影響加工表面物理力學(xué)性能的因素

 　　機(jī)械加工過程中，工件由于受到切削力、切削熱的作用，其表面與基體材料性能有很大不同，在物理力學(xué)性能方面發(fā)生較大的變化。

  一、加工表面層的冷作硬化

　在切削或磨削加工過程中，若加工表面層產(chǎn)生的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、破碎和纖維化，引起表面層的強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象，稱為冷作硬化現(xiàn)象。

　表面層的硬化程度取決于產(chǎn)生塑性變形的力、變形速度及變形時(shí)的溫度。力越大，塑性變形越大，產(chǎn)生的硬化程度也越大。變形速度越大，塑性變形越不充分，產(chǎn)生的硬化程度也就相應(yīng)減小。變形時(shí)的溫度影響塑性變形程度，溫度高硬化程度減小。

　( 一 )影響表面層冷作硬化的因素

　1 ．刀具

刀具的刃口圓角和后刀面的磨損對表面層的冷作硬化有很大影響，刃口圓角和后刀面的磨損量越大，冷作硬化層的硬度和深度也越大。

　2 ．切削用量

　在切削用量中，影響較大的是切削速度 V C和進(jìn)給量 f。當(dāng) V C增大時(shí)，則表面層的硬化程度和深度都有所減小。這是由于一方面切削速度增大會使溫度增高，有助于冷作硬化的回復(fù)；另一方面由于切削速度的增大，刀具與工件接觸時(shí)間短 ,使工件的塑性變形程度減小。當(dāng)進(jìn)給量 f增大時(shí)，則切削力增大，塑性變形程度也增大，因此表面層的冷作硬化現(xiàn)象也嚴(yán)重。但當(dāng) f較小時(shí)，由于刀具的刃口圓角在加工表面上的擠壓次數(shù)增多，因此表面層的冷作硬化現(xiàn)象也會增大。

　3 ．被加工材料

　被加工材料的硬度越低和塑性越大，則切削加工后其表面層的冷作硬化現(xiàn)象越嚴(yán)重。

　( 二 )減少表面層冷作硬化的措施

　1 ．合理選擇刀具的幾何參數(shù)，采用較大的前角和后角，并在刃磨時(shí)盡量減小其切削刃口圓角半徑；

　2 ．使用刀具時(shí)，應(yīng)合理限制其后刀面的磨損程度；

　3 ．合理選擇切削用量，采用較高的切削速度和較小的進(jìn)給量；

　4 ．加工時(shí)采用有效的切削液。

　　二、表面層的金相組織變化

　（一）影響表面層的金相組織變化的因素

　機(jī)械加工時(shí)，切削所消耗的能量絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能而使加工表面出現(xiàn)溫度升高。當(dāng)溫度升高到超過金相組織變化的臨界點(diǎn)時(shí)，就會產(chǎn)生金相組織的變化。一般的切削加工，由于單位切削截面所消耗的功率不是太大，故產(chǎn)生金相組織變化的現(xiàn)象較少。但磨削加工因切削速度高，產(chǎn)生的切削熱比一般的切削加工大幾十倍，這些熱量部分由切屑帶走，很小一部分傳入砂輪，若冷卻效果不好，則很大一部分將傳入工件表面，使工件表面層的金相組織發(fā)生變化，引起表面層的硬度和強(qiáng)度下降，產(chǎn)生殘余應(yīng)力甚至引起顯微裂紋，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。因此，磨削加工是一種典型的易于出現(xiàn)加工表面金相組織變化的加工方法。根據(jù)磨削燒傷時(shí)溫度的不同，可分為：

　1. 回火燒傷 當(dāng)磨削淬火鋼時(shí)，若磨削區(qū)溫度超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，則工件表面原來的馬氏體組織將轉(zhuǎn)化成硬度降低的回火屈氏體或索氏體組織，此稱之為回火燒傷。

　2. 淬火燒傷 磨削淬火鋼時(shí) ,若磨削區(qū)溫度超過相變臨界溫度，在切削液的急冷作用，使工件表面最外層金屬轉(zhuǎn)變?yōu)槎�次淬火馬氏體組織。其硬度比原來的回火馬氏體高，但是又硬又脆，而其下層因冷卻速度較慢仍為硬度降低的回火組織，這種現(xiàn)象稱之為淬火燒傷。

