機械加工表面質量

1、機械加工表面質量機械零件的破壞，一般總是從表面層開始的。產(chǎn)品的性能，尤其是它的可靠性和耐久性，在很大程度上取決于零件表面層的質量。研究機械加工表面質量的目的就是為了掌握機械加工中各種工藝因素對加工表面質量影響的規(guī)律，以便運用這些規(guī)律來控制加工過程，最終達到改善表面質量、提高產(chǎn)品使用性能的目的。 一、機械加工表面質量對機器使用性能的影響 （一）表面質量對耐磨性的影響 1. 表面粗糙度對耐磨性的影響 摩擦產(chǎn)生在兩個接觸表面之間，最初階段只在表面粗糙的的峰部接觸，實際接觸面積遠小于理論接觸面積，在相互接觸的峰部有非常大的單位應力，使實際接觸面積處產(chǎn)生塑性變形、彈性變形和峰部之間的剪切破壞，引起嚴重磨

2、損。 零件磨損一般可分為三個階段：初期磨損階段、正常磨損階段和劇烈磨損階段。 表面粗糙度對零件表面磨損的影響很大。一般說表面粗糙度值愈小，其磨損性愈好。但表面粗糙度值太小，潤滑油不易儲存，接觸面之間容易發(fā)生分子粘接，磨損反而增加。因此，接觸面的粗糙度有一個最佳值，其值與零件的工作情況有關，工作載荷加大時，初期磨損量增大，表面粗糙度最佳值也加大。 2. 表面冷作硬化對耐磨性的影響 加工表面的冷作硬化使摩擦副表面層金屬的顯微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。但也不是冷作硬化程度愈高，耐磨性就愈高，這是因為過分的冷作硬化將引起金屬組織過度疏松，甚至出現(xiàn)裂紋和表層金屬的剝落，使耐磨性下降。 （二）表面質

3、量對疲勞強度的影響 金屬受交變載荷作用后產(chǎn)生的疲勞破壞往往發(fā)生在零件表面和表面冷硬層下面，因此零件的表面質量對疲勞強度影響很大。 1. 表面粗糙度對疲勞強度的影響 在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。表面粗糙度值愈大，表面的紋痕愈深，紋底半徑愈小，抗疲勞破壞底能力就愈差。 2. 殘余應力、冷作硬化對疲勞強度的影響 殘余應力對零件疲勞強度的影響很大。表面層殘余拉應力將使疲勞裂紋擴大，加速疲勞破壞；而表面層殘余壓應力能夠阻止疲勞裂紋的擴展，延緩疲勞破壞的產(chǎn)生 表面冷硬一般伴有殘余應力的產(chǎn)生，可以防止裂紋產(chǎn)生并阻止已有裂紋的擴展，對提高疲勞強度有利。 （三）表面質量

4、對耐蝕性的影響 零件的耐蝕性在很大程度上取決于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，則凹谷中聚積腐蝕性物質就愈多，抗蝕性就愈差。 表面層的殘余拉應力會產(chǎn)生應力腐蝕開裂，降低零件的耐磨性，而殘余壓應力則能防止應力腐蝕開裂。 （四）表面質量對配合質量的影響 表面粗糙度值的大小將影響配合表面的配合質量。對于間隙配合，粗糙度值大會使磨損加大，間隙增大，破壞了要求的配合性質。對于過盈配合，裝配過程中一部分表面凸峰被擠平，實際過盈量減小，降低了配合件間的連接強度。 二、影響表面粗糙度的因素 （一）切削加工影響表面粗糙度的因素 1. 刀具幾何形狀的復映 刀具相對于工件作進給運動時，在加工表面留下了切削層殘留面積，其

5、形狀時刀具幾何形狀的復映。減小進給量、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. 工件材料的性質 加工塑性材料時，由刀具對金屬的擠壓產(chǎn)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。 3. 切削用量 （二）磨削加工影響表面粗糙度的因素 正像切削加

6、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時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： ² 砂輪的粒度 ² 砂輪的硬度 ² 砂輪的修整 ² 磨削速度 ² 磨削徑向進給量與光磨次數(shù) ² 工件圓周進給速度與軸向進給量 ² 冷卻潤滑液 三、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(chǎn)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(chǎn)生。由于磨削加工時所產(chǎn)生的塑性變形和切削熱比刀刃切削時更嚴重，因而

