机械加工表面质量的影响因素

陈彦华

摘要:机械设备零件的破坏,大多是从零件表面开始的。零件表面层的质量很大程度上决定了零件的可靠性和耐久度。掌握机械加工中各个工艺对加工件表面质量影响的规律,我们就可以利用这些规律来控制加工过程,最终达到改善产品质量、增强产品使用性能的目的。

关键词:性能;表面;粗糙度

机械零件的加工质量,除加工精度外,表面质量也是极其重要的一个方面。机械设备在正常的使用过程中,随着零件的工作性能逐渐变坏,有时会突然损坏。其原因除少数是因为设计不周而强度不够,或偶然事故引起了超负荷以外,大多数是由于磨损、受到外界介质的腐蚀或疲劳破坏。磨损、腐蚀和疲劳损坏都是发生在零件的表面,或是从零件表面开始的。因此,加工表面质量将直接影响到零件的工作性能,尤其是它的可靠性和寿命。因而表面质量问题越来越受到各方面的重视。

1 机械加工表面质量对机器使用性能的影响

表面质量对零件的耐磨性,配合精度,疲劳强度、抗腐蚀性,接触刚度等使用性能都有很大的影响。

a.表面质量对零件耐磨性的影响

零件的耐磨性主要与摩擦副的材料、热解决情况和润滑条件有关。在这些条件已确定的情况下,零件的表面质量就起着决定性的作用。零件的磨损过程,通常分为三个阶段:摩擦副刚开始工作时,磨损比较明显,称为初期磨损阶段(一般称为走合期)。经初期磨损后,磨损缓慢均匀,进入正常磨损阶段。当磨损达到一定程度后,磨损又突然加剧,导致零件不能正常工作,称为急剧磨损阶段。

b.最佳表面粗糙度

在干摩擦或半干摩擦情况下,摩擦副表面的初期磨损与表面粗糙度有很大关系。摩擦副表面有一个最佳粗糙度,过大或过小的粗糙度都会使初期磨损增大。摩擦副的原始粗糙度太大,开始时两表面仅仅是若开凸峰相接触,实际接触面积小于名义接触面积,接触部分的实际压强很大,破坏了润滑油膜,接触的凸峰处形成局部干摩擦,因而接触部分金属的挤裂、破碎、切断等作用都较强,磨损也就较大。随着走合期过程的进行。表面粗糙度逐渐减小,实际接触面积增大,磨损也随之逐步减小,就进入正常磨损阶段。摩擦副的原始粗糙度过小,紧密接触的两金属表面分子间产生较大的亲和力,润滑油被挤去,造成润滑条件恶化,使表面容易咬焊,因而初期磨损也较大。随着走合过程的进行,表面粗糙度有所增大,磨损也随之有所减小。当表面粗糙度等于最佳粗糙度时进入正常磨损阶段。所以,在初期磨损阶段因走合而使表面粗糙度自动适应最佳值。摩擦表面的最佳粗糙度视不同材料和工作要件而异,一般大致在V0.8～V0. 4左右。对于完全液体润滑,金属表面完全不接触,由一层油膜隔开,因此要求摩擦副表面粗糙度应不刺破油膜,粗糙度越小,允许的油膜越薄,承载能力越大,则表面粗糙度越小越有利。

2 影响表面粗糙度的因素

2.1 切削加工影响表面粗糙度的因素

在加工表面留下了切削层残留面积,其形状是刀具几何形状的复映。减小进给量vf、主偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径,均可减小残留面积的高度。此外,适当增大刀具的前角以减小切削时的塑性变形程度,合理选择润滑液和提高刀具刃磨质量以减小切削时的塑性变形和抑制刀瘤、鳞刺的生成,也是减小表面粗糙度值的有效措施。

2.2 工件材料的性质

加工塑性材料时,由刀具对金属的挤压产生了塑性变形,加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用,使表面粗糙度值加大。工件材料韧性愈好,金属的塑性变形愈大,加工表面就愈粗糙。加工脆性材料时,其切屑呈碎粒状,由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点,使表面粗糙。

