引起加工表面金相組織發(fā)生變化，使表層硬度下降，并產(chǎn)生表面殘余拉應(yīng)力和細(xì)微裂紋，從而降低零件的物理力學(xué)性能，這就是磨削燒傷現(xiàn)象。
2.2.1 磨削燒傷的分類
在磨削淬火鋼時(shí)，可能產(chǎn)生以下三種燒傷：
1）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。
2）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。
3）退火燒傷如果磨削區(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。
2.2.2 引起磨削燒傷的主要因素
1）砂輪速度、磨削深度過大及工件速度過低都會使燒傷增加。
2）砂輪粒度過細(xì)、硬度過高及與工作的接觸面積太大都易產(chǎn)生燒傷。
3）工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)小，磨削區(qū)溫度高，則易燒傷。
4）冷卻方式不當(dāng)，冷卻液不易進(jìn)入磨削區(qū)，冷卻效果差等。
2.3 表面層殘余應(yīng)力
工件表面經(jīng)機(jī)械加工后都會存在殘余應(yīng)力。殘余壓應(yīng)力可提高表面層的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，而殘余拉應(yīng)力則使耐磨性和疲勞強(qiáng)度降低。若拉應(yīng)力超過工件材料的疲勞強(qiáng)度極限，則使工件表面產(chǎn)生裂紋，加速工件損壞。
2.3.1 產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因
1）熱塑性變形的影響切削加工時(shí)，在切削熱的作用下工件表層的局部溫度比里層溫度高得多，因此表層的熱膨脹比里層大。當(dāng)切削過后，表層溫度下降也快，故冷收縮變形也比里層大，但受里層金屬的阻礙，于是在工件表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。切削溫度愈高，則表層熱塑性變形愈大，殘余拉應(yīng)力也愈大，有時(shí)甚至產(chǎn)生裂紋。
2）冷塑性變形的影響在切削力的作用下，加工表面受到很大的冷塑性變形，加之切削刀具對已加工表面的擠壓，使表層金屬向兩邊塑性伸展，但受到里層金屬的限制，因而工件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。
3）金相組織的影響切削時(shí)產(chǎn)生的高溫會引起表面層的金相組織變化，由于不同的金相組織有不同的密度，故會引起體積的變化。當(dāng)表面層體積膨脹時(shí)，因受到里層金屬的牽制而產(chǎn)生壓應(yīng)力；反之，當(dāng)表面層體積體積縮小時(shí)，則產(chǎn)生拉應(yīng)力。
實(shí)際上，加工表面層的殘余應(yīng)力是上述三種因素綜合影響的結(jié)果。在一定條件下，也可能由其中某一二利因素起主導(dǎo)作用。如在切削加工中，切削熱不高，以冷塑性變形為主，加工表面層將產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。而磨削時(shí)溫度較高，熱變形和相孌起主導(dǎo)作用，則表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。
2.3.2 零件主要工作表面最終工序加工方法的選擇
零件主要工作表面最終工序加工方法的選擇至關(guān)重要，因?yàn)樽罱K工序在該工作表面留下的殘余應(yīng)力將直接影響機(jī)器零件的使用性能。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破壞形式。
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。
3 結(jié)論
在機(jī)械零件的機(jī)械機(jī)械加工中，加工表面產(chǎn)生的表面微觀幾何形狀誤差和表面物理力學(xué)性能的變化，雖然只發(fā)生在很薄的表面層，但長期的實(shí)踐證明它們都影響機(jī)器零件的使用性能。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。
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