1.影響加工表面幾何特征的因素及其改進措施

　　由上所述，加工表面幾何特征包括表面粗糙度、表面波度、表面加工紋理、傷痕等四方面內(nèi)容，其中表面粗糙度是構成加工表面幾何特征的基本單元。

　　國家標準規(guī)定，表面粗糙度等級用輪廓算術平均偏差R。、微觀平面度十點高度尺，或輪廓最大高度R。的數(shù)值大小表示，并要求優(yōu)先采用R。。

　　(1)切削加工后的表面粗糙度

　　切削加工表面粗糙度值主要取決于切削殘留面積的高度。影響切削殘留面積高度的因素主要包括：刀尖圓弧半徑、主偏角、副偏角及進給量等。

　　切削加工后表面粗糙度的實際輪廓形狀，與純幾何因素所形成的理論輪廓有較大差別。這是由于切削加工中有塑性變形發(fā)生的緣故。在實際切削時，選擇低速寬刀精切和高速精切，往往可以得到較小的表面粗糙度值。

　　加工脆性材料時，切削速度對表面粗糙度的影響不大。一般來說，切削脆性材料比切削塑性材料容易達到表面粗糙度的要求。對于同樣的材料，金相組織越是粗大，切削加工后的表面粗糙度值也越大。為減小切削加工后的表面粗糙度值，常在精加工前進行調(diào)質等處理，目的在于得到均勻細密的晶粒組織和較高的硬度。

　　此外，合理選擇切削液，適當增大刀具的前角、提高刀具的刃磨質量等，均能有效地減小表面粗糙度值。

　　還有一些其他因素影響加工表面粗糙度。其形成主要原因有積削瘤、鱗

　　刺、振動、摩擦、切削刃不平整、切削劃傷等。

　　(2)磨削加工后的表面粗糙度

　　正如切削加工時表面粗糙度的形成過程一樣，磨削加工表面粗糙度的形成也是由幾何因素和表面層金屬的塑性變形(物理因素)決定的，但磨削過程要比切削過程復雜得多。

　　1)幾何因素的影響。磨削表面是由砂輪上大量的磨?？虅澇龅臒o數(shù)極細的溝槽形成的。單純從幾何因素考慮，可以認為在單位面積上刻痕越多，即通過單位面積的磨粒數(shù)越多，刻痕的等高性越好，則磨削表面的粗糙度值越小。

　　2)表面層金屬的塑性變形(物理因素)的影響。砂輪的磨削速度遠比一般切削加工的速度高，且磨粒大多為負前角，磨削比壓大，磨削區(qū)溫度很高，工件表層溫度有時可達900℃，工件表層金屬容易產(chǎn)生相變而燒傷。因此，磨削過程的塑性變形要比一般切削過程大得多。

　　由于塑性變形的緣故，被磨表面的幾何形狀與單純根據(jù)幾何因素所得到的原始形狀大不相同。在力和熱等因素的綜合作用下，被磨工件表層金屬的晶粒在橫向被拉長了，有時還產(chǎn)生細微的裂口和局部的金屬堆積現(xiàn)象。影響磨削表層金屬塑性變形的因素，往往是影響表面粗糙度的決定性因素。

　　影響工件產(chǎn)生塑性變形的因素主要有：磨削用量，砂輪的粒度、硬度、組織和材料以及磨削液的選擇，如何選擇各因素的參數(shù)，應視具體情況而定。

　　2.影響表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改進措施

　　由于受到切削力和切削熱的作用，表面金屬層的力學物理性能會產(chǎn)生很大

　　的變化，最主要的變化是表層金屬顯微硬度的變化、金相組織的變化和在表層

　　金屬中產(chǎn)生殘余應力等。

　　(1)加工表面層的冷作硬化

　　1)冷作硬化的產(chǎn)生。機械加工過程中產(chǎn)生的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)生滑移，晶粒被拉長，這些都會使表面層金屬的硬度增加，這種現(xiàn)象統(tǒng)稱為冷作硬化(或稱為強化)。表層金屬冷作硬化的結果，會增大金屬變形的阻力，減小金屬的塑性，金屬的物理性質(如密度、導電性、導熱性等)也有所變化。

　　金屬冷作硬化的結果，使金屬處于高能位不穩(wěn)定狀態(tài)，只要一有條件，金屬的冷硬結就會本能地向比較穩(wěn)定的結構轉化。這些現(xiàn)象稱為弱化。機械加工過程中產(chǎn)生的切削熱，將使金屬在塑性變形中產(chǎn)生的冷硬現(xiàn)象得到恢復。

　　由于金屬在機械加工過程中同時受到力因素和熱因素的作用，機械加工后表面層金屬的最后性質取決于強化和弱化兩個過程的綜合。

　　評定冷作硬化的指標有下列三項：

　?、俦韺咏饘俚娘@微硬度HM;

　?、谟不瘜由?/p>

　　度危(單位為斗m);

