1、概概 述述 掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高产品性能的目的。产品性能的目的。实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的工作性能，尤实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量。其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量。研究机械加工表面质量的目的研究机械加工表面质量的目的机械产品的失效形式机械产品的失效形式因设
2、计不周而导致强度不够；因设计不周而导致强度不够；磨损、腐蚀和疲劳破坏。磨损、腐蚀和疲劳破坏。少数少数多数多数一、机械加工表面质量的含义一、机械加工表面质量的含义1表面的几何特征表面的几何特征2表面层物理表面层物理力学、化学性能力学、化学性能(1)表面粗糙度表面粗糙度(2)表面波度表面波度(3)纹理方向纹理方向(1)表面层加工硬化表面层加工硬化(冷作硬化冷作硬化)。(2)表面层金相组织变化。表面层金相组织变化。(3)表面层产生残余应力。表面层产生残余应力。1、表面的几何形状特征、表面的几何形状特征 加工后表面形状，总是以加工后表面形状，总是以“峰峰”、“谷谷”的形式偏离其的形式偏离其理想光滑表面
3、。按偏离程度有理想光滑表面。按偏离程度有宏观和微观宏观和微观之分。之分。波距：峰与峰或谷与谷间的距离，波距：峰与峰或谷与谷间的距离，以以L表示；表示；波高：峰与谷间的高度，以波高：峰与谷间的高度，以H 表示。表示。波距与波高波距与波高L/H1000时，属于宏观几何形状误差；时，属于宏观几何形状误差；L/H50时，属于微观形状误差，称作表面粗糙度；时，属于微观形状误差，称作表面粗糙度；L/H=50 1000时，称作表面波度；时，称作表面波度；主要是由机械加工过程中工主要是由机械加工过程中工艺系统低频振动所引起。艺系统低频振动所引起。纹理方向纹理方向 是指表面刀纹的方向，取决于表面形成所采用是指表
4、面刀纹的方向，取决于表面形成所采用的机械加工方法。一般的机械加工方法。一般运动副或密封件运动副或密封件对纹理方向有要求。对纹理方向有要求。伤痕伤痕 是指在加工表面个别位置出现的缺陷，如沙眼、气是指在加工表面个别位置出现的缺陷，如沙眼、气孔、裂痕等。孔、裂痕等。表示方法表示方法(1)表面金属层的冷作硬化表面金属层的冷作硬化 指工件在加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形，使指工件在加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形，使工件加工表面层的强度和硬度都有所提高的现象。工件加工表面层的强度和硬度都有所提高的现象。冷硬层深度冷硬层深度 h硬化程度硬化程度 N 硬化程度：硬化程度：%1000 HHN
5、其中：其中：H加工后表面层的显微硬度加工后表面层的显微硬度H0材料原有的显微硬度材料原有的显微硬度(3)表面层产生残余应力表面层产生残余应力 指的是加工中，指的是加工中，由于切削热的作用引起表层金属金相组织由于切削热的作用引起表层金属金相组织发生变化的现象。发生变化的现象。如磨削时常发生的磨削烧伤，大大降低表面如磨削时常发生的磨削烧伤，大大降低表面层的物理机械性能。层的物理机械性能。指的是加工中，指的是加工中，由于切削变形由于切削变形和切削热的作用，工件表层及其基和切削热的作用，工件表层及其基体材料的交界处产生相互平衡的弹体材料的交界处产生相互平衡的弹性应力的现象性应力的现象。残余应力超过材料
6、残余应力超过材料强度极限就会产生表面裂纹。强度极限就会产生表面裂纹。1表面质量对零件耐磨性的影响表面质量对零件耐磨性的影响第一阶段第一阶段 初期磨损阶段初期磨损阶段第二阶段第二阶段 正常磨损阶段正常磨损阶段第三阶段第三阶段 急剧磨损阶段急剧磨损阶段零件的磨零件的磨损可分为损可分为三个阶段三个阶段 不是表面粗糙度值越小越耐磨，不是表面粗糙度值越小越耐磨，在一定工作条件下，摩擦副表面总是在一定工作条件下，摩擦副表面总是存在一个最佳表面粗糙度值，表面粗存在一个最佳表面粗糙度值，表面粗糙度糙度Ra值约为值约为0.320.25m较好。较好。表面粗糙度对摩擦副的影响表面粗糙度对摩擦副的影响 重裁情况下重裁
