1、第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社第5章 机械加工表面质量控制5.1 影响加工表面质量的因素5.2 机械加工中的振动5.3 控制机械加工表面质量的措施第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社5.1影响加工表面质量的因素机械加工表面质量对机器零件的使用性能，甚至整机的工作性能机械加工表面质量对机器零件的使用性能，甚至整机的工作性能都有很大影响。都有很大影响。深入研究影响加工表面质量的各种因素及其规律，探究提高和保深入研究影响加工表面质量的各种因素及其规律，探究提高和保证加工表面质量的措施和方法是机械制造工艺学研究的重要内容。证加工表面质量的措施和
2、方法是机械制造工艺学研究的重要内容。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社5.1.1影响表面粗糙度的工艺因素影响表面粗糙度的工艺因素影响加工表面粗糙度的工艺因素主要有几何因素和物理因素两个影响加工表面粗糙度的工艺因素主要有几何因素和物理因素两个方面。加工方式不同，影响的工艺因素也各不相同。方面。加工方式不同，影响的工艺因素也各不相同。1.切削加工的表面粗糙度切削加工的表面粗糙度1）几何因素）几何因素影响表面粗糙度的几何因素是指刀具相对工件作进给运动时，由影响表面粗糙度的几何因素是指刀具相对工件作进给运动时，由于刀具的几何形状、几何参数、进给运动及切削刃本身的粗糙度等影于
3、刀具的几何形状、几何参数、进给运动及切削刃本身的粗糙度等影响，未能完全将加工余量切除，在加工表面留下残留面积，形成表面响，未能完全将加工余量切除，在加工表面留下残留面积，形成表面粗糙度。粗糙度。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社 以车削或刨削加工零件表面为例。以车削或刨削加工零件表面为例。切削残留面积的高度与下列因素有关切削残留面积的高度与下列因素有关刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径 re 主偏角主偏角 Kr 副偏角副偏角 Kr 进给量进给量 f 刀刃本身的粗糙度等因素有关。刀刃本身的粗糙度等因素有关。切削深度较大且刀尖圆弧半径很小时，或者采用尖刀刃具切削时，切削深度较大且
4、刀尖圆弧半径很小时，或者采用尖刀刃具切削时，如图如图5.1(a)所示，残留面积的高度为所示，残留面积的高度为 rrfHctgctg第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社圆弧刀刃切削加工时，残留面积圆弧刀刃切削加工时，残留面积的高度与刀尖圆弧半径的高度与刀尖圆弧半径re和进给量和进给量f有有关，图关，图5.1(b)所示的几何关系可近似所示的几何关系可近似为为 eeerfrfrH84222减小进给量、增大刀尖圆弧半径、减小主偏角或副偏角都会使表面减小进给量、增大刀尖圆弧半径、减小主偏角或副偏角都会使表面粗糙度得到改善，但以进给量和刀尖圆弧半径的影响最为明显。粗糙度得到改善，
5、但以进给量和刀尖圆弧半径的影响最为明显。实际加工表面的粗糙度总是大于上面两个残留面积高度公式的理论实际加工表面的粗糙度总是大于上面两个残留面积高度公式的理论计算值，只有切削脆性材料或高度切削塑性材料时，计算结果才比较接计算值，只有切削脆性材料或高度切削塑性材料时，计算结果才比较接近实际。近实际。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社2）物理因素）物理因素在切削过程中刀具对工件的挤压和摩擦等物理因素使金属材料发生在切削过程中刀具对工件的挤压和摩擦等物理因素使金属材料发生塑性变形，从而影响理论残留部分的轮廓以及表面粗糙度。加工获得塑性变形，从而影响理论残留部分的轮廓以及表面
