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1、机械加工表面质量的影响要素及控制策略,机械工程论文机械零件的加工质量，除加工精度外，外表质量也是极其重要的一个方面。加工外表质量，是指机器零件在加工后的外表层状态.一台机器在正常的使用经过中，由于其零件的工作性能逐步变坏，以致不能继续使用，有时甚至会忽然损坏，其原因除少数是由于设计不周而强度不够，或偶尔事故引起了超负荷以外，大多数是由于磨损或遭到外界介质的腐蚀以及疲惫损坏。磨损、腐蚀和疲惫损坏，都是发生在零件的外表，或是从零件外表开场的。因而，加工外表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
2、条件下工作，外表层的任何缺陷，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，都与加工外表质量有很大关系，因除此之外表质量问题越来越遭到各方面的重视。1 外表质量的含义任何机械加工所得的外表，实际上不可能是理想的光滑外表，总是存在一定的微观几何形状误差.另外，外表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。因而，加工外表质量应包括：1加工外表粗糙度。是指加工外表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经过中的刀痕、切削分离时的塑性变形、刀具与被加工外表的摩擦、工艺系统的高频振动等原因造成的。2外
3、表层的物理-机械性能变化。外表层的材料在加工时，物理-机械性能变化主要有下面三个方面的内容：1外表层的冷作硬化。工件在机械加工经过中，外表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，这种现象称外表冷作硬化.2外表层残存余留应力.在切削加工经过中，由于切削变形和切削热的影响，在加工外表会产生残存余留应力，假如残存余留应力超过材料的委屈服从强度，就会产生外表裂纹，外表的微观裂纹将给零件带来严重的隐患。3外表层金相组织的变化。工件外表经磨削精加工时，磨削产生的高温，一般可达8001000 ，高的磨削温度会烧坏工作外表，使淬火钢件外表退火，引起表层金属发生相变,将大大降低外表层的物理-机械
4、性能。2 机械加工外表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外表之间，最初阶段只在外表粗糙的峰部接触，实际接触面积远小于理论接触面积，在互相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毁坏，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外表粗糙度对零件外表磨损的影响。一般来讲，外表粗糙度值愈小，其耐磨损性愈好.但外表粗糙度值太小，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。因而，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，外表粗糙
5、度最佳值也加大。2外表冷作硬化对耐磨性的影响。加工外表的冷作硬化使摩擦副外表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，这是由于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 对疲惫强度的影响金属受交变载荷作用后产生的疲惫毁坏，往往发生在零件外表和外表冷硬层下面，因而零件的外表质量对疲惫强度影响很大.1外表粗糙度对疲惫强度的影响.在交变载荷作用下，外表粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲惫裂纹.外表粗糙度值愈大，外表的纹痕愈深，纹底半径愈小，抗疲惫毁坏的能力就愈差。2残存余留应力、冷作硬化对疲惫强度的影响。外
6、表层残存余留拉应力，将使疲惫裂纹扩大，加速疲惫毁坏；而外表层残存余留压应力，能够阻止疲惫裂纹的扩展，延缓疲惫毁坏的产生；外表冷硬化一般伴有残存余留压应力的产生，能够防止裂纹产生并阻止已有裂纹的扩展，对提高疲惫强度有利。2.3对耐蚀性的影响零件的耐蚀性，在很大程度上取决于外表粗糙度.外表粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多，抗蚀性就愈差；外表层的残存余留拉应力，会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐磨性，而残存余留压应力则能防止应力腐蚀开裂。2.4 对配合质量的影响外表粗糙度值的大小，将影响配合外表的配合质量.对于间隙配合，粗糙度值大会使磨损加大，间隙增大，毁坏了要求的配合性质；对于过盈配合,装
7、配经过中一部分外表凸峰被挤平，实际过盈量减小，降低了配合件间的连接强度.3 影响外表粗糙度的因素1切削加工影响外表粗糙度的因素。在加工外表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.除此之外，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，也是减小外表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，使外表粗糙度值加大.工件材料韧性愈好，金属的塑性变形
8、愈大，加工外表就愈粗糙。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外表留下很多麻点，使外表粗糙度增大.3磨削加工影响外表粗糙度的因素。好像切削加工时外表粗糙度的构成经过一样，磨削加工外表粗糙度的构成，也是由几何因素和外表金属的塑性变形来决定的。影响磨削外表粗糙的主要因素有：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，则加工外表的刻痕愈细密，外表粗糙度愈低。但若粒度过细，则容易堵塞砂轮，而使工件外表塑性变形增加，进而影响外表粗糙度的降低。2砂轮的修整。砂轮应及时修整，以去除已钝化
9、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，修整出来的砂轮外表的微刃性和等高性就愈好，磨出工件外表的粗糙度也愈低.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，能够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外表粗糙度。由于在高速磨削下，磨削外表来不及塑性变形，因此提高砂轮速度有利于降低外表粗糙度。增大磨削深度和提高工件速度会使塑性变形加剧，进而增高粗糙度。为了提高磨削效率，通常在开场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,以降低工件外表粗糙