7、情况下，由于压强、分子亲和力和润滑液的储存等因，由于压强、分子亲和力和润滑液的储存等因素的变化，其规律与上述有所不同。素的变化，其规律与上述有所不同。表面纹理方向对耐磨性的影响表面纹理方向对耐磨性的影响表面纹理方向影响金属表面的表面纹理方向影响金属表面的实际接触面积实际接触面积和和润滑液的存留情况润滑液的存留情况。轻载时轻载时，两表面的纹理方向与相对运动方向一致时，磨损，两表面的纹理方向与相对运动方向一致时，磨损最小；当两表面纹理方向与相对运动方向垂直时，磨损最大。最小；当两表面纹理方向与相对运动方向垂直时，磨损最大。过度的加工硬化会使金属组织疏松，甚至出现疲劳裂纹和过度的加工硬化会使金属组织
8、疏松，甚至出现疲劳裂纹和产生剥落现象，从而使耐磨性下降。产生剥落现象，从而使耐磨性下降。表面层的加工硬化对耐磨性的影响表面层的加工硬化对耐磨性的影响 由于加工硬化提高了表面层的强度，减少了表面进一步塑由于加工硬化提高了表面层的强度，减少了表面进一步塑性变形和咬焊的可能。一般能提高耐磨性性变形和咬焊的可能。一般能提高耐磨性0.5 1倍。倍。一般地，加工精度要求一般地，加工精度要求，加工成本，加工成本，生产效率，生产效率。在交变载荷作用下，零件表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷员易形成应力在交变载荷作用下，零件表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷员易形成应力集中，并发展成疲劳裂纹，导致零件疲劳破坏。因此，对于重
9、要零件表面如集中，并发展成疲劳裂纹，导致零件疲劳破坏。因此，对于重要零件表面如连杆、曲轴等，应进行光整加工，减小表面粗糙度值，提高其疲劳强度。连杆、曲轴等，应进行光整加工，减小表面粗糙度值，提高其疲劳强度。适当的加工硬化能阻碍已有裂纹的继续扩大和新裂纹的产生，有助于适当的加工硬化能阻碍已有裂纹的继续扩大和新裂纹的产生，有助于提高疲劳强度。但加工硬化程度过大，反而易产生裂纹，故加工硬化程度提高疲劳强度。但加工硬化程度过大，反而易产生裂纹，故加工硬化程度应控制在一定范围内。应控制在一定范围内。拉应力加剧疲劳裂纹的产生和扩展；拉应力加剧疲劳裂纹的产生和扩展；残余压应力，能延缓疲劳裂纹的产生、扩展，而
10、使零件疲劳强度提高。残余压应力，能延缓疲劳裂纹的产生、扩展，而使零件疲劳强度提高。表面残余应力对疲劳强度的影响表面残余应力对疲劳强度的影响影响极大影响极大 表面粗糙度的影响表面粗糙度的影响表面层的加工硬化对疲劳强度影响表面层的加工硬化对疲劳强度影响残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性；可增强零件的耐腐蚀性；表面粗糙表面粗糙度的影响度的影响表面粗糙度值越大，越容易积聚腐蚀性物质；表面粗糙度值越大，越容易积聚腐蚀性物质；波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙
11、度零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度表面残余应力对零件耐腐蚀性影响表面残余应力对零件耐腐蚀性影响拉应力则降低耐腐蚀性拉应力则降低耐腐蚀性 表面残余应力会引起零件变形，使零件形状和尺寸发生表面残余应力会引起零件变形，使零件形状和尺寸发生变化，因此对配合性质有一定的影响。变化，因此对配合性质有一定的影响。相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。表面粗糙表面粗糙度的影响度的影响 对间隙配合而言，表面粗糙度值太大，会对间隙配合而言，表面粗糙度值太大，会使配合表面很快磨损而增大配合间隙，改变配使配合表面很快磨损而增大配合间隙，改变配合性质，
12、降低配合精度。合性质，降低配合精度。对过盈配合而言，装配时配合表面的波峰对过盈配合而言，装配时配合表面的波峰被挤平，减小实际过盈量，降低了连接强度，被挤平，减小实际过盈量，降低了连接强度，影响了配合的可靠性。影响了配合的可靠性。表面残余应力的影响表面残余应力的影响刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径主偏角主偏角副偏角副偏角进给量进给量 表面粗糙度的形表面粗糙度的形成和影响因素成和影响因素几何因素几何因素物理因素物理因素两方面两方面一、切削加工表面粗糙度一、切削加工表面粗糙度切削残留面积的高度切削残留面积的高度金相组织金相组织 金相组织越大，粗糙度也越大；金相组织越大，粗糙度也越大；切削液的选用及刀具刃磨质
