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1、3 3影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施 3 3 1加工表面层的冷作硬化 1 概述机械加工过程中产生的塑性变形 使晶格扭曲 畸变 晶粒间产生滑移 晶粒被拉长 这些都会使表面层金属的硬度增加 统称为冷作硬化 或称为强化 表层金属的冷作硬化会增大金属变形的阻力 减少金属的塑性 金属的物理性质 如密度 导电性 导热性等 也会发生变化 金属冷作硬化的结果 使金属处于高能位不稳定状态 只要一有条件 金属的冷硬结构本能地向比较稳定的结构转化 这些现象统称为弱化 机械加工过程中产生的切削热 将使金属在塑性变形中产生的冷硬现象得到恢复 注意 金属在机械加工过程中同时受到力因素和热因素的作用 机械加
2、工后表面层金属的最后性质取决于强化和弱化两个过程的综合 评定冷作硬化的指标有下列三顶 1 表层金属的显微硬度HV 2 硬化层深度h m 3 硬化程度N 公式3 式中HVo 工件内部金属原来的硬度 1 2 影响切削加工表面冷作硬化的因素 1 切削用量的影响切削用量中进给量和切削速度的影响最大 切削深度对表层金属冷作硬化的影响不大在进给量比较大时 一般加大进给量 表层金属的显微硬度将随之增加 但是如果进给量很小 比如切削厚度小于0 05 0 06mm时 若继续减小进给量 则表层金属的冷硬程度不仅不会减小 反而会增大 切削速度对冷硬程度的影响是力因素和热因素综合作用的结果 视具体情况而定 2 刀具几
3、何形状的影响切削刃钝圆半径的大小对切屑形成过程的进行有决定性影响 切削刃钝圆半径增大 径向切削分力也将随之加大 表层金属的塑性变形程度加剧 导致冷硬增大 另刀具磨损对表层金属的冷硬影响很大 3 加工材料性能的影响工件材料的塑性越大 冷硬倾向越大 冷硬程度也越严重 碳钢中含碳量 2 越大 强度越高 其塑性就越小 因而冷硬程度就越小 有色合金金属的熔点低 容易弱化 冷作硬化现象比钢材轻得多 3 影响磨削加工表面冷作硬化的因素 1 工件材料性能的影响分析工件材料对磨削表面冷作硬化的影响 可以从材料的塑性和导热性两个方面考虑 材料塑性好 磨削时塑性变形大 强化倾向大 导热性高 热不容易集中于表面层 弱
4、化倾向小 2 磨削用量的影响加大背吃刀量 磨削力随之增大 磨削过程塑性变形加剧 表面冷硬倾向增大 纵向进给速度对冷硬程度的影响是力因素和热因素综合作用的结果 提高工件转速 砂轮对工件的作用时间缩短 使弱化倾向减弱 表面层的冷硬增大 提高磨削速度 每颗磨粒切除的切削厚度变小 减弱了塑变程度 磨削区温度增高 增大弱化倾向 使得表面层的冷硬减弱 3 砂轮粒度的影响砂轮粒度越大 每颗磨粒的载荷越小 冷硬程度也越小 3 3 3 2表面金属的金相组织变化 1 机械加工表面金相组织的变化主要存在于磨削加工 由于磨削工件表面具有很高的温度 对于已淬火的钢件 很高的磨削温度往往会使表层金属的金相组织产生变化 使
5、表层金属硬度下降 使工件表面呈现氧化膜颜色 这种现象称为磨削烧伤 磨削淬火钢时 表层金属可能产生以下三种金相组织变化 1 回火烧伤磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度 但已超过马氏体的转变温度 工件金属表面的马氏体将转化为硬度较低的回火组织 这称为回火烧伤 2 淬火烧伤磨削区的温度超过了淬火钢的相变温度 加上冷却液的急冷作用 表层金属会出现二次淬火马氏体组织 硬度比原来的回火马氏体高 在它的下层 因冷却较慢 出现了硬度比原来的回火马氏体低的回火组织 这称为淬火烧伤 3 退火烧伤磨削区的温度超过了淬火钢的相变温度 而磨削过程又没有冷却液 表层金属的硬度将急剧下降 这称为退火烧伤 4 2 减小磨削烧
6、伤的工艺途径 1 正确选择砂轮为避免产生烧伤 应选择较软的砂轮 具有一定弹性的结合剂 如橡胶结合剂 树脂结合剂 此外 在砂轮空隙内浸入石蜡之类的润滑物质 对降低磨削区温度 防止工件烧伤也有一定效果 2 合理选择磨削用量为减轻烧伤 磨削背吃刀量的取值不宜过大 宜选用较大的横向进给量 同时提高砂轮速度和工件速度 可以避免产生烧伤 图5内冷却装置1 锥形盖2 通道孔3 砂轮中心腔4 有径向小孔的薄壁套 图6开槽砂轮a 槽均匀分布b 槽不均匀分布 3 改善冷却条件采取一些有效的冷却方法 如内冷却方法 见图5 4 选用开槽砂轮 见图6 5 3 3 3表层金属的残余应力 在机械加工过程中 当表层金属组织发