6、粗糙度。加工获得的表面粗糙度轮廓形状是几何因素和物理因素综合作用的结果。的表面粗糙度轮廓形状是几何因素和物理因素综合作用的结果。影响表面粗糙度的影响表面粗糙度的物理因素物理因素可归结为以下几个方面：可归结为以下几个方面：（1）刀具几何参数及刀具材料刀具几何参数及刀具材料刀具的几何参数对切削加工表面粗糙度影响很大。刀具的主偏角、刀具的几何参数对切削加工表面粗糙度影响很大。刀具的主偏角、副偏角和刀尖圆弧半径影响较为显著。副偏角和刀尖圆弧半径影响较为显著。适当增大适当增大刀具前角刀具前角可以有效改善加工表面粗糙度。而可以有效改善加工表面粗糙度。而刀具后角刀具后角的大的大小与已加工表面的摩擦有关，后角
7、大的刀具有利于改善表面粗糙度。小与已加工表面的摩擦有关，后角大的刀具有利于改善表面粗糙度。但后角过大，对刀刃强度不利，易产生切削振动，表面粗糙度反而增但后角过大，对刀刃强度不利，易产生切削振动，表面粗糙度反而增大。大。选用强度好，特别是热硬性高的材料制造的刀具，易于保持刃口锋选用强度好，特别是热硬性高的材料制造的刀具，易于保持刃口锋利，而且摩擦系数小、耐磨性好，在切削加工时则能获得较小的表面利，而且摩擦系数小、耐磨性好，在切削加工时则能获得较小的表面粗糙度。粗糙度。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社（2）工件的材料及热处理工件的材料及热处理工件材料的品种、成分和性质
8、，以及热处理方法的不同，加工表工件材料的品种、成分和性质，以及热处理方法的不同，加工表面的粗糙度也存在一定差别。面的粗糙度也存在一定差别。塑性材料切削加工过程中，如低碳钢、耐热钢、铝合金和高温合塑性材料切削加工过程中，如低碳钢、耐热钢、铝合金和高温合金等，在一定切速下会在刀面形成硬度很高的积屑瘤，从而改变刀具金等，在一定切速下会在刀面形成硬度很高的积屑瘤，从而改变刀具的几何形状和加工进给量，使加工表面的粗糙度严重恶化。而脆性材的几何形状和加工进给量，使加工表面的粗糙度严重恶化。而脆性材料加工后，一般其表面粗糙度易于达到要求。料加工后，一般其表面粗糙度易于达到要求。对于同样的工件材料，若金相组织
9、的晶粒粗大，则切削加工获得对于同样的工件材料，若金相组织的晶粒粗大，则切削加工获得的表面粗糙度越差。因此，为减小切削加工的表面粗糙度值，常在加的表面粗糙度越差。因此，为减小切削加工的表面粗糙度值，常在加工前对工件材料进行调质处理，以获得较均匀的、细密的晶粒组织和工前对工件材料进行调质处理，以获得较均匀的、细密的晶粒组织和较高的硬度。较高的硬度。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社（3）切削用量切削用量一般来说，切削深度对加工表面粗糙度影响不明显，但过小的切削一般来说，切削深度对加工表面粗糙度影响不明显，但过小的切削深度无法维持正常切削，常会引起刀刃与工件相互挤压、摩擦
10、，使加工深度无法维持正常切削，常会引起刀刃与工件相互挤压、摩擦，使加工表面质量恶化。表面质量恶化。切削速度、进给量对表面粗糙度影响较大。较小的切削进给量可减切削速度、进给量对表面粗糙度影响较大。较小的切削进给量可减少残留面积的高度，减轻切削力和工件材料的塑性变形程度，从而获得少残留面积的高度，减轻切削力和工件材料的塑性变形程度，从而获得较低的表面粗糙度值。但进给量过小，刀刃不能进行切削而仅形成挤压较低的表面粗糙度值。但进给量过小，刀刃不能进行切削而仅形成挤压，致使工件的塑性变形程度增大，使表面粗糙度变大。切削过程中，切，致使工件的塑性变形程度增大，使表面粗糙度变大。切削过程中，切削速度越高，则