　3. 退火燒傷 若不用切削液進(jìn)行干磨時(shí)超過相變的臨界溫度，由于工件金屬表層空冷冷卻速度較慢 ,使磨削后強(qiáng)度、表面硬度急劇下降，則產(chǎn)生了退火燒傷。

　磨削燒傷時(shí)，表面會出現(xiàn)黃、褐、紫、青等燒傷色。這是工件表面在瞬時(shí)高溫下產(chǎn)生的氧化膜顏色，不同燒傷色表面燒傷程度不同。較深的燒傷層，雖然在加工后期采用無進(jìn)給磨削可除掉燒傷色，但燒傷層卻未除掉，成為將來使用中的隱患。

（二）防止磨削燒傷的工藝措施

1 ．合理選擇磨削用量

　減小磨削深度可以減少工件表面的溫度，故有利于減輕燒傷。增加工件速度和進(jìn)給量，由于熱源作用時(shí)間減少，使金相組織來不及變化，因而能減輕燒傷，但會導(dǎo)致表面粗糙度值增大。一般采用提高砂輪速度和較寬砂輪來彌補(bǔ)。

2 ．合理選擇砂輪并及時(shí)修整

　若砂輪的粒度越細(xì)、硬度越高時(shí)自礪性差，則磨削溫度也增高。砂輪組織太緊密時(shí)磨屑堵塞砂輪，易出現(xiàn)燒傷。砂輪鈍化時(shí)，大多數(shù)磨粒只在加工表面擠壓和摩擦而不起切削作用，使磨削溫度增高，故應(yīng)及時(shí)修整砂輪。

　3 ．改善冷卻方法

　采用切削液可帶走磨削區(qū)的熱量，避免燒傷。常用的冷卻方法效果較差，由于砂輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓周方向產(chǎn)生強(qiáng)大氣流，使切削液很難進(jìn)入磨削區(qū)，因此不能有效地降溫。為改善冷卻方法，可采用圖 5—4所示的內(nèi)冷卻砂輪。切削液從中心通入，靠離心力作用，通過砂輪內(nèi)部的空隙從砂輪四周的邊緣甩出，因此切削液可直接進(jìn)入磨削區(qū)，冷卻效果甚好。但必須采用特制的多孔砂輪，并要求切削液經(jīng)過仔細(xì)過濾以免堵塞砂輪。

　三、表面層的殘余應(yīng)力

　工件經(jīng)機(jī)械加工后，其表面層都存在殘余應(yīng)力。殘余壓應(yīng)力可提高工件表面的耐磨性和受拉應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度，殘余拉應(yīng)力的作用正好相反。若拉應(yīng)力值超過工件材料的疲勞強(qiáng)度極限時(shí)，則使工件表面產(chǎn)生裂紋，加速工件的損壞。引起殘余應(yīng)力的原因有以下三個(gè)方面：

　( 一 )冷塑性變形引起的殘余應(yīng)力

　在切削力作用下，已加工表面受到強(qiáng)烈的冷塑性變形，其中以刀具后刀面對已加工表面的擠壓和摩擦產(chǎn)生的塑性變形最為突出，此時(shí)基體金屬受到影響而處于彈性變形狀態(tài)。切削力除去后，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)生殘余壓應(yīng)力。

　( 二 )熱塑性變形引起的殘余應(yīng)力

　工件加工表面在切削熱作用下產(chǎn)生熱膨脹，此時(shí)基體金屬溫度較低，因此表層金屬產(chǎn)生熱壓應(yīng)力。當(dāng)切削過程結(jié)束時(shí)，表面溫度下降較快，故收縮變形大于里層，由于表層變形受到基體金屬的限制，故而產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。切削溫度越高，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。磨削時(shí)產(chǎn)生的熱塑性變形比較明顯。

　( 三 )金相組織變化引起的殘余應(yīng)力

　　切削時(shí)產(chǎn)生的高溫會引表面層的金相組織變化。不同的金相組織有不同的密度，表面層金相組織變化的結(jié)果造成了體積的變化。表面層體積膨脹時(shí)，因?yàn)槭艿交�體的限制，產(chǎn)生了壓應(yīng)力；反之，則產(chǎn)生拉應(yīng)力。

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