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      南通第二機床有限公司

      中國機床工具工業協會磨床分會理事單位,ISO9001:2000認證企業

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      技術交流

      影響零件表面層機械特性的主要因素及其控制的基本方法

      發布時間:2019/2/28

        零件表面層的機械特性主要是指,在機械加工過程中,工件在切削力和切削熱的作用下產生的變質層,即工件表面里層一定深度的材料層,表現的不同于工件基體材料基本機械性能的異常特性。
        所謂“變質層”,是指在機械加工過程中工件表層材料在切削力和切削熱的作用下沿晶面發生剪切滑移,致使晶格扭曲、晶粒拉長,嚴重時甚至金相組織發生變化,且具有一定深度的工件表面里層。變質層的異常特性常常用加工硬化、殘余應力、平面磨床磨削燒傷這些概念來表征。
        變質層表現出的加工硬化、殘余應力、平面磨床磨削燒傷對零件的使用存在不同的影響,有時是有利的,有時是不利的。
        (1)加工硬化
        所謂“加工硬化”,是指毛坯(工件)經過機械加工后加工表面的硬度常常高于它的基體材料硬度的一種硬化現象。這是機械加工后零件表面變質層的一個特征。
        在機械加工過程中,磨床切削力使加工面及其里層的金屬晶格扭曲、晶粒拉長甚至破碎,產生很大的塑性變形,阻礙這里的金屬進一步的變形,即使材料“強化”;與此同時,切削熱又使這里的材料溫度升高(在到達相變溫度以前),導致塑性變形引起的硬化得以緩解,即使材料“弱化”;當切削熱引起的材料溫度升高超過相變溫度以后,情況較為復雜,由相變的具體情況確定。
        加工硬化出現在加工表面及其里層一定深度范圍內;不同的加工方法產生不同的里層深度,如表11所示。
        表11 加工方法對加工硬化里層深度的影響示例追
        加工方法