13、量切削液的选用及刀具刃磨质量图图p233几何原因几何原因塑性变形塑性变形机械加工振动机械加工振动二、磨削过程中表面粗糙度的形成二、磨削过程中表面粗糙度的形成1、形成因素、形成因素切削用量切削用量砂轮的粒度和砂轮的修整情况砂轮的粒度和砂轮的修整情况(1)几何原因几何原因1）切削用量对表面粗糙度的影响）切削用量对表面粗糙度的影响砂轮的速度砂轮的速度，单位时间内的磨削量，单位时间内的磨削量，粗糙度，粗糙度；工件的速度工件的速度，单位时间内的磨削量，单位时间内的磨削量，粗糙度，粗糙度；砂轮纵向进给速度砂轮纵向进给速度，每部位重复磨削次数，每部位重复磨削次数 ，粗糙度，粗糙度。2）砂轮的粒度和砂轮的修整
14、对表面粗糙度的影响）砂轮的粒度和砂轮的修整对表面粗糙度的影响砂轮的粒度砂轮的粒度磨粒的大小磨粒的大小磨粒间的距离磨粒间的距离砂轮的粒度号砂轮的粒度号，参与磨削的磨粒，参与磨削的磨粒，粗糙度，粗糙度 ；砂轮的粒度号越大，砂轮的粒度号越大，磨粒和磨粒间离越小磨粒和磨粒间离越小修整砂轮时，纵向进给量对表面粗糙度的影响甚大；修整砂轮时，纵向进给量对表面粗糙度的影响甚大；纵向进给量纵向进给量，砂轮表面的等高性越好，砂轮表面的等高性越好，粗糙度，粗糙度 ；在磨削过程中，由于磨粒大多具有很大的负前角，很不锋在磨削过程中，由于磨粒大多具有很大的负前角，很不锋利，所以大多数磨粒在磨削时只是对表面产生利，所以大多
15、数磨粒在磨削时只是对表面产生挤压作用挤压作用而使表而使表面出现塑性变形，磨削时的高温更加剧了塑性变形，增大了表面出现塑性变形，磨削时的高温更加剧了塑性变形，增大了表面粗糙度值。面粗糙度值。砂轮转速砂轮转速，切削速度，切削速度，工件材料来不及变形，塑性，工件材料来不及变形，塑性变形变形，粗糙度，粗糙度 ；工件转速工件转速，工件材料塑性变形，工件材料塑性变形，粗糙度，粗糙度；切削深度切削深度，工件材料塑性变形，工件材料塑性变形，粗糙度，粗糙度；合理选用砂轮和切削液合理选用砂轮和切削液，有利于减少塑性变形，有利于减少塑性变形，精度粗糙度，精度粗糙度；另外：另外：对磨削表面粗糙度来说，振动是主要影响因
16、素。振动产对磨削表面粗糙度来说，振动是主要影响因素。振动产生的原因很多，将在后面讲述。生的原因很多，将在后面讲述。3加工时的振动加工时的振动二、影响表面粗糙度的因素及其改进措施二、影响表面粗糙度的因素及其改进措施第一类是与磨削砂轮有关的因素第一类是与磨削砂轮有关的因素第二类是与工件材质有关的因素第二类是与工件材质有关的因素第三类是与加工条件有关的因素第三类是与加工条件有关的因素影响表面粗影响表面粗糙度的因素糙度的因素 砂轮太硬，磨粒磨损后不易脱落，使工件表面受到强烈的摩擦和挤砂轮太硬，磨粒磨损后不易脱落，使工件表面受到强烈的摩擦和挤压，增加了塑性变形，表面粗糙度值增大，同时还容易引起烧伤；压，
17、增加了塑性变形，表面粗糙度值增大，同时还容易引起烧伤；砂轮太软，磨粒易脱落，磨削作用减弱，也会增大表面粗糙度值。砂轮太软，磨粒易脱落，磨削作用减弱，也会增大表面粗糙度值。(1)与磨削砂轮有关的因素与磨削砂轮有关的因素主要是砂轮的粒度、硬度以及对砂轮的修整等。主要是砂轮的粒度、硬度以及对砂轮的修整等。砂轮的粒度越细，则砂轮单位面积上砂轮的粒度越细，则砂轮单位面积上的磨粒数越多，磨削表面的刻痕越细，表的磨粒数越多，磨削表面的刻痕越细，表面粗糙度值越小；但较度过细，砂轮易堵面粗糙度值越小；但较度过细，砂轮易堵塞，使表面组糙度值增大，同时还易产生塞，使表面组糙度值增大，同时还易产生波纹和引起烧伤。波纹
18、和引起烧伤。砂轮的粒度要适度砂轮的粒度要适度砂轮硬度要合适砂轮硬度要合适砂轮的硬度是指磨粒受磨削力后从砂轮上脱落的难易程度。砂轮的硬度是指磨粒受磨削力后从砂轮上脱落的难易程度。越小，修出的微刃越小，修出的微刃越多，等高性越好，越多，等高性越好，粗糙度值低。粗糙度值低。砂轮的修整质量砂轮的修整质量修整工具修整工具修整砂轮的纵向进给量修整砂轮的纵向进给量砂轮的修整质量砂轮的修整质量 砂轮的修整是用金刚石除去砂轮外层己钝化的磨粒，使磨粒切削刃锋砂轮的修整是用金刚石除去砂轮外层己钝化的磨粒，使磨粒切削刃锋利，降低磨削表面的表面粗糙度值。利，降低磨削表面的表面粗糙度值。与这两者有密切关系与这两者有密切关
19、系铝、铜合金等软材料易堵塞砂轮，比较难磨。铝、铜合金等软材料易堵塞砂轮，比较难磨。塑性大、导热性差的耐热合金易使砂粒早期崩落，导致塑性大、导热性差的耐热合金易使砂粒早期崩落，导致磨削表面粗糙度值增大。磨削表面粗糙度值增大。(2)与工件树质有关的因素与工件树质有关的因素 包括材料的硬度、塑性、导热性等。包括材料的硬度、塑性、导热性等。对表面粗糙度对表面粗糙度有显著影响有显著影响(3)与加工条件有关的因素与加工条件有关的因素包括磨削用量、冷却条件及工艺系统的精度与抗振性等。包括磨削用量、冷却条件及工艺系统的精度与抗振性等。除了从上述几个方面考虑采取措施外，还可从加工方法上除了从上述几个方面考虑采取