　　③硬化程度Ⅳ。

　　2)影響表面冷作硬化的因素。金屬切削加工時，影響表面層加工冷作硬化的因素可從4個方面來分析。

　?、偾邢髁υ酱螅苄宰冃卧酱?，硬化程度越大，硬化層深度也越大。因此，增大進給量和背吃刀量，減小刀具前角，都會增大切削力，使加工過程冷作硬化嚴重。

　　②當變形速度很快(即切削速度很高)時，塑性變形可能跟不上，這樣塑性變形將不充分，冷作硬化層深度和硬化程度都會減小。

　?、矍邢鳒囟雀撸貜妥饔迷龃螅不潭葴p小。如高速切削或刀具鈍化后切削，都會使切削溫度上升，使硬化程度和深度減小。

　?、芄ぜ牧系乃苄栽酱螅渥饔不潭纫苍絿乐?。碳鋼中含碳量越大，強度越高，其塑性越小，冷作硬化程度也越小。

　　金屬磨削時，影響表面冷作硬化的因素主要有以下幾點。

　?、倌ハ饔昧康挠绊憽＜哟竽ハ魃疃?，磨削力隨之增大，磨削過程的塑性變形加劇，表面冷硬傾向增大。提高縱向進給速度，每顆磨粒的切屑厚度隨之增大，磨削力加大，冷作硬化程度增大。因此加工表面的冷硬狀況要綜合考慮上述兩種因素的作用。提高工件轉速會縮短砂輪對工件熱作用的時問，使軟化傾向減弱，因而表面層的冷硬增大。提高磨削速度，就可能使金屬表面的組織來不及變形，使表層金屬的塑性變形減小。而磨削區(qū)的溫度增高，弱化傾向增大。所以，高速磨削時加工表面的冷硬程度比普通磨削時低。

　?、谏拜喠６鹊挠绊?。砂輪的粒度越大，每顆磨粒的載荷越小，冷硬程度也越小。

　　3)冷作硬化的測量方法。冷作硬化的測量主要是指表面層的顯微硬度和硬

　　化層深度的測量，硬化程度可由表面層的顯微硬度和工件內(nèi)部金屬原來的顯微硬度計算求得。

　　表面層顯微硬度的常用測定方法是用顯微硬度計來測量，它的測量原理與維氏硬度計相同。加工表面冷硬層很薄時，可在斜截面上測量顯微硬度。對于平面試件可按圖3—2a磨出斜面，然后逐點測量其顯微硬度。斜切角常取為0~30’～2~30’。采用斜截面測量法，不僅可測量顯微硬度，還能較為準確地測出硬化層深度值。

　　(2)表層金屬的金相組織變化

　　1)磨削加工表面金相組織的變化。機械加工過程中，在工件的加工區(qū)及其鄰近的區(qū)域，溫度會急劇升高。當溫度升高到超過工件材料金相組織變化的臨界點時，就會發(fā)生金相組織變化。對于一般的切削加工方法，通常不會上升到如此高的程度。但在磨削加工時，不僅磨削比壓特別大，且磨削速度也特別高，切除金屬的功率消耗遠大于其他加工方法。加工所消耗能量的絕大部分都要轉化為熱量，這些熱量中的大部分(約80%)將傳給被加工表面，使工件表面具有很高的溫度。對于已淬火的鋼件，很高的磨削溫度往往會使表層金屬的金相組織產(chǎn)生變化，使表層金屬硬度下降，使工件表面呈現(xiàn)氧化膜顏色，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。磨削加工是一種典型的容易產(chǎn)生加工表面金相組織變化的加工方法，在磨削加工中的燒傷現(xiàn)象，會嚴重影響零件的使用性能。

　　磨削淬火鋼時，由于磨削條件的不同，在工件表面層產(chǎn)生的磨削燒傷有3種形式：淬火燒傷、回火燒傷、退火燒傷。

　　2)影響磨削燒傷的因素及改善途徑。磨削燒傷與溫度有著十分密切的關系。一切影響溫度的因素都在一定程度上對燒傷有影響，因此，研究磨削燒傷問題可以從切削時的溫度人手，通常從以下三方面考慮。

　　①合理選用磨削用量。以平磨為例來分析磨削用量對燒傷的影響。磨削深度對磨削溫度影響極大;加大橫向進給量對減輕燒傷有利，但增大橫向進給量會導致工件表面粗糙度值變大，因而，可采用較寬的砂輪來彌補;加大工件的回轉速度，磨削表面的溫度升高，但其增長速度與磨削深度的影響相比小得多。從減輕燒傷而同時又盡可能地保持較高的生產(chǎn)率考慮，在選擇磨削用量時，應選用較大的工件回轉速度和較小的磨削深度。

　　②正確選擇砂輪。磨削導熱性差的材料(如耐熱鋼、軸承鋼及不銹鋼等)，容易產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象，應特別注意合理選擇砂輪的硬度、結合劑和組織。硬度太高的砂輪，由于砂輪鈍化之后不易脫落，容易產(chǎn)生燒傷，所以應選擇較軟的砂輪。選擇具有一定性的結合劑(如橡膠結合劑，樹脂結合劑)，也有助于避免燒傷現(xiàn)象的產(chǎn)生。此外，為了減少砂輪與工件之間的摩擦熱，在砂輪的孔隙內(nèi)浸入石蠟之類的潤滑物質，對降低磨削區(qū)的溫度、防止工件燒傷也有一定效果。

