機械加工過程材料損傷及熱力學行為研究

司榮峰，董彥超

（南陽農(nóng)業(yè)職業(yè)學院，河南 南陽 473000）

1 機械加工中的材料磨損

1.1 按磨損原因分類

（1）磨料磨損。被加工材料中常有一些硬度極高的微小顆粒，能在刀具表面劃出溝紋，這就是磨料磨損。磨料磨損在各個面都存在，前刀面最明顯。而且各種切削速度下都能發(fā)生麻料磨損，但對于低速切削時，由于切削溫度較低，其它原因產(chǎn)生的磨損都不明顯，因而磨料磨損是其主要原因。另外刀具硬度越低磨料麻損越嚴重。

（2）冷焊磨損。切削時，工件、切削與前后刀面之間，存在很大的壓力和強烈的摩擦，因而會發(fā)生冷焊。由于摩擦副之間有相對運動，冷焊將產(chǎn)生破裂被一方帶走，從而造成冷焊磨損。冷焊磨損一般在中等切削速度下比較嚴重。根據(jù)實驗表明，脆性金屬比塑性金屬的抗冷焊能力強；多相金屬比單向金屬??；金屬化合物比單質(zhì)冷焊傾向小；化學元素周期表中B族元素與鐵的冷焊傾向小。高速鋼與硬質(zhì)合金低速切削時冷焊比較嚴重。

（3）擴散磨損。在高溫下切削、工件與刀具接觸過程中，雙方的化學元素在固態(tài)下相互擴散，改變刀具的成分結(jié)構(gòu)，使刀具表層變得脆弱，加劇了刀具的磨損。擴散現(xiàn)象總是保持著深度梯度高的物體向深度梯度低物體持續(xù)擴散。

（4）氧化磨損。當溫度升高時刀具表面氧化產(chǎn)生較軟的氧化物被切屑摩擦而形成的磨損稱為氧化磨損。如：在700~800℃時空氣中的氧與硬質(zhì)合金中的鈷及碳化物、碳化鈦等發(fā)生氧化反應，形成較軟的氧化物;在1000℃時PCBN與水蒸氣發(fā)生化學反應。

1.2 按磨損形式分類

（1）前刀面損。在以較大的速度切削塑性材料時，前刀面上靠近切削力的部位，在切屑的作用下，會磨損成月牙凹狀，因此也稱為月牙洼磨損。在磨損初期，刀具前角加大，使切削條件有所改善，并有利于切屑的卷曲折斷，但當月牙洼進一步加大時，切削刃強度大大削弱，最終可能會造成切削刃的崩碎毀損的情況。在切削脆性材料，或以較低的切削速度及較薄的切削厚度切削塑性材料時，一般不會產(chǎn)生月牙洼磨損。

（2）刀尖磨損。刀尖磨損為刀尖圓弧的后刀面及鄰近的副后刀面上的磨損，它是刀具上后刀面磨損的延續(xù)。由于此處的散熱條件差，應力集中，故磨損速度要比后刀面快，有時在副后刀面上還會形成一系列間距等于進給量的小溝，稱為溝紋磨損。它們主要由已加工表面的硬化層及切削紋路造成。在切削加工硬化傾向大的難切削材料時，最易引起溝紋磨損。刀尖磨損對工件表面粗糙度及加工精度影響最大。

（3）后刀面磨損。在很大切削厚度切削塑性材料時，由于積屑瘤的存在，刀具的后刀面可能不與工件接觸。除此之外，通常后刀面都會與工件發(fā)生接觸，而在后刀面上形成一道后角為0的磨損帶。一般在切削刃工作長度的中部，后刀面磨損比較均勻，因此后刀面的磨損程度可用該段切削刃的后刀面磨損帶寬度VB來衡量。由于各種類型的刀具在不同的切削情況下幾乎都會了發(fā)生后刀面磨損，特別是切削脆性材料或以較小的切削厚度切削塑性材料時刀具的磨損主要是后刀面磨損，而且磨損帶的寬度VB的測量比較簡便，因此通常都用VB來表示刀具的磨損程度。VB愈大，不但會使切削力增大，引起切削振動，而且會影響刀尖圓弧處的磨損，從而影響加工精度及加工表面質(zhì)量。

2 固體材料的熱力學問題

2.1 固體的構(gòu)形和變形

在機械加工過程中，固體的構(gòu)型變形是在所難免的。實際上，根據(jù)本身的幾何結(jié)構(gòu)特征往往可以判斷出其享有的變化。目前來看，占據(jù)的空間往往具有不可控制的變形量，所以在系統(tǒng)構(gòu)成過程中，幾何特征的差異也是相對確定的。為了明確不同的質(zhì)點占用的空間，需要結(jié)合其具體的情況與構(gòu)形來進行分析。在這個過程匯總，一方面需要考慮到數(shù)量對于構(gòu)形的影響，另外一方面也要結(jié)合其具體的變形量來進行分析。固體變形以及張量的變化往往都可以通過位移量來進行表征，具有很強的相關性。所以，在具體的研究中也可以借助于對稱張量的方式來進行計算，結(jié)果準確性同樣可以得到保障。