2.3 切削用量

以较高的切削速度切削塑性材料,减小进给量可以提高表面光洁度。

2.4 磨削加工影响表面粗糙度的因素

象切削加工时表面粗糙度的形成过程一样,磨削加工表面粗糙度的形成也是由几何因素和表面金属的塑性变形来决定的。影响磨削表面粗糙的主要因素有砂轮的粒度,砂轮的硬度,砂轮的修整,磨削速度,磨削径向进给量与光磨次数,工件圆周进给速度与轴向进给量,冷却润滑液。

3 影响加工表面层物理机械性能的因素

在切削加工中,工件由于受到切削力和切削热的作用,使表面层金属的物理机械性能产生变化,最主要的变化是表面层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重,因而磨削加工后加工表面层上述3项物理机械性能的变化会很大。

(1)表面层冷作硬化

a.冷作硬化及其评定参数

机械加工过程中因切削力作用产生的塑性变形,使晶格扭曲、畸变,晶粒间产生剪切滑移,晶粒被拉长和纤维化,甚至破碎,这些都会使表面层金属的硬度和强度提高,这种现象称为冷作硬化(或称为强化)。表面层金属强化的结果,会增大金属变形的阻力,减小金属的塑性,金属的物理性质也会发生变化。被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态,只要一有可能,金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化,这种现象称为弱化。弱化作用的大小取决于温度的高低、温度持续时间的长短和强化程度的大小。由于金属在机械加工过程中同时受到力和热的作用,因此,加工后表层金属的最后性质取决于强化和弱化综合作用的结果。评定冷作硬化的指标有3项,即表层金属的显微硬度HV、硬化层深度h和硬化程度N。

b.影响冷作硬化的主要因素

切削刃钝圆半径增大,对表层金属的挤压作用增强,塑性变形加剧,导致冷硬增强。刀具后刀面磨损增大,后刀面与被加工表面的摩擦加剧,塑性变形增大,导致冷硬增强。切削刃钝圆半径对加工硬化的影响切削速度增大,刀具与工件的作用时间缩短,使塑性变形扩展深度减小,冷硬层深度减小。切削速度增大后,切削热在工件表面层上的作用时间也缩短了,将使冷硬程度增加。进给量增大,切削力也增大,表层金属的塑性变形加剧,冷硬作用加强。工件材料的塑性愈大,冷硬现象就愈严重。

(2)表面层材料金相组织变化

当切削热使被加工表面的温度超过相变温度后,表层金属的金相组织将会发生变化。

a.磨削烧伤

当被磨工件表面层温度达到相变温度以上时,表层金属发生金相组织的变化,使表层金属强度和硬度降低,并伴有残余应力产生,甚至出现微观裂纹,这种现象称为磨削烧伤。在磨削淬火钢时,可能产生3种烧伤。

b.改善磨削烧伤的途径

磨削热是造成磨削烧伤的根源,故改善磨削烧伤有两个途径:一是正确选择砂轮;合理选择切削用量,尽可能地减少磨削热地产生;二是改善冷却条件,尽量使产生的热量少传入工件。

(3)表面层残余应力

产生残余应力的原因:

a.切削时在加工表面金属层内有塑性变形发生,使表面金属的比容加大。由于塑性变形只在表层金属中产生,而表层金属的比容增大,体积膨胀,不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻止,因此就在表面金属层产生了残余应力,而在里层金属中产生残余拉应力。

b.切削加工中,切削区会有大量的切削热产生。

c.不同金相组织具有不同的密度,亦具有不同的比容。如果表面层金属产生了金相组织的变化,表层金属比容的变化必然要受到与之相连的基体金属的阻碍,因而就有残余应力产生。

4 结论

由于机械加工表面对机器零件的使用性能如耐磨性、接触刚度、疲劳强度、配合性质、抗腐蚀性能及精度的稳定性等有很大的影响,因此对机器零件的重要表面应提出一定的表面质量要求。由于影响表面质量的因素是多方面的,因此应该综合考虑各方面的因素,对表面质量根据需要提出比较经济适用性的要求。