对机械制造过程中影响工件表面质量因素的分析

来源:用户上传      作者: 吴晓星

　　【摘要】 通常情况下,机械设备零件的损坏,都是从零件的表面开始。一种产品的性能,尤其是产品的稳定性和耐用性,在很大程度上是取决于零件表层的加工工艺和处理质量。研究机械制造加工表面质量,其根本目的就是为了掌握在机械加工过程中各个工艺流程对被加工工件表面质量影响的内部规律,进而能够使我们利用这些规律来优化生产加工过程,最终达到改善产品质量、增强产品使用性能的目的。
　　【关键词】 加工表面质量;机械;因素
　　
　　一、机械设备故障的发生发展规律及故障分析和管理
　　1.机械设备故障的发生发展规律。机械设备故障的发生发展过程都有其客观规律,研究故障规律对制定维修对策,以至建立更加科学的维修体制都是十分有利。设备在使用过程中,其性能或状态随着使用时间的推移而逐步下降,很多故障发生前会有一些预兆,这就是所谓潜在故障,其可识别的物理参数表明一种功能性故障即将发生,功能性故障表明设备丧失了规定的性能标准。机械设备故障主要有三种:
　　第一种是早期故障期。是指机械设备安装调试过程至移交生产试用阶段,造成早期故障的原因主要是由设计、制造上的缺陷,包装、运输中的损伤,安装不到位、使用工人操作不习惯或尚未全部熟练掌握其性能等原因所造成。机械设备处于早期故障期,故障率开始很高,通过跑合运行和故障排除,故障率逐渐降低并趋于稳定,此段时间的长短,随产品、系统的设计与制造质量而异。
　　第二种是偶发故障期的故障。一般是由于设备使用不当与维修不力,工作条件(负荷、环境等)变化,或者由于材料缺陷、控制失灵、结构不合理等设计、制造上存在的问题所致。故通过提高设计质量、改进使用管理、加强监视诊断与维护保养等工作,可使故障率降低到最低。
　　第三种是耗损故障。随着使用时间的延长,各零部件因磨损、疲劳、老化、腐蚀逐步加剧而丧失机能,使设备故障率逐渐上升。这说明设备的一些零部件已到了使用寿命期,应采用不同的维修方式来阻止故障率的上升,延长设备的使用寿命,如在拐点P即耗损故障期开始处进行大修,可经济而有效地降低故障率。如果继续使用,就可能造成设备事故。
　　设备故障率变化的三个阶段,真实地反映出机械设备从磨合、调试、正常工作到大修或报废故障率变化的规律,加强设备的日常管理与维护保养,可以延长偶发故障期。准确地找出拐点,可避免过剩修理或修理范围扩大,以获得最佳的投资效益。传统的修理周期结构必须随科技的发展、不同的设备结构特点进行改革,提倡状态维修,特别是结构复杂的现代化设备,充分利用潜在故障已经发生并在其转变成为功能性故障之前的这段时间做好状态监测,针对故障前兆,实施状态维修,可使维修工作量和维修费用大幅度地降低,实现少投人多产出的理想效果。根据设备的耗损故障情况和维修能力,制定一条允许故障率的界限线,以控制实际故障率不超过此范围。
　　2.机械故障分析和管理。在故障管理工作中,不但要对每一项具体的设备故障进行分析,查明发生的原因和机理,采取预防措施,防止故障重复出现,还必须对本系统、企业全部设备的故障基本状况、主要问题、发展趋势等有全面的了解,找出管理中的薄弱环节,并从本企业设备着眼,采取针对性措施,预防或减少故障,改善技术状态。对故障的统计分析是故障管理中必不可少的内容,是制定管理目标的主要依据。
　　二、机械加工表面质量对机器使用性能的影响
　　1.表面质量对零件耐磨性的影响。零件的耐磨性主要与摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件有关,在这些条件已确定的情况下,零件的表面质量就起着决定性的作用。零件的磨损过程,通常分为三个阶段:摩擦副刚开始工作时,磨损比较明显,称为初期磨损阶段(一般称为走合期)。经初期磨损后,磨损缓慢均匀,进入正常磨损阶段。当磨损达到一定程度后,磨损又突然加剧,导致零件不能正常工作,称为急剧磨损阶段。
　　2.最佳表面粗糙度。在干摩擦或半干摩擦情况下,摩擦副表面的初期磨损与表面粗糙度有很大关系。摩擦副表面有一个最佳粗糙度,过大或过小的粗糙度都会使初期磨损增大。摩擦副的原始粗糙度太大,开始时两表面仅仅是若开凸峰相接触,实际接触面积小于名义接触面积,接触部分的实际压强很大,破坏了润滑油膜,接触的凸峰处形成局部干摩擦,因而接触部分金属的挤裂、破碎、切断等作用都较强,磨损也就较大。随着走合期过程的进行,表面粗糙度逐渐减小,实际接触面积增大,磨损也随之逐步减小,就进入正常磨损阶段。摩擦副的原始粗糙度过小,紧密接触的两金属表面分子间产生较大的亲和力,润滑油被挤去,造成润滑条件恶化,使表面容易咬焊,因而初期磨损也较大。随着走合过程的进行,表面粗糙度有所增大,磨损也随之有所减小,当表面粗糙度等于最佳粗糙度时进入正常磨损阶段。在初期磨损阶段因走合而使表面粗糙度自动适应最佳值。摩擦表面的最佳粗糙度视不同材料和工作要件而异,一般大致在V0. 8～V0. 4左右。对于完全液体润滑,金属表面完全不接触,由一层油膜隔开,要求摩擦副表面粗糙度应不刺破油膜,粗糙度越小,允许的油膜越薄,承载能力越大,则表面粗糙度越小越有利。
　　三、影响表面粗糙度的因素
　　1.切削加工影响表面粗糙度的因素。在加工表面留下了切削层残留面积,其形状是刀具几何形状的复映。减小进给量vf、主偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径,均可减小残留面积的高度。适当增大刀具的前角以减小切削时的塑性变形程度,合理选择润滑液和提高刀具刃磨质量以减小切削时的塑性变形和抑制刀瘤、鳞刺的生成,也是减小表面粗糙度值的有效措施。
　　2.工件材料的性质。加工塑性材料时,由刀具对金属的挤压产生了塑性变形,加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用,使表面粗糙度值加大。工件材料韧性愈好,金属的塑性变形愈大,加工表面就愈粗糙。加工脆性材料时,其切屑呈碎粒状,由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点,使表面粗糙。
　　3.切削用量。以较高的切削速度切削塑性材料,减小进给量可以提高表面光洁度。
　　4.磨削加工影响表面粗糙度的因素。象切削加工时表面粗糙度的形成过程一样,磨削加工表面粗糙度的形成也是由几何因素和表面金属的塑性变形来决定。影响磨削表面粗糙的主要因素有:(1)砂轮的粒度;(2)砂轮的硬度;(3)砂轮的修整;(4)磨削速度;(5)磨削径向进给量与光磨次数;(6)工件圆周进给速度与轴向进给量;(7)冷却润滑程度。
　　四、影响加工表面层物理机械性能的因素
　　在切削加工中,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金属显微硬度的变化、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3项物理机械性能的变化会很大。
　　(一)表面层冷作硬化
　　1.冷作硬化及其评定参数。机械加工过程中因切削力作用产生的塑性变形,使晶格扭曲、畸变,晶粒间产生剪切滑移,晶粒被拉长和纤维化,甚至破碎,这些都会使表面层金属的硬度和强度提高,这种现象称为冷作硬化(或称为强化)。表面层金属强化的结果,会增大金属变形的阻力,减小金属的塑性,金属的物理性质也会发生变化。被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态,只要一有可能,金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化,这种现象称为弱化。弱化作用的大小取决于温度的高低、温度持续时间的长短和强化程度的大小。由于金属在机械加工过程中同时受到力和热的作用,加工后表层金属的最后性质取决于强化和弱化综合作用的结果。评定冷作硬化的指标有3项,即表层金属的显微硬度HV、硬化层深度h和硬化程度N。

