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加工表面粗糙度及物理力学性能影响因素研究

机械零件的损坏一般从表层开始。 产品的性能，特别是其可靠性和耐用性，在很大程度上取决于零件表面层的质量。 表面质量严重影响零件的耐磨性、疲劳强度、耐蚀性和配合质量。 机械加工表面质量的内容主要包括：表面粗糙度、表层物理机械性能和表面波纹度等。本文主要介绍影响加工表面粗糙度和加工表面物理机械性能的因素主要是分析研究。

1 影响表面粗糙度的因素

1.1 机械加工中影响表面粗糙度的因素

从几何因素分析，当刀具相对于工件进给时，切削层的残留区域留在加工表面，其形状是刀具几何形状的反映。 剩余区域的大小与进给速度、刀尖圆弧半径、刀具的主偏角和副偏角有关。 对于宽刃刀具、定径刀具和成形刀具等，切削刃本身的表面粗糙度对被加工表面的表面粗糙度影响很大。

从物理因素分析，主要是由于刀刃的钝圆半径和切削过程中后刀面对工件的挤压和摩擦，使金属材料产生塑性变形，使表面粗糙度变差. 低速切削塑性材料（如低碳钢和不锈钢等）时表面粗糙度加工，刀具对金属的挤压产生塑性变形，加上刀具的撕裂作用迫使切屑与工件分离，产生积屑瘤和鳞片，使表面粗糙度值增加。 工件材料的韧性越好，金属的塑性变形越大，加工表面越粗糙。 加工脆性材料时，切屑呈碎粒状，由于切屑崩塌，加工表面留下许多凹坑，使表面粗糙。 精加工时，由于切深小，切削刃容易打滑，也影响表面粗糙度。

综上所述，切削加工中影响表面粗糙度的工艺因素主要有：

1）切削量

切削速度v在一定范围内容易产生积屑瘤和氧化皮； 降低进给速度f可以降低剩余区域的高度。 合理选择切削量是降低粗糙度的重要条件。

2）刀具材料及几何参数

实践表明，在切削条件相同的情况下，硬质合金刀具加工的工作表面粗糙度低于高速钢刀具加工的表面粗糙度。 用金刚石车刀加工不易形成积屑瘤，因此可以获得粗糙度很低的表面。

刀具的圆弧半径rE、主偏角KC和副偏角kcC均影响残留区的大小。 因为适当降低rE、KC和kcC可以使表面粗糙度降低。 前角C1的增大可以抑制积屑瘤和氧化皮的生长，有利于降低表面粗糙度。

3）切削液

切削液可以冷却和润滑加工过程，降低切削区的温度，减少切削刃与工件之间的摩擦，从而减少切削过程中的塑性变形，抑制积屑瘤和氧化皮的生长，并大大降低了表面粗糙度。 效果很好。

1.2影响磨削表面粗糙度的因素

磨削面是由砂轮表面的磨粒刻划和摩擦的沟痕形成的。 单位面积划痕越多，划痕越细、越均匀，表面粗糙度越好。 低的。 正如切削过程中表面粗糙度的形成过程一样，磨削过程中表面粗糙度的形成不仅受几何因素的影响，还受表面金属塑性变形等物理因素的影响。 由于大部分磨粒具有负前角，切削刃不锋利，切削深度只有“.2”左右，所以大部分磨粒经过滑、犁两个阶段后才产生切削作用。 加工表面在多次挤压的情况下，反复发生塑性变形，由于磨削区温度高，塑性变形加速，从而进一步提高表面粗糙度。

综上所述，磨削过程中影响磨削表面粗糙度的工艺因素主要有：

1）砂轮的粒度、硬度及修整度

砂轮的粒度越细，即单位面积的磨粒数越多，被加工表面的划痕越细，表面粗糙度越低。 但粒度过细，易堵塞砂轮，增大工件表面的塑性变形，从而影响表面粗糙度的降低。

砂轮的硬度要合适，磨钝后磨粒应及时脱落，露出新的磨粒继续切削，即具有良好的“自锐性”。 砂轮应及时修整，去除钝化的磨粒，保证砂轮具有微刃和等高。 用金刚石修整砂轮相当于在砂轮上“车削”外圆。 纵向和横向进给量越小，修整后的砂轮表面微刃和轮廓越好，工件表面粗糙度越好。 降低。