20、措施外，还可从加工方法上着手改善，如用着手改善，如用研磨、珩磨、超精加工、抛光研磨、珩磨、超精加工、抛光等。等。切削液切削液 砂轮磨削时温度高，热的作用占主导地位。采用切削液可砂轮磨削时温度高，热的作用占主导地位。采用切削液可以降低磨削区温度，减少烧伤，冲去脱落的砂粒和切屑，以免以降低磨削区温度，减少烧伤，冲去脱落的砂粒和切屑，以免划伤工件，从而降低表面粗糙度度值。但必须选择适当的冷却划伤工件，从而降低表面粗糙度度值。但必须选择适当的冷却方法和切削液。方法和切削液。减少加工表面的表面粗糙度的其它方法减少加工表面的表面粗糙度的其它方法 加工表面除受力变形外，还受到机械加工中产生的切削热的影响。切
21、加工表面除受力变形外，还受到机械加工中产生的切削热的影响。切削热在一定条件下会使金属在塑性变形中产生回复现象，使金属失去加工削热在一定条件下会使金属在塑性变形中产生回复现象，使金属失去加工硬化中所得到的物理力学性能，这种现象称为硬化中所得到的物理力学性能，这种现象称为软化软化。一、表面层的加工硬化一、表面层的加工硬化1加工硬化的产生加工硬化的产生硬化硬化软化软化 机械加工过程中，工件表面后金属受切削力作用，产生强烈的塑性机械加工过程中，工件表面后金属受切削力作用，产生强烈的塑性变形、使金属的晶格扭曲，晶粒被拉长、纤维化甚至破碎而引起的表面变形、使金属的晶格扭曲，晶粒被拉长、纤维化甚至破碎而引起
22、的表面层的强度和硬度增加，塑性降低，物理性能（如密度、导电性、导热性层的强度和硬度增加，塑性降低，物理性能（如密度、导电性、导热性等）也有所变化。这种现象称为加工硬化，又称作等）也有所变化。这种现象称为加工硬化，又称作冷作硬化或强化冷作硬化或强化。因此，金属在加工过程中最后的加工硬化，取决于硬化速度与软化因此，金属在加工过程中最后的加工硬化，取决于硬化速度与软化速度的比率。速度的比率。1)表面层的显微硬度表面层的显微硬度HV2)硬化层深度硬化层深度h03)硬化程度硬化程度N2加工硬化的衡量指标加工硬化的衡量指标 HV0 金属原来的显微硬度金属原来的显微硬度 磨削时，磨削深度和纵向磨削时，磨削深
23、度和纵向进给速度进给速度，磨削力，磨削力，塑性，塑性变形加剧，表面冷硬趋向变形加剧，表面冷硬趋向。4影响加工硬化的因素影响加工硬化的因素 1)切削力切削力，塑性变形，塑性变形，硬化程度和硬化层深度，硬化程度和硬化层深度。如：如：切削时进给量切削时进给量，切削力，切削力，塑性变形程度，塑性变形程度，硬化程度，硬化程度；刀具的刃口圆角和后刀面刀具的刃口圆角和后刀面的磨损量增大，塑性变形的磨损量增大，塑性变形，冷硬层深度和硬化程度随之冷硬层深度和硬化程度随之。各种机械加工方法在加工钢件时表面加工硬化的情各种机械加工方法在加工钢件时表面加工硬化的情况如下表所示。况如下表所示。2)切削温度切削温度，软化
24、作用，软化作用，冷硬作用，冷硬作用。如：如：切削速度增大，会使切削温度升高，有利于软化；切削速度增大，会使切削温度升高，有利于软化；磨削时提高磨削速度和纵向进给速度，有时会使磨削区产磨削时提高磨削速度和纵向进给速度，有时会使磨削区产生较大热量而使冷硬减弱。生较大热量而使冷硬减弱。3)被加工材料的硬度低、塑性好，则切削时塑性变形越大，被加工材料的硬度低、塑性好，则切削时塑性变形越大，冷硬现象就越严重。冷硬现象就越严重。(1)冷态塑性变形引起的残余应力冷态塑性变形引起的残余应力(2)热态塑性变形引起的残余应力热态塑性变形引起的残余应力(3)金相组织变化引起的残余应力金相组织变化引起的残余应力l、表
25、面层残余应力及其产生的原因、表面层残余应力及其产生的原因 表面层残余应力表面层残余应力 外部载荷去除后，工件表面层及其与外部载荷去除后，工件表面层及其与基体材料的交界处仍残存的互相平衡的应力。基体材料的交界处仍残存的互相平衡的应力。表面层残余应表面层残余应力产生的原因力产生的原因 当刀具从被加工表面上去除金属时，由于后刀面的挤、压和摩擦作用，当刀具从被加工表面上去除金属时，由于后刀面的挤、压和摩擦作用，加大了表面层伸长的塑性变形，表面层的伸长变形受到基体金属的限制，也加大了表面层伸长的塑性变形，表面层的伸长变形受到基体金属的限制，也在表面层产生了残余压应力。在表面层产生了残余压应力。在切削力作
