機械加工表面質量的影響因素

陳彥華

摘要:機械設備零件的破壞,大多是從零件表面開始的。零件表面層的質量很大程度上決定了零件的可靠性和耐久度。掌握機械加工中各個工藝對加工件表面質量影響的規律,我們就可以利用這些規律來控制加工過程,最終達到改善產品質量、增強產品使用性能的目的。

關鍵詞:性能;表面;粗糙度

機械零件的加工質量,除加工精度外,表面質量也是極其重要的一個方面。機械設備在正常的使用過程中,隨著零件的工作性能逐漸變壞,有時會突然損壞。其原因除少數是因為設計不周而強度不夠,或偶然事故引起了超負荷以外,大多數是由于磨損、受到外界介質的腐蝕或疲勞破壞。磨損、腐蝕和疲勞損壞都是發生在零件的表面,或是從零件表面開始的。因此,加工表面質量將直接影響到零件的工作性能,尤其是它的可靠性和壽命。因而表面質量問題越來越受到各方面的重視。

1 機械加工表面質量對機器使用性能的影響

表面質量對零件的耐磨性,配合精度,疲勞強度、抗腐蝕性,接觸剛度等使用性能都有很大的影響。

a.表面質量對零件耐磨性的影響

零件的耐磨性主要與摩擦副的材料、熱解決情況和潤滑條件有關。在這些條件已確定的情況下,零件的表面質量就起著決定性的作用。零件的磨損過程,通常分為三個階段:摩擦副剛開始工作時,磨損比較明顯,稱為初期磨損階段(一般稱為走合期)。經初期磨損后,磨損緩慢均勻,進入正常磨損階段。當磨損達到一定程度后,磨損又突然加劇,導致零件不能正常工作,稱為急劇磨損階段。

b.最佳表面粗糙度

在干摩擦或半干摩擦情況下,摩擦副表面的初期磨損與表面粗糙度有很大關系。摩擦副表面有一個最佳粗糙度,過大或過小的粗糙度都會使初期磨損增大。摩擦副的原始粗糙度太大,開始時兩表面僅僅是若開凸峰相接觸,實際接觸面積小于名義接觸面積,接觸部分的實際壓強很大,破壞了潤滑油膜,接觸的凸峰處形成局部干摩擦,因而接觸部分金屬的擠裂、破碎、切斷等作用都較強,磨損也就較大。隨著走合期過程的進行。表面粗糙度逐漸減小,實際接觸面積增大,磨損也隨之逐步減小,就進入正常磨損階段。摩擦副的原始粗糙度過小,緊密接觸的兩金屬表面分子間產生較大的親和力,潤滑油被擠去,造成潤滑條件惡化,使表面容易咬焊,因而初期磨損也較大。隨著走合過程的進行,表面粗糙度有所增大,磨損也隨之有所減小。當表面粗糙度等于最佳粗糙度時進入正常磨損階段。所以,在初期磨損階段因走合而使表面粗糙度自動適應最佳值。摩擦表面的最佳粗糙度視不同材料和工作要件而異,一般大致在V0.8～V0. 4左右。對于完全液體潤滑,金屬表面完全不接觸,由一層油膜隔開,因此要求摩擦副表面粗糙度應不刺破油膜,粗糙度越小,允許的油膜越薄,承載能力越大,則表面粗糙度越小越有利。

2 影響表面粗糙度的因素

2.1 切削加工影響表面粗糙度的因素

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映。減小進給量vf、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。

2.2 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。

2.3 切削用量

以較高的切削速度切削塑性材料,減小進給量可以提高表面光潔度。

2.4 磨削加工影響表面粗糙度的因素

象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是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。

3 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3項物理機械性能的變化會很大。

(1)表面層冷作硬化

a.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,只要一有可能,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3項,即表層金屬的顯微硬度HV、硬化層深度h和硬化程度N。

b.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。切削刃鈍圓半徑對加工硬化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。工件材料的塑性愈大,冷硬現象就愈嚴重。

(2)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。

a.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3種燒傷。

b.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:一是正確選擇砂輪;合理選擇切削用量,盡可能地減少磨削熱地產生;二是改善冷卻條件,盡量使產生的熱量少傳入工件。

(3)表面層殘余應力

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。

4 結論

由于機械加工表面對機器零件的使用性能如耐磨性、接觸剛度、疲勞強度、配合性質、抗腐蝕性能及精度的穩定性等有很大的影響,因此對機器零件的重要表面應提出一定的表面質量要求。由于影響表面質量的因素是多方面的,因此應該綜合考慮各方面的因素,對表面質量根據需要提出比較經濟適用性的要求。