7、磨削加工后加工表面層上述三項物理機械性能的變化會很大。 （一）表面層冷作硬化 1. 冷作硬化及其評定參數(shù) 機械加工過程中因切削力作用產(chǎn)生的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)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(xiàn)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(fā)生變化。 被冷作硬化的金屬處于高能位的不穩(wěn)定狀態(tài)，只有一種可能，金屬的不穩(wěn)定狀態(tài)就要向比較穩(wěn)定的狀態(tài)轉化，這種現(xiàn)象稱為弱化。弱化作用的大小取決于溫度的高低、溫度持續(xù)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

8、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三項，即表層金屬的顯微硬度HV、硬化層深度h和硬化程度N。 2. 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樂，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(xiàn)象就愈嚴重。 （二

9、）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(fā)生變化。 1. 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(fā)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(chǎn)生，甚至出現(xiàn)微觀裂紋，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。在磨削淬火鋼時，可能產(chǎn)生以下三種燒傷： （1）回火燒傷 如果磨削區(qū)的溫度未超過淬火鋼的相變溫度，但已超過馬氏體的轉變溫度，工件表層金屬的回火馬氏體組織將轉變成硬度較低的回火組織(索氏體或托氏體)，這種燒傷稱為回火燒傷。 （2）淬火燒傷 如果磨削區(qū)溫度超過了相變溫度，再加上冷卻液的急冷作用，表層金屬發(fā)生二次淬火，使表層金屬出現(xiàn)二

10、次淬火馬氏體組織，其硬度比原來的回火馬氏體的高，在它的下層，因冷卻較慢，出現(xiàn)了硬度比原先的回火馬氏體低的回火組織(索氏體或托氏體)，這種燒傷稱為淬火燒傷。 （3）退火燒傷 如果磨削區(qū)溫度超過了相變溫度，而磨削區(qū)域又無冷卻液進入，表層金屬將產(chǎn)生退火組織，表面硬度將急劇下降，這種燒傷稱為退火燒傷。 2. 改善磨削燒傷的途徑 磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷由兩個途徑：一是盡可能地減少磨削熱地產(chǎn)生；二是改善冷卻條件，盡量使產(chǎn)生地熱量少傳入工件。 ² 正確選擇砂輪 ² 合理選擇切削用量 ² 改善冷卻條件 （三）表面層殘余應力 1. 產(chǎn)生殘余應力的原因 a. 切削

11、時在加工表面金屬層內有塑性變形發(fā)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(chǎn)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(chǎn)生了殘余應力，而在里層金屬中產(chǎn)生殘余拉應力。 b. 切削加工中，切削區(qū)會有大量的切削熱產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生。 2. 零件主要工作表面最終工序加工方法的選擇 零件主要工作表面最終工序加工方法的選擇至關重要，因為最終工序在該工作表面留下的殘余應力將直接影響機器零件的使用性

12、能。 選擇零件主要工作表面最終工序加工方法，須考慮該零件主要工作表面的具體工作條件和可能的破壞形式。 在交變載荷作用下，機器零件表面上的局部微觀裂紋，會因拉應力的作用使原生裂紋擴大，最后導致零件斷裂。從提高零件抵抗疲勞破壞（即提高工件的“疲勞壽命”）的角度考慮，該表面最終工序應選擇能在該表面產(chǎn)生殘余壓應力的加工方法。在零件表層引入一定的殘余壓應力，增加表面硬度，改善表層組織結構等，就能顯著地提高零件的疲勞強度和耐磨性。常用的增加金屬表面壓應力層的機械工藝方法有：噴丸強化和噴丸成型、滾壓表面和滾壓成型。（1）噴丸利用大量高速運動的珠丸打擊零件表面，使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應力。噴丸強化效果與噴丸

13、參數(shù)（丸子的速度和在零件上散布密度等）、零件材質和表面狀態(tài)有關。對于材料強度高、零件表面有應力集中、表面粗糙或有表面缺陷的零件，噴丸強化有顯著的效果。在噴丸前將零件加載，使它預先產(chǎn)生與工作狀態(tài)下同方向的變形，然后在變形的零件表面上噴丸，這種方法稱為“應力噴丸”。用這種方法可得到較普通噴丸更高的疲勞極限。 （2）滾壓用淬火的鋼輥子在零件表面進行滾軋的強化方法。滾壓使零件表面產(chǎn)生塑性變形和殘余壓應力，能顯著提高零件的精度和降低表面粗糙度。滾壓強化效果與滾壓參數(shù)（滾壓力和輥子半徑等）、零件材料、尺寸和形狀有關。滾壓方法只能用于形狀簡單的機械零件。注釋：（1）單位質量的物質所占有的容積稱為“比容”，用

