机械加工过程材料损伤及热力学行为研究

司荣峰，董彦超

（南阳农业职业学院，河南 南阳 473000）

1 机械加工中的材料磨损

1.1 按磨损原因分类

（1）磨料磨损。被加工材料中常有一些硬度极高的微小颗粒，能在刀具表面划出沟纹，这就是磨料磨损。磨料磨损在各个面都存在，前刀面最明显。而且各种切削速度下都能发生麻料磨损，但对于低速切削时，由于切削温度较低，其它原因产生的磨损都不明显，因而磨料磨损是其主要原因。另外刀具硬度越低磨料麻损越严重。

（2）冷焊磨损。切削时，工件、切削与前后刀面之间，存在很大的压力和强烈的摩擦，因而会发生冷焊。由于摩擦副之间有相对运动，冷焊将产生破裂被一方带走，从而造成冷焊磨损。冷焊磨损一般在中等切削速度下比较严重。根据实验表明，脆性金属比塑性金属的抗冷焊能力强；多相金属比单向金属小；金属化合物比单质冷焊倾向小；化学元素周期表中B族元素与铁的冷焊倾向小。高速钢与硬质合金低速切削时冷焊比较严重。

（3）扩散磨损。在高温下切削、工件与刀具接触过程中，双方的化学元素在固态下相互扩散，改变刀具的成分结构，使刀具表层变得脆弱，加剧了刀具的磨损。扩散现象总是保持着深度梯度高的物体向深度梯度低物体持续扩散。

（4）氧化磨损。当温度升高时刀具表面氧化产生较软的氧化物被切屑摩擦而形成的磨损称为氧化磨损。如：在700~800℃时空气中的氧与硬质合金中的钴及碳化物、碳化钛等发生氧化反应，形成较软的氧化物;在1000℃时PCBN与水蒸气发生化学反应。

1.2 按磨损形式分类

（1）前刀面损。在以较大的速度切削塑性材料时，前刀面上靠近切削力的部位，在切屑的作用下，会磨损成月牙凹状，因此也称为月牙洼磨损。在磨损初期，刀具前角加大，使切削条件有所改善，并有利于切屑的卷曲折断，但当月牙洼进一步加大时，切削刃强度大大削弱，最终可能会造成切削刃的崩碎毁损的情况。在切削脆性材料，或以较低的切削速度及较薄的切削厚度切削塑性材料时，一般不会产生月牙洼磨损。

（2）刀尖磨损。刀尖磨损为刀尖圆弧的后刀面及邻近的副后刀面上的磨损，它是刀具上后刀面磨损的延续。由于此处的散热条件差，应力集中，故磨损速度要比后刀面快，有时在副后刀面上还会形成一系列间距等于进给量的小沟，称为沟纹磨损。它们主要由已加工表面的硬化层及切削纹路造成。在切削加工硬化倾向大的难切削材料时，最易引起沟纹磨损。刀尖磨损对工件表面粗糙度及加工精度影响最大。

（3）后刀面磨损。在很大切削厚度切削塑性材料时，由于积屑瘤的存在，刀具的后刀面可能不与工件接触。除此之外，通常后刀面都会与工件发生接触，而在后刀面上形成一道后角为0的磨损带。一般在切削刃工作长度的中部，后刀面磨损比较均匀，因此后刀面的磨损程度可用该段切削刃的后刀面磨损带宽度VB来衡量。由于各种类型的刀具在不同的切削情况下几乎都会了发生后刀面磨损，特别是切削脆性材料或以较小的切削厚度切削塑性材料时刀具的磨损主要是后刀面磨损，而且磨损带的宽度VB的测量比较简便，因此通常都用VB来表示刀具的磨损程度。VB愈大，不但会使切削力增大，引起切削振动，而且会影响刀尖圆弧处的磨损，从而影响加工精度及加工表面质量。

2 固体材料的热力学问题

2.1 固体的构形和变形

在机械加工过程中，固体的构型变形是在所难免的。实际上，根据本身的几何结构特征往往可以判断出其享有的变化。目前来看，占据的空间往往具有不可控制的变形量，所以在系统构成过程中，几何特征的差异也是相对确定的。为了明确不同的质点占用的空间，需要结合其具体的情况与构形来进行分析。在这个过程汇总，一方面需要考虑到数量对于构形的影响，另外一方面也要结合其具体的变形量来进行分析。固体变形以及张量的变化往往都可以通过位移量来进行表征，具有很强的相关性。所以，在具体的研究中也可以借助于对称张量的方式来进行计算，结果准确性同样可以得到保障。

