63機械加工表面質(zhì)量

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6.3機械加工表面質(zhì)量機械加工表面質(zhì)量是以機械零件的加工表面和表面層作為分析和研究對象的。零件表面和表面層經(jīng)過常規(guī)機械加工或特種加工后總是存在著一定程度的微觀不平度、冷作硬化、殘余應(yīng)力以及金相組織變化等問題，雖然只產(chǎn)生在很薄的表面層中，但對零件的使用性能如配合精度、耐磨性、抗腐蝕性和疲勞強度等有很大影響。 研究機械加工表面質(zhì)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(zhì)量影響的規(guī)律，以便運用這些規(guī)律來控制加工過程，最終達到改善表面質(zhì)量、提高產(chǎn)品使用性能的目的。機械加工表面質(zhì)量主要內(nèi)容包括兩部分，即表面的幾何形狀特征和表面層的物理、機械性能變化。 1.表面的幾何形狀特性，主要由以下兩個部分組成：(1)表面粗糙度：表面的微觀幾何形狀誤差；(2)波度：介于加工精度（宏觀）和表面粗糙度之間的周期性幾何形狀誤差，它主要是加工過程中工藝系統(tǒng)的振動所引起的。 2.表面層的物理、機械性能的變化，主要有以下三個方面的內(nèi)容：(1)表面層因塑性變形引起的冷作硬化；(2)表面層因切削熱引起的金相組織的變化；(3)表面層中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。工件表面的波度是由機械加工振動引起的。 一、機械加工表面質(zhì)量對機器使用性能的影響1.表面質(zhì)量對耐磨性的影響⑴表面粗糙度對耐磨性的影響零件磨損的三個階段：初期磨損階段，正常磨損階段，急劇磨損階段。摩擦副的磨損過程 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，其耐磨性愈好。接觸面的表面粗糙度有一個最佳值。表面粗糙度與初期磨損量的關(guān)系 表面粗糙度的最佳值與零件的工作情況有關(guān)，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。 ⑵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。如果表面層的金相組織發(fā)生變化，其表層硬度相應(yīng)地也隨之發(fā)生變化，影響耐磨性。 2.表面質(zhì)量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)生在零件表面或表面冷硬層下面，因此零件的表面質(zhì)量對疲勞強度影響較大。 ⑵殘余應(yīng)力、冷作硬化對疲勞強度的影響殘余應(yīng)力對零件疲勞強度的影響很大。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，延緩疲勞破壞的發(fā)生。表面冷硬一般伴有殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生，可以防止裂紋產(chǎn)生并阻止己有裂紋的擴展，對提高疲勞強度有利。 3.表面質(zhì)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(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，降低零件的耐蝕性，而殘余壓應(yīng)力則能防止應(yīng)力腐蝕開裂。 二、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⑴刀具幾何形狀的復(fù)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，其形狀是刀具幾何形狀的復(fù)映，見圖。車削時工件表面的殘留面積 對于車削，如果背吃刀量較大，主要是以刀刃的直線部分形成表面粗糙度，此時可不考慮刀刃圓弧半徑的影響，按圖a的幾何圖形可求得：車削時工件表面的殘留面積 如果背吃刀量較小，工件表面粗糙度則主要由刀刃的圓弧部分形成，此時按圖b的幾何圖形可求得：車削時工件表面的殘留面積 式中——殘留面積高度；f——進給量；——主偏角（）；——副偏角；rε——刀尖圓弧半徑。由上述公式可知，減小f、、及加大rε，可減小殘留面積的高度。 此外，適當(dāng)增大刀具的前角以減小切削時的塑性變形程度，合理選擇冷卻潤滑液和提高刀具刃磨質(zhì)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。 ⑵工件材料的性質(zhì)加工塑性材料時，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，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，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。 ⑶切削用量切削速度對表面粗糙度的影響很大。加工塑性材料時，若切削速度處在產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺的范圍內(nèi)，加工表面將很粗糙，見圖。若將切削速度選在積屑瘤和鱗刺產(chǎn)生區(qū)域之外，則可使表面粗糙度值明顯減小。加工塑性材料時切削速度對表面粗糙度的影響 進給量對表面粗糙度的影響甚大。背吃刀量對表面粗糙度也有一定影響。過小的背吃刀量或進給量，將使刀具在被加工表面上擠壓和打滑，形成附加的塑性變形，會增大表面粗糙度值。 2.磨削加工影響表面粗糙度的因素磨削加工表面粗糙度的形成也是由幾何因素和表面金屬的塑性變形來決定的。從幾何因素的角度分析，被磨表面單位面積上通過的砂粒數(shù)愈多，則該面積上的刻痕愈多，刻痕的等高性愈好，表面粗糙度值愈小。 從塑性變形的角度分析，磨削過程溫度高，磨削加工時產(chǎn)生的塑性變形要比刀刃切削時大得多。磨削時，金屬沿著磨粒的兩側(cè)流動，形成溝槽兩側(cè)的隆起，使表面粗糙度值增大。 影響磨削表面粗糙度的主要因素有：⑴砂輪的粒度砂輪的粒度號數(shù)愈大，磨粒愈細，表面粗糙度值愈小。但過細，砂輪容易堵塞，反而會增大工件表面的粗糙度值。⑵砂輪的硬度砂輪太硬，工件表面粗糙度值增大。砂輪太軟，工件表面粗糙度值也會增大。 ⑶砂輪的修整修整砂輪的金剛石工具愈鋒利，修整導(dǎo)程愈小，修整深度愈小，表面粗糙度值愈小。