14、符號"V"表示。其數(shù)值是密度的倒數(shù)。（2）金屬熱處理：在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，該變內部組織，提高力學性能和；延長使用壽命，獲得所需的性能的加工工藝。 鋼的普通熱處理包括退火、正火、淬火和回火。a.退火和正火：冷卻速度較慢，對金屬的強化作用較小，主要用于消除殘余應力，防止工件變形、開裂；改善金屬組織，細化晶粒；調整硬度，改善切削性能，為最終熱處理（淬火、回火）作準備。正火的冷卻速度較快，組織較細，硬度和強度有所提高，采用較多。b.淬火：工件加熱到相變溫度時，保溫后以適當?shù)臄?shù)度冷卻，獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝，目的是提高鋼的硬度和耐磨性。將淬火件加熱到相變溫度下的某

15、一溫度，保溫一定時間，然后冷卻至室溫的熱處理工藝方法稱為回火，淬火后必須進行回火。c.回火分為低溫回火（回火馬氏體）、中溫回火（回火托氏體）和高溫回火（回火索氏體）?；鼗鸬哪康氖牵簻p小或消除淬火應力，減小變形，防止開裂；通過不同溫度的回火來調整工件的硬度，減小脆性，獲得所需的塑性和韌性；穩(wěn)定工件組織和尺寸，避免工件在使用發(fā)生變化。d.調質：淬火加高溫回火，稱為調制處理；e.時效：在100-150度長時間加熱（10-15H），此種低溫回火稱為時效處理。時效處理可分為”自然時效”和”人工時效”兩種.”自然時效”是將鑄件置于露天場地半年以上，便其緩緩地發(fā)生形，從而使殘余應力消除或減少;”人工時效”是

16、將鑄件加熱到550650進行去應力退火，它比自然時效節(jié)省時間，殘余應力去除較為徹底.四、詳述機械加工工藝方法對表面層物理機械性能的影響零件的質量不僅用粗糙度和波度的幾何參數(shù)來說明，而且還要用表面層的物理機械性能來表示。機器零件薄表面層內的機械性能、物理性能和化學性能與金屬的深處是不同的。這種薄表面層的厚度是由加工方法決定的，可由幾個10 m 到百分之幾至十分之幾mm。表面層對零件的工作性能有很大的影響。零件的表面質量主要是在最終加工時保證的。前面的加工和毛胚制造過程對于成品的表面質量也有一定的影響，這是因為工件在不同加工階段的初始性能有工藝遺傳性。達到所需的零件表面質量特別是物理機械性能，并使

17、之在生產(chǎn)條件下保持在規(guī)定的水平上，這便是整個工藝過程的任務。表面層的物理機械性能表現(xiàn)在它的硬度、組織變化和相變、殘余應力的大小、方向和分布情況以及材料晶格的畸變等方面。在這主要簡介硬度，殘余應力的大小、方向和分布情況的物理機械性能。零件表面層的物理機械狀態(tài)主要由在加工區(qū)內發(fā)生的彈性和塑性變形以及局部發(fā)熱所形成的。1. 表面層的硬度在切削過程中，上表面層因承受很大的塑性變形而發(fā)生硬化，使表面層硬度增高，并在表面層內產(chǎn)生內應力。在零件用其他加工方法進行機械加工時也同樣會出現(xiàn)類似的情況。圖5調質 40Cr形變層截面顯微硬度見上圖說明，縱坐標上標出了顯微硬度H，而在橫坐標軸上則標出自標出自金屬表面的距

18、離h，通常金屬的最上層的薄表面層由于切削力和切削溫度所合成的影響而使晶粒受到嚴重破壞（非晶格狀態(tài)）。薄表面層的下面即為金屬硬化層，再深處便是原有組織。在過渡區(qū)內，硬化層可能與原有金屬相交錯。金屬的顯微硬度隨著距表面深度的增加而逐漸下降，變形層顯微硬度變化的特點有兩種情況，一種是表面顯微硬度比原有組織硬度高3050%，同時隨著距表面深度的增加，硬度比較緩慢的下降。顯微硬度下降的曲線帶有接近不變的頃角；另一種是表面顯微硬度比原有組織高23倍，在離開表面的起始段硬度急劇下降，然后從某一深度起，硬度的下降極為緩慢并平穩(wěn)地過渡到金屬的原有硬度。硬化層深度及其強化程度首先與切削條件有關。在切下切屑時，有兩

