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概述
机械加工技术的发展刚刚经历了十几年,在加工技术不断发展的同时发展了一批微小器件和系统,显示了巨大生命力。作为大批量生产的机械加工产品,将以其价格低廉和优良性能赢得市场,在生物工程、化学、微分析、光学、国防、航天、工业控制、医疗、通讯及信息处理、农业和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景。因此,专家门将机械加工质量特别作为一个课题来研究。
机械加工表面质量的含义
机械加工表面质量又称为表面完整性,其含义包括两个方面的内容。
表面层的几何形状特征
表面层的几何形状特征如图1所示,主要由以下几部分组成:
⑴表面粗糙度它是指加工表面上较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特征,即加工表面的微观几何形状误差,其评定参数主要有轮廓算术平均偏差Ra或轮廓微观不平度十点平均高度Rz。
⑵表面波度它是介于宏观形状误差与微观表面粗糙度之间的周期性形状误差,它主要是由机械加工过程中低频振动引起的,应作为工艺缺陷设法消除。
⑶表面加工纹理它是指表面切削加工刀纹的形状和方向,取决于表面形成过程中所采用的机加工方法及其切削运动的规律。
⑷伤痕它是指在加工表面个别位置上出现的缺陷,如砂眼、气孔、裂痕、划痕等,它们大多随机分布[1]。
图1 加工表面的形状误差表面波度与粗糙度
表面层的物理力学性能
表面层的物理力学性能主要指以下三个方面的内容:
⑴表面层的加工冷作硬化;
⑵表面层金相组织的变化;
⑶表面层的残余应力。
表面质量对零件使用性能的影响
表面质量对零件耐磨性的影响
零件的耐磨性是零件的一项重要性能指标,当摩擦副的材料、润滑条件和加工精度确定之后,零件的表面质量对耐磨性将起着关键性的作用。由于零件表面存在着表面粗糙度,当两个零件的表面开始接触时,接触部分集中在其波峰的顶部,因此实际接触面积远远小于名义接触面积,并且表面粗糙度越大,实际接触面积越小。在外力作用下,波峰接触部分将产生很大的压应力。当两个零件作相对运动时,开始阶段由于接触面积小、压应力大,在接触处的波峰会产生较大的弹性变形、塑性变形及剪切变形,波峰很快被磨平,即使有润滑油存在,也会因为接触点处压应力过大,油膜被破坏而形成干摩擦,导致零件接触表面的磨损加剧。当然,并非表面粗糙度越小越好,如果表面粗糙度过小,接触表面间储存润滑油的能力变差,接触表面容易发生分子胶合、咬焊,同样也会造成磨损加剧。
表面层的冷作硬化可使表面层的硬度提高,增强表面层的接触刚度,从而降低接触处的弹性、塑性变形,使耐磨性有所提高。但如果硬化程度过大,表面层金属组织会变脆,出现微观裂纹,甚至会使金属表面组织剥落而加剧零件的磨损。
表面质量对零件疲劳强度的影响
表面粗糙度对承受交变载荷的零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下,表面粗糙度波谷处容易引起应力集中,产生疲劳裂纹。并且表面粗糙度越大,表面划痕越深,其抗疲劳破坏能力越差。
表面层残余压应力对零件的疲劳强度影响也很大。当表面层存在残余压应力时,能延缓疲劳裂纹的产生、扩展,提高零件的疲劳强度;当表面层存在残余拉应力时,零件则容易引起晶间破坏,产生表面裂纹而降低其疲劳强度。
表面层的加工硬化对零件的疲劳强度也有影响。适度的加工硬化能阻止已有裂纹的扩展和新裂纹的产生,提高零件的疲劳强度;但加工硬化过于严重会使零件表面组织变脆,容易出现裂纹,从而使疲劳强度降低。
表面质量对零件耐腐蚀性能的影响
表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响很大。零件表面粗糙度越大,在波谷处越容易积聚腐蚀性介质而使零件发生化学腐蚀和电化学腐蚀。
表面层残余压应力对零件的耐腐蚀性能也有影响。残余压应力使表面组织致密,腐蚀性介质不易侵入,有助于提高表面的耐腐蚀能力;残余拉应力的对零件耐腐蚀性能的影响则相反。
表面质量对零件间配合性质的影响
相配零件间的配合性质是由过盈量或间隙量来决定的。在间隙配合中,如果零件配合表面的粗糙度大,则由于磨损迅速使得配合间隙增大,从而降低了配合质量,影响了配合的稳定性;在过盈配合中,如果表面粗糙度大,则装配时表面波峰被挤平,使得实际有效过盈量减少,降低了配合件的联接强度,影响了配合的可靠性。因此,对有配合要求的表面应规定较小的表面粗糙度值。
在过盈配合中,如果表面硬化严重,将可能造成表面层金属与内部金属脱落的现象,从而破坏配合性质和配合精度。表面层残余应力会引起零件变形,使零件的形状、尺寸发生改变,因此它也将影响配合性质和配合精度。
表面质量对零件其他性能的影响
表面质量对零件的使用性能还有一些其他影响。如对间隙密封的液压缸、滑阀来说,减小表面粗糙度Ra可以减少泄漏、提高密封性能;较小的