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機(jī)械加工中影響表面物理機(jī)械性能變化因素分析

2015-07-04 14:41:10趙文英李曉妍
信息周刊 2015年11期
關(guān)鍵詞:機(jī)械性能機(jī)械加工

趙文英 李曉妍

【摘 要】機(jī)械加工中的表面物理機(jī)械性能的變化對(duì)其表面質(zhì)量有很大影響。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械加工;表面物理;機(jī)械性能;變化因素

一、機(jī)械加工成件的表面質(zhì)量跟產(chǎn)品性能的關(guān)系

一般來說無論什么機(jī)械零件的使用都是難免有損耗的,這種損耗是無法避免的,只要零件在運(yùn)轉(zhuǎn),只要機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)就會(huì)有,然而這種損耗并不是一下子出現(xiàn)的而是在不斷的日常中的運(yùn)轉(zhuǎn)和使用中日益累積造成的,而零件的損耗會(huì)隨著時(shí)間的推移分為不同的階段,在進(jìn)行研究的時(shí)候我們一般會(huì)將整個(gè)損耗過程分為初期磨損,正常磨損及劇烈磨損三個(gè)不同的階段,零件的使用時(shí)間越長這三個(gè)階段的特征就會(huì)越明顯,而三個(gè)階段設(shè)備的零件磨損程度更是不一樣。對(duì)于機(jī)械零件來說,表面越光滑,設(shè)備對(duì)于零件的磨損就會(huì)越小,相對(duì)的其抗磨損的能力也就更強(qiáng),但是考慮到潤滑油的存儲(chǔ)也不能過于光滑,需要保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的度,還有就是往往一個(gè)零件表面的光滑程度也是能夠衡量這個(gè)零件是否能夠具有較強(qiáng)的抗腐蝕性的重要標(biāo)準(zhǔn),越光滑抗腐蝕能力就越強(qiáng)。

二、機(jī)械加工中影響表面物理機(jī)械性能變化因素分析

1、表面層的冷作硬化

表面層顯微硬度的變化,是加工時(shí)塑性變形引起的冷作硬化和切削熱引起的金相組織變化綜合作用的結(jié)果。加工過程中表面層產(chǎn)生的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,引起材料的硬化,其強(qiáng)度和硬度均有所提高,這種變化的結(jié)果即形成冷作硬化。

(1)冷作硬化的特點(diǎn)。變形抵抗力提高(屈服點(diǎn)提高),塑性降低(相對(duì)延伸率降低)。金屬冷作硬化的結(jié)果,使金屬處于高能位不穩(wěn)定狀態(tài),只要一有條件,金屬的冷硬結(jié)構(gòu)本能地向比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為弱化(回復(fù))。機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的切削熱,將使金屬在塑性變形中產(chǎn)生的冷硬現(xiàn)象得到恢復(fù)。由于金屬在機(jī)械加工過程中同時(shí)受到力因素和熱因素的作用,機(jī)械加下后表面層金屬的最后性質(zhì)取決于強(qiáng)化和弱化兩個(gè)過程的綜合。表面層的硬化程度決定于產(chǎn)生塑性變形的力、變形速度及變形時(shí)的溫度。力愈大,塑性變形大,則硬化程度嚴(yán)重。變形速度快,塑性變形不充分,硬化程度減弱。(2)影響冷作硬化的因素。①刀具:刀具刃口圓角和后刀面磨損量增加時(shí),冷硬層深度和硬度也隨之增高。②切削用量:切削速度增大時(shí),刀具與工件接觸時(shí)間短,塑形變形程度減小,硬化層深度和硬度都有所減小。進(jìn)給量增大時(shí),切削力增大,塑性變形也增大,硬化現(xiàn)象加強(qiáng);但當(dāng)進(jìn)給量過小,由于刀刃圓弧在加工表面單位長度上的擠壓次數(shù)增多,硬化程度也會(huì)增大。③工件材質(zhì):工件材料的硬度愈低,塑形愈大時(shí),切削后的冷硬現(xiàn)象愈加重。

2、加工表面的金相組織變化

切削加工中,由于加工所消耗的能量絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能,因此在加工區(qū),尤其在加工表面溫度將上升。溫度升高到超過金相組織變化的臨界點(diǎn)時(shí),就會(huì)引起金相組織變化。對(duì)于一般的切削加工,切削熱大部分被切削帶走,加工表面溫度較低,其影響不甚嚴(yán)重。但對(duì)單位切削功率消耗特別多的一些加工方法,就會(huì)出現(xiàn)表面層的金相組織變化。磨削的單位切削力比其它加工方法大數(shù)十倍,其切削速度又特別高,所以磨削的單位切削功率消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它加工方法。如此大的功率消耗絕大部分轉(zhuǎn)化為磨削熱,其中大部分熱量傳給工件,引起工件表面金相組織變化。影響磨削燒傷的因素主要有:

(1)磨削用量。磨削深度。當(dāng)磨削深度增加時(shí),無論工件表面溫度,還是表面層下不同深度的溫度,都隨之升高。故燒傷會(huì)增加。工件縱向進(jìn)給量。縱磨時(shí)工件縱向進(jìn)給量增加,工件表面溫度及表層下不同深度的溫度都會(huì)降低,燒傷將減少。但為彌補(bǔ)縱向進(jìn)給量增大而導(dǎo)致表面粗糙度增大的缺陷,可采用較寬的砂輪。工件速度。當(dāng)工件速度增加時(shí),磨削區(qū)的溫度會(huì)上升,其影響與磨削深度相比則小得多。但提高工件速度,會(huì)導(dǎo)致工件表面更為粗糙。為彌補(bǔ)此缺陷,一般可提高砂輪速度。

