论机械加工表面质量的影响要素及其控制策略
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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。加工表面质量,是指机器零件在加工后的表面层状态.一台机器在正常的使用过程中,由于其零件的工作性能逐渐变坏,以致不能继续使用,有时甚至会突然损坏,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,大多数是由于磨损或受到外界介质的腐蚀以及疲劳损坏。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.随着工业技术的飞速发展,对机器使用的要求越来越高,一些重要零件在高压、高速、高温等高要求条件下工作,表面层的任何缺陷,不仅直接影响零件的工作性能,而且还可能引起应力集中和应力腐蚀等现象,将进一步加速零件的失效.这一切,都与加工表面质量有很大关系,因而表面质量问题越来越受到各方面的重视。
1 表面质量的含义
任何机械加工所得的表面,实际上不可能是理想的光滑表面,总是存在一定的微观几何形状误差.另外,表面材料在加工时受切削力、切削热的影响,也会使原有的物理-机械性能发生变化。因此,加工表面质量应包括:
(1)加工表面粗糙度。是指加工表面的较小间距和微小峰谷的微观几何形状误差。它主要是由于切削加工过程中的刀痕、切削分离时的塑性变形、刀具与被加工表面的摩擦、工艺系统的高频振动等原因造成的。
(2)表面层的物理---机械性能变化。表面层的材料在加工时,物理-机械性能变化主要有以下三个方面的内容:
1)表面层的冷作硬化。工件在机械加工过程中,表面层金属产生强烈的塑性变化,使表层的强度和硬度都有所提高,这种现象称表面冷作硬化.
2)表面层残余应力.在切削加工过程中,由于切削变形和切削热的影响,在加工表面会产生残余应力,如果残余应力超过材料的屈服强度,就会产生表面裂纹,表面的微观裂纹将给零件带来严重的隐患。
3)表面层金相组织的变化。工件表面经磨削精加工时,磨削产生的高温,一般可达800~1000 ℃,高的磨削温度会烧坏工作表面,使淬火钢件表面退火,引起表层金属发生相变,将大大降低表面层的物理-机械性能。
2 机械加工表面质量对机器使用性能的影响
2.1 对耐磨性的影响
一个刚加工好的两个接触表面之间,最初阶段只在表面粗糙的峰部接触,实际接触面积远小于理论接触面积,在相互接触的峰部有非常大的单位应力,使实际接触面积处产生塑性变形、弹性变形和峰部之间的剪切破坏,引起严重磨损。零件磨损一般可分为三个阶段:初期磨损阶段;正常磨损阶段;剧烈磨损阶段。
(1)表面粗糙度对零件表面磨损的影响。一般来说,表面粗糙度值愈小,其耐磨损性愈好.但表面粗糙度值太小,润滑油不易储存,接触面之间容易发生分子粘接,磨损反而增加。因此,接触面的粗糙度有一个最佳值,其值与零件的工作情况有关,工作载荷加大时,初期磨损量增大,表面粗糙度最佳值也加大。
(2)表面冷作硬化对耐磨性的影响。加工表面的冷作硬化使摩擦副表面层金属的显微硬度提高,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,这是因为过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松,甚至出现裂纹和表层金属的剥落,使耐磨性下降.
2.2 对疲劳强度的影响
金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏,往往发生在零件表面和表面冷硬层下面,因此零件的表面质量对疲劳强度影响很大.
(1)表面粗糙度对疲劳强度的影响.在交变载荷作用下,表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中,产生疲劳裂纹.表面粗糙度值愈大,表面的纹痕愈深,纹底半径愈小,抗疲劳破坏的能力就愈差。
(2)残余应力、冷作硬化对疲劳强度的影响。表面层残余拉应力,将使疲劳裂纹扩大,加速疲劳破坏;而表面层残余压应力,能够阻止疲劳裂纹的扩展,延缓疲劳破坏的产生;表面冷硬化一般伴有残余压应力的产生,可以防止裂纹产生并阻止已有裂纹的扩展,对提高疲劳强度有利。
2.3对耐蚀性的影响
零件的耐蚀性,在很大程度上取决于表面粗糙度.表面粗糙度值愈大,则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多,抗蚀性就愈差;表面层的残余拉应力,会产生应力腐蚀开裂,降低零件的耐磨性,而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。
2.4 对配合质量的影响
表面粗糙度值的大小,将影响配合表面的配合质量.对于间隙配合,粗糙度值大会使磨损加大,间隙增大,破坏了要求的配合性质;对于过盈配合,装配过程中一部分表面凸峰被挤平,实际过盈量减小,降低了配合件间的连接强度.
3 影响表面粗糙度的因素
(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的程度,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)工件材料的性质。加工塑性材料时,由于刀具对金属的挤压,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,使表面粗糙度增大.
(3)磨削加工影响表面粗糙度的因素。如同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:
1)砂轮的粒度与硬度。砂轮硬度应适当,应使磨粒钝后会及时脱落,露出新的磨粒来继续切削,即具有良好的“自砺性”.砂轮的粒度愈细,即单位面积上的磨粒数愈多,则加工表面的刻痕愈细密,表面粗糙度愈低。但若粒度过细,则容易堵塞砂轮,而使工件表面塑性变形增加,从而影响表面粗糙度的降低。
2)砂轮的修整。砂轮应及时修整,以去除已钝化的磨粒,保证砂轮具有微刃性和等高性。用金刚石修整砂轮相当于在砂轮上“车削”外圆,纵向和横向的进给量愈小,修整出来的砂轮表面的微刃性和等高性就愈好,磨出工件表面的粗糙度也愈低.