2）研磨用量

提高砂轮的转速可以增加工件单位面积的缺口数，同时降低塑性变形引起的表面粗糙度。 由于磨削表面在高速磨削下来不及发生塑性变形，提高砂轮转速有利于降低表面粗糙度。 增加磨削深度和提高工件速度会增加塑性变形，从而增加粗糙度。 为了提高磨削效率，通常在磨削开始时采用较大的磨削深度，在磨削后期采用较小的磨削深度或不进给磨削（轻磨）以降低表面粗糙度。

3) 工件材料

工件材料的硬度、塑性、韧性和导热性对表面粗糙度有显着影响。 工件材料太硬时，磨粒容易钝化； 太软时，砂轮容易堵塞； 韧性高、导热性差的材料会导致磨粒提前崩解，破坏微刀片的轮廓，从而增加表面粗糙度。

4) 磨削液及其他

该磨削液对降低磨削力、降低磨削温度、减少砂轮磨损有很好的效果。 磨削工艺系统的刚度、主轴的回转精度、砂轮的平衡度等都会影响砂轮与工件的瞬时接触状态，从而影响表面粗糙度。

2 影响加工表层物理机械性能的因素

在切削过程中，表层金属的物理机械性能因工件的切削力和切削热而发生变化。 最主要的变化是表层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的变化。 生产。 由于磨削时产生的塑性变形和切削热比刀片切削时更严重，磨削后被加工面层的上述三项物理机械性能将发生较大变化。

2.1表层冷硬化

1）加工面的冷硬化

机械加工过程中切削力引起的塑性变形会使晶格扭曲扭曲，晶粒间产生剪切滑移，使晶粒伸长、原纤化，甚至断裂，使表面金属的硬度和强度增加，一种称为冷加工硬化（或强化）的现象。 由于表层金属强化，金属的抗变形能力会增加，金属的塑性会降低，金属的物理性能也会发生变化。

经过冷加工硬化的金属处于不稳定状态，具有高能级。 只要有可能，金属的不稳定状态就会转变为相对稳定的状态。 这种现象称为弱化。 削弱效果的大小取决于温度、温度持续时间的长短和强化的程度。 由于金属在加工过程中同时受到力和热的作用，加工后表面金属的最终性能取决于强化和弱化的综合作用。

2）影响冷作硬化的主要因素

从刀具几何参数分析，切削刃钝圆半径增大，对表面金属的挤压作用增强，塑性变形加剧，激冷硬化增强。 刀具后刀面磨损增加，后刀面与加工表面的摩擦力增大，塑性变形增大，致使激冷和硬度增强。 增大刀具前角可减少塑性变形，降低激冷和硬度。

从切削量分析，切削速度提高，刀具与工件相互作用时间缩短，塑性变形延伸深度减小，冷硬层深度减小。 同时，随着切削速度的提高，切削温度也随之升高。 有助于冷硬的恢复，降低冷硬的程度。

随着进给量的增大，切削力也增大，表面金属的塑性变形加剧，激冷作用加强。 但是，如果进给量太小，由于刀具挤压工件的次数增加，冷硬度和硬度反而增加。

从工件材料的性质来看，工件材料的塑性越大，白口现象越严重。

2.2 表层材料金相组织的变化

当切削热使被加工表面的温度超过相变温度时，表面金属的金相组织就会发生变化。 一般切削时，切削热大部分被切屑带走，因此影响很小。

但磨削时，磨削区瞬时温度很高，有时可达1000℃以上，会引起被加工表面金相组织的变化，降低表层硬度，产生表面残余拉应力。和细裂纹，从而降低零件的物理性能。 机械性能，这就是磨烧伤现象。

