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影响加工表面物理力学性能的因素

关键词 加工表面 , 物理力学性能|2008-05-22 00:00:00|技术信息|来源 中国超硬材料网
摘要 机械加工过程中,工件由于受到切削力、切削热的作用,其表面与基体材料性能有很大不同,在物理力学性能方面发生较大的变化。一、加工表面层的冷作硬化在切削或磨削加工过程中,若加工表面层产生...

  机械加工过程中,工件由于受到切削力、切削热的作用,其表面与基体材料性能有很大不同,在物理力学性能方面发生较大的变化。
  一、加工表面层的冷作硬化
  
  在切削或磨削加工过程中,若加工表面层产生的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,引起表面层的强度和硬度提高的现象,称为冷作硬化现象。
  
  表面层的硬化程度取决于产生塑性变形的力、变形速度及变形时的温度。力越大,塑性变形越大,产生的硬化程度也越大。变形速度越大,塑性变形越不充分,产生的硬化程度也就相应减小。变形时的温度影响塑性变形程度,温度高硬化程度减小。
  
  ( 一 )影响表面层冷作硬化的因素
  
  1 .刀具
  
  刀具的刃口圆角和后刀面的磨损对表面层的冷作硬化有很大影响,刃口圆角和后刀面的磨损量越大,冷作硬化层的硬度和深度也越大。
  
  2 .切削用量
  
  在切削用量中,影响较大的是切削速度 V C和进给量 f。当 V C增大时,则表面层的硬化程度和深度都有所减小。这是由于一方面切削速度增大会使温度增高,有助于冷作硬化的回复;另一方面由于切削速度的增大,刀具与工件接触时间短 ,使工件的塑性变形程度减小。当进给量 f增大时,则切削力增大,塑性变形程度也增大,因此表面层的冷作硬化现象也严重。但当 f较小时,由于刀具的刃口圆角在加工表面上的挤压次数增多,因此表面层的冷作硬化现象也会增大。
  
  3 .被加工材料
  
  被加工材料的硬度越低和塑性越大,则切削加工后其表面层的冷作硬化现象越严重。
  
  ( 二 )减少表面层冷作硬化的措施
  
  1 .合理选择刀具的几何参数,采用较大的前角和后角,并在刃磨时尽量减小其切削刃口圆角半径;
  
  2 .使用刀具时,应合理限制其后刀面的磨损程度;
  
  3 .合理选择切削用量,采用较高的切削速度和较小的进给量;
  
  4 .加工时采用有效的切削液。
  
  二、表面层的金相组织变化
  
  (一)影响表面层的金相组织变化的因素
  
  机械加工时,切削所消耗的能量绝大部分转化为热能而使加工表面出现温度升高。当温度升高到超过金相组织变化的临界点时,就会产生金相组织的变化。一般的切削加工,由于单位切削截面所消耗的功率不是太大,故产生金相组织变化的现象较少。但磨削加工因切削速度高,产生的切削热比一般的切削加工大几十倍,这些热量部分由切屑带走,很小一部分传入砂轮,若冷却效果不好,则很大一部分将传入工件表面,使工件表面层的金相组织发生变化,引起表面层的硬度和强度下降,产生残余应力甚至引起显微裂纹,这种现象称为磨削烧伤。因此,磨削加工是一种典型的易于出现加工表面金相组织变化的加工方法。根据磨削烧伤时温度的不同,可分为:
  
  1. 回火烧伤 当磨削淬火钢时,若磨削区温度超过马氏体转变温度,则工件表面原来的马氏体组织将转化成硬度降低的回火屈氏体或索氏体组织,此称之为回火烧伤。
  
  2. 淬火烧伤 磨削淬火钢时 ,若磨削区温度超过相变临界温度,在切削液的急冷作用,使工件表面最外层金属转变为二次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火马氏体高,但是又硬又脆,而其下层因冷却速度较慢仍为硬度降低的回火组织,这种现象称之为淬火烧伤。
  
  3. 退火烧伤 若不用切削液进行干磨时超过相变的临界温度,由于工件金属表层空冷冷却速度较慢 ,使磨削后强度、表面硬度急剧下降,则产生了退火烧伤。
  
  磨削烧伤时,表面会出现黄、褐、紫、青等烧伤色。这是工件表面在瞬时高温下产生的氧化膜颜色,不同烧伤色表面烧伤程度不同。较深的烧伤层,虽然在加工后期采用无进给磨削可除掉烧伤色,但烧伤层却未除掉,成为将来使用中的隐患。
  
  
  
  (二)防止磨削烧伤的工艺措施
  
  1 .合理选择磨削用量
  
  减小磨削深度可以减少工件表面的温度,故有利于减轻烧伤。增加工件速度和进给量,由于热源作用时间减少,使金相组织来不及变化,因而能减轻烧伤,但会导致表面粗糙度值增大。一般采用提高砂轮速度和较宽砂轮来弥补。
  
  
  2 .合理选择砂轮并及时修整
  
  若砂轮的粒度越细、硬度越高时自砺性差,则磨削温度也增高。砂轮组织太紧密时磨屑堵塞砂轮,易出现烧伤。砂轮钝化时,大多数磨粒只在加工表面挤压和摩擦而不起切削作用,使磨削温度增高,故应及时修整砂轮。
  
  3 .改善冷却方法
  
  采用切削液可带走磨削区的热量,避免烧伤。常用的冷却方法效果较差,由于砂轮高速旋转时,圆周方向产生强大气流,使切削液很难进入磨削区,因此不能有效地降温。为改善冷却方法,可采用图 5—4所示的内冷却砂轮。切削液从中心通入,靠离心力作用,通过砂轮内部的空隙从砂轮四周的边缘甩出,因此切削液可直接进入磨削区,冷却效果甚好。但必须采用特制的多孔砂轮,并要求切削液经过仔细过滤以免堵塞砂轮。

  三、表面层的残余应力
  
  
  工件经机械加工后,其表面层都存在残余应力。残余压应力可提高工件表面的耐磨性和受拉应力时的疲劳强度,残余拉应力的作用正好相反。若拉应力值超过工件材料的疲劳强度极限时,则使工件表面产生裂纹,加速工件的损坏。引起残余应力的原因有以下三个方面:
  
  ( 一 )冷塑性变形引起的残余应力
  
  在切削力作用下,已加工表面受到强烈的冷塑性变形,其中以刀具后刀面对已加工表面的挤压和摩擦产生的塑性变形最为突出,此时基体金属受到影响而处于弹性变形状态。切削力除去后,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压应力。
  
  ( 二 )热塑性变形引起的残余应力
  
  工件加工表面在切削热作用下产生热膨胀,此时基体金属温度较低,因此表层金属产生热压应力。当切削过程结束时,表面温度下降较快,故收缩变形大于里层,由于表层变形受到基体金属的限制,故而产生残余拉应力。切削温度越高,热塑性变形越大,残余拉应力也越大,有时甚至产生裂纹。磨削时产生的热塑性变形比较明显。
  
  ( 三 )金相组织变化引起的残余应力
  
  切削时产生的高温会引表面层的金相组织变化。不同的金相组织有不同的密度,表面层金相组织变化的结果造成了体积的变化。表面层体积膨胀时,因为受到基体的限制,产生了压应力;反之,则产生拉应力。

 

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