26、用下，已加工表面产生强烈在切削力作用下，已加工表面产生强烈的塑性变形。表面层金属比容增大，体积膨的塑性变形。表面层金属比容增大，体积膨胀，与它相连的里层金属的阻止其体积膨胀；胀，与它相连的里层金属的阻止其体积膨胀；里层产生残余拉应力里层产生残余拉应力表面层产生残余压应力表面层产生残余压应力结果：结果：磨削温度越高，热塑性变形越大，残余拉应力也越大，有磨削温度越高，热塑性变形越大，残余拉应力也越大，有时甚至产生裂纹。时甚至产生裂纹。在切削热作用下产生热膨胀在切削热作用下产生热膨胀金属基体温度较低金属基体温度较低工件加工表面工件加工表面表层产生表层产生热压应力热压应力切削时切削时切削过程结束时切削
27、过程结束时温度下降，已产生热塑性变形的表层收缩温度下降，已产生热塑性变形的表层收缩基体表层收缩基体表层收缩结结果果表面表面产生产生残余残余拉应拉应力力 如：马氏体密度为如：马氏体密度为7.75 g/cm3，奥氏体密度为，奥氏体密度为7.96 g/cm3，珠光体密度为珠光体密度为7.78 g/cm3，铁索体密度为，铁索体密度为7.88 g/cm3；切削时产生的高温会引起表面层金相组织变化。因为不同切削时产生的高温会引起表面层金相组织变化。因为不同的金属组织，它们的密度不同，因而引起的残余应力。的金属组织，它们的密度不同，因而引起的残余应力。以淬火钢磨削为例以淬火钢磨削为例淬火钢原来的组织是马氏体
28、淬火钢原来的组织是马氏体7.75 g/cm3磨削加工后磨削加工后表层可能产生回火，马氏体变为珠光体表层可能产生回火，马氏体变为珠光体7.78 g/cm3密度增大而体积减小密度增大而体积减小表面产生残余拉应力表面产生残余拉应力导致导致结果结果 机械加上后表面层的残余应力，是由冷态塑性变形、热态机械加上后表面层的残余应力，是由冷态塑性变形、热态塑性变形和金相组织变化这三方面原因引起的综合结果。在一塑性变形和金相组织变化这三方面原因引起的综合结果。在一定条件下，其中某种或两种因素可能起主导作用。定条件下，其中某种或两种因素可能起主导作用。磨削时起主导作用的是磨削时起主导作用的是“热热”。磨削用量磨削
29、用量工件材料及热处理规范工件材料及热处理规范首要因素首要因素影响磨削裂纹的因素影响磨削裂纹的因素磨削碳钢时，含碳量越高，越容易产生裂纹；磨削碳钢时，含碳量越高，越容易产生裂纹；当碳的质量小于当碳的质量小于0.6至至0.7时，几乎不产生裂纹；时，几乎不产生裂纹；淬火钢晶界脆弱，渗碳、渗氮钢受温度影响大，磨削时易产生裂纹。淬火钢晶界脆弱，渗碳、渗氮钢受温度影响大，磨削时易产生裂纹。磨削用量对磨削裂纹影响磨削用量对磨削裂纹影响 粗磨时，表面产生极浅的残余压应力，接着粗磨时，表面产生极浅的残余压应力，接着就是较深且较大的残余拉应力，这说明表面产生就是较深且较大的残余拉应力，这说明表面产生了一薄层一次淬
30、火层，下层是回火组织。了一薄层一次淬火层，下层是回火组织。精细磨削时，温度影响很小、更没有金精细磨削时，温度影响很小、更没有金相组织变化，主要是冷态塑性变形的影响，相组织变化，主要是冷态塑性变形的影响，故表面产生浅而小的残余压应力；故表面产生浅而小的残余压应力；精磨时，热塑性变形起了主导作用，表面精磨时，热塑性变形起了主导作用，表面产生很浅的残余拉应力；产生很浅的残余拉应力；磨削裂纹与工件材料及热处理规范的关系磨削裂纹与工件材料及热处理规范的关系 对于磨削加工来说，由于单位面积上产生的切削热比一对于磨削加工来说，由于单位面积上产生的切削热比一般切削方法要大几十倍，易使般切削方法要大几十倍，易使
31、工件表面层的金相组织发生变工件表面层的金相组织发生变化，从而使表面层的硬度和强度下降，产生残余应力甚至引化，从而使表面层的硬度和强度下降，产生残余应力甚至引起显微裂纹。起显微裂纹。这种现象称为这种现象称为磨削烧伤磨削烧伤。1表面层金相组织变化与磨削烧伤原因表面层金相组织变化与磨削烧伤原因 机械加工过积中，在工件的加工区及其邻近的区域，机械加工过积中，在工件的加工区及其邻近的区域，温度温度会急剧升高会急剧升高，当温度超过工件材料金相组织变化的临界点，就，当温度超过工件材料金相组织变化的临界点，就会发生金相组织变化。对于一般切削加工而言，温度还不会上会发生金相组织变化。对于一般切削加工而言，温度还
32、不会上升到如此程度。升到如此程度。磨削烧伤将严重地影响零件的使用性能。磨削烧伤将严重地影响零件的使用性能。1)如果工件表面层温度未超过相变温度。如果工件表面层温度未超过相变温度。(一般中碳钢为一般中碳钢为720 ，但超过马氏体的转变温度但超过马氏体的转变温度(一般中碳钢为一般中碳钢为300)，这时马氏体将转，这时马氏体将转变为硬度较低的回火屈氏体或索氏体，这叫变为硬度较低的回火屈氏体或索氏体，这叫回火烧伤回火烧伤。2)当工件表面层温度超过相变温度，如果这时有充分的切削液，当工件表面层温度超过相变温度，如果这时有充分的切削液，则表面层将急冷形成二次淬火马氏体，硬度比回火马氏体高，但则表面层将急冷
