单位文秘网 2021-07-04 08:10:00 点击: 次
摘要:零件的表面质量是衡量机械零件机械加工质量的重要内容之一,机械零件的表面质量对零件使用时的耐磨性、配合精度、疲劳强度、抗腐蚀性等有很大的影响,接影响到零件的工作时的性能,尤其是它的可靠性和寿命。提高加工表面的质量,对保证零件的使用性能、提高零件及其机器的寿命具有重要的意义。
关键词:机械零件 表面粗糙度 使用性能 耐磨性 疲劳强度 耐腐蚀性
机械零件的机械加工质量包括尺寸精度和表面质量,机械零件的表面质量包含加工表面的几何特征和表面层的物理化学性能两个方面的内容。零件表面几何特征主要指其表面粗糙度、表面波度、表面加工纹理和加工的伤痕。表面粗糙度是零件经过机械加工后表面上具有的由较小波峰和峰谷所组成的微观几何形状特征,是由机械加工中切削刀具的运动轨迹形成的,其波高与波长的比值一般大于1:50。表面波度是介于宏观几何形状误差与表面粗糙度之间的中间几何形状误差,主要由机械加工中切削刀具的偏移和振动造成的,其波高与波长的比值一般为1:50~1:1000。表面加工纹理是零件表面微观结构的主要方向,它取决于形成表面所采用的机械加工方法,即主运动和进给运动的关系。加工伤痕是在加工表面上一些个别位置出现的缺陷,如砂眼、气孔、裂痕和划痕等,大多是随机分布的。机械零件表面层的力学物理性能主要包括表面层的加工硬化、表面层金相组织的变化、表面层的残余应力三个方面的内容。
设备正常使用时,随着其零件工作性能的逐步变坏,会导致设备运行中突然损坏。除少数是因为零件的原始设计强度不够,或使用的偶然事故原因,而引发设备超负荷而破坏外,损坏原因大多数是由于零件的逐渐磨损、疲劳破坏、腐蚀等。机械零件磨损、腐蚀、疲劳破坏的共同特征是从零件表面逐渐开始的,因此零件的表面质量直接影响到其工作性能,尤其是使用的可靠性和寿命。
1 对配合性质的影响
零件表面粗糙度值的大小,首先会影响到两个相互配合表面的配合质量。两个零件的配合关系有间隙配合、过渡配合和过盈配合三种。如果两个零件是间隙配合,表面粗糙度值过大,零件的就容易磨损,磨损量加大后必然使两零件的配合间隙增大,显然降低了零件的配合精度;如果两个零件是过盈配合,表面粗糙度值过大,则装配时压入配合表面上的微小波峰被强行挤平,使两零件实际配合得到的过盈量减小,降低了过盈配合表面的结合强度,从而影响到零件联接的可靠性。所以,表面粗糙度值小,才利于保证零件的配合要求。
零件的表面粗糙度值小,则其运动摩擦系数小,动配合时零件的表面运动灵活性好,工作表面的接触刚度也高,故表面粗糙度值小能够提高零件使用的工作精度,减少工作中的发热和功率损失。
表面层的残余应力会導致零件在使用过程中继续变形,失去原有的工作精度,甚至导致零件表面出现细裂纹。因此,零件表面残余应力过大,会使零件的工作精度下降。
2 对零件耐磨性能的影响
机械零件的耐磨性能与摩擦副的材料、润滑条件和表面质量等因素有关,在零件的材料和润滑条件确定以后,表面质量的好坏就对耐磨性起决定性的作用。零件的表面粗糙度直接影响到表面有效接触面积和压强,影响到摩擦副润滑油的储存状况。
任何经过机械加工的零件,都具有一定的表面粗糙度。当摩擦副的两表面接触时,最早接触的是零件表层凸起部分的材料。因此,两表面接触时,实际接触面积仅仅占理论接触面积中的小部分,这样就使单位面积上的实际压力增大,即压强增大。当此压强超过零件材料的屈服极限强度时,零件表面凸起部分就将产生塑性变形。当两接触面作相对运动时就会发生剪切变形,则凸起部分将被切断或塑性移动,零件就会出现初期急剧磨损。零件的表面越粗糙,实际的接触面积就越小,凸起处的单位面积压力就越大,零件表面的磨损就越严重。即使有润滑剂润滑,由于表面接触处的压强超过了润滑油油膜的临界张力,也会破坏油膜的形成,从而加速零件表面层的磨损。
