影響機(jī)械加工中表面層物理力學(xué)性能的因素

1、影響機(jī)械加工中表面層物理力學(xué)性能的因素    摘要: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:;表面層;物理力學(xué) 1 表面層金相組織的變化 過程中,在加工區(qū)由于加工時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,表面層金相組織就會發(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

2、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)力并會產(chǎn)生細(xì)微裂紋,嚴(yán)重時,形成表面燒傷。 影響磨削燒傷的因素 砂輪材料 對于硬度太高的砂輪,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會自動退讓,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,工作

3、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,磨削區(qū)溫度增高,但熱源作用時間減小,因而可減輕燒傷。但提高工件速度會導(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

4、格嚴(yán)重扭曲,并產(chǎn)生晶粒的拉長、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。變形時的溫度不僅影響塑性變形程度,還會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

5、接觸擠壓時間短,塑性變形小。速度大時溫度也會增高,有助于冷硬的恢復(fù),冷硬較弱進(jìn)給量增大時切削力增加,塑性變形也增加,硬化加強(qiáng)。但當(dāng)進(jìn)給量較小時,由于刀具刃口圓角在加工表面單位長度上的擠壓次數(shù)增多,硬化程度也會增大。 刀具。刀具刃口圓弧半徑增加,對表層擠壓作用大,使冷硬增加;刀具副后刀面磨損增加,對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)

6、給量。加工時選擇有效的冷卻潤滑液。 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,在表層金屬與基體材料交界處將會產(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,表面層在切削時受刀具后刀面的擠壓和磨擦,使表面層生產(chǎn)伸長塑性變形,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

7、表面在切削熱的作用下產(chǎn)生熱膨脹,此時基體金屬溫度較低,因此表層產(chǎn)生熱壓應(yīng)力。當(dāng)切削過程結(jié)束時,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,有時甚至產(chǎn)生裂紋。 金相組織變化引起的殘余應(yīng)力。切削時產(chǎn)生高溫會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,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,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。