影响模具表面质量的因素及改善途径

1.影响加工表面几何特征的因素及其改进措施

由上所述，加工表面几何特征包括表面粗糙度、表面波度、表面加工纹理、伤痕等四方面内容，其中表面粗糙度是构成加工表面几何特征的基本单元。

国家标准规定，表面粗糙度等级用轮廓算术平均偏差R_a、微观平面度十点高度R_z或轮廓最大高度R_y的数值大小表示，并要求优先采用R_a。

（1）切削加工后的表面粗糙度

切削加工表面粗糙度值主要取决于切削残留面积的高度。影响切削残留面积高度的因素主要包括：刀尖圆弧半径、主偏角、副偏角及进给量等。

切削加工后表面粗糙度的实际轮廓形状，与纯几何因素所形成的理论轮廓有较大差别。这是由于切削加工中有塑性变形发生的缘故。在实际切削时，选择低速宽刀精切和高速精切，往往可以得到较小的表面粗糙度值。

加工脆性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响不大。一般来说，切削脆性材料比切削塑性材料容易达到表面粗糙度的要求。对于同样的材料，金相组织越是粗大，切削加工后的表面粗糙度值也越大。为减小切削加工后的表面粗糙度值，常在精加工前进行调质等处理，目的在于得到均匀细密的晶粒组织和较高的硬度。

此外，合理选择切削液，适当增大刀具的前角、提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。

还有一些其他因素影响加工表面粗糙度，如在已加工表面的残留面积上叠加着一些不规则金属生成物、粘附物或刻痕等。其形成主要原因有积削瘤、鳞刺、振动、摩擦、切削刃不平整、切削划伤等。

（2）磨削加工后的表面粗糙度

正如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层金属的塑性变形（物理因素）决定的，但磨削过程要比切削过程复杂得多。

1）几何因素的影响。磨削表面是由砂轮上大量的磨粒刻划出的无数极细的沟槽形成的。单纯从几何因素考虑，可以认为在单位面积上刻痕越多，即通过单位面积的磨粒数越多，刻痕的等高性越好，则磨削表面的粗糙度值越小。

2）表面层金属的塑性变形（物理因素）的影响。砂轮的磨削速度远比一般切削加工的速度高，且磨粒大多为负前角，磨削比压大，磨削区温度很高，工件表层温度有时可达900℃，工件表层金属容易产生相变而烧伤。因此，磨削过程的塑性变形要比一般切削过程大得多。

由于塑性变形的缘故，被磨表面的几何形状与单纯根据几何因素所得到的原始形状大不相同。在力和热等因素的综合作用下，被磨工件表层金属的晶粒在横向被拉长了，有时还产生细微的裂口和局部的金属堆积现象。影响磨削表层金属塑性变形的因素，往往是影响表面粗糙度的决定性因素。

影响工件产生塑性变形的因素主要有：磨削用量，砂轮的粒度、硬度、组织和材料以及磨削液的选择，如何选择各因素的参数，应视具体情况而定。

2.影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施

由于受到切削力和切削热的作用，表面金属层的力学物理性能会产生很大的变化，最主要的变化是表层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和在表层金属中产生残余应力等。

（1）加工表面层的冷作硬化

1）冷作硬化的产生。机械加工过程中产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加，这种现象统称为冷作硬化（或称为强化）。表层金属冷作硬化的结果，会增大金属变形的阻力，减小金属的塑性，金属的物理性质（如密度、导电性、导热性等）也有所变化。

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，金属的冷硬结就会本能地向比较稳定的结构转化。这些现象称为弱化。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，机械加工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。