(2)冷卻方法。采用切削液帶走磨削區(qū)的熱量可以避免燒傷。常用的冷卻方法效果較差,由于砂輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí),圓周方向產(chǎn)生強(qiáng)大氣流,使切削液很難進(jìn)入磨削區(qū)。如圖1所示,切削液不易進(jìn)入磨削區(qū)AB,且大量傾注在已經(jīng)離開磨削區(qū)的加工面上,這時(shí)燒傷早已產(chǎn)生。為改善冷卻方法,可采用圖2所示的內(nèi)冷法,即將經(jīng)過嚴(yán)格過濾的冷卻液通過中空主軸引進(jìn)砂輪的中空腔內(nèi)。由于離心力的作用,將切削液沿砂輪孔隙向四周甩出,直接冷卻磨削區(qū);另外,冷卻液噴嘴加裝空氣擋板可減輕砂輪圓周表面的高壓氣流作用使冷卻液易進(jìn)入磨削區(qū)(如圖3)。

3、加工表面層的殘余應(yīng)力

工件經(jīng)機(jī)械加工后,其表面層都存在殘余應(yīng)力。殘余壓應(yīng)力可提高工件表面的耐磨性和受拉應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度,殘余拉應(yīng)力的作用正好相反。若拉應(yīng)力值超過工件材料的疲勞強(qiáng)度極限時(shí),則使工件表面產(chǎn)生裂紋,加速工件的損壞。

(1)產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因

①冷塑性變形的影響機(jī)械加工時(shí),在加工表面金屬層內(nèi)有塑性變形發(fā)生,使表面金屬的比容加大,體積膨脹,則因受基體材料制約就會(huì)在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,而在里層金屬中產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。

②熱塑性變形的影響

機(jī)械加工時(shí),切削區(qū)會(huì)有大量的切削熱產(chǎn)生,表面層與里層金屬間產(chǎn)生很大的溫度梯度。冷卻時(shí),表面層收縮從而形成較大的殘余拉應(yīng)力,而在里層金屬中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

③金相組織的影響

切削時(shí)的高溫會(huì)引起表面層金相組織變化。由于不同金相組織有不同的密度,亦具有不同的比容。

當(dāng)表層金屬體積膨脹,則因受基體材料制約就會(huì)在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力;相反,則表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。殘余拉應(yīng)力超過材料屈服極限時(shí),產(chǎn)生表面裂紋。各種金相組織中馬氏體比重最小,奧氏體比重最大。

以淬火鋼磨削加工為例說明表面變相所引起的殘余應(yīng)力。

淬火鋼原來的組織是馬氏體,磨削加工后,表面層可能回火轉(zhuǎn)化為接近珠光體的屈氏體或索氏體,因體積縮小,表面層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力,里層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。如果表層出現(xiàn)超過750-800℃的高溫,則除了稍深處有回火現(xiàn)象外,表面由于冷卻速度快還可能出現(xiàn)二次淬火,則表面層產(chǎn)生二次淬火馬氏體,其體積比里層的回火組織大,因而表層產(chǎn)生壓應(yīng)力,里層產(chǎn)生拉應(yīng)力。

(2)影響殘余應(yīng)力的工藝因素

影響殘余應(yīng)力的工藝因素主要是刀具的前角、切削速度以及工件材料的性質(zhì)和冷卻潤滑液。具體的情況則看其對(duì)切削時(shí)的塑性變形、切削溫度和金相組織變化的影響程度而定。一般來說,低速車削時(shí),切削熱的作用起主導(dǎo)作用;高速切削時(shí),表層金屬的淬火進(jìn)行得較充分,金相組織變化因素起主導(dǎo)作用。一般來說,工件材料的強(qiáng)度越高、導(dǎo)熱性越差、塑性越低,在磨削時(shí)表面金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的傾向就越大。

三、提高機(jī)械加工質(zhì)量

1、對(duì)癥下藥,那些部件容易出現(xiàn)誤差要認(rèn)真對(duì)待,選用質(zhì)量過硬的部件,比如夾具,刀具和一些其他的基本的工具的精度和剛度,控制好溫度以免造成誤差,在日常的維護(hù)工作當(dāng)中要及時(shí)的發(fā)現(xiàn)誤差,找到根本原因進(jìn)行改正,精密的加工更是需要提升整個(gè)機(jī)床的精度以達(dá)到相應(yīng)的要求。

2、誤差補(bǔ)償發(fā)現(xiàn)誤差之后通過人為制造出相應(yīng)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償使得部件達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

3、分化誤差,出現(xiàn)一定程度上的誤差之后需要把原始的誤差進(jìn)行分化,找出誤差的反應(yīng)出的基本情況及基本規(guī)律特征,也就是說把風(fēng)險(xiǎn)的統(tǒng)一調(diào)整劃分,將誤差類別想死的工件集中到一起,使得誤差的影響分散到幾個(gè)不同的部分,分化誤差造成的影響。

結(jié)束語

綜上所述,在進(jìn)行工件的加工過程中,機(jī)械加工表面的質(zhì)量對(duì)機(jī)械零件的質(zhì)量等有著很深的影響,這需要我們?cè)跈C(jī)床加工過程中要根據(jù)不同的機(jī)械產(chǎn)品加工要求,采取不同的加工手段與措施,促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

參考文獻(xiàn):

[1]瞿繼九.淺析影響機(jī)械加工精度的因素[J].價(jià)值工程,2010(35).

[2]康政.影響機(jī)械加工質(zhì)量因素的控制[J].科技傳播,2012(08).

[3]何成奎.淺析影響機(jī)械加工精度的主要因素[J].農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備,2011(02).

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