2.2 固體熱力學的應力研究

根據(jù)相關理論研究成果來看，應用于不同的連續(xù)機構(gòu)當中機械加工往往可以帶來熱力學的應力調(diào)整。比如說固體以及其他類型的物體在受到外部的作用力時往往都會表現(xiàn)出一定的表面張力，這些表面張力通過物體接觸的方式傳遞，其產(chǎn)生的模式與方法存在差異，所以不僅僅存在于物體的表面，而是通過內(nèi)部分子的作用關系傳遞的物體的內(nèi)部，所以在測量過程中無論是過程還是方向都具有很強的相關性。

3 被加工材料韌性損傷的演變規(guī)律

隨著工業(yè)現(xiàn)代化建設水平的不斷提升，目前材料的制造加工遇到了許多新的問題，其中包括一部分加工損傷以及故障。實際上，任何機械加工都可能會導致材料受損，這是由于其周圍的環(huán)境或者材料本身的性質(zhì)存在缺陷，加工模式與方法不匹配所導致的。一般來說，材料宏觀上的缺陷與微觀上的缺陷都可能會影響到加工性能，所以在很大程度上也有可能會影響到材料的韌性以及結(jié)構(gòu)強度。

3.1 韌帶斷裂淺析

從材料的內(nèi)部特征上來看，損傷以及演變都是導致破壞的重要原因。引起破壞的因素是多方面的，除了宏觀的裂紋之外，還包括損傷以及結(jié)構(gòu)破壞等等。從這個角度上來看，這個問題出現(xiàn)一般都是由于持續(xù)拓展導致的，韌性損傷就是持續(xù)拓展后形成的斷裂損傷。該模式在學界也可以稱之為韌性斷裂或者塑性斷裂，這是常規(guī)塑性變形長期存在所導致的一種必然的結(jié)果。通過拉伸的方式產(chǎn)生斷裂，可以通過不同的鍛煉方式來進行研究，這個過程中很好地適應了應力的條件，滿足了擴展的要求，在破壞后可能會成為孔狀的結(jié)構(gòu)或者其他類型的結(jié)構(gòu)，同時位置還不會發(fā)生偏移，持續(xù)的拓展并長大。

3.2 空洞損傷分析

球形的空洞損傷模型也具有一定的拓展特征規(guī)律。在工程實踐當中，材料往往都不可避免地會存在一些孔洞結(jié)構(gòu)，不同的空洞結(jié)果在大小、形狀等方面都存在一些差異，不具有固定的規(guī)律。在大多數(shù)條件下，材料的研究可以采取有限元的模式。在研究時，往往會耗費一定的時間和精力，甚至會因此導致計算的結(jié)果出現(xiàn)較大的差異。結(jié)合研究的一般規(guī)律來看，要想獲得較為完善的空洞損傷分析公式，需要選擇合適的公式，對時間以及費用等內(nèi)容進行合理的計算，得到的數(shù)據(jù)才具有真實性以及可靠性。在沒有辦法獲得準確公式的情況下，往往也就無法獲得完整的系統(tǒng)結(jié)果，這個時候?qū)τ诤罄m(xù)也會產(chǎn)生大量不利的影響。在進行使用方法的調(diào)整時，需要做好分析與整理，對于沒有產(chǎn)生具體結(jié)果的情況則需要選擇合適的方法，或者針對某個局部區(qū)域進行統(tǒng)計與分析。大多數(shù)情況下都可以通過宏觀分析的方式，利用形成規(guī)律來進行孔洞損傷的分析，這樣就可以有效找到問題并解決問題。

3.3 應對措施

（1）針對被加工材料和零件的特點，合理選擇刀具材料的各類和牌號。在具備一定硬度和耐磨性的前提下，必須保證刀具材料具有必要的韌性。

（2）合理選擇刀具幾何參數(shù)。通過調(diào)整前后角、主副偏角、刃傾角等角度，保證切削刃和刀尖有較好的強度。在切削刃上磨出負倒棱，是防止崩刀的有效措施。

（3）保證焊接和刃磨的質(zhì)量，避免因焊接、刃磨不善而帶來的各種疵病。關鍵工序所用的刀具，其刀而應經(jīng)過研磨以提高表面質(zhì)量，并檢查有無裂紋。

（4）合理選擇切削用量，避免過大的切削力和過高的切削溫度，以防止刀具破損。

（5）盡可能保證工藝系統(tǒng)具有較好的剛性，減小振動。

4 結(jié)語

總而言之，大部分被加工材料都是具有一定塑性的固體材料，在機械加工過程中在所難免的會出現(xiàn)損傷問題?？斩醋鳛樽顬槌Ｒ姷囊环N損傷類型，加強對空洞模型演變規(guī)律的研究十分必要。除此之外，當材料長時間處于高溫的工作環(huán)境中，會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定的熱應力，從而導致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進而造成材料不可逆的損傷。