全仓1 杨淑霞2 李俊文1
（1.兰州城市学院北方汽车工程学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州城市学院实训中心，甘肃 兰州 730070）
【摘 要】机械加工中的表面物理机械性能的变化对其表面质量有很大影响，本文通过三个方面对其影响因素进行了分析。
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关键词 冷作硬化；金相组织变化；残余应力
机械加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理机械性能产生变化，最主要的变化是表面层冷作硬化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重，因而磨削加工后加工表面层上述三项物理机械性能的变化会很大。
1 表面层的冷作硬化
表面层显微硬度的变化，是加工时塑性变形引起的冷作硬化和切削热引起的金相组织变化综合作用的结果。
加工过程中表面层产生的塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格严重扭曲，并产生晶粒的拉长、破碎和纤维化，引起材料的硬化，其强度和硬度均有所提高，这种变化的结果即形成冷作硬化。
1.1 冷作硬化的特点
变形抵抗力提高(屈服点提高)，塑性降低(相对延伸率降低)。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（回复）。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。
由于金属在机械加工过程中同时受到力因素和热因素的作用，机械加下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。
表面层的硬化程度决定于产生塑性变形的力、变形速度及变形时的温度。力愈大，塑性变形大，则硬化程度严重。变形速度快，塑性变形不充分，硬化程度减弱。
1.2 影响冷作硬化的因素
（１）刀具：刀具刃口圆角和后刀面磨损量增加时，冷硬层深度和硬度也随之增高。
（2）切削用量：切削速度增大时，刀具与工件接触时间短，塑形变形程度减小，硬化层深度和硬度都有所减小。进给量增大时，切削力增大，塑性变形也增大，硬化现象加强；但当进给量过小，由于刀刃圆弧在加工表面单位长度上的挤压次数增多，硬化程度也会增大。
（3）工件材质：工件材料的硬度愈低，塑形愈大时，切削后的冷硬现象愈加重。
2 加工表面的金相组织变化
切削加工中，由于加工所消耗的能量绝大部分转化为热能，因此在加工区，尤其在加工表面温度将上升。温度升高到超过金相组织变化的临界点时，就会引起金相组织变化。对于一般的切削加工，切削热大部分被切削带走，加工表面温度较低，其影响不甚严重。但对单位切削功率消耗特别多的一些加工方法，就会出现表面层的金相组织变化。
磨削的单位切削力比其它加工方法大数十倍，其切削速度又特别高，所以磨削的单位切削功率消耗远远大于其它加工方法。如此大的功率消耗绝大部分转化为磨削热，其中大部分热量传给工件，引起工件表面金相组织变化。影响磨削烧伤的因素主要有：
2.1 磨削用量
磨削深度。当磨削深度增加时，无论工件表面温度，还是表面层下不同深度的温度，都随之升高。故烧伤会增加。
工件纵向进给量。纵磨时工件纵向进给量增加，工件表面温度及表层下不同深度的温度都会降低，烧伤将减少。但为弥补纵向进给量增大而导致表面粗糙度增大的缺陷，可采用较宽的砂轮。
工件速度。当工件速度增加时，磨削区的温度会上升，其影响与磨削深度相比则小得多。但提高工件速度，会导致工件表面更为粗糙。为弥补此缺陷，一般可提高砂轮速度。
2.2 冷却方法
采用切削液带走磨削区的热量可以避免烧伤。常用的冷却方法效果较差，由于砂轮高速旋转时，圆周方向产生强大气流，使切削液很难进入磨削区。如图1所示，切削液不易进入磨削区AB，且大量倾注在已经离开磨削区的加工面上，这时烧伤早已产生。为改善冷却方法，可采用图2所示的内冷法，即将经过严格过滤的冷却液通过中空主轴引进砂轮的中空腔内。由于离心力的作用，将切削液沿砂轮孔隙向四周甩出，直接冷却磨削区；另外，冷却液喷嘴加装空气挡板可减轻砂轮圆周表面的高压气流作用使冷却液易进入磨削区（如图3）。
3 加工表面层的残余应力
工件经机械加工后，其表面层都存在残余应力。残余压应力可提高工件表面的耐磨性和受拉应力时的疲劳强度，残余拉应力的作用正好相反。若拉应力值超过工件材料的疲劳强度极限时，则使工件表面产生裂纹，加速工件的损坏。
3.1 产生残余应力的原因
（１）冷塑性变形的影响
机械加工时，在加工表面金属层内有塑性变形发生，使表面金属的比容加大，体积膨胀，则因受基体材料制约就会在表层产生残余压应力，而在里层金属中产生残余拉应力。
（２）热塑性变形的影响
机械加工时，切削区会有大量的切削热产生，表面层与里层金属间产生很大的温度梯度。冷却时，表面层收缩从而形成较大的残余拉应力，而在里层金属中产生残余压应力。
（３）金相组织的影响
切削时的高温会引起表面层金相组织变化。由于不同金相组织有不同的密度，亦具有不同的比容。
当表层金属体积膨胀，则因受基体材料制约就会在表层产生残余压应力；相反，则表层产生残余拉应力。残余拉应力超过材料屈服极限时，产生表面裂纹。各种金相组织中马氏体比重最小，奥氏体比重最大（马氏体、奥氏体、索氏体或屈氏体的比重分别约为：7.75、7.96、7.78）。
以淬火钢磨削加工为例说明表面变相所引起的残余应力。
淬火钢原来的组织是马氏体，磨削加工后，表面层可能回火转化为接近珠光体的屈氏体或索氏体，因体积缩小，表面层产生残余拉应力，里层产生残余压应力。如果表层出现超过750-800℃的高温，则除了稍深处有回火现象外，表面由于冷却速度快还可能出现二次淬火，则表面层产生二次淬火马氏体，其体积比里层的回火组织大，因而表层产生压应力，里层产生拉应力。
3.2 影响残余应力的工艺因素
影响残余应力的工艺因素主要是刀具的前角、切削速度以及工件材料的性质和冷却润滑液。具体的情况则看其对切削时的塑性变形、切削温度和金相组织变化的影响程度而定。一般来说，低速车削时，切削热的作用起主导作用；高速切削时，表层金属的淬火进行得较充分，金相组织变化因素起主导作用。
一般来说，工件材料的强度越高、导热性越差、塑性越低，在磨削时表面金属产生残余拉应力的倾向就越大。
3.3 磨削裂纹的产生
总的来说，磨削加工中热态塑性变形和金相组织变化的影响较大，故大多数磨削零件的表面层往往有残余拉应力。当残余拉应力超过材料的强度极限时，零件表面就会出现磨削裂纹。
磨削裂纹一般很浅(0.25～0.50mm)，大多垂直于磨削方向或成网状（磨螺纹时有时也有平行于磨削方向的裂纹)，如图4所示。磨削裂纹总是拉应力引起的，且常与烧伤同时出现。
总之，加工表面层残余应力是三方面原因引起的综合结果。在一定条件下，其中某一种或两种原因可能起主导作用。如切削加工中，当切削热不高时，表面层中没有热塑性变形，而是以冷塑性变形为主，此时，表面层将产生残余压应力。而磨削时一般因磨削热较高，相变和热塑性变形占主导地位，所以表面层产生残余拉应力。
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参考文献
［１］曾东建.汽车制造工艺学[M].北京:机械工业出版社,2012.
［２］李晓明.机械加工表面质量分析[J].黑龙江科技信息,2010(07).
［责任编辑：汤静］
