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加工表面粗糙度和物理力学性能的影响因素研究

时间:2015-10-27 来源:未知 作者:小韩 本文字数:4232字

  机械零件的破坏,一般总是从表面层开始的。产品的性能,尤其是它的可靠性和耐久性,在很大程度上取决于零件表面层的质量。表面面质量对零件耐磨性、疲劳强度、耐蚀性、配合质量都有严重的影响。机械机械加工表面质量的内容主要包括:表面粗糙度、表面层的物理力学性能和表面波度等。本文主要以影响加工表面粗糙度和加工表面物理力学性能变化的因素进行分析研究。

  1 影响表面粗糙度的因素

  1.1 切削加工影响表面粗糙度的因素

  从几何因素方面分析,刀具相对于工件作进给运动时,在加工表面留下了切削层残留面积,其形状是刀具几何形状的复映。残留面积的大小与进给量、刀尖圆弧半径及刀具的主偏角、副偏角有关。对于宽刃刀具、定尺寸刀具和成形刀具等,其切削刃本身的表面粗糙度对加工表面粗糙度的影响也很大。

  从物理因素方面分析,主要是切削过程中刀具刃口钝圆半径及后刀面对工件的挤压、摩擦作用使金属材料发生塑性变形,使表面粗糙度恶化。当低速切削塑性材料(如低碳钢和不锈钢等)时,由刀具对金属的挤压产生了塑性变形,加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用,产生积屑瘤和鳞刺,使表面粗糙度值加大。工件材料韧性愈好,金属的塑性变形愈大,加工表面就愈粗糙。当加工脆性材料时,其切屑呈碎粒状,由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点,使表面粗糙。精加工时,因切削深度小,刀刃容易打滑,也影响表面粗糙度。

  综上所述,在切削加工中影响表面粗糙度的工艺因素主要有:

  1)切削用量

  切削速度v在一定的范围内容易产生积屑瘤和鳞刺;减少进给量f可降低残留面积高度。因些合理选择切削用量是降低粗糙度的重要条件。

  2)刀具材料和几何参数

  实践表明,在切削条件相同时,用硬质合金刀具加工的工作表面粗糙度比用高速钢刀具加工的低。用金钢石车刀加工因不易形成积屑瘤,故可获得粗糙度很低的表面。

  刀类圆弧半径rE、主偏角KC和副偏角kcC均影响残留面积的大小。因些适当减小rE、KC和kcC可使表面粗糙度变低。前角C1增大可抑制积屑瘤和鳞刺的生长,帮有利于降低表面粗糙度。

  3)切削液

  切削液对加工过程起冷却和润滑作用,能降低切削区的温度,减少刀刃与工件的摩擦,从而减少切削过程的塑性变形,抑制积屑瘤和鳞刺的生长,对降低表面粗糙度有很大作用。

  1.2 磨削加工影响表面粗糙度的因素

  磨削加工表面是由砂轮表面上磨粒的切削运动所刻划和滑擦出的沟痕所形成的表面,单位面积上的刻痕愈多,刻痕的细密越均匀,则表面粗糙度愈低。正像切削加工时表面粗糙度的形成过程一样,磨削加工表面粗糙度的形成,不仅有几何因素,而且还有表面金属的塑性变形等物理因素的影响。因为磨粒大多数呈负前角,切削刃又不锋利,切削深度仅”.2左右,所以大多数磨粒经滑擦-耕犁两阶段后才起切削作用。加工表面在多次挤压下,反复出现塑性变形,又由于磨削区温度高,使塑性变形加快,从而进一步提高表面粗糙度。

  综上所述,磨削加工中影响磨削表面粗糙度的工艺因素主要有:

  1)砂轮的粒度、硬度、修整

  砂轮的粒度愈细,即单位面积上的磨粒数愈多,则加工表面的刻痕愈细密,表面粗糙度愈低。但若粒度过细,则容易堵塞砂轮而使工件表面塑性变形增加,从而影响表面粗糙度的降低。