2.2.1 研磨烧伤的分类

磨削硬化钢时，会发生以下三种类型的烧伤：

1）回火烧伤 如果磨削区温度不超过淬火钢的相变温度，但超过马氏体转变温度，则工件表面金属的回火马氏体组织将转变为硬度较低的回火组织（Sorbite 或 Trostite），这种烧伤称为回火烧伤。

2）淬火烧伤如果磨削区温度超过相变温度，加上冷却液的急冷，表面金属会发生二次淬火，使表面金属出现二次淬火马氏体组织，其硬度为比原回火马氏体高，在其下层，由于冷却较慢，出现硬度低于原回火马氏体的回火组织（索氏体或屈氏体）。 这种烧伤称为淬火烧伤。

3）退火烧伤 如果磨削区温度超过相变温度，且没有冷却液进入磨削区，表面金属会产生退火组织，表面硬度急剧下降。 这种烧伤称为退火烧伤。

2.2.2 造成磨削烧伤的主要因素

1）过大的砂轮转速、磨削深度和过低的工件转速会增加烧伤。

2）砂轮粒度太细，硬度太高，与工件接触面积太大，容易造成烧伤。

3）工件材料导热系数小，磨削区温度高，易烧伤。

4）冷却方式不当，冷却液不易进入磨削区，冷却效果差。

2.3 表层残余应力

加工后的工件表面会存在残余应力。 残余压应力可提高表层的耐磨性和疲劳强度，而残余拉应力可降低耐磨性和疲劳强度。 如果拉应力超过工件材料的疲劳强度极限，就会使工件表面产生裂纹，加速工件的损坏。

2.3.1 残余应力产生原因

1）热塑变形的影响 切削时，工件表层局部温度在切削热的作用下远高于内层，因此表层热膨胀大于内层层。 切削后表层温度下降较快，因此冷缩变形比内层大，但又受到内层金属的阻碍，因而在工件表面产生残余拉应力。 切削温度越高，表层热塑变形越大，残余拉应力越大，有时甚至产生裂纹。

2）冷塑性变形的影响在切削力的作用下，加工表面发生较大的冷塑性变形，加上刀具对加工表面的挤压，使表面金属向两侧塑性拉伸，但它受内部金属的限制，从而在工件表面产生残余压应力。

3）金相组织的影响切削时产生的高温会引起表层金相组织的变化。 由于不同的金相组织具有不同的密度，因此会引起体积变化。 当表层体积膨胀时，由于内层金属的包容而产生压应力； 反之，当表层体积收缩时，会产生拉应力。

实际上，被加工表层的残余应力是以上三个因素共同影响的结果。 在一定条件下，两个有利因素之一也可能起主导作用。 例如，在切削过程中，切削热不高表面粗糙度加工，主要采用冷塑性变形，加工表层会产生残余压应力。 磨削时温度高，热变形和相扰动起主导作用，表面产生残余拉应力。

2.3.2 零件主要工作面最终加工方式的选择

零件主要工作表面的最终加工方法的选择非常重要，因为最终过程在工作表面留下的残余应力将直接影响机器零件的性能。 在选择零件主要工作面的最终加工方法时，必须考虑零件主要工作面的具体工作条件和可能的损伤形式。

在交变载荷作用下，机件表面局部微观裂纹会因拉应力作用而扩大原有裂纹，最终导致机件断裂。 从提高零件抗疲劳性能的角度出发，表面的最终工艺应选择能在表面产生残余压应力的加工方法。

3 结论

在机械零件的机械加工中，加工表面产生的表面微观几何误差和表面物理机械性能的变化只发生在很薄的表层，但长期的实践证明，它们都会影响性能机器零件。 研究机械加工表面质量的目的是为了掌握机械加工中各种工艺因素对加工表面质量的影响规律，以便利用这些规律来控制加工过程，最终达到加工的目的。提高表面质量和产品性能。

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