11、被加工表面的塑性变形程度越小，表面粗糙度越好。削速度越高，则被加工表面的塑性变形程度越小，表面粗糙度越好。（4）刀具的刃磨刀具的刃磨考虑到刀具刃口表面粗糙度在工件表面的复映效果，提高刀具的刃考虑到刀具刃口表面粗糙度在工件表面的复映效果，提高刀具的刃磨质量也能改善表面粗糙度。磨质量也能改善表面粗糙度。（5）润滑冷却液润滑冷却液切削过程中，润滑冷却液可吸收、传递切削区内的热量，减小摩擦切削过程中，润滑冷却液可吸收、传递切削区内的热量，减小摩擦、促进切屑分离，减轻力、热的综合作用，抑制刀瘤和鳞刺的产生，减、促进切屑分离，减轻力、热的综合作用，抑制刀瘤和鳞刺的产生，减少切削的塑性变形，利于改善加工表面
12、的粗糙度。少切削的塑性变形，利于改善加工表面的粗糙度。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社2.磨削加工表面粗糙度磨削加工表面粗糙度磨削磨削是较为常见的精加工方法，其表面粗糙度的形成也是由几何是较为常见的精加工方法，其表面粗糙度的形成也是由几何因素和物理因素决定的，但磨削过程较切削过程复杂。因素和物理因素决定的，但磨削过程较切削过程复杂。1）磨削加工表面粗糙度的形成）磨削加工表面粗糙度的形成磨削加工是通过砂轮和工件的相对运动，使得分布在砂轮表面上磨削加工是通过砂轮和工件的相对运动，使得分布在砂轮表面上的磨粒对工件表面进行磨削加工。的磨粒对工件表面进行磨削加工。砂轮的磨粒
13、分布存在很大的不均匀性和不规则性，尖锐且突出的砂轮的磨粒分布存在很大的不均匀性和不规则性，尖锐且突出的磨粒可产生切削作用，而不足以形成切削的磨粒可产生刻划作用，形磨粒可产生切削作用，而不足以形成切削的磨粒可产生刻划作用，形成划痕并引起塑性变形，更低而钝的磨粒则在工件表面引起弹性变形成划痕并引起塑性变形，更低而钝的磨粒则在工件表面引起弹性变形，产生滑擦作用。因此磨削加工的表面是砂轮上大量的磨粒刻划出的，产生滑擦作用。因此磨削加工的表面是砂轮上大量的磨粒刻划出的无数极细的刻痕形成的。无数极细的刻痕形成的。另外，磨削加工时的速度较高，砂轮磨粒大多具有较大的负前角另外，磨削加工时的速度较高，砂轮磨粒大
14、多具有较大的负前角，磨粒与表面间的相互作用较强，将造成磨削比压大、磨削区的温度，磨粒与表面间的相互作用较强，将造成磨削比压大、磨削区的温度较高。如果工件表层温度过高，则表层金属易软化、微熔或产生相变较高。如果工件表层温度过高，则表层金属易软化、微熔或产生相变。而且，每个磨粒所切削的厚度仅为。而且，每个磨粒所切削的厚度仅为0.2m左右，大多数磨粒在磨削加左右，大多数磨粒在磨削加工过程中仅起到挤压作用，磨削余量是在磨粒的多次挤压作用下经过工过程中仅起到挤压作用，磨削余量是在磨粒的多次挤压作用下经过充分塑性变形出现疲劳剥落产生的，因而磨削加工的塑性变形一般要充分塑性变形出现疲劳剥落产生的，因而磨削加
15、工的塑性变形一般要比切削加工大。比切削加工大。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社2）影响磨削加工表面粗糙度的工艺因素）影响磨削加工表面粗糙度的工艺因素影响磨削表面粗糙度的主要工艺因素有如下几个方面：影响磨削表面粗糙度的主要工艺因素有如下几个方面：(1)砂轮的选择砂轮的选择砂轮的砂轮的粒度粒度、硬度硬度、组织组织、材料材料及及旋转质量平衡旋转质量平衡等因素都会影响等因素都会影响磨削表面粗糙度，在选择时应综合考虑。磨削表面粗糙度，在选择时应综合考虑。单纯从几何因素考虑，在相同的磨削条件下，砂轮的粒度细，则单纯从几何因素考虑，在相同的磨削条件下，砂轮的粒度细，则单位面积上
