防爆正壓柜表面層的機(jī)械特性主要是指，在機(jī)械加工過程中，工件在切削力和切削熱的作用下產(chǎn)生的變質(zhì)層，即工件表面里層一定深度的材料層，表現(xiàn)的不同于工件基體材料基本機(jī)械性能的異常特性。
所謂“變質(zhì)層”，是指在機(jī)械加工過程中工件表層材料在切削力和切削熱的作用下沿晶面發(fā)生剪切滑移，致使晶格扭曲、晶粒拉長，嚴(yán)重時甚至金相組織發(fā)生變化，且具有一定深度的工件表面里層。變質(zhì)層的異常特性常常用加工硬化、殘余應(yīng)力、磨削燒傷這些概念來表征。
變質(zhì)層表現(xiàn)出的加工硬化、殘余應(yīng)力、磨削燒傷對零件的使用存在不同的影響，有時是有利的，有時是不利的。
(1)加工硬化
所謂“加工硬化”，是指毛坯(工件)經(jīng)過機(jī)械加工后加工表面的硬度常常高于它的基體材料硬度的一種硬化現(xiàn)象。這是機(jī)械加工后防爆正壓柜表面變質(zhì)層的一個特征。
在機(jī)械加工過程中，切削力使加工面及其里層的金屬晶格扭曲、晶粒拉長甚至破碎，產(chǎn)生很大的塑性變形，阻礙這里的金屬進(jìn)一步的變形，即使材料“強(qiáng)化”；與此同時，切削熱又使這里的材料溫度升高(在到達(dá)相變溫度以前)，導(dǎo)致塑性變形引起的硬化得以緩解，即使材料“弱化”；當(dāng)切削熱引起的材料溫度升高超過相變溫度以后，情況較為復(fù)雜，由相變的具體情況確定。
加工硬化出現(xiàn)在加工表面及其里層一定深度范圍內(nèi)；不同的加工方法產(chǎn)生不同的里層深度，如表11所示。
表11 加工方法對加工硬化里層深度的影響示例
加工方法
| 工件材料
| 加工硬化層深度/um |
平均值 | 最大值 |
車削
| 粗車 | 低碳鋼 | 30—50 | 200 |
精車 | 低碳鋼 | 20～60 |
|
鏡削
| 端面銑 | 低碳鋼 | 40一100 | 200 |
嘲周銑 | 低碳鋼 | 40～80 | 110 |
加工硬化是由材料的“強(qiáng)化”和“弱化”這兩個變化過程綜合作用的結(jié)果，通常情況下，導(dǎo)致加工后防爆正壓柜表面硬度增加。
在實(shí)際應(yīng)用時，適當(dāng)?shù)募庸び不梢允沽慵韺佑捕忍岣?，增?qiáng)零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。然而，在某些情況下，例如，當(dāng)加工硬化嚴(yán)重時，硬化會使加工表面出現(xiàn)顯微裂紋，反而降低零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，無益于發(fā)揮零件的功能。
在切削加工過程中，通常塑性變形起主要作用，因而控制(減輕)加工硬化的基本方法是：
?、偈褂们邢魅腥锌趫A弧半徑大或(和)主、副偏角小的刀具進(jìn)行加工，可以減輕加工表面層的塑性變形，緩解加工硬化現(xiàn)象。
②增加切削速度和減小進(jìn)給量進(jìn)行加工，也可以減輕加工表面層的塑性變形，緩解加工硬化現(xiàn)象。
?、鄯治龉ぜ牧纤苄缘挠绊?，例如，對于碳素結(jié)構(gòu)鋼，含碳量不同(越低)，塑性不同(越大)，硬化程度也不同(越嚴(yán)重)。此時，加工時應(yīng)該根據(jù)不同情況采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣頊p小塑性變形帶來的不利影響。
除此之外，合適的冷卻潤滑依然是減輕加工硬化的一個不錯的措施。
在磨削加工過程中，磨削溫度常常是很高的，使加工表面層材料軟化或金相組織發(fā)生變化。由于磨削加工的情況不同，變質(zhì)層的加工硬化變化也是不同的，因而此時的硬度變化規(guī)律是較為復(fù)雜的。
對于這種情況，人們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的對策。
(2)殘余應(yīng)力
所謂“殘余應(yīng)力”，是指在機(jī)械加工后在沒有外力作用的情況下防爆正壓柜表面留存的一種應(yīng)力。殘余應(yīng)力又分為殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力。這是機(jī)械加工后
防爆正壓柜表面變質(zhì)層的又一個特征。
1)殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因
①在切削過程中，工件表層受刀具的擠壓和摩擦產(chǎn)生拉伸塑性變形，即所謂的“冷塑性變形”。這種冷塑性變形將使工件的表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，里層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。
