影響加工表面物理力學性能的因素

 　　機械加工過程中，工件由于受到切削力、切削熱的作用，其表面與基體材料性能有很大不同，在物理力學性能方面發生較大的變化。

  一、加工表面層的冷作硬化

　在切削或磨削加工過程中，若加工表面層產生的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，引起表面層的強度和硬度提高的現象，稱為冷作硬化現象。

　表面層的硬化程度取決于產生塑性變形的力、變形速度及變形時的溫度。力越大，塑性變形越大，產生的硬化程度也越大。變形速度越大，塑性變形越不充分，產生的硬化程度也就相應減小。變形時的溫度影響塑性變形程度，溫度高硬化程度減小。

　( 一 )影響表面層冷作硬化的因素

　1 ．刀具

刀具的刃口圓角和后刀面的磨損對表面層的冷作硬化有很大影響，刃口圓角和后刀面的磨損量越大，冷作硬化層的硬度和深度也越大。

　2 ．切削用量

　在切削用量中，影響較大的是切削速度 V C和進給量 f。當 V C增大時，則表面層的硬化程度和深度都有所減小。這是由于一方面切削速度增大會使溫度增高，有助于冷作硬化的回復；另一方面由于切削速度的增大，刀具與工件接觸時間短 ,使工件的塑性變形程度減小。當進給量 f增大時，則切削力增大，塑性變形程度也增大，因此表面層的冷作硬化現象也嚴重。但當 f較小時，由于刀具的刃口圓角在加工表面上的擠壓次數增多，因此表面層的冷作硬化現象也會增大。

　3 ．被加工材料

　被加工材料的硬度越低和塑性越大，則切削加工后其表面層的冷作硬化現象越嚴重。

　( 二 )減少表面層冷作硬化的措施

　1 ．合理選擇刀具的幾何參數，采用較大的前角和后角，并在刃磨時盡量減小其切削刃口圓角半徑；

　2 ．使用刀具時，應合理限制其后刀面的磨損程度；

　3 ．合理選擇切削用量，采用較高的切削速度和較小的進給量；

　4 ．加工時采用有效的切削液。

　　二、表面層的金相組織變化

　（一）影響表面層的金相組織變化的因素

　機械加工時，切削所消耗的能量絕大部分轉化為熱能而使加工表面出現溫度升高。當溫度升高到超過金相組織變化的臨界點時，就會產生金相組織的變化。一般的切削加工，由于單位切削截面所消耗的功率不是太大，故產生金相組織變化的現象較少。但磨削加工因切削速度高，產生的切削熱比一般的切削加工大幾十倍，這些熱量部分由切屑帶走，很小一部分傳入砂輪，若冷卻效果不好，則很大一部分將傳入工件表面，使工件表面層的金相組織發生變化，引起表面層的硬度和強度下降，產生殘余應力甚至引起顯微裂紋，這種現象稱為磨削燒傷。因此，磨削加工是一種典型的易于出現加工表面金相組織變化的加工方法。根據磨削燒傷時溫度的不同，可分為：

　1. 回火燒傷 當磨削淬火鋼時，若磨削區溫度超過馬氏體轉變溫度，則工件表面原來的馬氏體組織將轉化成硬度降低的回火屈氏體或索氏體組織，此稱之為回火燒傷。

　2. 淬火燒傷 磨削淬火鋼時 ,若磨削區溫度超過相變臨界溫度，在切削液的急冷作用，使工件表面最外層金屬轉變為二次淬火馬氏體組織。其硬度比原來的回火馬氏體高，但是又硬又脆，而其下層因冷卻速度較慢仍為硬度降低的回火組織，這種現象稱之為淬火燒傷。

　3. 退火燒傷 若不用切削液進行干磨時超過相變的臨界溫度，由于工件金屬表層空冷冷卻速度較慢 ,使磨削后強度、表面硬度急劇下降，則產生了退火燒傷。

　磨削燒傷時，表面會出現黃、褐、紫、青等燒傷色。這是工件表面在瞬時高溫下產生的氧化膜顏色，不同燒傷色表面燒傷程度不同。較深的燒傷層，雖然在加工后期采用無進給磨削可除掉燒傷色，但燒傷層卻未除掉，成為將來使用中的隱患。

（二）防止磨削燒傷的工藝措施

1 ．合理選擇磨削用量

　減小磨削深度可以減少工件表面的溫度，故有利于減輕燒傷。增加工件速度和進給量，由于熱源作用時間減少，使金相組織來不及變化，因而能減輕燒傷，但會導致表面粗糙度值增大。一般采用提高砂輪速度和較寬砂輪來彌補。

2 ．合理選擇砂輪并及時修整

　若砂輪的粒度越細、硬度越高時自礪性差，則磨削溫度也增高。砂輪組織太緊密時磨屑堵塞砂輪，易出現燒傷。砂輪鈍化時，大多數磨粒只在加工表面擠壓和摩擦而不起切削作用，使磨削溫度增高，故應及時修整砂輪。

　3 ．改善冷卻方法

　采用切削液可帶走磨削區的熱量，避免燒傷。常用的冷卻方法效果較差，由于砂輪高速旋轉時，圓周方向產生強大氣流，使切削液很難進入磨削區，因此不能有效地降溫。為改善冷卻方法，可采用圖 5—4所示的內冷卻砂輪。切削液從中心通入，靠離心力作用，通過砂輪內部的空隙從砂輪四周的邊緣甩出，因此切削液可直接進入磨削區，冷卻效果甚好。但必須采用特制的多孔砂輪，并要求切削液經過仔細過濾以免堵塞砂輪。

　三、表面層的殘余應力

　工件經機械加工后，其表面層都存在殘余應力。殘余壓應力可提高工件表面的耐磨性和受拉應力時的疲勞強度，殘余拉應力的作用正好相反。若拉應力值超過工件材料的疲勞強度極限時，則使工件表面產生裂紋，加速工件的損壞。引起殘余應力的原因有以下三個方面：

　( 一 )冷塑性變形引起的殘余應力

　在切削力作用下，已加工表面受到強烈的冷塑性變形，其中以刀具后刀面對已加工表面的擠壓和摩擦產生的塑性變形最為突出，此時基體金屬受到影響而處于彈性變形狀態。切削力除去后，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壓應力。

　( 二 )熱塑性變形引起的殘余應力

　工件加工表面在切削熱作用下產生熱膨脹，此時基體金屬溫度較低，因此表層金屬產生熱壓應力。當切削過程結束時，表面溫度下降較快，故收縮變形大于里層，由于表層變形受到基體金屬的限制，故而產生殘余拉應力。切削溫度越高，熱塑性變形越大，殘余拉應力也越大，有時甚至產生裂紋。磨削時產生的熱塑性變形比較明顯。

　( 三 )金相組織變化引起的殘余應力

　　切削時產生的高溫會引表面層的金相組織變化。不同的金相組織有不同的密度，表面層金相組織變化的結果造成了體積的變化。表面層體積膨脹時，因為受到基體的限制，產生了壓應力；反之，則產生拉應力。

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