16、的磨粒多，加工表面上的刻痕细密均匀，磨削获得的表面单位面积上的磨粒多，加工表面上的刻痕细密均匀，磨削获得的表面粗糙度值小。但磨粒太细时，砂轮容易被磨屑堵塞。粗糙度值小。但磨粒太细时，砂轮容易被磨屑堵塞。通常磨粒的大小和磨粒之间的距离用通常磨粒的大小和磨粒之间的距离用粒度粒度表示，一般常取表示，一般常取46号号60号。号。砂轮的硬度是指磨粒从砂轮上脱落的难以程度砂轮的硬度是指磨粒从砂轮上脱落的难以程度。砂轮砂轮选择选择过硬过硬，则磨粒钝化后不易脱落，使得工件表面受到强烈，则磨粒钝化后不易脱落，使得工件表面受到强烈的摩擦和挤压作用，的摩擦和挤压作用，致使塑性变形的程度增加致使塑性变形的程度增加，增
17、大表面粗糙度增大表面粗糙度。反。反之，之，砂轮砂轮选择选择太软太软，则磨粒易于脱落，产生磨损不均匀，从而磨削作，则磨粒易于脱落，产生磨损不均匀，从而磨削作用减弱，用减弱，难以保证工件表面的粗糙度难以保证工件表面的粗糙度。因此，砂轮硬度选择要适当，。因此，砂轮硬度选择要适当，通常选用中软砂轮。通常选用中软砂轮。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社砂轮的组织砂轮的组织是指磨粒、结合剂和气孔的比例关系。是指磨粒、结合剂和气孔的比例关系。紧密组织紧密组织能获得高精度和较小的表面粗糙度值，而能获得高精度和较小的表面粗糙度值，而疏松组织疏松组织的的砂轮不易阻塞，适合加工软金属、非
18、金属软材料和热敏性材料。砂轮不易阻塞，适合加工软金属、非金属软材料和热敏性材料。砂轮的材料砂轮的材料，即磨料的选择要综合考虑加工质量和成本。，即磨料的选择要综合考虑加工质量和成本。高硬磨料的砂轮可获得较小的表面粗糙度，但加工成本很高。高硬磨料的砂轮可获得较小的表面粗糙度，但加工成本很高。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社(2)磨削用量磨削用量磨削用量磨削用量主要指砂轮速度、工件速度、进给量和磨削深度等，即磨削加主要指砂轮速度、工件速度、进给量和磨削深度等，即磨削加工的条件。工的条件。提高提高砂轮速度砂轮速度，则通过被磨削表面单位面积上的磨粒数和划痕增加。与，则通过被
19、磨削表面单位面积上的磨粒数和划痕增加。与此同时，每个磨粒的负荷小，热影响区浅，工件材料的塑性变形的传播速度此同时，每个磨粒的负荷小，热影响区浅，工件材料的塑性变形的传播速度可能大于磨削速度，工件来不及产生塑性变形，使得表面层金属的塑性变形可能大于磨削速度，工件来不及产生塑性变形，使得表面层金属的塑性变形现象减轻，磨削表面的粗糙度值将明显减小。现象减轻，磨削表面的粗糙度值将明显减小。工件速度工件速度对表面粗糙度值的影响与砂轮速度的影响相反，增大工件速度对表面粗糙度值的影响与砂轮速度的影响相反，增大工件速度时，单位时间内通过被磨表面的磨粒数减少，工件表面粗糙度值将增加。时，单位时间内通过被磨表面的