  砂轮硬度应适当,应使磨粒钝后会及时脱落,露出新的磨粒来继续切削,即具有良好的“自砺性”.砂轮应及时修整,以去除已钝化的磨粒,保证砂轮具有微刃性和等高性。用金刚石修整砂轮相当于在砂轮上“车削”外圆,纵向和横向的进给量愈小,修整出来的砂轮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

  提高砂轮速度,可以增加工件单位面积上的刻痕数,同时可降低因塑性变形造成的表面粗糙度。因为在高速磨削下磨削表面来不及塑性变形,因而提高砂轮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会使塑性变形加剧,从而增高粗糙度。为了提高磨削效率,通常在开始磨削时采用较大的磨削深度,而在磨削后期采用小的磨削深度或进行无进给磨削(光磨),以降低表面粗糙度。

  3)工件材料

  工件材料的硬度、塑性、韧性和导热性能等对表面粗糙度有显着的影响。工件材料太硬时,磨粒易钝化;太软时砂轮易堵塞;韧性大和导热性能差的材料,使磨粒早期崩落而破坏了微刃的等高性,因而均使表面粗糙度增高。

  4)磨削液及其它

  磨削液对减小磨削力、降低磨削温度及减少砂轮磨损等都有良好的效果。磨削工艺系统的刚度、主轴的回转精度及砂轮的平衡等都影响砂轮与工件的瞬时接触状态,从而影响表面粗糙度。

  2 影响加工表面层物理力学性能的因素

  在切削加工中,工件由于受到切削力和切削热的作用,使表面层金属的物理机械性能产生变化,最主要的变化是表面层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重,因而磨削加工后加工表面层上述三项物理机械性能的变化会很大。

  2.1 表面层冷作硬化

  1)加工表面冷作硬化

  机械加工过程中因切削力作用产生的塑性变形,使晶格扭曲、畸变,晶粒间产生剪切滑移,晶粒被拉长和纤维化,甚至破碎,这些都会使表面层金属的硬度和强度提高,这种现象称为冷作硬化(或称为强化)。表面层金属强化的结果,会增大金属变形的阻力,减小金属的塑性,金属的物理性质也会发生变化。

  被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态,只有一有可能,金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化,这种现象称为弱化。弱化作用的大小取决于温度的高低、温度持续时间的长短和强化程度的大小。由于金属在机械加工过程中同时受到力和热的作用,因此,加工后表层金属的最后性质取决于强化和弱化综合作用的结果。

  2)影响冷作硬化的主要因素

  从刀具几何参数来分析,切削刃钝圆半径增大,对表层金属的挤压作用增强,塑性变形加剧,导致冷硬增强。刀具后刀面磨损增大,后刀面与被加工表面的摩擦加剧,塑性变形增大,导致冷硬增强。刀具前角增大可减少塑性变形,使冷硬程度降低。

  从切削用量来分析,切削速度增大,刀具与工件的作用时间缩短,使塑性变形扩展深度减小,冷硬层深度减小,同时,随着切削速度的提高,切削温度亦随着提高,有助于冷硬回复作用,使冷硬程度降低。

  进给量增大,切削力也增大,表层金属的塑性变形加剧,冷硬作用加强。但若进给量太小,由于刀具对工件的挤压次数增多,使冷硬程度反而增高。

  从工件材料的性质来看,工件材料的塑性愈大,冷硬现象就愈严重。

  2.2 表面层材料金相组织变化

  当切削热使被加工表面的温度超过相变温度后,表层金属的金相组织将会发生变化。一般切削加工中,大部分切削热被切屑带走,因此影响甚小。

  但磨削时,磨削区的瞬时温度很高,有时可达1000以上,会引起加工表面金相组织发生变化,使表层硬度下降,并产生表面残余拉应力和细微裂纹,从而降低零件的物理力学性能,这就是磨削烧伤现象。

  2.2.1 磨削烧伤的分类

  在磨削淬火钢时,可能产生以下三种烧伤:

