影響機(jī)械加工中表面層物理力學(xué)性能的因素

梁潔穎

摘要：機(jī)械加工中工作由于受到切削力和切削熱的作用，其表面層的物理力學(xué)性能將產(chǎn)生很大的變化，造成與基體材料性能的差異，這些變化主要表現(xiàn)表在層的金相組織和硬度的變化及表面層出現(xiàn)的殘余應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工；表面層；物理力學(xué)

1 表面層金相組織的變化

機(jī)械加工過程中，在加工區(qū)由于加工時(shí)所消耗的熱量絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能使加工表面出現(xiàn)溫度的升高。當(dāng)溫度升高到超過金相組織變化的臨界點(diǎn)時(shí)，表面層金相組織就會(huì)發(fā)生變化。一般的切削加工，切削熱大部分被切屑帶走，因此影響也較小。但對(duì)磨削加工來說，由于單位面積上產(chǎn)生的切削熱比一般切削方法大幾十倍，切削區(qū)的高溫將引起表面層金屬的相變。

磨削加工比其他切削加工的表面殘余應(yīng)力更復(fù)雜一些。一方面，由于磨粒切刃為負(fù)前角，磨粒對(duì)加工表面的作用引起冷塑性變形，使表層產(chǎn)生壓應(yīng)力。另一方面，磨削區(qū)溫度高，一般達(dá)800-1000℃，甚至更高，很容易引起熱塑性變形和金相組織發(fā)生變化，使加工表面形成拉應(yīng)力并會(huì)產(chǎn)生細(xì)微裂紋，嚴(yán)重時(shí)，形成表面燒傷。

影響磨削燒傷的因素

砂輪材料 對(duì)于硬度太高的砂輪，鈍化磨料顆粒不易脫落，砂輪容易被切削堵塞。因此，一般用軟砂輪好。砂輪結(jié)合劑最好采用具有一定彈性的材料，保證磨粒受到過大切削力時(shí)會(huì)自動(dòng)退讓，如樹脂、橡膠等。一般來講，粗粒度砂輪不容易引起磨削燒傷。

磨削用量。當(dāng)磨削深度增大時(shí)，工作表面及表面下不同深度的溫度都將提高，容易造成燒傷；當(dāng)工件縱向進(jìn)給量增大時(shí)，磨削區(qū)溫度增高，但熱源作用時(shí)間減小，因而可減輕燒傷。但提高工件速度會(huì)導(dǎo)致其表面粗糙度值增大。提高砂輪速度可彌補(bǔ)此不足。實(shí)踐證明，同時(shí)提高工件速度和砂輪速度可減輕工件表面燒傷。

冷卻方式。采用切削液帶走磨削區(qū)熱量可避免燒傷。但由于旋轉(zhuǎn)的砂輪表面上產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流層，切削液不易附著，以致沒有多少切削液進(jìn)入磨削區(qū)。所以普通的冷卻方式效果不理想，因此可采用高壓大流量的冷卻方式，一方面可增加冷卻效果，另一方面可以對(duì)砂輪表面進(jìn)行沖洗，使切屑不致堵塞砂輪。

2 加工表面的冷作硬化

加工過程中表面層金屬產(chǎn)生塑性變形使晶體間產(chǎn)生剪切滑移，晶格嚴(yán)重扭曲，并產(chǎn)生晶粒的拉長(zhǎng)、破碎和纖維化，引起材料的強(qiáng)化，其強(qiáng)度和硬度均有所提高，這種變化的結(jié)果稱為冷作硬化。加工表面層冷作硬化指標(biāo)以硬化層深度、表面層的顯微硬度及硬化程度表示。一般硬化程度越大，硬化層的深度也越大。

表面層的硬化程度決定于塑性變形力、變形速度及變形時(shí)的溫度。切削力越大，塑性變形越大，硬化程度越嚴(yán)重。變形速度快，塑性變形不充分，硬化程度弱。變形時(shí)的溫度不僅影響塑性變形程度，還會(huì)影響變形后金相組織的恢復(fù)，即恢復(fù)作用的速度大小取決于溫度的高低，溫度持續(xù)的時(shí)間及硬化程度的大小。因而，加工硬化是強(qiáng)化作用和恢復(fù)作用的綜合結(jié)果。

