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機械加工表面質量

2006-9-14 0:00:00 來自：廣州精密儀器網

機械零件的破壞，一般總是從表面層開始的。產品的性能，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量。研究機械加工表面質量的目的就是為了掌握機械加工中各種工藝因素對加工表面質量影響的規律，以便運用這些規律來控制加工過程，最終達到改善表面質量、提高產品使用性能的目的。

一、機械加工表面質量對機器使用性能的影響

（一）表面質量對耐磨性的影響

1. 表面粗糙度對耐磨性的影響

一個剛加工好的摩擦副的兩個接觸表面之間，最初階段只在表面粗糙的的峰部接觸，實際接觸面積遠小于理論接觸面積，在相互接觸的峰部有非常大的單位應力，使實際接觸面積處產生塑性變形、彈性變形和峰部之間的剪切破壞，引起嚴重磨損。

零件磨損一般可分為三個階段，初期磨損階段、正常磨損階段和劇烈磨損階段。

表面粗糙度對零件表面磨損的影響很大。一般說表面粗糙度值愈小，其磨損性愈好。但表面粗糙度值太小，潤滑油不易儲存，接觸面之間容易發生分子粘接，磨損反而增加。因此，接觸面的粗糙度有一個最佳值，其值與零件的工作情況有關，工作載荷加大時，初期磨損量增大，表面粗糙度最佳值也加大。

2. 表面冷作硬化對耐磨性的影響

加工表面的冷作硬化使摩擦副表面層金屬的顯微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。但也不是冷作硬化程度愈高，耐磨性就愈高，這是因為過分的冷作硬化將引起金屬組織過度疏松，甚至出現裂紋和表層金屬的剝落，使耐磨性下降。

（二）表面質量對疲勞強度的影響

金屬受交變載荷作用后產生的疲勞破壞往往發生在零件表面和表面冷硬層下面，因此零件的表面質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力集中，產生疲勞裂紋。表面粗糙度值愈大，表面的紋痕愈深，紋底半徑愈小，抗疲勞破壞底能力就愈差。

2. 殘余應力、冷作硬化對疲勞強度的影響

余應力對零件疲勞強度的影響很大。表面層殘余拉應力將使疲勞裂紋擴大，加速疲勞破壞；而表面層殘余應力能夠阻止疲勞裂紋的擴展，延緩疲勞破壞的產生

表面冷硬一般伴有殘余應力的產生，可以防止裂紋產生并阻止已有裂紋的擴展，對提高疲勞強度有利。

（三)表面質量對耐蝕性的影響

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就愈多。抗蝕性就愈差。

表面層的殘余拉應力會產生應力腐蝕開裂，降低零件的耐磨性，而殘余壓應力則能防止應力腐蝕開裂。

（四）表面質量對配合質量的影響

表面粗糙度值的大小將影響配合表面的配合質量。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。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，降低了配合件間的連接強度。

二、影響表面粗糙度的因素

（一）切削加工影響表面粗糙度的因素

1. 刀具幾何形狀的復映

刀具相對于工件作進給運動時，在加工表面留下了切削層殘留面積，其形狀時刀具幾何形狀的復映。減小進給量、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。

此外，適當增大刀具的前角以減小切削時的塑性變形程度，合理選擇潤滑液和提高刀具刃磨質量以減小切削時的塑性變形和抑制刀瘤、鱗刺的生成，也是減小表面粗糙度值的有效措施。

2. 工件材料的性質

加工塑性材料時，由刀具對金屬的擠壓產生了塑性變形，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。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。

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。

3. 切削用量

（二）磨削加工影響表面粗糙度的因素

正像切削加工時表面粗糙度的形成過程一樣，磨削加工表面粗糙度的形成也時由幾何因素和表面金屬的塑性變形來決定的。

影響磨削表面粗糙的主要因素有：

砂輪的粒度
砂輪的硬度
砂輪的修整
磨削速度
磨削徑向進給量與光磨次數
工件圓周進給速度與軸向進給量
冷卻潤滑液

三、影響加工表面層物理機械性能的因素

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械性能產生變化，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力的產生。由于磨削加工時所產生的塑性變形和切削熱比刀刃切削時更嚴重，因而磨削加工后加工表面層上述三項物理機械性能的變化會很大。