33、形成二次淬火马氏体，硬度比回火马氏体高，但很薄，只有几微米厚。其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体，很薄，只有几微米厚。其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体，导致表面层总的硬度降低，这称为导致表面层总的硬度降低，这称为淬火烧伤淬火烧伤。3)当工件表面层温度超过相变温度，则马氏体转变为奥氏体、当工件表面层温度超过相变温度，则马氏体转变为奥氏体、如果这时无切削液，则表面硬度急剧下降，工件表层被退火，这如果这时无切削液，则表面硬度急剧下降，工件表层被退火，这种现象称为种现象称为退火烧伤退火烧伤。磨时很容易产生这种现象。磨时很容易产生这种现象。磨淬火钢时，在工件表面层上形成的瞬时高温将使表面金磨淬火钢时，
34、在工件表面层上形成的瞬时高温将使表面金属产生以下三种金相组织变化：属产生以下三种金相组织变化：尽可能减少磨削热的产生；尽可能减少磨削热的产生；改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。磨削热磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤可有两个途径：是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤可有两个途径：(1)合理选择磨削用量合理选择磨削用量(2)工件材料工件材料(3)砂轮的选择砂轮的选择(4)冷却条件冷却条件改善措施改善措施 磨削深度磨削深度，工件纵向进给量和工件速度，工件纵向进给量和工件速度，砂轮与工件表，砂轮与工件表面接触时间相对面接触时间相对，因而热的作
35、用时间，因而热的作用时间，磨削烧伤磨削烧伤。为减轻烧伤而同时又保持高的生产率、一般选用较大的为减轻烧伤而同时又保持高的生产率、一般选用较大的工件速度和较小的磨削深度。同时，为了弥补因增大工件速工件速度和较小的磨削深度。同时，为了弥补因增大工件速度而造成表面粗糙度值增大的缺陷，可以提高砂轮速度。度而造成表面粗糙度值增大的缺陷，可以提高砂轮速度。(1)合理选择磨削用量合理选择磨削用量但：但：磨削深度磨削深度，生产率生产率；工件纵向进给量和工件速度工件纵向进给量和工件速度，表面粗糙度值表面粗糙度值。实践证明，同时提高砂轮速度和工件速度，可以避免烧伤。实践证明，同时提高砂轮速度和工件速度，可以避免烧伤
36、。解决办法：解决办法：(2)工件材料工件材料 工件材料对磨削区温度的影响主要取决于它的硬度、强工件材料对磨削区温度的影响主要取决于它的硬度、强度、韧性和热导性。度、韧性和热导性。硬度、强度越高，韧性越大，磨削热量越多；硬度、强度越高，韧性越大，磨削热量越多；导热性差的材料，如耐热钢、轴承钢、不锈钢等。导热性差的材料，如耐热钢、轴承钢、不锈钢等。在磨削在磨削时易产时易产生烧伤生烧伤 软砂轮较好软砂轮较好，对于硬度太高的砂轮，钝化砂粒不易脱落，对于硬度太高的砂轮，钝化砂粒不易脱落，容易产生烧伤。容易产生烧伤。(3)砂轮的选择砂轮的选择一般来说，选用一般来说，选用粗粒度砂轮粗粒度砂轮磨削，不容易产生
37、烧伤。磨削，不容易产生烧伤。砂轮结合剂最好采用具有一定弹性的材料，砂轮结合剂最好采用具有一定弹性的材料，如树脂、橡胶等。如树脂、橡胶等。采用切削液带走磨削区的热量可以避采用切削液带走磨削区的热量可以避免烧伤。免烧伤。(4)冷却条件冷却条件磨削时，一般冷却效果较差，磨削时，一般冷却效果较差，由于高速旋转的砂轮表面上产由于高速旋转的砂轮表面上产生强大气流层，实际上没有多生强大气流层，实际上没有多少切削液能进入磨削区。少切削液能进入磨削区。增加切削液的流量和压力增加切削液的流量和压力采用特殊喷嘴采用特殊喷嘴采用多孔性砂轮采用多孔性砂轮比较有效的冷却方法比较有效的冷却方法将切削将切削液大量液大量地喷注
38、地喷注在已经在已经离开磨离开磨削区的削区的工件表工件表面上。面上。因此，最终工序加工方法的选择，须考虑零件的具体工作因此，最终工序加工方法的选择，须考虑零件的具体工作条件及零件可能产生的破坏形式。条件及零件可能产生的破坏形式。(一一)零件破坏形式和最终工序的选择零件破坏形式和最终工序的选择 一般来说，一般来说，零件表面残余应力的数值及性质主要取决于零零件表面残余应力的数值及性质主要取决于零件最终工序加工方法的选择件最终工序加工方法的选择。1疲劳破坏疲劳破坏2滑动磨损滑动磨损3滚动磨损滚动磨损零件破坏形式零件破坏形式零件表面层金属的残零件表面层金属的残余应力将直接影响机余应力将直接影响机器零件的