      加工方法

      工件材料

      加工硬化層深度/um

      平均值

      最大值

      車削

      粗車

      低碳鋼

      30—50

      200

      精車

      低碳鋼

      20~60

      鏡削

      端面銑

      低碳鋼

      40一100

      200

      嘲周銑

      低碳鋼

      40~80

      110

        加工硬化是由材料的“強化”和“弱化”這兩個變化過程綜合作用的結果,通常情況下,導致加工后零件表面硬度增加。
        在實際應用時,適當的加工硬化可以使零件表層硬度提高,增強零件的耐磨性和疲勞強度。然而,在某些情況下,例如,當加工硬化嚴重時,硬化會使加工表面出現顯微裂紋,反而降低零件的耐磨性和疲勞強度,無益于發揮零件的功能。
        在切削加工過程中,通常塑性變形起主要作用,因而控制(減輕)加工硬化的基本方法是:
        ①使用切削刃刃口圓弧半徑大或(和)主、副偏角小的刀具進行加工,可以減輕加工表面層的塑性變形,緩解加工硬化現象。
        ②增加切削速度和減小進給量進行加工,也可以減輕加工表面層的塑性變形,緩解加工硬化現象。
        ③分析工件材料塑性的影響,例如,對于碳素結構鋼,含碳量不同(越低),塑性不同(越大),硬化程度也不同(越嚴重)。此時,加工時應該根據不同情況采取適當的措施來減小塑性變形帶來的不利影響。
        除此之外,合適的冷卻潤滑依然是減輕加工硬化的一個不錯的措施。
        在平面磨床磨削加工過程中,平面磨床磨削溫度常常是很高的,使加工表面層材料軟化或金相組織發生變化。由于平面磨床磨削加工的情況不同,變質層的加工硬化變化也是不同的,因而此時的硬度變化規律是較為復雜的。
        對于這種情況,人們應該根據實際情況采取相應的對策。
        (2)殘余應力
        所謂“殘余應力”,是指在機械加工后在沒有外力作用的情況下零件表面留存的一種應力。殘余應力又分為殘余拉應力和殘余壓應力。這是機械加工后零件表面變質層的又一個特征。
        1)殘余應力產生的原因
        ①在切削過程中,工件表層受刀具的擠壓和摩擦產生拉伸塑性變形,即所謂的“冷塑性變形”。這種冷塑性變形將使工件的表層產生殘余壓應力,里層產生殘余拉應力。
        在這種加工過程中,冷塑性變形起主導作用,殘余壓應力是影響殘余應力數值的主要因素。
        ②在平面磨床磨削過程中,工件表層在摩擦熱的作用下產生壓縮塑性變形,即所謂的“熱塑性變形”。這種熱塑性變形將使工件的表層產生殘余拉應力,里層產生殘余壓應力。
        在這種加工過程中,熱塑性變形起主導作用,殘余拉應力是影響殘余應力數值的主要因素。
        ③在切削或平面磨床磨削過程中,當工件表層溫度超過金屬材料的相變溫度時,就會產生“相變殘余應力”:工件的表層產生殘余壓應力,里層產生殘余拉應力。
        零件表面層的殘余應力就是以上幾個因素綜合作用的結果。不同的加工方法在工件表面留存的殘余應力示例如表12所示。
        表12加工方法與殘余應力示例①
        加工方法 殘余應力性質 殘余應力數值/MPa
        車削     ②       ③
        平面磨床磨削 ④     200~1000
        銑削     ②      600一1500
        鍍鉻 表面為拉應力。里層為壓應力 400
       鍍銅 表面為拉應力,里層為壓應力 200
        ①引自王先逵.機械制造工藝學[M].3版.北京:機械工業出版社,2013。
        ②一般情況下,工件的表面為殘余拉應力,里層為殘余壓應力;應力層深度在0.05—0.10mm范圍內。當切削速度為500m/min時,則工件的表面為殘余壓應力,里層為殘余拉應力。
        ③一般情況下,殘余應力在200—800MPa范圍內;當刀具磨損時,可達1000MPa。
        ④一般情況下,工件的表面為殘余壓應力,里層為殘余拉應力;應力層深度在0.05—0.30mm范圍內。
        當殘余應力(殘余拉應力)超過材料的拉伸強度極限時,工件表面就會出現裂紋。此外,工件表面出現裂紋還與工件材料(材質、硬度)有關,例如,在平面磨床磨削含碳量低于0.4%(質量分數)的鋼材(低碳鋼)時,不管怎么樣,基本上不出現裂紋;防爆電氣設備常用的普通鋼材[Q235(含碳的質量分數為0.17%一0.22%)]就屬這種情況。
        2)殘余應力的控制方法
        在切削和平面磨床磨削加工過程中,由于殘余應力是(冷或熱)塑性變形和相變應力引起的,因而控制(減輕)殘余應力的基本方法是:
        ①選擇合適的刀具和切削速度、進給量、工件和磨具的旋轉速度。
        ②選用合適的冷卻潤滑液對工件和刀具進行有效的冷卻潤滑。
       (3)平面磨床磨削燒傷
        所謂“平面磨床磨削燒傷”,是指在平面磨床磨削加工過程中工件表面層的溫度超過工件材料的相變溫度,引起材料的金相組織發生變化,繼而表面層硬度增大,于是產生表面殘余應力,乃至表面出現顯微裂紋的一種“燒傷”現象。這是機械加工后零件表面變質層的另一個特征。
        平面磨床磨削燒傷是平面磨床磨削加工的一個重要特征。零件平面磨床磨削燒傷的嚴重程度,可以用觀察加工表面顏色的方法來判斷:隨著燒傷層深度的增加,加工表面氧化膜的顏色依次為淺黃色、黃色、紫褐色、青色等。這只是一個概念性的判斷方法。
        嚴重的平面磨床磨削燒傷會大大地降低零件的使用性能和使用壽命,甚至不能使用。
        在平面磨床磨削過程中,大量的平面磨床磨削熱是造成平面磨床磨削燒傷的直接因素,因而控制(減輕)平面磨床磨削燒傷的基本方法是:
        ①恰當地減小平面磨床磨削深度。
        ②合理地減小磨具與工件的接觸面積和接觸時間。
        ③充分地運用切削液對加工部位進行強制冷卻。

      白马王子