20、磨粒数减少，工件表面粗糙度值将增加。砂轮砂轮纵向进给量纵向进给量减少，工件表面被砂轮重复磨削的次数将增加，表面粗减少，工件表面被砂轮重复磨削的次数将增加，表面粗糙度值会减小；而轴向进给量减小时，单位时间内加工的长度短，表面粗糙糙度值会减小；而轴向进给量减小时，单位时间内加工的长度短，表面粗糙度值也会减小。度值也会减小。磨削深度磨削深度对表面粗糙度的影响很大。减小磨削深度，工件材料的塑性变对表面粗糙度的影响很大。减小磨削深度，工件材料的塑性变形减弱，被磨表面的粗糙度值会减小，但也会降低生产率。形减弱，被磨表面的粗糙度值会减小，但也会降低生产率。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华
21、大学出版社(3)砂轮的修整砂轮的修整修整砂轮修整砂轮是改善磨削表面粗糙度的重要措施，因为砂轮表面的不是改善磨削表面粗糙度的重要措施，因为砂轮表面的不平整在磨削时将被复映到被加工表面。平整在磨削时将被复映到被加工表面。修整砂轮的目的修整砂轮的目的是使砂轮具有正确的几何形状和获得具有磨削性是使砂轮具有正确的几何形状和获得具有磨削性能的锐利微刃。能的锐利微刃。砂轮的修整与修整工具、修整砂轮纵向进给量等有密切关系。以砂轮的修整与修整工具、修整砂轮纵向进给量等有密切关系。以单颗金刚石笔修整砂轮时，金刚石笔纵向进给量越小，金刚石越锋利单颗金刚石笔修整砂轮时，金刚石笔纵向进给量越小，金刚石越锋利，修出的砂轮
22、表面越光滑，磨粒微刃的等高性越好，磨出的工件表面，修出的砂轮表面越光滑，磨粒微刃的等高性越好，磨出的工件表面粗糙度越小。粗糙度越小。此外，工件材料的性质、磨削液等对磨削表面粗糙度的影响也很此外，工件材料的性质、磨削液等对磨削表面粗糙度的影响也很明显。明显。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社影响磨削加工表面粗糙度的因素粒度粒度RaRa 金刚石笔锋利金刚石笔锋利，修正导程修正导程、径向进给量、径向进给量 RaRa磨粒等高性磨粒等高性RaRa硬度硬度钝化磨粒脱落钝化磨粒脱落 RaRa硬度硬度磨粒脱落磨粒脱落RaRa硬度合适、自励性好硬度合适、自励性好RaRa太硬、太软、韧
23、性、导热性差太硬、太软、韧性、导热性差 RaRa砂轮粒度工件材料性质工件材料性质砂轮修正磨削用量磨削用量砂轮硬度砂轮砂轮V RaV Raa ap p、工件工件V V 塑变塑变 RaRa粗磨粗磨apap生产率生产率精磨精磨apap Ra(apRa(ap=0=0光磨光磨)影响磨削加工表面粗糙度的因素影响磨削加工表面粗糙度的因素第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社5.1.2影响零件表层物理力学性能的因素影响零件表层物理力学性能的因素机械加工过程中，工件表层在力、热的综合作用下，表面层的物机械加工过程中，工件表层在力、热的综合作用下，表面层的物理力学性能会发生变化，使其与金属
24、基体材料性能有所不同。理力学性能会发生变化，使其与金属基体材料性能有所不同。最主要的变化是表层金属显微硬度的改变，金相组织的变化和在最主要的变化是表层金属显微硬度的改变，金相组织的变化和在表层金属中产生残余应力和表面强化现象表层金属中产生残余应力和表面强化现象。不同的工件材料，不同的加工条件，会产生不同的表面层特性。不同的工件材料，不同的加工条件，会产生不同的表面层特性。在磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比切削加工时更严重，因而磨在磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比切削加工时更严重，因而磨削加工表面层的上述三项物理力学性能的变化会很大。削加工表面层的上述三项物理力学性能的变化会很大。第5章