　　2.影响冷作硬化的主要因素。切削刃钝圆半径增大,对表层金属的挤压作用增强,塑性变形加剧,导致冷硬增强。刀具后刀面磨损增大,后刀面与被加工表面的摩擦加剧,塑性变形增大,导致冷硬增强。切削刃钝圆半径对加工硬化的影响切削速度增大,刀具与工件的作用时间缩短,使塑性变形扩展深度减小,冷硬层深度减小。切削速度增大后,切削热在工件表面层上的作用时间也缩短了,将使冷硬程度增加。进给量增大,切削力也增大,表层金属的塑性变形加剧,冷硬作用加强。工件材料的塑性愈大,冷硬现象就愈严重。
　　(二)表面层材料金相组织变化
　　当切削热使被加工表面的温度超过相变温度后,表层金属的金相组织将会发生变化。
　　1.磨削烧伤。当被磨工件表面层温度达到相变温度以上时,表层金属发生金相组织的变化,使表层金属强度和硬度降低,并伴有残余应力产生,甚至出现微观裂纹,这种现象称为磨削烧伤。在磨削淬火钢时,可能产生3种烧伤。
　　2.改善磨削烧伤的途径。磨削热是造成磨削烧伤的根源,故改善磨削烧伤有两个途径:一是正确选择砂轮;合理选择切削用量,尽可能地减少磨削热地产生;二是改善冷却条件,尽量使产生的热量少传入工件。
　　(三)表面层残余应力
　　 1.切削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。由于塑性变形只在表层金属中产生,表层金属的比容增大,体积膨胀,不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻止,就在表面金属层产生了残余应力,而在里层金属中产生残余拉应力。
　　2.切削加工中,切削区会有大量的切削热产生。
　　3.不同金相组织具有不同的密度,亦具有不同的比容。如果表面层金属产生了金相组织的变化,表层金属比容的变化必然要受到与之相连的基体金属的阻碍,就有残余应力产生。
　　零件主要工作表面最终工序加工方法的选择:零件主要工作表面最终工序加工方法的选择至关重要,因为最终工序在该工作表面留下的残余应力将直接影响机器零件的使用性能。选择零件主要工作表面最终工序加工方法,须考虑该零件主要工作表面的具体工作条件和可能的破坏形式。在交变载荷作用下,机器零件表面上的局部微观裂纹,会因拉应力的作用使原生裂纹扩大,最后导致零件断裂。从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑,该表面最终工序应选择能在该表面产生残余压应力的加工方法。
　　由于机械加工表面对机器零件的使用性能如耐磨性、接触刚度、疲劳强度、配合性质、抗腐蚀性能及精度的稳定性等有很大的影响,对机器零件的重要表面应提出一定的表面质量要求。由于影响表面质量的因素是多方面,应该综合考虑各方面的因素,对表面质量根据需要提出比较经济适用性的要求。
　　参考文献
　　[1]成大先.机械设计手册.北京:化学工业出版社,2002
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　　[3]唐大放,冯晓宁,杨现卿.机械设计工程学.中国矿业大学出版社,2001

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