3)磨削速度、径向进给量、光磨次数、工件圆周进给速度与轴向进给量.减小磨削用量和提高砂轮速度,可以增加工件单位面积上的刻痕数,同时可降低因塑性变形造成的表面粗糙度。因为在高速磨削下,磨削表面来不及塑性变形,因而提高砂轮速度有利于降低表面粗糙度。增大磨削深度和提高工件速度会使塑性变形加剧,从而增高粗糙度。为了提高磨削效率,通常在开始磨削时采用较大的磨削深度,而在磨削后期采用小的磨削深度,或进行无进给磨削(光磨),以降低工件表面粗糙度。
4)切削液.切削液对加工过程起冷却和润滑作用,能降低切削区的温度,减少刀刃与工件的摩擦,从而减少切削过程的1大作用.
5)工件材质。工件材料的硬度、塑性、韧性和导热性能等,对表面粗糙度有显着的影响。工件材料太硬时,磨粒易钝化;太软时,砂轮易堵塞;韧性大和导热性能差的材料,使磨粒早期崩落,而破坏了微刃的等高性,因而均使表面粗糙度增高.
4 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。
4.1 冷作硬化及其评定参数
(1)金属的冷作硬化。在机械加工过程中,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.
(2)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.
4.2表面层材料金相组织的变化
(1)磨削烧伤。当被磨工件表面层的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。回火烧伤。如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度,但已超过马氏体的转变温度,工件表层金属的回火马氏体组织将转变成硬度较低的回火组织(索氏体或托氏体),这种烧伤称为回火烧伤.淬火烧伤.如果磨削区温度超过了相变温度,再加上冷却液的急冷作用,表层金属发生二次淬火,使表层金属出现二次淬火马氏体组织,其硬度比原来的回火马氏体的高,在它的下层,因冷却较慢,出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织(索氏体或托氏体),这种烧伤称为淬火烧伤。
退火烧伤.如果削区温度超过了相变温度,而磨削区域又无冷却液进入,表层金属将产生退火组织,表面硬度将急剧下降,这种烧伤称为退火烧伤。
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的产生;二是改善冷却条件,尽量使产生的热量少传入工件.
(2)表面层残余应力。产生的原因是:加工时在切削力作用下,已加工表面层受拉应力作用,产生伸长塑性变形,表面积趋向增大,此时里层处于弹性变形状态下。当切削力去除后,里层金属趋向复原,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压应力,里层则为拉应力与之相平衡.
(3)热塑性变形的影响。表面层在切削热的作用下产生热膨胀,此时基体温度较低,因此表面层热膨胀受基体的限制产生热压缩应力.当表面层的温度超过材料的弹性变形范围时,就会产生热塑性变形(在压应力作用下材料相对缩短)。当切削过程结束,温度下降至与基体温度一致时,因为表面层已产生热塑性变形,但受到基体的限制产生了残余拉应力,里层则产生了压应力。
(4)金相组织变化的影响。切削时产生的高温,会引起表面层的相变.由于不同的金相组织有不同的密度,表面层金相变化的结果造成了体积的变化。表面层体积膨胀时,因受到基体的限制,产生了压应力。反之,表面层体积缩小,则产生拉应力。各种金相组织大马氏体比重最小,奥氏体比重最大,磨削淬火钢时若表面层产生回火现象,马氏体转化成索氏体或屈氏体(这两种组织均为扩散度很高的珠光体),因体积缩小,表面层产生残余拉应力,里层产生残余压应力。若表面层产生二次淬火现象,则表面层产生二次淬火马氏体,其体积比里层的回火组织大,因而表层产生压应力,里层产生拉应力。
(5)零件主要工作表面最终工序加工方法的选择。选择零件主要工作表面最终工序加工方法,须考虑该零件主要工作表面的具体工作条件和可能的破坏形式.在交变载荷作用下,机器零件表面上的局部微观裂纹,会因拉应力的作用使原生裂纹扩大,最后导致零件断裂.从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑,该表面最终工序应选择能在该表面产生残余压应力的加工方法。
(6)磨削裂纹的产生及防止.当表面层的残余拉应力超过材料的强度极限时,零件表面就会产生裂纹,有的磨削裂纹也可能不在工件的外表面,而是在表面层下成为肉眼难以发现的缺陷.裂纹的方向常与磨削方向垂直或成网状,裂纹的产生常与烧伤同时出现。磨削裂纹的产生与材料及热处理工序有很大的关系,磨削硬质合金时,由于其脆性大,抗拉强度低以及导热性差,所以特别容易产生裂纹.磨削含碳量高的淬火钢时,由于其晶界脆弱,也容易产生磨削裂纹。工件在淬火后如果存在残余应力,则即使在正常的磨削条件下也可能会出现裂纹.渗碳、渗氮时如果工艺不当,就会在表面层晶界面上析出脆性的碳化物、氮化物。当磨削时,在热应力作用下就容易沿着这些组织发生脆性破坏,而出现网状裂纹.由于磨削热是产生残余拉应力的根本原因,因此防止产生裂纹的途径,也在于降低磨削热以及改善其散热条件,前面所述的减轻表面热损伤的措施,均有利于避免产生表面残余拉应力和裂纹。在磨削工序前后进行去除内应力的低温回火处理,亦能有效地减小表面层的拉应力,防止产生磨削裂纹。
5 结束语
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.
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