機械加工の表面品質

械加工の表面品質

機械部品の破壊は、一般的に表面層から始まります。製品の性能、特にその信頼性と耐久性は、部品の表面層の品質に大きく依存します。機械加工の表面品質を研究する目的は、機械加工における各種プロセス要素の加工表面品質への影響の法則を把握し、これらの法則を利用して加工過程を制御し、最終的に表面品質を改善し、製品の使用性能を向上させる目的を達成することです。

一、機械加工の表面品質が機械の使用性能に及ぼす影響

（一）表面品質が耐摩耗性に及ぼす影響

表面粗さが耐摩耗性に及ぼす影響

一つの加工されたばかりの摩擦副の二つの接触面の間には、最初の段階では表面の粗いピーク部だけが接触し、実際の接触面積は理論接触面積よりはるかに小さく、相互接触のピーク部には非常に大きな単位応力があり、実際の接触面積には塑性変形、弾性変形とピーク部間のせん断破断が生じる。ひどい摩耗を引き起こす。

部品の摩耗は通常三つの段階に分けられます。初期摩耗段階、正常摩耗段階と激しい摩耗段階です。

表面粗さは部品の表面摩耗に大きく影響します。表面粗さの値が小さいほど摩耗性が良いと言われています。しかし、表面の粗さ値が小さすぎて、潤滑油が貯蔵しにくく、接触面の間に分子接着が発生しやすく、摩耗が逆に増加します。従って、接触面の粗さには最適値があり、その値は部品の作動状況に関係し、作業負荷が増大すると初期摩耗量が増大し、表面粗さの最適値も増大する。

表面冷間硬化が耐摩耗性に及ぼす影響

加工表面の冷間硬化は摩擦副表面層金属の微小硬度を高めるので、耐摩耗性を高めることができる。しかし、冷作硬化の程度が高くなるほど、耐摩耗性が高くなるというわけではありません。これは過度の冷作硬化が金属組織の過剰な緩みを引き起こし、さらに亀裂や表層金属の剥がれが生じ、耐摩耗性が低下するためです。

（二）疲労強度に対する表面品質の影響

金属は交流負荷の作用を受けて生じる疲労破壊が部品表面と表面の冷硬層の下で発生することが多いので、部品の表面品質は疲労強度に大きく影響します。

表面粗さが疲労強度に及ぼす影響

交流負荷下では，表面粗さの凹谷部は応力集中を引き起こしやすく，疲労亀裂が生じる。表面の粗さの値が大きいほど、表面の紋痕が深くなり、紋地の半径が小さいほど、疲労に耐えて底の能力が悪くなります。

残留応力、冷間硬化が疲労強度に及ぼす影響

残留応力は部品の疲労強度に大きく影響します。表面層の残留引っ張り応力は疲労クラックを拡大させ，疲労破壊を加速させるが，表面層残留応力は疲労クラックの広がりを阻止でき，疲労破壊の発生を遅らせることができる。

表面の冷硬さは一般的に残留応力の発生を伴っており、亀裂の発生を防ぎ、既存の亀裂の広がりを阻止することができ、疲労強度の向上に有利である。

（三）表面品質が耐食性に及ぼす影響

部品の耐食性は表面粗さに大きく依存する。表面粗さの値が大きいほど、凹谷中の腐食性物質が多くなります。耐食性はますます悪くなる。

表面層の残留引張応力は応力腐食割れを生じ、部品の耐摩耗性を低下させ、残留圧応力は応力腐食割れを防止できる。

（四）表面品質が配合品質に及ぼす影響

表面粗さ値の大きさは配合表面の配合品質に影響する。隙間の配合に対して、粗さ値大会は摩耗を増大させ、隙間を増大させ、要求の配合性質を破壊しました。過剰な組み合わせに対して、組み立て中に一部の表面凸ピークが押しつぶされて平らになり、実際の過剰量が減少し、嵌合部品間の接続強度が低下しました。

二、表面の粗さに影響する要因

（一）切削加工が表面の粗さに影響する要因

工具幾何学形状の複写

工具がワークに対して送り運動をする時、加工面に切削層の残存面積を残し、その形状の時に工具の幾何学形状の複写を行う。送り量、主角、副偏角を減少させ、刃先の円弧半径を大きくすることで、残存面積の高さを減らすことができます。

また、切削時の塑性変形の程度を減らすために、切削時の塑性変形と切削時の塑性変形を低減するために、潤滑液を合理的に選択し、切削時の塑性変形を抑制し、切削時の鱗刺の発生を抑制することも、表面粗さ値を低減する効果的な措置である。

ワーク材料の性質

塑性材料を加工する時、刃物によって金属の押し出しに塑性変形が発生しました。それに、刃具によって切粉とワークの分離を強制させる引き裂き作用があり、表面の粗さ値が大きくなります。ワークの材料は靭性が高く、金属の塑性変形が大きいほど、加工面が粗いです。