39、使用性能。器零件的使用性能。从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑，最终工序应选择能从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑，最终工序应选择能在加工表面产生残余压应力的加工方法。在加工表面产生残余压应力的加工方法。1.疲劳破坏疲劳破坏机器零件表面上局机器零件表面上局部 产 生 微 观 裂 纹部 产 生 微 观 裂 纹在交变载在交变载荷的作用荷的作用下下拉应力拉应力作用下作用下原生裂原生裂纹扩大纹扩大导致零导致零件破坏件破坏滑动摩擦的机械作用滑动摩擦的机械作用物理化学方面的综合作用物理化学方面的综合作用2滑动磨损滑动磨损指的是两个零件作相对滑动，滑动面逐渐磨损的现象。指的是两个零件作相对滑动，滑动面逐渐磨损的
40、现象。滑动磨损机理滑动磨损机理粘接磨损粘接磨损扩散磨损扩散磨损化学磨损化学磨损 从提高零件抵抗滑动摩擦引起的磨损考虑，最终工序应从提高零件抵抗滑动摩擦引起的磨损考虑，最终工序应选择能在加工表面产生残余拉应力的加工方法。选择能在加工表面产生残余拉应力的加工方法。从抵抗粘接磨损、扩散磨损、化学磨损考虑对残余应力从抵抗粘接磨损、扩散磨损、化学磨损考虑对残余应力的性质无特殊要求时，应尽量减小表面残余应力值。的性质无特殊要求时，应尽量减小表面残余应力值。滑动摩擦工作应力分布如图所示。滑动摩擦工作应力分布如图所示。当表面层的压缩工作应力超过材料当表面层的压缩工作应力超过材料的许用应力时，将使表面层金属磨损
41、。的许用应力时，将使表面层金属磨损。改善措施改善措施 3滚动磨损滚动磨损指的是两个零件作相对滚动，滚动面将逐渐磨损的现象。指的是两个零件作相对滚动，滚动面将逐渐磨损的现象。滚动磨损来自滚动磨损来自滚动摩擦的机械作用滚动摩擦的机械作用物理化学方面物理化学方面综合作用综合作用 从提高零件抵抗滚动摩擦引起的磨损从提高零件抵抗滚动摩擦引起的磨损考虑，最终工序应选择能在表面层下深考虑，最终工序应选择能在表面层下深h处处产生压应力的加工方法。产生压应力的加工方法。滚动磨损的决定性因素滚动磨损的决定性因素是表面层下深是表面层下深h处的最大拉应力。处的最大拉应力。最终工序加工方法的选择可参考下表最终工序加工方
42、法的选择可参考下表各种加工方法在工件表面残留的内应力情况。各种加工方法在工件表面残留的内应力情况。由前述可知，表面质量尤其是表面层的物理力学性能，对由前述可知，表面质量尤其是表面层的物理力学性能，对零件的使用性能及寿命影响很大，如果最终工序不能保证零件零件的使用性能及寿命影响很大，如果最终工序不能保证零件表面获得预期的表面质量要求，则可在工艺过程中增设表面强表面获得预期的表面质量要求，则可在工艺过程中增设表面强化工序，以改善表面性能。化工序，以改善表面性能。表面强化工艺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
43、面硬度，并在表面态塑性变形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面层产生残余压应力。这种方法工艺简单、成本低廉，应用广泛。层产生残余压应力。这种方法工艺简单、成本低廉，应用广泛。喷九强化喷九强化滚压加工滚压加工液体磨料强化等液体磨料强化等表面强化常用工艺方法表面强化常用工艺方法 利用压缩空气或离心力将大量的珠丸利用压缩空气或离心力将大量的珠丸(直径为直径为0.4 4mm)以高速打击被以高速打击被加工零件表面，使表面产生冷硬层和残余压应力，可以显著提高零件的疲劳加工零件表面，使表面产生冷硬层和残余压应力，可以显著提高零件的疲劳强度。珠丸可以是铸铁或砂石，钢丸更好。喷丸所用设备是压缩空气喷丸装
44、强度。珠丸可以是铸铁或砂石，钢丸更好。喷丸所用设备是压缩空气喷丸装置或机械离心式喷丸装置，这些装置使珠丸能以置或机械离心式喷丸装置，这些装置使珠丸能以35 50ms的速度喷出。的速度喷出。珠丸珠丸(直径为直径为0.4 4mm)高速高速(35 50 m/s)打击被加打击被加工 零 件 表 面工 零 件 表 面使表面产生冷硬使表面产生冷硬层和残余压应力层和残余压应力方法概要方法概要 喷九加工主要用于强化形状复杂的零件，如齿轮、连杆、曲轴喷九加工主要用于强化形状复杂的零件，如齿轮、连杆、曲轴等。零件经喷九强化后，硬化层深度可达等。零件经喷九强化后，硬化层深度可达0.7mm，表面租糙度，表面租糙度Ra
