1.影響加工表面幾何特征的因素及其改進(jìn)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(gòu)成加工表面幾何特征的基本單元。

　　國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，表面粗糙度等級(jí)用輪廓算術(shù)平均偏差R。、微觀平面度十點(diǎn)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(jìn)給量等。

　　切削加工后表面粗糙度的實(shí)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(shí)際切削時(shí)，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(shí)，切削速度對(duì)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(dá)到表面粗糙度的要求。對(duì)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(jìn)行調(diào)質(zhì)等處理，目的在于得到均勻細(xì)密的晶粒組織和較高的硬度。

　　此外，合理選擇切削液，適當(dāng)增大刀具的前角、提高刀具的刃磨質(zhì)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(dòng)、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(shí)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(fù)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(xì)的溝槽形成的。單純從幾何因素考慮，可以認(rèn)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(yuǎn)比一般切削加工的速度高，且磨粒大多為負(fù)前角，磨削比壓大，磨削區(qū)溫度很高，工件表層溫度有時(shí)可達(dá)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(zhǎng)了，有時(shí)還產(chǎn)生細(xì)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(yīng)視具體情況而定。

　　2.影響表層金屬力學(xué)物理性能的工藝因素及其改進(jìn)措施

　　由于受到切削力和切削熱的作用，表面金屬層的力學(xué)物理性能會(huì)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(yīng)力等。

　　(1)加工表面層的冷作硬化

　　1)冷作硬化的產(chǎn)生。機(jī)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(zhǎng)，這些都會(huì)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(qiáng)化)。表層金屬冷作硬化的結(jié)果，會(huì)增大金屬變形的阻力，減小金屬的塑性，金屬的物理性質(zhì)(如密度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等)也有所變化。

　　金屬冷作硬化的結(jié)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(jié)就會(huì)本能地向比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。這些現(xiàn)象稱為弱化。機(jī)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(fù)。

　　由于金屬在機(jī)械加工過程中同時(shí)受到力因素和熱因素的作用，機(jī)械加工后表面層金屬的最后性質(zhì)取決于強(qiáng)化和弱化兩個(gè)過程的綜合。

　　評(píng)定冷作硬化的指標(biāo)有下列三項(xiàng)：

　?、俦韺咏饘俚娘@微硬度HM;

　　②硬化層深

　　度危(單位為斗m);

　?、塾不潭娶?。

　　2)影響表面冷作硬化的因素。金屬切削加工時(shí)，影響表面層加工冷作硬化的因素可從4個(gè)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(jìn)給量和背吃刀量，減小刀具前角，都會(huì)增大切削力，使加工過程冷作硬化嚴(yán)重。

　?、诋?dāng)變形速度很快(即切削速度很高)時(shí)，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(huì)減小。

　?、矍邢鳒囟雀?，回復(fù)作用增大，硬化程度減小。如高速切削或刀具鈍化后切削，都會(huì)使切削溫度上升，使硬化程度和深度減小。

　　④工件材料的塑性越大，冷作硬化程度也越嚴(yán)重。碳鋼中含碳量越大，強(qiáng)度越高，其塑性越小，冷作硬化程度也越小。

　　金屬磨削時(shí)，影響表面冷作硬化的因素主要有以下幾點(diǎn)。

　?、倌ハ饔昧康挠绊?。加大磨削深度，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(jìn)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(zhuǎn)速會(huì)縮短砂輪對(duì)工件熱作用的時(shí)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(shí)加工表面的冷硬程度比普通磨削時(shí)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(cè)量方法。冷作硬化的測(cè)量主要是指表面層的顯微硬度和硬

　　化層深度的測(cè)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(jì)算求得。

　　表面層顯微硬度的常用測(cè)定方法是用顯微硬度計(jì)來測(cè)量，它的測(cè)量原理與維氏硬度計(jì)相同。加工表面冷硬層很薄時(shí)，可在斜截面上測(cè)量顯微硬度。對(duì)于平面試件可按圖3—2a磨出斜面，然后逐點(diǎn)測(cè)量其顯微硬度。斜切角常取為0~30’～2~30’。采用斜截面測(cè)量法，不僅可測(cè)量顯微硬度，還能較為準(zhǔn)確地測(cè)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(jī)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(huì)急劇升高。當(dāng)溫度升高到超過工件材料金相組織變化的臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生金相組織變化。對(duì)于一般的切削加工方法，通常不會(huì)上升到如此高的程度。但在磨削加工時(shí)，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(yuǎn)大于其他加工方法。加工所消耗能量的絕大部分都要轉(zhuǎn)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(duì)于已淬火的鋼件，很高的磨削溫度往往會(huì)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(huì)嚴(yán)重影響零件的使用性能。