25、加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社影响表面层物理力学性能的主要因素影响表面层物理力学性能的主要因素表面物理力学表面物理力学性能性能影响金相组织变化影响金相组织变化因素因素影响显微硬度因素影响显微硬度因素影响残余应力因素影响残余应力因素塑变引起的冷硬塑变引起的冷硬金相组织变化引起金相组织变化引起的硬度变化的硬度变化冷塑性变形冷塑性变形热塑性变形热塑性变形金相组织变化金相组织变化切削热切削热第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社1.加工表面的冷作硬化加工表面的冷作硬化磨削和切削加工中，若加工工件表面层产生的塑性变形使表面层磨削和切削加工中，若加工工件表
26、面层产生的塑性变形使表面层材料沿晶面产生剪切滑移，使晶格扭曲、畸变，产生晶粒拉长、破碎材料沿晶面产生剪切滑移，使晶格扭曲、畸变，产生晶粒拉长、破碎和纤维化，这将引起材料的强化，使工件表面层的强度和硬度增加，和纤维化，这将引起材料的强化，使工件表面层的强度和硬度增加，这种现象称为这种现象称为冷作硬化冷作硬化。评定表面层冷作硬化的指标主要以硬化层深度、表面层金属的显评定表面层冷作硬化的指标主要以硬化层深度、表面层金属的显微硬度和硬化程度表示。一般硬化程度越大，硬化深度也越大。微硬度和硬化程度表示。一般硬化程度越大，硬化深度也越大。硬化程度的表达式如下，硬化程度的表达式如下，式中式中 HV 加工后表
27、面层显微硬度，单位加工后表面层显微硬度，单位GPa；HV0 基体材料的显微硬度，单位基体材料的显微硬度，单位GPa。%00HVHVHVN第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社表面层冷作硬化的程度取决于产生塑性变形的力、变形速度和变表面层冷作硬化的程度取决于产生塑性变形的力、变形速度和变形时的温度。形时的温度。产生塑性变形的产生塑性变形的力越大力越大，塑性变形越大，硬化程度越大。，塑性变形越大，硬化程度越大。变形变形速度越大速度越大，则塑性变形越不充分，硬化程度反而减少。，则塑性变形越不充分，硬化程度反而减少。变形时的温度会影响塑性变形的程度和变形后金相组织恢复的能变形时
28、的温度会影响塑性变形的程度和变形后金相组织恢复的能力。力。冷作硬化的表面层金属处于高能位不稳定状态冷作硬化的表面层金属处于高能位不稳定状态，在某些条件下，在某些条件下(如温度变化在某范围内如温度变化在某范围内)，金属结构会向稳定的结构转化，从而部分，金属结构会向稳定的结构转化，从而部分地消除冷作硬化，即弱化。因此，工件加工后表面层的最终性质是强地消除冷作硬化，即弱化。因此，工件加工后表面层的最终性质是强化和弱化作用的综合结果。化和弱化作用的综合结果。实际上，冷作硬化的程度和深度还与金属基体的性质、机械加工实际上，冷作硬化的程度和深度还与金属基体的性质、机械加工的方法和条件有关。的方法和条件有关
29、。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社1）影响切削加工表面冷作硬化的因素）影响切削加工表面冷作硬化的因素切削加工过程中，被加工材料、刀具几何参数和切削用量均在不同切削加工过程中，被加工材料、刀具几何参数和切削用量均在不同程度上影响表面层的冷作硬化程度。程度上影响表面层的冷作硬化程度。(1)被加工材料的影响被加工材料的影响工件材料的硬度越小、塑性越大，切削后的冷硬程度越严重。工件材料的硬度越小、塑性越大，切削后的冷硬程度越严重。就碳素结构钢而言，含碳量越低，强度越低，塑性越大，因表面层就碳素结构钢而言，含碳量越低，强度越低，塑性越大，因表面层的而冷硬程度严重。的而冷硬程