19、種對立的過程，即硬化過程和同時發(fā)生的消硬化（軟化）過程在相互作用，硬化是由于切削力作用而形成并與切削壓力成正比；而同時發(fā)生的消硬化則是在切削區(qū)內由于溫升促使再結晶等過程的進行所造成的結果。強度好的和脆性金屬的硬化程度要比強度較差的和韌性金屬的硬化程度低些，通常在切削強度好金屬時，溫度一般要高得多。 對硬化的深度和程度有較大影響的因素是切削速度、進給量和刀具的鈍化程度，其次是刀具的幾何形狀和切削深度。中等硬度鋼表面層的硬化深度，在用有韌刀具以工廠采用的切削用量進行機械加工時（車削、鉆孔、擴孔、冼削、滾齒等）根據(jù)加工條件的不同可在0.10.25mm范圍內。在重切削條件下，硬化深度可達到1mm甚至更

20、高。硬化層的顯微硬度可達到H=24505884MPa(對45號和50號等鋼材而言)。對于多數(shù)機械加工方法來說，表面層硬度比中心硬度要高50100%。在有波度時，波峰上和波谷上的硬化層深度是不同的。當采用基本的方法切削金屬時，如果表面有波度，在多數(shù)情況下，波頂上的硬度比在沒有波度時用同樣加工方法加工同樣金屬的硬度要低些。2. 表面層的殘余應力金屬切削加工時，殘余應力往往是集中在表面層內，這種應力可能是壓應力，也可能是拉應力。在許多情況下，距表面不同的深度上存在不同性質的殘余應力（如右圖）。在切削過程中，被加工表面下部和刀具前面的金屬層在開始時受到刀具前刀面的壓縮，而當?shù)毒叩暮蟮睹媾c被加工表面磨擦

21、時則受到拉伸。上層晶粒的一部分隨切屑被帶走，而余下的晶粒則沿切削方向被拉長，此時便產(chǎn)生拉應力。當停止切削和消除外界載荷后，塑性變形的表面層在彈性力的作用下力圖恢復原來位置；而在它下面的一層金屬對此起阻止作用，于是就發(fā)生了應力重新分布現(xiàn)象，此時拉應力明顯下降。有時當下表面層內有殘余拉應力時，在最上層內甚至可能出現(xiàn)壓應力。 應力狀態(tài)在很大程度上決定于表面層內的溫度。已經(jīng)查明，厚度為1020um的上表面層內溫度場的分布情況與在100150um深層的溫度場有明顯的區(qū)別。切削時上表面層發(fā)熱的金屬力圖擴展，而發(fā)熱溫度較低的下層和基體金屬則對此起阻礙作用，因而在發(fā)熱層內產(chǎn)生了壓應力。根據(jù)冷卻程度的不同，上表

22、面層的體積會收縮，但冷卻較慢的下層卻對此起抑制作用。在冷卻以后外表面層便停止收縮并對上層產(chǎn)生一定的影響。此時應力便重新分布：在上表面層形成拉應力，而在下層則形成壓應力。在加工高碳金屬工件時，隨著塑性變形和熱現(xiàn)象的產(chǎn)生，在上表面層內發(fā)生相變并同時出現(xiàn)不同組織和體積變化的金屬層，以及同時產(chǎn)生殘余應力。因為不同的組織具有不同的比容，所以在上表面層內應力分布的特性可能是變化的。例如馬氏體具有比屈氏體和奧氏體更大的比容，因此，當馬氏體分解并形成屈氏體時會產(chǎn)生殘余拉應力；而奧氏體分解和馬氏體的產(chǎn)生則會出現(xiàn)壓應力。因此，切削時產(chǎn)生殘余應力的主要有以下幾方面：一個原因是表面層塑性變形不均勻，而關系到變形金屬的單位體積增大和其中殘余壓應力的發(fā)展；另一個原因是薄表面層局部發(fā)熱，在表面層內產(chǎn)生殘余拉應力；還有一個原因是不同金屬層的相變，使形成具有不同比容的不同組織。結果，在這些表面層內形成了不同性質和不同大小的殘