　?、鄹纳评鋮s條件。磨削時，磨削液若能直接進入磨削區(qū)，對磨削區(qū)進行充分冷卻，能有效地防止燒傷現(xiàn)象的產(chǎn)生。因為水的比熱和汽化熱都很高，在室溫條件下，lmL水變成100%以上的水蒸氣至少能帶走2 512J的熱量，而磨削區(qū)熱源每秒鐘的發(fā)熱量，在一般磨削用量下都在4 187J以下。據(jù)此推測，只要設法保證在每秒時間內(nèi)確有2mL的冷卻水進入磨削區(qū)，將有相當可觀的熱量被帶走，就可以避免產(chǎn)生燒傷。然而，如圖3—3所示的常用的冷卻方法，其冷卻效果很差，實際上沒有多少磨削液能夠真正進入磨削區(qū)A口，因此，必須采取切實可行的措施改善冷卻條件，防止燒傷現(xiàn)象的發(fā)生。

　　內(nèi)冷卻是一種較為有效的冷卻方法，如圖3—4所示。其工作原理是：經(jīng)過嚴格過濾的磨削液通過中空主軸法蘭套引人砂輪中心腔3內(nèi)，由于離心力作用，這些磨削液就會通過砂輪內(nèi)部的孔隙向砂輪四周的邊緣甩出，因此磨削水就有可能直接注入磨削區(qū)。目前，內(nèi)冷卻裝置尚未得到廣泛應用，其主要原因是使用內(nèi)冷卻裝置時，磨床附近有大量水霧，操作工人的勞動條件差，且在精磨加工時無法通過觀察火花來試磨對刀。

　　(3)表層金屬的殘余應力

　　在機械加工過程中，當表層金屬組織發(fā)生形狀變化、體積變化或金相組織變化時，將在表面層的金屬與其基體間產(chǎn)生相互平衡的殘余應力。

　　表層金屬產(chǎn)生殘余應力的原因是：機械加工時，在加工表面的金屬層內(nèi)有塑性變形產(chǎn)生，使表層金屬的比體積增大。由于塑性變形只在表面層中產(chǎn)生，而表面層金屬的比體積增大和體積膨脹，不可避免地要受到與它相連的里層金屬的阻礙，這樣就在表面層內(nèi)產(chǎn)生了壓縮殘余應力，而在里層金屬中產(chǎn)生拉伸殘余應力。當?shù)毒邚谋患庸け砻嫔锨谐饘贂r，表層金屬的纖維被拉長，刀具后刀面與已加工表面的摩擦又加大了這種拉伸作用。刀具切離之后，拉伸彈性變形將逐漸恢復，。而拉伸塑性變形則不能恢復。表面層金屬的拉伸塑性變形，受到與它相連的里層未發(fā)生塑性變形的金屬的阻礙，因此就在表層產(chǎn)生壓縮殘余應力，而在里層金屬中產(chǎn)生拉伸殘余應力。

　　(4)表面強化工藝

　　這里所說的表面強化工藝是指通過冷壓加工方法使表面層金屬發(fā)生冷態(tài)塑性變形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面層產(chǎn)生壓縮殘余應力的表面強化方法。冷壓加工強化工藝是一種既簡便又有明顯效果的加工方法，因而應用十分廣泛。

　　1)噴丸強化。噴丸強化是利用大量高速運動的珠丸打擊被加工工件表面，使工件表面產(chǎn)生冷硬層和壓縮殘余應力，可顯著提高零件的疲勞強度和使用壽命。

　　珠丸可以是鑄鐵的，也可以是切成小段的鋼絲(使用一段時間之后，自然變成球狀)。對于鋁質工件，為避免表面殘留鐵質微粒而引起電解腐蝕，宜采用鋁丸或玻璃丸。珠丸的直徑一般為O.2—4mm，對于尺寸較小、要求表面粗糙度值較小的工件，宜采用直徑較小的珠丸。

　　噴丸強化主要用于強化形狀復雜或不宜用其他方法強化的工件，例如板彈簧、螺旋彈簧、連桿、齒輪、焊縫等。

　　2)滾壓加工。滾壓加工是利用經(jīng)過淬硬和精細研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)下對金屬表面進行滾壓，將表層的凸起部分向下壓，凹下部分往上擠。經(jīng)過滾壓加工，可逐漸將前工序留下的波峰壓平，從而修正工件表面的微觀幾何形狀。此外，它還能使工件表面金屬組織細化，形成壓縮殘余應力。

　　3)擠壓加工。擠壓加工是利用經(jīng)過研磨的、具有一定形狀的超硬材料(金剛石或立方氮化硼)作為擠壓頭，安裝在專用的彈性刀架上，在常溫狀態(tài)下對金屬表面進行擠壓。擠壓后的金屬表面粗糙度值下降，硬度提高，表面形成壓縮殘余應力，從而提高了表面抗疲勞強度。