脆性材料を加工する時、その切削粉は粒状になり、切削粉の崩壊によって加工面に多くの麻点を残し、表面を粗くします。

切削量

（二）研削加工が表面粗さに影響する要因

切削加工時の表面粗さの形成過程のように，研削加工表面粗さの形成も幾何学的要因と表面金属の塑性変形によって決定される。

研削面の粗さに影響する主な要因は以下の通りである。

砥石の粒度

砥石の硬度

砥石車の整備

研削速度

冷却潤滑液

研削ラジアル送り量と研削回数

ワークの円周送り速度と軸送り量

三、加工表面層の物理的機械的性質に影響する要因

切削加工において、切削力と切削熱の作用により、表面層金属の物理的機械的性質が変化し、最も主要な変化は表面層金属の顕微硬度の変化、金相組織の変化、残留応力の発生である。研削加工時に生じる塑性変形と切削熱は刃切削時よりも重いため、研削加工後の加工面層における上記3つの物理的機械的性質の変化が大きい。

（一）表面層の冷作硬化

冷作硬化及び評価パラメータ

機械加工中の切削力による塑性変形により、格子の歪み、歪み、結晶粒間にせん断滑りが生じ、結晶粒が伸長され、繊維化され、ひいては破砕され、これらは表面層金属の硬度と強度を向上させます。表面層金属強化の結果，金属変形の抵抗が増大し，金属の塑性が減少し，金属の物理的性質も変化する。

冷間硬化された金属は高エネルギー位の不安定状態にあり、可能性があると金属の不安定状態が比較的安定した状態に転化することを弱体化といいます。弱化作用の大きさは温度の高さ、温度の持続時間の長さ、強化度の大きさに依存します。金属は機械加工中に力と熱の役割を同時に受けているので、加工後の表層金属の最後の性質は強化と弱体化の複合作用の結果に依存する。

冷間硬化を評価する指標は、表層金属の微小硬度HV、硬化層の深さh、硬化度Nの3つである。

冷却硬化に影響する要因

切削刃先の鈍円半径が大きくなり、表層金属の押出作用が強くなり、塑性変形が激しくなり、冷硬強化をもたらします。刃後の刃面の摩耗が増大し、後刃面と加工された面との摩擦が激しくなり、塑性変形が増大し、冷硬が強くなる。

切削速度が増大し、工具とワークの作用時間が短縮され、塑性変形の拡大深さが減少し、冷硬層深さが減少した。切削速度が大きくなると、切削熱がワーク表面層に作用する時間も短くなり、冷硬さが増す。送り量が増大し、切削力も増大し、表層金属の塑性変形が激しくなり、冷硬作用が強化される。

ワーク材料の塑性が大きいほど、冷硬現象がひどくなります。

（二）表面層材料の金相組織変化

切削熱により加工された表面の温度が相転移温度を超えると，表層金属の金相組織が変化する。

研削やけど

研削されたワークの表面層温度が相転移温度以上に達すると、表層金属は金相組織の変化を起こし、表層金属の強度と硬度を低下させ、残留応力の発生を伴って微視的な亀裂が発生することを研削やけどといいます。焼入れ鋼を研削する時、次の3つの火傷が発生する可能性があります。

焼き戻し

研削領域の温度が急冷鋼の相転移温度を超えていないが、マルテンサイトの転移温度を超えている場合、ワークの表層金属の焼き戻しマルテンサイト組織は硬度の低い焼き戻し組織に変化し、この火傷を焼戻し火傷といいます。

焼き入れやけど

研削エリアの温度が相転移温度を超えた場合、冷却液の急冷作用に加えて、表層金属に二次焼き入れが発生し、表層金属に二次焼き入れマルテンサイト組織が現れ、その硬度は元の焼き戻しマルテンサイトより高く、その下層では冷却が遅いため、硬度が元の焼き戻しマルテンサイトより低い回が現れます。この火傷は焼入れ火傷といいます。

焼き鈍し火傷

研削領域の温度が相転移温度を超えている場合、研削領域には冷却液が入っておらず、表層金属には焼鈍組織が発生し、表面硬度が急激に低下し、このやけどを焼鈍やけどといいます。

研削やけどのルートを改善する

研削熱は研削やけどの原因となりますので、研削やけどを改善するには二つの方法があります。一つは研削熱をできるだけ減らすことです。二つは冷却条件を改善して、発生地の熱量をできるだけ少なくしてワークに伝えます。

グラインダーを正しく選択する

切削量を合理的に選択する

冷却条件の改善

（三）表面層残留応力

残留応力が発生する原因

切削時に加工面の金属層内で塑性変形が発生し、表面金属の比容を大きくする。

塑性変形は表層金属だけで生成され、表層金属の比容は増大し、体積は膨張し、必然的にそれにつながる裏層金属によって阻止されるため、表面金属層に残留応力が発生し、中層金属に残留引っ張り応力が生じる。

切削加工中、切削エリアに大量の切削熱が発生します。

異なった金相組織は異なった密度を持ち，また異なった比容を有する。

表面層金属が金相組織の変化を生じたら、表層金属の比容の変化は必ずそれにつながる基体金属の障害を受けなければならないので、残留応力が生じる。

部品の主要作業表面の最終工程の加工方法の選択

部品は主に表面の最終工程の加工方法の選択が重要で、最終工程はこの作業表面に残した残留応力が機械部品の使用性能に直接影響するからです。

部品の主要作業面の最終工程の加工方法を選択するには、この部品の主要作業面の具体的な作業条件と可能な破壊形式を考慮しなければならない。

クロスロードの作用の下で、機械部品の表面上の局部的な微視的な亀裂は、引張応力の作用によって原生ひび割れを拡大させ、最終的には部品の破断を引き起こす。部品の疲労破壊に対する抵抗を高める観点から、この表面の最終工程は選択すべきです