論機械加工中表面層力學性能分析

摘要:機械加工中工作由于經常受到切削力和切削熱的作用，其表面層力學性能將產生很大的變化，對基體材料性能的造成了很大差異，這些差異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:表面層 力學性能 殘余應力

0 引言

機械零件的損壞與破壞，通常總是從表面層開始的。產品的性能，尤其是它的可靠性和耐久性，在很大程度上取決于零件表面層力性能。造成表面層力學性能差別主要是機械加工中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，這些變化在外主要表現為表面層的金相組織和硬度的變化及表面層出現的殘余應力[1]。對機械加工中表面力學性能分析的目的就是為了掌握機械加工中各種工藝因素對加工表面力學影響的規律，以便運用這些規律來控制加工過程，最終達到改善表面質量、提高產品使用性能的目的。

1 表面層力學對對機器使用性能的影響

1.1 表面層力學性能對耐磨性的影響 零件磨損一般按使用時間可分為三個階段，初期磨損階段、正常磨損階段和劇烈磨損階段。在機械加工的時候，表面相互接觸的峰部有非常大的單位應力，使實際接觸面積處產生塑性變形、彈性變形和峰部之間的剪切破壞，從而引起嚴重磨損。表面層力學性能對對表面粗糙度和零件表面磨損的影響很大。一般說表面層力愈小，其磨損性愈好。但表面層力太小，潤滑油不易儲存，接觸面之間容易發生分子粘接，磨損反而增加。因此，表面層力有一個最佳值，其值與零件的工作情況有關，工作載荷加大時，初期磨損量增大，表面粗糙度最佳值也加大，從而表面層力也會相應增加[2]。

1.2 表面層力學性能對疲勞強度的影響 金屬受交變載荷作用后產生的疲勞破壞往往發生在零件表面和表面冷硬層下面，因此零件的表面力學性能對疲勞強度影響很大，如殘余應力、冷作硬化力對疲勞強度都有很大影響，相對而言，余應力對零件疲勞強度的影響最大。表面層殘余拉應力將使疲勞裂紋擴大，加速疲勞破壞;而表面層殘余應力能夠阻止疲勞裂紋的擴展，延緩疲勞破壞的產生。表面冷硬一般伴有殘余應力的產生，可以防止裂紋產生并阻止已有裂紋的擴展，對提高疲勞強度有利。

1.3 表面層力學性能對配合質量的影響 表面層力學的大小將影響配合表面的配合質量。對于間隙配合，表面層力增大會使磨損加大，配件之間的間隙增大，破壞了機械加工要求的配合性質[3]。對于過盈配合，裝配過程中一部分表面凸峰被擠壓變平，致使實際過盈量減小，降低了各個配合件間的連接強度。

1.4 表面層力學性能對耐蝕性的影響 零件的耐蝕性在很大程度上取決于表表面層力學性能。表面層力學性能值愈大，則凹谷中聚積腐蝕性物質就愈多，抗蝕性就愈差。表面層的殘余拉應力會產生應力腐蝕開裂。降低零件的耐磨性，而殘余壓應力則能防止應力腐蝕開裂。[4]

2 機械加工中表面層力學性能分析

2.1 加工表面的冷作硬化 加工過程中表面層金屬材料容易產生變形，使晶體材料間產生剪切方向的滑移，造成晶格嚴重扭曲，進一步造成了晶粒的拉長、破碎和纖維化等現象，引起材料的硬度強化，這樣材料的強度和硬度均有所提高，冷作硬化的概念一般就是指這種變化的結果。加工表面層冷作硬化指標通常可以用硬化層深度、表面層的顯微硬度及硬化程度表示，硬化程度與硬化層的深度呈正相關性，表面層的硬化程度一般有三個決定因素:塑性變形力、變形速度及變形時的溫度，當切削力越大，塑性變形越大，硬化程度就越嚴重，但若變形速度過快，塑性變形不充分，會導致硬化程度弱。具體來講，影響冷作硬化的主要因素有以下一些方面，首先是切削用量。切削速度增大，刀具與工件接觸擠壓時問短，塑性變形小。速度大時溫度也會增高。其次是刀具。刀具圓弧半徑增加，對表層擠壓力作用大，容易使冷硬增加，同時也會使刀面磨損增加，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。最后是工件本身的材料[5]。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，要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。

2.2 表面層的殘余應力 表面殘余應力的概念就是指在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。表面層的殘余應力的產生，主要有以下三種原因:

2.2.1 熱態塑性的殘余應力: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。

2.2.2 冷態塑性的殘余應力。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。

2.2.3金相組織的殘余應力。切削時表層產生高溫，對表面層金相組織產生了變化，由于不同的金相組織具有不同的密度和質地，當表面層體積膨脹時，因受到基體的限制，導致了壓實力的產生，表面層體積隨之縮小，則相應地產生拉應力[6]。

2.3表面層金相組織的變化機械加工過程中所消耗的熱量絕大部分都以熱能的形式釋放出來，促使加工表面的溫度不斷升高。超過金相組織變化的臨界點被升高的溫度超過時，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十幾倍，甚至幾十倍，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℃[7]，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[8]。

3結語

通過對影響機械加工表面層力的性能分析，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。采取相應的措施控制表面不利的張力，提高了產品的使用性能。

參考文獻:

[1]梁潔穎.影響機械加工中表面層物理力學性能的因素[J].中國新技術新產品.2009.(08).

[2]關俊英.談機械加工中影響表面層物理力學性能的因素[J].今日科苑.2009.(02).

[3]劉小琴.機械加工表面質量的研究[J].山西師范大學學報(自然科學版).2009.(01)

[4]李淑英.談機械加工中表面質量的控制[J].科技創新導報.2008.(23).

[5]杜學飛.保證機械加工件表面質量的探討[J].內蒙古科技與經濟.2008.(03).

[6]劉暢.淺析機械加工對金屬零件的表面質量的影響[J].中國高新技術企業.2008.(19).

[7]李凱云.機械加工表面質量對機器使用性能的影響[J].汽車運用.2008.(01).

[8]李玉平.淺談切削加工對工件表面層物理力學性能的影響[J].機械工人.冷加工.2001.(01).