  1)回火烧伤如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度,但已超过马氏体的转变温度,工件表层金属的回火马氏体组织将转变成硬度较低的回火组织(索氏体或托氏体),这种烧伤称为回火烧伤。

  2)淬火烧伤如果磨削区温度超过了相变温度,再加上冷却液的急冷作用,表层金属发生二次淬火,使表层金属出现二次淬火马氏体组织,其硬度比原来的回火马氏体的高,在它的下层,因冷却较慢,出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织(索氏体或托氏体),这种烧伤称为淬火烧伤。

  3)退火烧伤如果磨削区温度超过了相变温度,而磨削区域又无冷却液进入,表层金属将产生退火组织,表面硬度将急剧下降,这种烧伤称为退火烧伤。

  2.2.2 引起磨削烧伤的主要因素

  1)砂轮速度、磨削深度过大及工件速度过低都会使烧伤增加。

  2)砂轮粒度过细、硬度过高及与工作的接触面积太大都易产生烧伤。

  3)工件材料的导热系数小,磨削区温度高,则易烧伤。

  4)冷却方式不当,冷却液不易进入磨削区,冷却效果差等。

  2.3 表面层残余应力

  工件表面经机械加工后都会存在残余应力。残余压应力可提高表面层的耐磨性和疲劳强度,而残余拉应力则使耐磨性和疲劳强度降低。若拉应力超过工件材料的疲劳强度极限,则使工件表面产生裂纹,加速工件损坏。

  2.3.1 产生残余应力的原因

  1)热塑性变形的影响切削加工时,在切削热的作用下工件表层的局部温度比里层温度高得多,因此表层的热膨胀比里层大。当切削过后,表层温度下降也快,故冷收缩变形也比里层大,但受里层金属的阻碍,于是在工件表面产生残余拉应力。切削温度愈高,则表层热塑性变形愈大,残余拉应力也愈大,有时甚至产生裂纹。

  2)冷塑性变形的影响在切削力的作用下,加工表面受到很大的冷塑性变形,加之切削刀具对已加工表面的挤压,使表层金属向两边塑性伸展,但受到里层金属的限制,因而工件表面产生残余压应力。

  3)金相组织的影响切削时产生的高温会引起表面层的金相组织变化,由于不同的金相组织有不同的密度,故会引起体积的变化。当表面层体积膨胀时,因受到里层金属的牵制而产生压应力;反之,当表面层体积体积缩小时,则产生拉应力。

  实际上,加工表面层的残余应力是上述三种因素综合影响的结果。在一定条件下,也可能由其中某一二利因素起主导作用。如在切削加工中,切削热不高,以冷塑性变形为主,加工表面层将产生残余压应力。而磨削时温度较高,热变形和相娈起主导作用,则表面产生残余拉应力。

  2.3.2 零件主要工作表面最终工序加工方法的选择

  零件主要工作表面最终工序加工方法的选择至关重要,因为最终工序在该工作表面留下的残余应力将直接影响机器零件的使用性能。选择零件主要工作表面最终工序加工方法,须考虑该零件主要工作表面的具体工作条件和可能的破坏形式。

  在交变载荷作用下,机器零件表面上的局部微观裂纹,会因拉应力的作用使原生裂纹扩大,最后导致零件断裂。从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑,该表面最终工序应选择能在该表面产生残余压应力的加工方法。

  3 结论

  在机械零件的机械机械加工中,加工表面产生的表面微观几何形状误差和表面物理力学性能的变化,虽然只发生在很薄的表面层,但长期的实践证明它们都影响机器零件的使用性能。研究机械加工表面质量的目的就是为了掌握机械加工中各种工艺因素对加工表面质量影响的规律,以便运用这些规律来控制加工过程,最终达到改善表面质量、提高产品使用性能的目的。

  参考文献:

  [1] 王启平。机械制造工艺学[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1994
  [2] 徐灏。新编机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,1995
  [3] 毛振扬。机械制造工艺学[M].无锡:江苏科学技术出版社,1993

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