10、度。4切削液.切削液对加工经过起冷却和润滑作用，能降低切削区的温度，减少刀刃与工件的摩擦，进而减少切削经过的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，对外表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，而毁坏了微刃的等高性，因此均使外表粗糙度增高.4 影响加工外表层物理机械性能的因素在切削加工中，工件由于遭到切削力和切削热的作用，使外表层金属的物理机械性能产生变化,最主要的变化是外表层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残存余留应力的产生。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，因此磨削加工
11、后加工外表层上述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。在机械加工经过中，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，这些都会使外表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。外表层金属强化的结果，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拟稳定的状态转化，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经过中同时遭到力和热的作用，因
12、而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加强,塑性变形加剧，导致冷硬加强。刀具后刀面磨损增大，后刀面与被加工外表的摩擦加剧，塑性变形增大，导致冷硬加强。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，切削热在工件外表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
13、现象就愈严重.4.2外表层材料金相组织的变化1磨削烧伤。当被磨工件外表层的温度到达相变温度以上时，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,并伴有残存余留应力产生，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。假如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.假如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
14、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.假如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，外表硬度将急剧下降，这种烧伤称为退火烧伤。磨削热是造成磨削烧伤的根本源头，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外表层残存余留应力。产生的原因是：加工时在切削力作用下，已加工外表层受拉应力作用，产生伸长塑性变形，外表积趋向增大，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，但遭到已产生塑性变形的外表层的限制，恢复不到原状，
15、因此在外表层产生残存余留压应力，里层则为拉应力与之相平衡.3热塑性变形的影响。外表层在切削热的作用下产生热膨胀，此时基体温度较低，因而外表层热膨胀受基体的限制产生热压缩应力.当外表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。当切削经过结束，温度下降至与基体温度一致时，由于外表层已产生热塑性变形，但遭到基体的限制产生了残存余留拉应力，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，会引起外表层的相变.由于不同的金相组织有不同的密度，外表层金相变化的结果造成了体积的变化。外表层体积膨胀时，因遭到基体的限制，产生了压应力。反之，外表层体积缩小，则产生拉
16、应力。各种金相组织大马氏体比重最小，奥氏体比重最大，磨削淬火钢时若外表层产生回火现象，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，外表层产生残存余留拉应力，里层产生残存余留压应力。若外表层产生二次淬火现象，则外表层产生二次淬火马氏体，其体积比里层的回火组织大，因此表层产生压应力，里层产生拉应力。5零件主要工作外表最终工序加工方式方法的选择。选择零件主要工作外表最终工序加工方式方法，须考虑该零件主要工作外表的详细工作条件和可能的毁坏形式.在交变载荷作用下，机器零件外表上的局部微观裂纹,会因拉应力的作用使原生裂纹扩大，最后导致零件断裂.从提高零件抵抗疲惫毁坏的角度考虑，
17、该外表最终工序应选择能在该外表产生残存余留压应力的加工方式方法。6磨削裂纹的产生及防止.当外表层的残存余留拉应力超过材料的强度极限时，零件外表就会产生裂纹，有的磨削裂纹可以能不在工件的外外表，而是在外表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，所以十分容易产生裂纹.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。工件在淬火后假如存在残存余留应力，则即便在正常的磨削条件下可以能会出现裂纹.渗碳、渗氮时假如工艺不当，就会在外表层晶界面上析
18、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毁坏，而出现网状裂纹.由于磨削热是产生残存余留拉应力的根本原因，因而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，前面所述的减轻外表热损伤的措施，均有利于避免产生外表残存余留拉应力和裂纹。在磨削工序前后进行去除内应力的低温回火处理，亦能有效地减小外表层的拉应力，防止产生磨削裂纹。5 结束语由于机械加工外表对机器零件的使用性能如耐磨性、接触刚度、疲惫强度、配合性质、抗腐蚀性能及精度的稳定性等有很大的影响，因而对机器零件的重要外表应提出一定的外表质量要求.由于影响外表质量的因素是多方面的，因而应该综合考虑各方面的因素，对外表质量根据需要提出比拟经济适用性的要求.以下为参考文献：1 姜伟之，等。工程材料的力学性能M. 北京：北京航空航天大学出版社，2000.2 富成科。机械制造基础M. 北京：人民出版社，1998.3 顾崇衔。机械制造工艺学M. 西安：陕西科学技术出版社，1986.4 陈懋圻。机械制造工艺学M. 沈阳：辽宁科学技术出版社，1986.5 于骏一， 夏 卿， 包善斐。 机械制造工艺学M. 长春：吉林教育出版社，1985.