⑷磨削速度提高磨削速度，工件表面粗糙度值小。 ⑸磨削徑向進給量與光磨次數(shù)增大磨削徑向進給量，塑性變形增大，被磨表面粗糙度值增大。增多光磨次數(shù)，可顯著降低磨削表面粗糙度值。光磨：磨削將結(jié)束時不再作徑向進給，僅靠工藝系統(tǒng)的彈性恢復(fù)進行的磨削。 ⑹工件圓周進給速度與軸向進給量工件圓周進給速度和軸向進給量小，表面粗糙度值也小。但過小有可能出現(xiàn)燒傷。⑺冷卻潤滑液冷卻潤滑液可及時沖掉碎落的磨粒，減輕砂輪與工件的摩擦，降低磨削區(qū)的溫度，減小塑性變形，并能防止磨削燒傷，使表面粗糙度值變小。 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(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。由于磨削加工時所產(chǎn)生的塑性變形和切削熱比刀刃切削時更嚴(yán)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更大。 1.表面層冷作硬化⑴冷作硬化及其評定參數(shù)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。 表面層金屬強化的結(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)，只要一有可能，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)時間的長短和強化程度的大小。評定冷作硬化的指標(biāo)有三項，即表層金屬的顯微硬度、硬化層深度和硬化程度。 ⑵影響冷作硬化的主要因素1刀具的影響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(dǎo)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(dǎo)致冷硬增強。 2)切削用量的影響切削速度增大，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了，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。 3)加工材料的影響工件材料的塑性愈大，冷硬現(xiàn)象就愈嚴(yán)重。碳鋼中含碳量愈大，強度變高，塑性變小，冷硬程度變小。有色金屬的熔點低，容易弱化，冷硬現(xiàn)象就比鋼輕得多。 2.表面層材料金相組織變化磨削加工時，磨削比壓特別大，磨削速度很高，切除金屬所消耗的功率遠大于切削加工。磨削加工所消耗的能量絕大部分要轉(zhuǎn)化為熱，傳給被磨工件表面，使工件溫度升高，引起加工表面層金屬金相組織的顯著變化。 ⑴磨削燒傷被磨工件表面層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、硬度降低，并伴隨有殘余應(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。 在磨削淬火鋼時，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，但己超過馬氏體的轉(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，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，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。 ⑵改善磨削燒傷的途徑磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷有兩個途徑：一是盡可能地減少磨削熱的產(chǎn)生；二是改善冷卻條件，盡量使產(chǎn)生的熱量少傳入工件。 1)正確選擇砂輪砂輪的硬度太高，鈍化了的磨粒不易及時脫落，磨削力和磨削熱增加，容易產(chǎn)生燒傷；選用具有一定彈性的結(jié)合劑可以緩解磨削燒傷；當(dāng)磨削塑性較大的材料時，為避免砂輪堵塞，選用磨粒較粗的砂輪。 2)合理選擇磨削用量磨削徑向進給量對磨削燒傷影響很大。磨削徑向進給量增加，磨削力和磨削熱急劇增加，容易產(chǎn)生燒傷。適當(dāng)增大磨削軸向進給量可以減輕燒傷。 3)改善冷卻條件磨削時冷卻液若能更多地進入磨削區(qū)，就能有效地防止燒傷現(xiàn)象的發(fā)生。提高冷卻效果的方式有高壓大流量冷卻、噴霧冷卻、內(nèi)冷卻等。內(nèi)冷卻的工作原理參見圖內(nèi)冷卻裝置1—錐形蓋2－通道孔3－砂輪中心腔4－有徑向小孔的薄壁套 3.表面層殘余應(yīng)力⑴產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因1)切削時在加工表面金屬層內(nèi)有塑性變形發(fā)生，使表層金屬的比容加大，由于塑性變形只在表層金屬中產(chǎn)生，而表層金屬比容增大，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(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，而在里層金屬中產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。 2)切削加工中，切削區(qū)會有大量的切削熱產(chǎn)生。下圖為切削熱在表層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的分析過程。由于切削熱在表層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的分析圖 3)不同的金相組織具有不同的密度，即具有不同的比容如果表面層金屬產(chǎn)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(yīng)力產(chǎn)生。 ⑵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，因為最終工序在該工作表面留下的殘余應(yīng)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(yīng)力的作用使原生裂紋擴大，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。 各種加工方法在加工表面上殘留的殘余應(yīng)力情況，參見表。