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(duì)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(duì)于工件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)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(guò)程中刀具刃口鈍圓半徑及后刀面對(duì)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(duì)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(zhǎng),幫有利于降低表面粗糙度。
3)切削液
切削液對(duì)加工過(guò)程起冷卻和潤(rùn)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(guò)程的塑性變形,抑制積屑瘤和鱗刺的生長(zhǎng),對(duì)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(dòng)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(guò)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(guò)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(huì)及時(shí)脫落,露出新的磨粒來(lái)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(lái)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?lái)不及塑性變形,因而提高砂輪速度有利于降低表面粗糙度。增大磨削深度和提高工件速度會(huì)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(wú)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(duì)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(duì)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(huì)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(guò)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(zhǎng)和纖維化,甚至破碎,這些都會(huì)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?gòu)?qiáng)化的結(jié)果,會(huì)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(huì)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(zhǎng)短和強(qiáng)化程度的大小。由于金屬在機(jī)械加工過(guò)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(lái)分析,切削刃鈍圓半徑增大,對(duì)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(lái)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(duì)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(lái)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(guò)相變溫度后,表層金屬的金相組織將會(huì)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(huì)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(guò)淬火鋼的相變溫度,但已超過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)了相變溫度,而磨削區(qū)域又無(wú)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(guò)大及工件速度過(guò)低都會(huì)使燒傷增加。
2)砂輪粒度過(guò)細(xì)、硬度過(guò)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(huì)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(guò)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(guò)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(duì)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(huì)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(huì)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(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。
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(zhǎng)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(duì)加工表面質(zhì)量影響的規(guī)律,以便運(yùn)用這些規(guī)律來(lái)控制加工過(guò)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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