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影響機(jī)械加工件表面層物理力學(xué)性能的因素
機(jī)械加工中機(jī)械加工件由于受到切削力和切削熱的作用,其表面層的物理力學(xué)性能將產(chǎn)生很大的變化,造成與基體材料性能的差異,這些變化主要表現(xiàn)為表面層的金相組織和硬度的變化及表面層出現(xiàn)的殘余應(yīng)力。
1、表面層金相組織的變化
機(jī)械加工過程中,在加工區(qū)由于加工時(shí)所消耗的熱量絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能使加工表面出現(xiàn)溫度的升高。當(dāng)溫度升高到超過金相組織變化的臨界點(diǎn)時(shí),表面層金相組織就會發(fā)生變化。一般的切削加工,切削熱大部分被切屑帶走,因此影響也較小。但對磨削加工來說,由于單位面積上產(chǎn)生的切削熱比一般切削方法大幾十倍,切削區(qū)的高溫將引起表面層金屬的相變。影響磨削燒傷的因素有:
1、1砂輪材料 對于硬度太高的砂輪,鈍化磨料顆粒不易脫落,砂輪容易被切削堵塞。因此,一般用軟砂輪好。
1、2磨削用量 當(dāng)磨削增大時(shí),工件表面及表面下不同的溫度都將提高,容易造成燒傷;當(dāng)工件縱向進(jìn)給量增大時(shí),磨削區(qū)溫度,但熱源作用時(shí)間減小,因而可減輕燒傷。但提高工件速度會導(dǎo)致其表面粗糙度值增大。提高砂輪速度可彌補(bǔ)此不足。實(shí)踐證明,同時(shí)提高工件速度和砂輪速度可減輕工件表面燒傷。
1、3冷卻方式 采用切削液帶走磨削區(qū)熱量可避免燒傷。但由于旋轉(zhuǎn)的砂輪表面上產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流層,切削液不易附著,以致沒有多少切削液能進(jìn)入磨削區(qū)。因此,可采用高壓大流量的冷卻方式,一方面可增加冷卻效果,另一方面可以對砂輪表面進(jìn)行沖洗,使切屑不致堵塞砂輪。
2加工表面的冷作硬化
加工過程中表面層金屬產(chǎn)生塑性變形,使晶體間產(chǎn)生剪切滑移,晶格嚴(yán)重扭曲,并產(chǎn)生晶粒的拉長、破碎和纖維化,引起材料的強(qiáng)化,其強(qiáng)度和硬度均有所提高,這種變化的結(jié)果稱為冷作硬化。加工表面層冷作硬化指標(biāo)以硬化層、表面層的顯微硬度及硬化程度表示。一般硬化程度越大,硬化層的也越大。影響冷作硬化的主要因素:
2、1切削用量 切削速度增大,刀具與工件接觸擠壓時(shí)間短,塑性變形小。速度大時(shí)溫度也會,有助于冷硬的恢復(fù),冷硬較弱。進(jìn)給量增大時(shí)切削力增加,塑性變形也增加,硬化加強(qiáng)。但當(dāng)進(jìn)給量較小時(shí),由于刀具刃口圓角在加工表面單位長度上的擠壓次數(shù)增多,硬化程度也會增大。
2、2刀具 刀具刃口圓弧半徑增加,對表層擠壓作用大,使冷硬增加;刀具副后刀面磨損增加,對已加工表面摩擦增大,使冷硬增加;刀具前角加大可減小塑性變形,使冷硬減小。
2、3工件材料 工件材料的硬度越低,塑性變形越大,切削后冷作硬化現(xiàn)象越嚴(yán)重。
3、表面層的殘余應(yīng)力
切削過程中金屬材料的表層組織發(fā)生形狀和組織變化時(shí),在表層金屬與基體材料交界處將會產(chǎn)生相互平衡的彈性應(yīng)力,該應(yīng)力就是表面殘余應(yīng)力。表面層的殘余應(yīng)力的產(chǎn)生,主要有以下三種原因:
1、冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力
在切削力作用下,已加工表面發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形,表面層金屬體積發(fā)生變化,此時(shí)基體金屬受到影響而處于彈性變形狀態(tài)。切削力去除后,基體金屬趨向恢復(fù),但受到已產(chǎn)生塑性變形的表面層的限制,恢復(fù)不到原狀,因而在表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。
2、熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力
工件被加工表面在切削熱的作用下產(chǎn)生熱膨脹,此時(shí)基體金屬溫度較低,因此表層產(chǎn)生熱壓應(yīng)力。當(dāng)切削過程結(jié)束時(shí),表面溫度下降,由于表層已產(chǎn)生熱塑性變形并受到基體的限制,因而產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。
3、金相組織變化引起的殘余應(yīng)力
切削時(shí)產(chǎn)生高溫會引起表面層金相組織變化。由于不同的金相組織有不同的密度,表面層金相組織變化引起體積變化,當(dāng)表面層體積膨脹時(shí),因受到基體的限制,產(chǎn)生了壓應(yīng)力。表面層體積縮小,則產(chǎn)生拉應(yīng)力。
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