虽然表面粗糙度对零件的摩擦影响很大,但并不是表面粗糙度越小,零件就一定越耐磨。在一定条件下,如果表面粗糙度过大,零件表面的实际单位面积压力即压强增大,由于表面凸峰间材料的挤裂、切断、破碎等作用,会加剧零件表面的磨损。但如果零件的表面粗糙度太小,两个零件接触表面之间就太光滑难以贮油,因而零件表面的贮油能力就很差。表面润滑条件一旦恶化,两零件表面的分子间就会产生较大的亲和力,出现黏合现象,导致表面“咬焊”,因此加剧零件表面的磨损。因此,零件的表面粗糙度与初期磨损量之间有一个最佳值,这就是零件最耐磨的表面粗糙度。如图所示的曲线,表示了零件得表面粗糙度与初期磨损量的关系。显然,机器的工作条件不同,零件的最佳表面粗糙度也不同。由图可知,重载荷情况下零件的最佳表面粗糙度值比轻载荷情况下的值大。
由于零件的表面轮廓形状及加工纹理影响到零件的实际接触面积与润滑状况,所以表面轮廓形状和加工纹理对零件的耐磨性也有影响。表面层的加工硬化现象使得零件的表面层硬度提高,从而使零件表层的弹性和塑性变形减小、磨损减少,使得零件的耐磨性能提高。但是,如果加工硬化过度,又将使零件的表面层金属变脆、磨损加剧,甚至出剥落现象。所以,表面硬化层也有个最佳值,必须控制零件的表面硬化层在一定的范围内。
3 对零件疲劳强度的影响
机器在交变载荷工作条件下,零件表面微观上的不平凹谷和缺陷处很容易引起应力集中现象,使表面产生疲劳裂纹,造成机器零件的疲劳破坏。一般来说,零件的沟槽、尖角、突变、倒角等结构形状很容易产生应力集中,表面粗糙度对零件疲劳强度的影响更大。因此,承受交变载荷的零件,不管是否是工作表面,技术上通常都要求有较小的表面粗糙度。
加工硬化现象对零件的疲劳强度影响很大。零件表面层的加工硬化使其表面有冷硬层,这个冷硬层能够有效地阻碍表面出现层疲劳裂纹,可以提高零件的疲劳强度。但是,如果零件加工硬化的表面层冷硬程度太大,反而很容易产生裂纹。所以,为了有效防止裂纹的产生,必须控制零件机械加工过程中加工硬化的冷硬程度与硬化深度,使其在一定的范围内。
表面层残余应力的性质对零件的疲劳强度影响很大。当零件表面层的残余应力为残余压应力时,残余应力能够减小表面疲劳裂纹的产生和扩展,从而提高零件的疲劳强度;当表面层的残余应力为残余拉应力时,残余应力会加速零件表面裂纹的产生和扩展,从而降低零件的疲劳强度。因此,要提高零件的疲劳强度,就应该控制其表面层残余应力为压应力,防止产生拉应力。
4 对零件耐腐蚀性能的影响
零件的表面粗糙度在很大程度上决定了其耐腐蚀性能。粗糙表面的凹槽处容易积存腐蚀性介质而引发化学腐蚀,凸峰处则可能因电化学作用而引起电化学腐蚀。零件表面越粗糙,凹槽也就越深,就越容易积存腐蚀性的物质,渗透和腐蚀现象也就越严重。因此,降低零件的表面粗糙度值,可以有效地提高零件的耐腐蚀性。
零件表面残余应力的性质对其耐腐蚀性有较大影响。零件的表面残余压应力使表面更紧密,这样腐蚀性物质就不容易进入材料内部,因此表面残余压应力可增强零件的耐腐蚀性能。相反,如果是表面残余拉应力,则会降低零件的耐腐蚀性能。
参考文献:
[1]陈彦华.机械加工表面质量的影响因素[J].中国新技术新产品,2009,24.
[2]张晓翠.模具制造工艺学[M].北京:科学出版社,2007.01.
[3]富成科.机械制造基础[M].北京:人民出版社,1998.10.
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