（一）表面層冷作硬化

1. 冷作硬化及其評定參數

機械加工過程中因切削力作用產生的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產生剪切滑移,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，這種現象稱為冷作硬化(或稱為強化)。表面層金屬強化的結果，會增大金屬變形的阻力，減小金屬的塑性，金屬的物理性質也會發生變化。

被冷作硬化的金屬處于高能位的不穩定狀態，只有一有可能，金屬的不穩定狀態就要向比較穩定的狀態轉化，這種現象稱為弱化。弱化作用的大小取決于溫度的高低、溫度持續時間的長短和強化程度的大小。由于金屬在機械加工過程中同時受到力和熱的作用，因此，加工后表層金屬的最后性質取決于強化和弱化綜合作用的結果。

評定冷作硬化的指標有三項，即表層金屬的顯微硬度HV、硬化層深度h和硬化程度N。

2. 影響冷作硬化的主要因素

切削刃鈍圓半徑增大，對表層金屬的擠壓作用增強，塑性變形加劇，導致冷硬增強。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，導致冷硬增強。

切削速度增大，刀具與工件的作用時間縮短，使塑性變形擴展深度減小，冷硬層深度減小。切削速度增大后，切削熱在工件表面層上的作用時間也縮短樂，將使冷硬程度增加。進給量增大，切削力也增大，表層金屬的塑性變形加劇，冷硬作用加強。

工件材料的塑性愈大，冷硬現象就愈嚴重。

（二）表面層材料金相組織變化

當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生變化。

1. 磨削燒傷

當被磨工件表面層溫度達到相變溫度以上時，表層金屬發生金相組織的變化，使表層金屬強度和硬度降低，并伴有殘余應力產生，甚至出現微觀裂紋，這種現象稱為磨削燒傷。在磨削淬火鋼時，可能產生以下三種燒傷：

回火燒傷
如果磨削區的溫度未超過淬火鋼的相變溫度，但已超過馬氏體的轉變溫度，工件表層金屬的回火馬氏體組織將轉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。

淬火燒傷
如果磨削區溫度超過了相變溫度，再加上冷卻液的急冷作用，表層金屬發生二次淬火，使表層金屬出現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。

退火燒傷
如果磨削區溫度超過了相變溫度，而磨削區域又無冷卻液進入，表層金屬將產生退火組織，表面硬度將急劇下降，這種燒傷稱為退火燒傷。

2. 改善磨削燒傷的途徑

磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷由兩個途徑：一是盡可能地減少磨削熱地產生；二是改善冷卻條件，盡量使產生地熱量少傳入工件。

正確選擇砂輪
合理選擇切削用量
改善冷卻條件

（三）表面層殘余應力

1. 產生殘余應力的原因

a. 切削時在加工表面金屬層內有塑性變形發生，使表面金屬的比容加大
由于塑性變形只在表層金屬中產生，而表層金屬的比容增大，體積膨脹，不可避免地要受到與它相連的里層金屬的阻止，因此就在表面金屬層產生了殘余應力，而在里層金屬中產生殘余拉應力。
b. 切削加工中，切削區會有大量的切削熱產生
c. 不同金相組織具有不同的密度，亦具有不同的比容
如果表面層金屬產生了金相組織的變化，表層金屬比容的變化必然要受到與之相連的基體金屬的阻礙，因而就有殘余應力產生。

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重要，因為最終工序在該工作表面留下的殘余應力將直接影響機器零件的使用性能。

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，機器零件表面上的局部微觀裂紋，會因拉應力的作用使原生裂紋擴大，最后導致零件斷裂。從提高零件抵抗疲勞破壞的角度考慮，該表面最終工序應選擇能在該表面產生殘余壓應力的加工方法。

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