影響冷作硬化的主要因素

切削用量。切削速度增大，刀具與工件接觸擠壓時(shí)間短，塑性變形小。速度大時(shí)溫度也會(huì)增高，有助于冷硬的恢復(fù)，冷硬較弱進(jìn)給量增大時(shí)切削力增加，塑性變形也增加，硬化加強(qiáng)。但當(dāng)進(jìn)給量較小時(shí)，由于刀具刃口圓角在加工表面單位長(zhǎng)度上的擠壓次數(shù)增多，硬化程度也會(huì)增大。

刀具。刀具刃口圓弧半徑增加，對(duì)表層擠壓作用大，使冷硬增加；刀具副后刀面磨損增加，對(duì)已加工表面磨擦增大，使冷硬增加；刀具前角加大可減小塑性變形，使冷硬減小。

工件材料。工件材料的硬度越低，塑性變形越大，切削后冷作硬化現(xiàn)象越嚴(yán)重。因此，在切削加工過程中應(yīng)合理選擇刀具的幾何形狀，采用較大的前角和后角，并在刃磨時(shí)盡量減小其刃口圓角半磨損程度。合理的選擇切削用量，采用較高的切削速度和較小的進(jìn)給量。加工時(shí)選擇有效的冷卻潤(rùn)滑液。

3 表面層的殘余應(yīng)力

工業(yè)。切削過程中金屬材料的表層組織發(fā)生形狀和組織變化時(shí)，在表層金屬與基體材料交界處將會(huì)產(chǎn)生相互平衡的彈性應(yīng)力，該應(yīng)力就是表面殘余應(yīng)力。

表面層的殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，主要有以下三種原因

冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力。在切削力作用下，已加工表面發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形，表面層金屬體積發(fā)生變形狀態(tài)。切削力去除后，基體金屬趨向恢復(fù)，但受到已產(chǎn)生塑性變形的表面層的限制，恢復(fù)不到原狀，因而在表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。一般來說，表面層在切削時(shí)受刀具后刀面的擠壓和磨擦，使表面層生產(chǎn)伸長(zhǎng)塑性變形，受到基體材料的限制而生產(chǎn)殘余壓應(yīng)力。

熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力。工件被加工表面在切削熱的作用下產(chǎn)生熱膨脹，此時(shí)基體金屬溫度較低，因此表層產(chǎn)生熱壓應(yīng)力。當(dāng)切削過程結(jié)束時(shí)，表面溫度下降，由于表層已產(chǎn)生熱塑性變形并受到基體的限制，因而產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。磨削溫度越高，熱塑性變形越大，殘余拉應(yīng)力也越大，有時(shí)甚至產(chǎn)生裂紋。

金相組織變化引起的殘余應(yīng)力。切削時(shí)產(chǎn)生高溫會(huì)引起表面層金相組織變化。由于不同的金相組織有不同的密度，表面層金相組織變化引起體積變化，當(dāng)表面層體積膨脹時(shí)，因受到基體的限制，產(chǎn)生了壓實(shí)力。表面層體積縮小，則產(chǎn)生拉應(yīng)力。以磨削淬火鋼為例，淬火鋼原來的組織是馬氏體，磨削加工后，表面可能產(chǎn)生回火，馬氏體變?yōu)榻咏楣怏w的屈氏體或索氏體，密度增大而體積減小，表面層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。如果表層產(chǎn)生二次淬火層（淬火燒傷），即原表層的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，密度減小而體積增大，工件表層就產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

綜上所述，冷態(tài)塑性變形，熱態(tài)塑性變形及金相組織變化均會(huì)引起工件表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力。實(shí)際上，已加工表面殘余應(yīng)力是這三者綜合作用的結(jié)果。在不同的加工條件下殘余應(yīng)力的大小及分布規(guī)律可能有明顯差異。切削加工時(shí)起主要作用的常常是冷態(tài)塑性變形，所以工件表面常產(chǎn)生殘余壓實(shí)力。磨削加工時(shí)，熱態(tài)塑性變形或金相組織變化通常是產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要因素，所以表面層常產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。