30、度严重。(2)刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响刀具的前角、刃钝圆半径和后面的磨损对冷硬程度有很大影响，而刀具的前角、刃钝圆半径和后面的磨损对冷硬程度有很大影响，而后角、主偏角、副偏角及刀尖圆弧半径等的影响不大。后角、主偏角、副偏角及刀尖圆弧半径等的影响不大。刀具刃钝圆半径增大时，加工后表面的冷硬层深度和硬度也随之增刀具刃钝圆半径增大时，加工后表面的冷硬层深度和硬度也随之增大。原因在于切削刃钝圆半径增大会加大径向切削力，从而加剧塑性变大。原因在于切削刃钝圆半径增大会加大径向切削力，从而加剧塑性变形，导致硬化现象严重。形，导致硬化现象严重。刀具后面的磨损量增加时，使得刀具后面与被加工表面的摩擦
31、加剧刀具后面的磨损量增加时，使得刀具后面与被加工表面的摩擦加剧，塑性变形增大，从而表层冷硬程度增大。，塑性变形增大，从而表层冷硬程度增大。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社(3)切削用量的影响切削用量的影响在切削用量中，以切削速度和进给量影响较大。在切削用量中，以切削速度和进给量影响较大。在不致引起表层金相组织发生相变的范围内，在不致引起表层金相组织发生相变的范围内，增加切削速度增加切削速度时，刀时，刀具与工件的接触时间缩短，使得塑性变形程度减小，硬化层深度和硬度具与工件的接触时间缩短，使得塑性变形程度减小，硬化层深度和硬度都有所减小。都有所减小。进给量增大进给量增
32、大时，切削力增大，表层的塑性变形程度也增大，从而加时，切削力增大，表层的塑性变形程度也增大，从而加剧表面层的冷作硬化程度。剧表面层的冷作硬化程度。进给量过小时进给量过小时，由于刀具刃口圆角在加工表面单位长度上的挤压次，由于刀具刃口圆角在加工表面单位长度上的挤压次数增多，反而会增大硬化程度。数增多，反而会增大硬化程度。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社影响表面层加工硬化的因素影响表面层加工硬化的因素 刀具几何形状刀具几何形状的影响的影响切削刃切削刃 rr、前角前角、后面磨损量、后面磨损量VBVB 表层金属的塑变加剧表层金属的塑变加剧冷硬冷硬切削用量的影响切削用量的影响
33、 切削速度切削速度vv塑变塑变冷硬冷硬 ff切削力切削力塑变塑变冷硬冷硬工件材料性能工件材料性能的影响的影响 材料塑性材料塑性冷硬冷硬第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社2）影响磨削加工表面冷作硬化的因素影响磨削加工表面冷作硬化的因素相比较而言，磨削加工的温度比切削加工温度高很多，磨削过程中相比较而言，磨削加工的温度比切削加工温度高很多，磨削过程中的弱化作用或金相组织的变化起主导作用，使得磨削加工表面的硬化规的弱化作用或金相组织的变化起主导作用，使得磨削加工表面的硬化规律较为复杂。律较为复杂。(1)被加工材料的影响被加工材料的影响工件材料的塑性好，则磨削加工时塑性变形
34、大，冷硬倾向大。导热工件材料的塑性好，则磨削加工时塑性变形大，冷硬倾向大。导热性能佳的材料，磨削加工产生的热量不易集中于表面层，弱化倾向小。性能佳的材料，磨削加工产生的热量不易集中于表面层，弱化倾向小。例如例如磨削高碳工具钢磨削高碳工具钢T8时，加工表面冷硬程度平均达时，加工表面冷硬程度平均达60%65%；磨削纯铁磨削纯铁时，加工表面冷硬程度可达时，加工表面冷硬程度可达75%80%，甚至有时可达，甚至有时可达140%150%。原因在于纯铁的塑性好，磨削时的塑性变形大，强化倾向大，而且原因在于纯铁的塑性好，磨削时的塑性变形大，强化倾向大，而且纯铁的导热性比高碳钢高，热不易集中于表面层，弱化倾向小
