影響機械加工中表面層物理力學性能的因素

梁潔穎

摘要：機械加工中工作由于受到切削力和切削熱的作用，其表面層的物理力學性能將產生很大的變化，造成與基體材料性能的差異，這些變化主要表現表在層的金相組織和硬度的變化及表面層出現的殘余應力。

關鍵詞：機械加工；表面層；物理力學

1 表面層金相組織的變化

機械加工過程中，在加工區由于加工時所消耗的熱量絕大部分轉化為熱能使加工表面出現溫度的升高。當溫度升高到超過金相組織變化的臨界點時，表面層金相組織就會發生變化。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，由于單位面積上產生的切削熱比一般切削方法大幾十倍，切削區的高溫將引起表面層金屬的相變。

磨削加工比其他切削加工的表面殘余應力更復雜一些。一方面，由于磨粒切刃為負前角，磨粒對加工表面的作用引起冷塑性變形，使表層產生壓應力。另一方面，磨削區溫度高，一般達800-1000℃，甚至更高，很容易引起熱塑性變形和金相組織發生變化，使加工表面形成拉應力并會產生細微裂紋，嚴重時，形成表面燒傷。

影響磨削燒傷的因素

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。砂輪結合劑最好采用具有一定彈性的材料，保證磨粒受到過大切削力時會自動退讓，如樹脂、橡膠等。一般來講，粗粒度砂輪不容易引起磨削燒傷。

磨削用量。當磨削深度增大時，工作表面及表面下不同深度的溫度都將提高，容易造成燒傷；當工件縱向進給量增大時，磨削區溫度增高，但熱源作用時間減小，因而可減輕燒傷。但提高工件速度會導致其表面粗糙度值增大。提高砂輪速度可彌補此不足。實踐證明，同時提高工件速度和砂輪速度可減輕工件表面燒傷。

冷卻方式。采用切削液帶走磨削區熱量可避免燒傷。但由于旋轉的砂輪表面上產生強大的氣流層，切削液不易附著，以致沒有多少切削液進入磨削區。所以普通的冷卻方式效果不理想，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生塑性變形使晶體間產生剪切滑移，晶格嚴重扭曲，并產生晶粒的拉長、破碎和纖維化，引起材料的強化，其強度和硬度均有所提高，這種變化的結果稱為冷作硬化。加工表面層冷作硬化指標以硬化層深度、表面層的顯微硬度及硬化程度表示。一般硬化程度越大，硬化層的深度也越大。

表面層的硬化程度決定于塑性變形力、變形速度及變形時的溫度。切削力越大，塑性變形越大，硬化程度越嚴重。變形速度快，塑性變形不充分，硬化程度弱。變形時的溫度不僅影響塑性變形程度，還會影響變形后金相組織的恢復，即恢復作用的速度大小取決于溫度的高低，溫度持續的時間及硬化程度的大小。因而，加工硬化是強化作用和恢復作用的綜合結果。

影響冷作硬化的主要因素

切削用量。切削速度增大，刀具與工件接觸擠壓時間短，塑性變形小。速度大時溫度也會增高，有助于冷硬的恢復，冷硬較弱進給量增大時切削力增加，塑性變形也增加，硬化加強。但當進給量較小時，由于刀具刃口圓角在加工表面單位長度上的擠壓次數增多，硬化程度也會增大。

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，對已加工表面磨擦增大，使冷硬增加；刀具前角加大可減小塑性變形，使冷硬減小。

工件材料。工件材料的硬度越低，塑性變形越大，切削后冷作硬化現象越嚴重。因此，在切削加工過程中應合理選擇刀具的幾何形狀，采用較大的前角和后角，并在刃磨時盡量減小其刃口圓角半磨損程度。合理的選擇切削用量，采用較高的切削速度和較小的進給量。加工時選擇有效的冷卻潤滑液。

3 表面層的殘余應力

工業。切削過程中金屬材料的表層組織發生形狀和組織變化時，在表層金屬與基體材料交界處將會產生相互平衡的彈性應力，該應力就是表面殘余應力。

表面層的殘余應力的產生，主要有以下三種原因

冷態塑性變形引起的殘余應力。在切削力作用下，已加工表面發生強烈的塑性變形，表面層金屬體積發生變形狀態。切削力去除后，基體金屬趨向恢復，但受到已產生塑性變形的表面層的限制，恢復不到原狀，因而在表面層產生殘余應力。一般來說，表面層在切削時受刀具后刀面的擠壓和磨擦，使表面層生產伸長塑性變形，受到基體材料的限制而生產殘余壓應力。

熱態塑性變形引起的殘余應力。工件被加工表面在切削熱的作用下產生熱膨脹，此時基體金屬溫度較低，因此表層產生熱壓應力。當切削過程結束時，表面溫度下降，由于表層已產生熱塑性變形并受到基體的限制，因而產生殘余拉應力。磨削溫度越高，熱塑性變形越大，殘余拉應力也越大，有時甚至產生裂紋。

金相組織變化引起的殘余應力。切削時產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，當表面層體積膨脹時，因受到基體的限制，產生了壓實力。表面層體積縮小，則產生拉應力。以磨削淬火鋼為例，淬火鋼原來的組織是馬氏體，磨削加工后，表面可能產生回火，馬氏體變為接近珠光體的屈氏體或索氏體，密度增大而體積減小，表面層產生殘余拉應力。如果表層產生二次淬火層（淬火燒傷），即原表層的殘余奧氏體轉變為馬氏體，密度減小而體積增大，工件表層就產生殘余壓應力。

綜上所述，冷態塑性變形，熱態塑性變形及金相組織變化均會引起工件表面產生殘余應力。實際上，已加工表面殘余應力是這三者綜合作用的結果。在不同的加工條件下殘余應力的大小及分布規律可能有明顯差異。切削加工時起主要作用的常常是冷態塑性變形，所以工件表面常產生殘余壓實力。磨削加工時，熱態塑性變形或金相組織變化通常是產生殘余應力的主要因素，所以表面層常產生殘余拉應力。