评定冷作硬化的指标有下列三项：①表层金属的显微硬度HM；②硬化层深度h（单位为μm）；③硬化程度N。

硬化程度与显微硬度的关系如下。

式中 HM₀——工件原表面层的显微硬度。

2）影响表面冷作硬化的因素。金属切削加工时，影响表面层加工冷作硬化的因素可从4个方面来分析。

①切削力越大，塑性变形越大，硬化程度越大，硬化层深度也越大。因此，增大进给量和背吃刀量，减小刀具前角，都会增大切削力，使加工过程冷作硬化严重。

②当变形速度很快（即切削速度很高）时，塑性变形可能跟不上，这样塑性变形将不充分，冷作硬化层深度和硬化程度都会减小。

③切削温度高，回复作用增大，硬化程度减小。如高速切削或刀具钝化后切削，都会使切削温度上升，使硬化程度和深度减小。

④工件材料的塑性越大，冷作硬化程度也越严重。碳钢中含碳量越大，强度越高，其塑性越小，冷作硬化程度也越小。

金属磨削时，影响表面冷作硬化的因素主要有以下几点。

①磨削用量的影响。加大磨削深度，磨削力随之增大，磨削过程的塑性变形加剧，表面冷硬倾向增大。提高纵向进给速度，每颗磨粒的切屑厚度随之增大，磨削力加大，冷作硬化程度增大。因此加工表面的冷硬状况要综合考虑上述两种因素的作用。提高工件转速会缩短砂轮对工件热作用的时间，使软化倾向减弱，因而表面层的冷硬增大。提高磨削速度，就可能使金属表面的组织来不及变形，使表层金属的塑性变形减小。而磨削区的温度增高，弱化倾向增大。所以，高速磨削时加工表面的冷硬程度比普通磨削时低。

②砂轮粒度的影响。砂轮的粒度越大，每颗磨粒的载荷越小，冷硬程度也越小。(www.xing528.com)

3）冷作硬化的测量方法。冷作硬化的测量主要是指表面层的显微硬度和硬化层深度的测量，硬化程度可由表面层的显微硬度和工件内部金属原来的显微硬度计算求得。

表面层显微硬度的常用测定方法是用显微硬度计来测量，它的测量原理与维氏硬度计相同。加工表面冷硬层很薄时，可在斜截面上测量显微硬度。对于平面试件可按图3-2a磨出斜面，然后逐点测量其显微硬度，并将测量结果绘制成如图3-2b所示的图形。斜切角常取为0°30′～2°30′。采用斜截面测量法，不仅可测量显微硬度，还能较为准确地测出硬化层深度值。

其关系式为h=lsinα+R_z

图3-2 在斜截面上测量显微硬度

a）试件斜面制备 b）试件斜面硬度

（2）表层金属的金相组织变化

1）磨削加工表面金相组织的变化。机械加工过程中，在工件的加工区及其邻近的区域，温度会急剧升高。当温度升高到超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织变化。对于一般的切削加工方法，通常不会上升到如此高的程度。但在磨削加工时，不仅磨削比压特别大，且磨削速度也特别高，切除金属的功率消耗远大于其他加工方法。加工所消耗能量的绝大部分都要转化为热量，这些热量中的大部分（约80%）将传给被加工表面，使工件表面具有很高的温度。对于已淬火的钢件，很高的磨削温度往往会使表层金属的金相组织产生变化，使表层金属硬度下降，使工件表面呈现氧化膜颜色，这种现象称为磨削烧伤。磨削加工是一种典型的容易产生加工表面金相组织变化的加工方法，在磨削加工中的烧伤现象，会严重影响零件的使用性能。

磨削淬火钢时，由于磨削条件的不同，在工件表面层产生的磨削烧伤有3种形式：淬火烧伤、回火烧伤、退火烧伤。

2）影响磨削烧伤的因素及改善途径。磨削烧伤与温度有着十分密切的关系。一切影响温度的因素都在一定程度上对烧伤有影响，因此，研究磨削烧伤问题可以从切削时的温度入手，通常从以下三方面考虑。

①合理选用磨削用量。以平磨为例来分析磨削用量对烧伤的影响。磨削深度对磨削温度影响极大；加大横向进给量对减轻烧伤有利，但增大横向进给量会导致工件表面粗糙度值变大，因而，可采用较宽的砂轮来弥补；加大工件的回转速度，磨削表面的温度升高，但其增长速度与磨削深度的影响相比小得多。从减轻烧伤而同时又尽可能地保持较高的生产率考虑，在选择磨削用量时，应选用较大的工件回转速度和较小的磨削深度。

②正确选择砂轮。磨削导热性差的材料（如耐热钢、轴承钢及不锈钢等），容易产生烧伤现象，应特别注意合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织。硬度太高的砂轮，由于砂轮钝化之后不易脱落，容易产生烧伤，所以应选择较软的砂轮。选择具有一定弹性的结合剂（如橡胶结合剂，树脂结合剂），也有助于避免烧伤现象的产生。此外，为了减少砂轮与工件之间的摩擦热，在砂轮的孔隙内浸入石蜡之类的润滑物质，对降低磨削区的温度、防止工件烧伤也有一定效果。