2.2 固体热力学的应力研究

根据相关理论研究成果来看，应用于不同的连续机构当中机械加工往往可以带来热力学的应力调整。比如说固体以及其他类型的物体在受到外部的作用力时往往都会表现出一定的表面张力，这些表面张力通过物体接触的方式传递，其产生的模式与方法存在差异，所以不仅仅存在于物体的表面，而是通过内部分子的作用关系传递的物体的内部，所以在测量过程中无论是过程还是方向都具有很强的相关性。

3 被加工材料韧性损伤的演变规律

随着工业现代化建设水平的不断提升，目前材料的制造加工遇到了许多新的问题，其中包括一部分加工损伤以及故障。实际上，任何机械加工都可能会导致材料受损，这是由于其周围的环境或者材料本身的性质存在缺陷，加工模式与方法不匹配所导致的。一般来说，材料宏观上的缺陷与微观上的缺陷都可能会影响到加工性能，所以在很大程度上也有可能会影响到材料的韧性以及结构强度。

3.1 韧带断裂浅析

从材料的内部特征上来看，损伤以及演变都是导致破坏的重要原因。引起破坏的因素是多方面的，除了宏观的裂纹之外，还包括损伤以及结构破坏等等。从这个角度上来看，这个问题出现一般都是由于持续拓展导致的，韧性损伤就是持续拓展后形成的断裂损伤。该模式在学界也可以称之为韧性断裂或者塑性断裂，这是常规塑性变形长期存在所导致的一种必然的结果。通过拉伸的方式产生断裂，可以通过不同的锻炼方式来进行研究，这个过程中很好地适应了应力的条件，满足了扩展的要求，在破坏后可能会成为孔状的结构或者其他类型的结构，同时位置还不会发生偏移，持续的拓展并长大。

3.2 空洞损伤分析

球形的空洞损伤模型也具有一定的拓展特征规律。在工程实践当中，材料往往都不可避免地会存在一些孔洞结构，不同的空洞结果在大小、形状等方面都存在一些差异，不具有固定的规律。在大多数条件下，材料的研究可以采取有限元的模式。在研究时，往往会耗费一定的时间和精力，甚至会因此导致计算的结果出现较大的差异。结合研究的一般规律来看，要想获得较为完善的空洞损伤分析公式，需要选择合适的公式，对时间以及费用等内容进行合理的计算，得到的数据才具有真实性以及可靠性。在没有办法获得准确公式的情况下，往往也就无法获得完整的系统结果，这个时候对于后续也会产生大量不利的影响。在进行使用方法的调整时，需要做好分析与整理，对于没有产生具体结果的情况则需要选择合适的方法，或者针对某个局部区域进行统计与分析。大多数情况下都可以通过宏观分析的方式，利用形成规律来进行孔洞损伤的分析，这样就可以有效找到问题并解决问题。

3.3 应对措施

（1）针对被加工材料和零件的特点，合理选择刀具材料的各类和牌号。在具备一定硬度和耐磨性的前提下，必须保证刀具材料具有必要的韧性。

（2）合理选择刀具几何参数。通过调整前后角、主副偏角、刃倾角等角度，保证切削刃和刀尖有较好的强度。在切削刃上磨出负倒棱，是防止崩刀的有效措施。

（3）保证焊接和刃磨的质量，避免因焊接、刃磨不善而带来的各种疵病。关键工序所用的刀具，其刀而应经过研磨以提高表面质量，并检查有无裂纹。

（4）合理选择切削用量，避免过大的切削力和过高的切削温度，以防止刀具破损。

（5）尽可能保证工艺系统具有较好的刚性，减小振动。

4 结语

总而言之，大部分被加工材料都是具有一定塑性的固体材料，在机械加工过程中在所难免的会出现损伤问题。空洞作为最为常见的一种损伤类型，加强对空洞模型演变规律的研究十分必要。除此之外，当材料长时间处于高温的工作环境中，会在其内部产生一定的热应力，从而导致材料内部结构发生改变，进而造成材料不可逆的损伤。