　　磨削淬火鋼時(shí)，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(guān)系。一切影響溫度的因素都在一定程度上對(duì)燒傷有影響，因此，研究磨削燒傷問題可以從切削時(shí)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(duì)燒傷的影響。磨削深度對(duì)磨削溫度影響極大;加大橫向進(jìn)給量對(duì)減輕燒傷有利，但增大橫向進(jìn)給量會(huì)導(dǎo)致工件表面粗糙度值變大，因而，可采用較寬的砂輪來彌補(bǔ);加大工件的回轉(zhuǎn)速度，磨削表面的溫度升高，但其增長(zhǎng)速度與磨削深度的影響相比小得多。從減輕燒傷而同時(shí)又盡可能地保持較高的生產(chǎn)率考慮，在選擇磨削用量時(shí)，應(yīng)選用較大的工件回轉(zhuǎn)速度和較小的磨削深度。

　　②正確選擇砂輪。磨削導(dǎo)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(yīng)特別注意合理選擇砂輪的硬度、結(jié)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(yīng)選擇較軟的砂輪。選擇具有一定性的結(jié)合劑(如橡膠結(jié)合劑，樹脂結(jié)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(rùn)滑物質(zhì)，對(duì)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(shí)，磨削液若能直接進(jìn)入磨削區(qū)，對(duì)磨削區(qū)進(jìn)行充分冷卻，能有效地防止燒傷現(xiàn)象的產(chǎn)生。因?yàn)樗谋葻岷推療岫己芨撸谑覝貤l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(cè)，只要設(shè)法保證在每秒時(shí)間內(nèi)確有2mL的冷卻水進(jìn)入磨削區(qū)，將有相當(dāng)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(shí)際上沒有多少磨削液能夠真正進(jìn)入磨削區(qū)A口，因此，必須采取切實(shí)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(yán)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(huì)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(yīng)用，其主要原因是使用內(nèi)冷卻裝置時(shí)，磨床附近有大量水霧，操作工人的勞動(dòng)條件差，且在精磨加工時(shí)無法通過觀察火花來試磨對(duì)刀。

　　(3)表層金屬的殘余應(yīng)力

　　在機(jī)械加工過程中，當(dāng)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(shí)，將在表面層的金屬與其基體間產(chǎn)生相互平衡的殘余應(yīng)力。

　　表層金屬產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因是：機(jī)械加工時(shí)，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(yīng)力，而在里層金屬中產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力。當(dāng)?shù)毒邚谋患庸け砻嫔锨谐饘贂r(shí)，表層金屬的纖維被拉長(zhǎng)，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(fù)，。而拉伸塑性變形則不能恢復(fù)。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(yīng)力，而在里層金屬中產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力。

　　(4)表面強(qiáng)化工藝

　　這里所說的表面強(qiáng)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(yīng)力的表面強(qiáng)化方法。冷壓加工強(qiáng)化工藝是一種既簡(jiǎn)便又有明顯效果的加工方法，因而應(yīng)用十分廣泛。

　　1)噴丸強(qiáng)化。噴丸強(qiáng)化是利用大量高速運(yùn)動(dòng)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(yīng)力，可顯著提高零件的疲勞強(qiáng)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(shí)間之后，自然變成球狀)。對(duì)于鋁質(zhì)工件，為避免表面殘留鐵質(zhì)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(duì)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(qiáng)化主要用于強(qiáng)化形狀復(fù)雜或不宜用其他方法強(qiáng)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(xì)研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)下對(duì)金屬表面進(jìn)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(xì)化，形成壓縮殘余應(yīng)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(duì)金屬表面進(jìn)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(yīng)力，從而提高了表面抗疲勞強(qiáng)度。