在這種加工過程中，冷塑性變形起主導(dǎo)作用，殘余壓應(yīng)力是影響殘余應(yīng)力數(shù)值的主要因素。
②在磨削過程中，工件表層在摩擦熱的作用下產(chǎn)生壓縮塑性變形，即所謂的“熱塑性變形”。這種熱塑性變形將使工件的表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。
在這種加工過程中，熱塑性變形起主導(dǎo)作用，殘余拉應(yīng)力是影響殘余應(yīng)力數(shù)值的主要因素。
③在切削或磨削過程中，當(dāng)工件表層溫度超過金屬材料的相變溫度時，就會產(chǎn)生“相變殘余應(yīng)力”：工件的表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，里層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。
防爆正壓柜表面層的殘余應(yīng)力就是以上幾個因素綜合作用的結(jié)果。不同的加工方法在工件表面留存的殘余應(yīng)力示例如表12所示。
表12加工方法與殘余應(yīng)力示例①
加工方法 | 殘余應(yīng)力性質(zhì) | 殘余應(yīng)力數(shù)值/MPa |
車削 | ② | ③ |
磨削 | ④ | 200～1000 |
銑削 | ② | 600一1500 |
鍍鉻 | 表面為拉應(yīng)力。里層為壓應(yīng)力 | 400 |
鍍銅 | 表面為拉應(yīng)力，里層為壓應(yīng)力 | 200 |
?、谝话闱闆r下，工件的表面為殘余拉應(yīng)力，里層為殘余壓應(yīng)力；應(yīng)力層深度在0.05—0.10mm范圍內(nèi)。當(dāng)切削速度
為500m/min時，則工件的表面為殘余壓應(yīng)力，里層為殘余拉應(yīng)力。
③一般情況下，殘余應(yīng)力在200—800MPa范圍內(nèi)；當(dāng)?shù)毒吣p時，可達(dá)1000MPa。
?、芤话闱闆r下，工件的表面為殘余壓應(yīng)力，里層為殘余拉應(yīng)力；應(yīng)力層深度在0.05—0.30mm范圍內(nèi)。
當(dāng)殘余應(yīng)力(殘余拉應(yīng)力)超過材料的拉伸強(qiáng)度極限時，工件表面就會出現(xiàn)裂紋。此外，工件表面出現(xiàn)裂紋還與工件材料(材質(zhì)、硬度)有關(guān)，例如，在磨削含碳量低于0.4％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋼材(低碳鋼)時，不管怎么樣，基本上不出現(xiàn)裂紋；防爆電氣設(shè)備常用的普通鋼材[Q235(含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.17％一0.22％)]就屬這種情況。
2)殘余應(yīng)力的控制方法
在切削和磨削加工過程中，由于殘余應(yīng)力是(冷或熱)塑性變形和相變應(yīng)力引起的，因而控制(減輕)殘余應(yīng)力的基本方法是：
①選擇合適的刀具和切削速度、進(jìn)給量、工件和磨具的旋轉(zhuǎn)速度。
②選用合適的冷卻潤滑液對工件和刀具進(jìn)行有效的冷卻潤滑。
(3)磨削燒傷
所謂“磨削燒傷”，是指在磨削加工過程中工件表面層的溫度超過工件材料的相變溫度，引起材料的金相組織發(fā)生變化，繼而表面層硬度增大，于是產(chǎn)生表面殘余應(yīng)力，乃至表面出現(xiàn)顯微裂紋的一種“燒傷”現(xiàn)象。這是機(jī)械加工后防爆正壓柜表面變質(zhì)層的另一個特征。
磨削燒傷是磨削加工的一個重要特征。零件磨削燒傷的嚴(yán)重程度，可以用觀察加工表面顏色的方法來判斷：隨著燒傷層深度的增加，加工表面氧化膜的顏色依次為淺黃色、黃色、紫褐色、青色等。這只是一個概念性的判斷方法。
嚴(yán)重的磨削燒傷會大大地降低零件的使用性能和使用壽命，甚至不能使用。
在磨削加工過程中，大量的磨削熱是造成磨削燒傷的直接因素，因而控制(減輕)磨削燒傷的基本方法是：
?、偾‘?dāng)?shù)販p小磨削深度。
?、诤侠淼販p小磨具與工件的接觸面積和接觸時間。
?、鄢浞值剡\(yùn)用切削液對加工部位進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。
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