7、生形状变化 体积变化或金相组织变化时 将在表面层的金属与其基体间产生相互平衡的残余应力 1 表层金属产生残余应力的原因 1 冷塑性变形的影响加工时在切削力的作用下 已加工表面层受拉应力产生拉伸塑性变形 此时里层金属处于弹性变形状态 切削过后 里层金属趋于弹性恢复 但受到已产生塑性变形的表层金属的牵制 回复不到原状 因而使表层金属中产生压缩残余应力 里层金属中产生拉伸残余应力 2 热塑性变形的影响切削和磨削过程中 表层在切削热的作用下产生热膨胀 此时基体的温度较低 因此表层的热膨胀受基体的限制产生热压缩应力 加工后零件冷却至室温时 表层金属体积的收缩受到里层的牵制 因而使表层金属中产生拉伸残余应
8、力 里层金属中产生压缩残余应力 6 3 相变引起的体积变化的影响由于不同的金相组织有不同的比重 表面层相变的结果造成了体积的变化 金相组织的变化引起表层金属的比容 m3 kg 增大时 则表层金属将产生压缩残余应力 而里层金属产生拉伸残余应力 金相组织的变化引起表层金属的比容减小时 则表层金属产生拉伸残余应力 而里层金属产生压缩残余应力 注意 加工表面层内残余应力的性质是以上几方面影响的综合结果 2 影响车削表层金属残余应力的工艺因素 1 切削速度和被加工材料的影响用正前角车刀加工45钢时 在所有的切削速度下 工件表层金属均产生拉伸残余应力 这说明切削热因素在切削过程中起主导作用 同样的切削条件
9、加工18CrNiMoA钢时 表面残余应力状态却发生了变化 低速车削时 切削热因素起主导作用 表层产生拉伸残余应力 随着切削速度的提高 表层温度逐渐提高侄淬火温度 表层金属产生局部淬火 金属的比容开始增大 金相组织变化因素开始起作用 致使拉伸残余应力的数值逐渐减小 高速车削时 表层金属的淬火进行得较充分 表层金属的比容增大 金相组织变化因素起主导作用 因而在表层金属中产生了压缩残余应力 7 2 进给量的影响加大进给量 会使残余应力的数值及扩展深度均相应增大 3 前角的影响前角对表层金属残余应力的影响极大 前角的变化不仅影响残余应力的数值和符号 而且在很大程度上影响残余应力的扩展深度 3 影响磨削
10、残余应力的工艺因素磨削加工中 热因素和塑性变形对磨削表面残余应力的影响都很大 在一般磨削过程中 若热因素起主导作用 工件表面将产生拉伸残余应力 若塑性变形起主导作用 工件表面将产生压缩残余应力 当工件表面温度超过相变温度且又冷却充分时 工件表面出现淬火烧伤 此时金相组织变化因素起主导作用 因而在表层金属中产生压缩残余应力 在精细磨削时 塑性变形起主导作用 工件表面将产生压缩残余应力 1 磨削用量的影响磨削深度对表面残余应力的性质 数值影响很大 提高砂轮速度将使表层产生拉伸残余应力的倾向增大 增大工件的回转速度和进给速度 使表层产生压缩残余应力的倾向逐渐增大 8 2 工件材料的影响一般 工件材料
11、的强度越高 导热性越差 塑性越低 磨削时表层产生拉伸残余应力的倾向就越大 4 工件最终工序加工方法的选择工件表层金属的残余应力将直接影响机器零件的使用性能 一般 工件表面残余应力的数值及性质主要取决于工件最终工序的加工方法 所以工件最终工序加工方法的选择至关重要 1 在交变载荷的作用下机器零件表面上存在的局部微观裂纹 由于拉应力的作用使原至裂纹扩大 最后导致零件断裂 从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑 最终工序应选择能在加工表面 尤其是应力集中区 产生压缩残余应力的加工方法 2 两个零件作相对滑动时从提高零件抵抗滑动摩擦引起的磨损考虑 最终工序应选择能在加工表面上产生拉伸残余应力的加工方法 从抵
12、抗扩散磨损 化学磨损 粘接磨损考虑 对残余应力的性质无特殊要求 但残余应力的数值要小 使表面金属处于低能位状态 9 3 两个零件做相对滚动时从提高零件抵抗滚动摩擦引起的磨损考虑 最终工序应选择能在表面层下产生压应力的加工方法 各种加工方法在工件表面上残留的内应力情况 如表1所示 此表可供选择最终工序加工方法参考 表1各种加工方法在工件表面上残留的内应力 10 3 3 4表面强化工艺 这里所说的表面强化工艺是指通过冷压加工方法使表面层金属发生冷态塑性变形 以减小表面粗糙度值 提高表面硬度 并在表面层产生压缩残余应力的表面强化工艺 冷压加工强化工艺既简单又有效 应用十分广泛 图7喷丸强化简图 1 喷丸强化喷丸强化是利用大量快速运动的珠丸打击被加工工件表面 使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力 可显著提高零件的疲劳强度和使用寿命 见图7 图8滚压加工简图 2 滚压加工滚压加工是利用经过淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠 在常温状态下对金属表面进行挤压 将表层的凸起部分向下压 凹下部分往上挤 逐渐将前工序留下的波峰压平 从而修正工件表面的微观几何形状 此外 它还能使工件表面金属组织细化 形成压缩残余应力 见图8 11 12
