金属加工表面质量的影响因素及改进措施

2016-12-29刘晓敏天津职业大学

大陆桥视野 2016年24期

关键词：表面质量粗糙度机械加工

刘晓敏/天津职业大学

金属加工表面质量的影响因素及改进措施

刘晓敏/天津职业大学

机械加工表面质量，是指零件在机械加工后被加工面的微观不平度，也叫粗糙度，其加工后的表面质量直接影响被加工件的物理、化学及力学性能。分析机械加工过程中影响加工表面质量的各种工艺因素，改善表面质量、提高产品使用性能具有重要的意义

粗糙度；机械加工工艺；金属切削

1.表面质量的含义

任何机械加工的表面，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。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。表面质量包括：

（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。

（2）表面层的物理——机械性能变化。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。在机械加工过程中，工件表面层金属产生了强烈的塑性变化，使表层的强度和硬度都有所提高，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，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

（1）表面粗糙度对零件表面磨损的影响。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。

（2）表面冷作硬化对耐磨性的影响。加工表面的冷作硬化一般可使耐磨性提高。但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

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，降低了配合件间的联接强度。

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。

（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。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。

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”。

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。

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。

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。

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

4.1冷作硬化及其因素

（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。

（2）影响冷作硬化的主要因素。切削刃钝圆半径增大，塑性变形加剧，导致冷硬增强。刀具后刀面磨损增大，塑性变形增大，导致冷硬增强。切削速度增大，塑性变形扩展深度减小，冷硬层深度减小。进给量增大，冷硬作用加强。工件材料的塑性愈大，冷作硬化现象就愈严重。

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。

（2）表面层残余应力。在切削力作用下，表面层受拉应力作用，产生伸长塑性变形，表面积趋向增大，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。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。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。