影响机械加工中表面层物理力学性能的因素

梁洁颖

摘要：机械加工中工作由于受到切削力和切削热的作用，其表面层的物理力学性能将产生很大的变化，造成与基体材料性能的差异，这些变化主要表现表在层的金相组织和硬度的变化及表面层出现的残余应力。

关键词：机械加工；表面层；物理力学

1 表面层金相组织的变化

机械加工过程中，在加工区由于加工时所消耗的热量绝大部分转化为热能使加工表面出现温度的升高。当温度升高到超过金相组织变化的临界点时，表面层金相组织就会发生变化。一般的切削加工，切削热大部分被切屑带走，因此影响也较小。但对磨削加工来说，由于单位面积上产生的切削热比一般切削方法大几十倍，切削区的高温将引起表面层金属的相变。

磨削加工比其他切削加工的表面残余应力更复杂一些。一方面，由于磨粒切刃为负前角，磨粒对加工表面的作用引起冷塑性变形，使表层产生压应力。另一方面，磨削区温度高，一般达800-1000℃，甚至更高，很容易引起热塑性变形和金相组织发生变化，使加工表面形成拉应力并会产生细微裂纹，严重时，形成表面烧伤。

影响磨削烧伤的因素

砂轮材料 对于硬度太高的砂轮，钝化磨料颗粒不易脱落，砂轮容易被切削堵塞。因此，一般用软砂轮好。砂轮结合剂最好采用具有一定弹性的材料，保证磨粒受到过大切削力时会自动退让，如树脂、橡胶等。一般来讲，粗粒度砂轮不容易引起磨削烧伤。

磨削用量。当磨削深度增大时，工作表面及表面下不同深度的温度都将提高，容易造成烧伤；当工件纵向进给量增大时，磨削区温度增高，但热源作用时间减小，因而可减轻烧伤。但提高工件速度会导致其表面粗糙度值增大。提高砂轮速度可弥补此不足。实践证明，同时提高工件速度和砂轮速度可减轻工件表面烧伤。

冷却方式。采用切削液带走磨削区热量可避免烧伤。但由于旋转的砂轮表面上产生强大的气流层，切削液不易附着，以致没有多少切削液进入磨削区。所以普通的冷却方式效果不理想，因此可采用高压大流量的冷却方式，一方面可增加冷却效果，另一方面可以对砂轮表面进行冲洗，使切屑不致堵塞砂轮。

2 加工表面的冷作硬化

加工过程中表面层金属产生塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格严重扭曲，并产生晶粒的拉长、破碎和纤维化，引起材料的强化，其强度和硬度均有所提高，这种变化的结果称为冷作硬化。加工表面层冷作硬化指标以硬化层深度、表面层的显微硬度及硬化程度表示。一般硬化程度越大，硬化层的深度也越大。

表面层的硬化程度决定于塑性变形力、变形速度及变形时的温度。切削力越大，塑性变形越大，硬化程度越严重。变形速度快，塑性变形不充分，硬化程度弱。变形时的温度不仅影响塑性变形程度，还会影响变形后金相组织的恢复，即恢复作用的速度大小取决于温度的高低，温度持续的时间及硬化程度的大小。因而，加工硬化是强化作用和恢复作用的综合结果。

影响冷作硬化的主要因素

切削用量。切削速度增大，刀具与工件接触挤压时间短，塑性变形小。速度大时温度也会增高，有助于冷硬的恢复，冷硬较弱进给量增大时切削力增加，塑性变形也增加，硬化加强。但当进给量较小时，由于刀具刃口圆角在加工表面单位长度上的挤压次数增多，硬化程度也会增大。

刀具。刀具刃口圆弧半径增加，对表层挤压作用大，使冷硬增加；刀具副后刀面磨损增加，对已加工表面磨擦增大，使冷硬增加；刀具前角加大可减小塑性变形，使冷硬减小。

工件材料。工件材料的硬度越低，塑性变形越大，切削后冷作硬化现象越严重。因此，在切削加工过程中应合理选择刀具的几何形状，采用较大的前角和后角，并在刃磨时尽量减小其刃口圆角半磨损程度。合理的选择切削用量，采用较高的切削速度和较小的进给量。加工时选择有效的冷却润滑液。

3 表面层的残余应力

工业。切削过程中金属材料的表层组织发生形状和组织变化时，在表层金属与基体材料交界处将会产生相互平衡的弹性应力，该应力就是表面残余应力。

表面层的残余应力的产生，主要有以下三种原因

冷态塑性变形引起的残余应力。在切削力作用下，已加工表面发生强烈的塑性变形，表面层金属体积发生变形状态。切削力去除后，基体金属趋向恢复，但受到已产生塑性变形的表面层的限制，恢复不到原状，因而在表面层产生残余应力。一般来说，表面层在切削时受刀具后刀面的挤压和磨擦，使表面层生产伸长塑性变形，受到基体材料的限制而生产残余压应力。

热态塑性变形引起的残余应力。工件被加工表面在切削热的作用下产生热膨胀，此时基体金属温度较低，因此表层产生热压应力。当切削过程结束时，表面温度下降，由于表层已产生热塑性变形并受到基体的限制，因而产生残余拉应力。磨削温度越高，热塑性变形越大，残余拉应力也越大，有时甚至产生裂纹。

金相组织变化引起的残余应力。切削时产生高温会引起表面层金相组织变化。由于不同的金相组织有不同的密度，表面层金相组织变化引起体积变化，当表面层体积膨胀时，因受到基体的限制，产生了压实力。表面层体积缩小，则产生拉应力。以磨削淬火钢为例，淬火钢原来的组织是马氏体，磨削加工后，表面可能产生回火，马氏体变为接近珠光体的屈氏体或索氏体，密度增大而体积减小，表面层产生残余拉应力。如果表层产生二次淬火层（淬火烧伤），即原表层的残余奥氏体转变为马氏体，密度减小而体积增大，工件表层就产生残余压应力。

综上所述，冷态塑性变形，热态塑性变形及金相组织变化均会引起工件表面产生残余应力。实际上，已加工表面残余应力是这三者综合作用的结果。在不同的加工条件下残余应力的大小及分布规律可能有明显差异。切削加工时起主要作用的常常是冷态塑性变形，所以工件表面常产生残余压实力。磨削加工时，热态塑性变形或金相组织变化通常是产生残余应力的主要因素，所以表面层常产生残余拉应力。