③改善冷却条件。磨削时，磨削液若能直接进入磨削区，对磨削区进行充分冷却，能有效地防止烧伤现象的产生。因为水的比热和汽化热都很高，在室温条件下，1mL水变成100%以上的水蒸气至少能带走2512J的热量，而磨削区热源每秒钟的发热量，在一般磨削用量下都在4187J以下。据此推测，只要设法保证在每秒时间内确有2mL的冷却水进入磨削区，将有相当可观的热量被带走，就可以避免产生烧伤。然而，如图3-3所示的常用的冷却方法，其冷却效果很差，实际上没有多少磨削液能够真正进入磨削区AB，因此，必须采取切实可行的措施改善冷却条件，防止烧伤现象的发生。

内冷却是一种较为有效的冷却方法，如图3-4所示。其工作原理是：经过严格过滤的磨削液通过中空主轴法兰套引入砂轮中心腔3内，由于离心力作用，这些磨削液就会通过砂轮内部的孔隙向砂轮四周的边缘甩出，因此磨削水就有可能直接注入磨削区。目前，内冷却装置尚未得到广泛应用，其主要原因是使用内冷却装置时，磨床附近有大量水雾，操作工人的劳动条件差，且在精磨加工时无法通过观察火花来试磨对刀。

图3-3 常用的冷却方法

1—砂轮 2—工件

图3-4 内冷却砂轮结构

1—锥型盖 2—切削液通孔 3—砂轮中心腔 4—有径向小孔的薄壁套

（3）表层金属的残余应力

在机械加工过程中，当表层金属组织发生形状变化、体积变化或金相组织变化时，将在表面层的金属与其基体间产生相互平衡的残余应力。

表层金属产生残余应力的原因是：机械加工时，在加工表面的金属层内有塑性变形产生，使表层金属的比体积增大。由于塑性变形只在表面层中产生，而表面层金属的比体积增大和体积膨胀，不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻碍，这样就在表面层内产生了压缩残余应力，而在里层金属中产生拉伸残余应力。当刀具从被加工表面上切除金属时，表层金属的纤维被拉长，刀具后刀面与已加工表面的摩擦又加大了这种拉伸作用。刀具切离之后，拉伸弹性变形将逐渐恢复，而拉伸塑性变形则不能恢复。表面层金属的拉伸塑性变形，受到与它相连的里层未发生塑性变形的金属的阻碍，因此就在表层产生压缩残余应力，而在里层金属中产生拉伸残余应力。

（4）表面强化工艺

这里所说的表面强化工艺是指通过冷压加工方法使表面层金属发生冷态塑性变形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面层产生压缩残余应力的表面强化方法。冷压加工强化工艺是一种既简便又有明显效果的加工方法，因而应用十分广泛。

1）喷丸强化。喷丸强化是利用大量高速运动的珠丸打击被加工工件表面，使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力，可显著提高零件的疲劳强度和使用寿命。

珠丸可以是铸铁的，也可以是切成小段的钢丝（使用一段时间之后，自然变成球状）。对于铝质工件，为避免表面残留铁质微粒而引起电解腐蚀，宜采用铝丸或玻璃丸。珠丸的直径一般为0.2～4mm，对于尺寸较小、要求表面粗糙度值较小的工件，宜采用直径较小的珠丸。

喷丸强化主要用于强化形状复杂或不宜用其他方法强化的工件，例如板弹簧、螺旋弹簧、连杆、齿轮、焊缝等。

2）滚压加工。滚压加工是利用经过淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态下对金属表面进行滚压，将表层的凸起部分向下压，凹下部分往上挤。如图3-5所示，经过滚压加工，可逐渐将前工序留下的波峰压平，从而修正工件表面的微观几何形状。此外，它还能使工件表面金属组织细化，形成压缩残余应力。

图3-5 滚压加工原理图

3）挤压加工。挤压加工是利用经过研磨的、具有一定形状的超硬材料（金刚石或立方氮化硼）作为挤压头，安装在专用的弹性刀架上，在常温状态下对金属表面进行挤压。挤压后的金属表面粗糙度值下降，硬度提高，表面形成压缩残余应力，从而提高了表面抗疲劳强度。