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随着高精密机床的不断发展,对机床的刚度要求更高。机床结合面的接触刚度对整机的平稳性起决定性作用,而接触刚度与机械加工面的机加工方法有直接的关系,这是因为结合面的接触面实质上发生弹性加塑性变形,不同的加工方法对形变层微观组织及性能的影响不同,从而影响了接触面特性。基于此,本文选用机床常用材料HT250,采用刮削、铣削和磨削三种加工方法对HT250进行加工。采用OM、SEM、XRD及NHT研究不同机械加工面的微观组织、物相、显微硬度以及塑性变形功,通过微压缩实验和摩擦磨损实验,研究不同机械加工面形变层对HT250接触刚度及摩擦磨损性能的影响。
研究结果表明:
不同的机加工过程,切削力的影响不同。经过加工后HT250表面层石墨均发生断裂,且破碎的程度不同。基体中石墨长度集中在0.5mm左右,刮削面、铣削面和磨削面的石墨长度分别集中于0.24mm、0.13mm、0.18mm,相应减小了52%、74%和64%;刮削面、铣削面和磨削面中粗片珠光体比例减少,所占比例分别为37%、15%和35%,其平均片间距分别为2.38μm、2.1μm和2.4μm。其中刮削面粗片珠光体比例变化不大,但中片、细片珠光体平均片间距减小了。不同的机加工过程中切削热的影响也不同,其中磨削过程中由于磨削热的影响,HT250表面产生了少量的残余奥氏体。
刮削面、铣削面和磨削面的显微硬度分别为378HV、430HV和426HV,硬化程度分别为71.8%、95.7%和93%。刮削面、铣削面和磨削面的塑性变形功分别为4582×10-3nJ、4015×10-3nJ和4410×10-3nJ,分别比基体的5504×10-3nJ降低了16.7%、27.1%和19.8%。磨削面与铣削面的显微硬度相近,但其塑性变形功与铣削面相差了7.3%,这是因为磨削表面中形成了低强度的奥氏体,位错容易发生增殖和滑移,更易吸收外界做所功。
在微压缩实验中,HT250不同机械加工面的接触刚度不同。刮削面、铣削面和磨削面的接触刚度分别为1.658×106N·μm-1·mm-2、2.483×106N·μm-1·mm-2和1.841×106N·μm-1·mm-2。接触刚度与机械加工面的显微硬度和塑性变形功有关,机械加工面的显微硬度越高、接触刚度越大,塑性变形功越小、接触刚度越大。
不同机械加工面的摩擦磨损性能不同。载荷为2N时,三种摩擦面的摩擦系数的变化规律初期不同,当三种机械加工面在滑动450米以后,摩擦曲线基本重合,摩擦系数均为0.7左右,形变层的影响消失。载荷为1N时,三种机械加工面在滑动距离为600米内,刮削面摩擦系数为0.41,铣削面为0.32,磨削面仅为0.27。摩擦系数的大小和形变层的硬度及石墨片的状态有关:机械加工面的显微硬度越高、摩擦系数越小,石墨越细小、分布越均匀,摩擦系数越小;三种机械加工面的磨损相对失重率分别为0.31%、0.24%和0.20%,且数值的大小仍然和形变层的硬度及石墨片的状态有关。机械加工面中金属基体的显微硬度越低,石墨片越大、应力集中越严重,其磨损失重率越大。