影響工件表面物理機械性能的因素

劉超

摘 要：隨著科學技術的發展，對零件的表面質量的要求已越來越高。為了獲得合格零件，保證機器的使用性能，人們一直在研究控制和提高零件表面質量的途徑。本文主要對影響工件表面物理機械性能進行闡述。

關鍵詞：工件表面；物理；機械性能

1.表面層材料金相組織變化

當切削熱使被加工表面的溫度超過相變溫度后，表層金屬的金相組織將會發生變化。（1）磨削燒傷當被磨工件表面層溫度達到相變溫度以上時，表層金屬發生金相組織的變化，使表層金屬強度和硬度降低，并伴有殘余應力產生甚至出現微觀裂紋，這種現象稱為磨削燒傷。（2）改善磨削燒傷的途徑磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷由兩個途徑：一是盡可能地減少磨削熱的產生；二是改善冷卻條件，盡量使產生的熱量少傳入工件。正確選擇砂輪合理選擇切削用量改善冷卻條件。

2.表面層殘余應力

（1）產生殘余應力的原因：①切削時在加工表面金屬層內有塑性變形發生，使表面金屬的比容加大；②切削加工中，切削區會有大量的切削熱產生；③不同金相組織具有不同的密度，亦具有不同的比容的變化必然要受到與相連的基體金屬的阻礙，因而就有殘余應力產生。（2）工件主要工作表面最終工序加工方法的選擇。選擇零件主要工作表面最終工序加工方法，須考慮該零件主要工作表面的具體工作條件和可能的損壞形式。在交變載荷作用下，機器零件表面上的局部微觀裂紋，會因拉應力的作用使原生裂紋擴大，最后導致零件斷裂。從提高零件抵抗疲勞破壞的角度考慮，該表面最終工序應選擇能在該表面產生殘余壓應力的加工方法。在切削加工過程中，刀具對工件的擠壓和摩擦使金屬材料發生塑性變形，引起原有的殘留面積扭曲或溝紋加深，增大表面粗糙度。當采用中等或中等偏低的切削速度切削塑性材料時，在前刀面上容易形成硬度很高的積屑瘤，它可以代替刀具進行切削，但狀態極不穩定，積屑瘤生成、長大和脫落將嚴重影響加工表面的表面粗糙度值。另外，在切削過程中由于切屑和前刀面的強烈摩擦作用以及撕裂現象，還可能在加工表面上產生鱗刺，使加工表面的粗糙度增加。

3磨削表面層金相組織變化——磨削燒傷

（1）磨削表面層金相組織變化與磨削燒傷

機械加工過程中產生的切削熱會使得工件的加工表面產生劇烈的溫升，當溫度超過工件材料金相組織變化的臨界溫度時，將發生金相組織轉變。在磨削加工中，由于多數磨粒為負前角切削，磨削溫度很高，產生的熱量遠遠高于切削時的熱量，而且磨削熱有60～80%傳給工件，所以極容易出現金相組織的轉變，使得表面層金屬的硬度和強度下降，產生殘余應力甚至引起顯微裂紋，這種現象稱為磨削燒傷。產生磨削燒傷時，加工表面常會出現黃、褐、紫、青等燒傷色，這是磨削表面在瞬時高溫下的氧化下膜顏色。不同的燒傷色，表明工件表面受到的燒傷程度不同。

磨削淬火鋼時，工件表面層由于受到瞬時高溫的作用，將可能產生以下三種金相組織變化：

①如果磨削表面層溫度未超過相變溫度，但超過了馬氏體的轉變溫度，這時馬氏體將轉變成為硬度較低的回火索氏體或索氏體，這叫回火燒傷。

②如果磨削表面層溫度超過相變溫度，則馬氏體轉變為奧氏體，這時若無切削液，則磨削表面硬度急劇下降，表層被退火，這種現象稱為退火燒傷。干磨時很容易產生這種現象。

③如果磨削表面層溫度超過相變溫度，但有充分的切削液對其進行冷卻，則磨削表面層將急冷形成二次淬火馬氏體，硬度比回火馬氏體高，不過該表面層很薄，只有幾微米厚，其下為硬度較低的回火索氏體和索氏體，使表面層總的硬度仍然降低，稱為淬火燒傷。

（2）磨削燒傷的改善措施

影響磨削燒傷的因素主要是磨削用量、砂輪、工件材料和冷卻條件。由于磨削熱是造成磨削燒傷的根本原因，因此要避免磨削燒傷，就應盡可能減少磨削時產生的熱量及盡量減少傳入工件的熱量。具體可采用下列措施：

①合理選擇磨削用量 不能采用太大的磨削深度，因為當磨削深度增加時，工件的塑性變形會隨之增加，工件表面及里層的溫度都將升高，燒傷亦會增加；工件速度增加，磨削區表面溫度會增高，但由于熱作用時間減少，因而可減輕燒傷。

②工件材料 工件材料對磨削區溫度的影響主要取決于它的硬度、強度、韌性和熱導率。工件材料硬度、強度越高，韌性越大，磨削時耗功越多，產生的熱量越多，越易產生燒傷；導熱性較差的材料，在磨削時也容易出現燒傷。

③砂輪的選擇 硬度太高的砂輪，鈍化后的磨粒不易脫落，容易產生燒傷，因此用軟砂輪較好；選用粗粒度砂輪磨削，砂輪不易被磨削堵塞，可減少燒傷；結合劑對磨削燒傷也有很大影響，樹脂結合劑比陶瓷結合劑容易產生燒傷，橡膠結合劑比樹脂結合劑更易產生燒傷。

④冷卻條件 為降低磨削區的溫度，在磨削時廣泛采用切削液冷卻。為了使切削液能噴注到工件表面上，通常增加切削液的流量和壓力并采用特殊噴嘴，并在砂輪上安裝帶有空氣擋板的切削液噴嘴，這樣既可加強冷卻作用，又能減輕高速旋轉砂輪表面的高壓附著作用，使切削液順利地噴注到磨削區。此外，還可采用多孔砂輪、內冷卻砂輪和浸油砂輪，切削液被引入砂輪的中心腔內，由于離心力的作用，切削液再經過砂輪內部的孔隙從砂輪四周的邊緣甩出，這樣切削液即可直接進入磨削區，發揮有效的冷卻作用。

參考文獻

[1]寇元哲，影響機械加工表面質量的因素分析[J]。甘肅科技，2009

[2]金志娟，機械加工表面質量及影響因素探析。裝備制造技術，2009

[3]鄭玉皎，機械加工表面質量及影響因素及對策。中國科技博覽，2010

[4]徐福林，機械制造基礎。北京理工大學，2009