45、值值可由可由3.2 减少到减少到0.4 ，使用寿命可提高几倍到几十倍。，使用寿命可提高几倍到几十倍。应用应用 喷九加工主要用于强化形状复杂的零件，如齿轮、连杆、曲轴喷九加工主要用于强化形状复杂的零件，如齿轮、连杆、曲轴等。零件经喷九强化后，硬化层深度可达等。零件经喷九强化后，硬化层深度可达0.7mm，表面租糙度，表面租糙度Ra值值可由可由3.2 减少到减少到0.4 ，使用寿命可提高几倍到几十倍。，使用寿命可提高几倍到几十倍。利用淬硬的滚压工具利用淬硬的滚压工具(滚轮或滚珠滚轮或滚珠)在常温下在常温下对工件表面施加压力，使其产生塑性变形，工件对工件表面施加压力，使其产生塑性变形，工件表面上原有的
46、波峰被填充到相邻的波谷中，以减表面上原有的波峰被填充到相邻的波谷中，以减小表面粗糙度值，并使表面产生冷硬层和残余压小表面粗糙度值，并使表面产生冷硬层和残余压应力，从而提高零件的承裁能力和疲劳强度。应力，从而提高零件的承裁能力和疲劳强度。F方法方法滚压工具滚压工具波峰被填充到波峰被填充到相邻的波谷中相邻的波谷中表面产生冷硬层表面产生冷硬层和 残 余 压 应 力和 残 余 压 应 力 滚压可以加工外圆、孔、平面及成形表面，通常在卧式车滚压可以加工外圆、孔、平面及成形表面，通常在卧式车床、转塔车床或自动车床上进行。床、转塔车床或自动车床上进行。功效功效表面层硬度一般可提高表面层硬度一般可提高20 4
47、0；表面层金属的耐疲劳强度可提高表面层金属的耐疲劳强度可提高30 50。应用应用1.弹性外圆滚压工具弹性外圆滚压工具弹簧主要用于控制压力的大小弹簧主要用于控制压力的大小为了提高强化效率，为了提高强化效率，可以采用双排滚压工可以采用双排滚压工具，第一排滚珠直径具，第一排滚珠直径较小，作粗加工用，较小，作粗加工用，第二排滚珠直径较大，第二排滚珠直径较大，作精加工用。作精加工用。2.孔滚压工具孔滚压工具小滚珠作粗加工用小滚珠作粗加工用大滚珠作精加工用大滚珠作精加工用 如图所示，液体和磨料在如图所示，液体和磨料在400 800kPa下，经过喷嘴高速喷出，射向工件表面，借下，经过喷嘴高速喷出，射向工件表
48、面，借磨粒的冲击作用，磨平工件表面的表面粗糙磨粒的冲击作用，磨平工件表面的表面粗糙度并碾压金属表面。度并碾压金属表面。液体磨料强化是利用液体和磨料的混合物强化工件表面的方法。液体磨料强化是利用液体和磨料的混合物强化工件表面的方法。方法方法 由于磨粒的冲击和微量切削作用，使工件表面产生几十微米由于磨粒的冲击和微量切削作用，使工件表面产生几十微米的塑性变形层。加工后的工件表面层具有的塑性变形层。加工后的工件表面层具有残余压应力，提高了工残余压应力，提高了工件的耐磨性、抗蚀性和疲劳强度。件的耐磨性、抗蚀性和疲劳强度。效果效果 液体磨料强化工艺最宜于加工复杂型面，如锻摸、液体磨料强化工艺最宜于加工复杂
49、型面，如锻摸、汽轮机叶片、螺旋桨、仪表零件和切削刀具等。汽轮机叶片、螺旋桨、仪表零件和切削刀具等。应用应用1自由振动自由振动2强迫振动强迫振动3自激振动自激振动一、机械加工中的振动现象一、机械加工中的振动现象(一一)机械振动的分类机械振动的分类 自由振动自由振动指的是当系统受到初始干扰力作用而破坏了其平衡状态后，系指的是当系统受到初始干扰力作用而破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动。统仅靠弹性恢复力来维持的振动。1自由振动自由振动 在切削过程中，加工材料硬度不均或工件表面有缺陷，都会引起自在切削过程中，加工材料硬度不均或工件表面有缺陷，都会引起自由振动，但由于阻尼作用，振动将迅速
50、减弱，因而对机械加工影响不大。由振动，但由于阻尼作用，振动将迅速减弱，因而对机械加工影响不大。振动的频率就是系统的固有频率；振动的频率就是系统的固有频率；自由振动将逐渐衰减。自由振动将逐渐衰减。由于系统中总存在阻尼由于系统中总存在阻尼特点特点产生原因产生原因本节主要讨论机械加本节主要讨论机械加工过程中强迫振动和工过程中强迫振动和自自激激振动的规律振动的规律。既可指工艺系统以外既可指工艺系统以外也可指工艺系统内部由刀具和工件组成的切削系统也可指工艺系统内部由刀具和工件组成的切削系统2强迫振动强迫振动强迫振动强迫振动 由由外界外界周期性激振力引起和维持的振动。周期性激振力引起和维持的振动。外界外界