35、。纯铁的导热性比高碳钢高，热不易集中于表面层，弱化倾向小。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社(2)磨削用量的影响磨削用量的影响磨削速度磨削速度的提高会减弱塑性变形的程度，而且磨削区温度的增高的提高会减弱塑性变形的程度，而且磨削区温度的增高会加强弱化作用。所以，高速磨削加工表面的冷硬程度一般比普通磨会加强弱化作用。所以，高速磨削加工表面的冷硬程度一般比普通磨削低。削低。相对而言，相对而言，工件速度工件速度对冷硬程度的影响与磨削速度的影响基本相对冷硬程度的影响与磨削速度的影响基本相反。反。磨削加工的磨削加工的磨削力磨削力会随磨削深度的加大而增大，从而加工件表面会随磨削深
36、度的加大而增大，从而加工件表面的塑性变形程度，表面冷硬倾向增大。的塑性变形程度，表面冷硬倾向增大。加大纵向进给速度加大纵向进给速度时，磨削加工的磨削力加大，冷硬倾向增大。时，磨削加工的磨削力加大，冷硬倾向增大。但纵向进给速度的提高也可能使磨削区产生较大的热量而使冷硬减弱但纵向进给速度的提高也可能使磨削区产生较大的热量而使冷硬减弱。因而加工表面的冷硬状况要考虑这两种因素的综合作用。因而加工表面的冷硬状况要考虑这两种因素的综合作用。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社2.加工表面的金相组织变化与磨削烧伤加工表面的金相组织变化与磨削烧伤1）表面层金相组织的变化及磨削烧伤的发
37、生）表面层金相组织的变化及磨削烧伤的发生机械加工过程中，加工时所消耗的能量绝大部分转化为热能，而机械加工过程中，加工时所消耗的能量绝大部分转化为热能，而使工件表面的加工区域及其附近区域的温度升高。当温升超过工件材使工件表面的加工区域及其附近区域的温度升高。当温升超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织的变化。料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织的变化。一般的切削加工不一定产生加工表面层金相组织的变化，原因是一般的切削加工不一定产生加工表面层金相组织的变化，原因是单位内切削截面所消耗的功率不是很大，温度升高一般不会达到相变单位内切削截面所消耗的功率不是很大，温度升高一般不会达到
38、相变温度。温度。磨削加工时，磨削比压和磨削速度较高，切除单位截面金属所消磨削加工时，磨削比压和磨削速度较高，切除单位截面金属所消耗的功率大于其它加工方法。这些热量部分由切屑带走，很小一部分耗的功率大于其它加工方法。这些热量部分由切屑带走，很小一部分传给砂轮。假若冷却效果不好，则这些热量中的大部分传给砂轮。假若冷却效果不好，则这些热量中的大部分(80%左右左右)将传将传给被加工工件表面，使工件表层金属强度和硬度降低，并伴有残余应给被加工工件表面，使工件表层金属强度和硬度降低，并伴有残余应力的产生，甚至出现微观裂纹，这种现象称为力的产生，甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤磨削烧伤。磨削加工是一
39、种典型的、易使加工表面层产生金相组织变化的加磨削加工是一种典型的、易使加工表面层产生金相组织变化的加工方法工方法。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社影响磨削加工时表面层金相组织变化的因素主要有工件材料、磨影响磨削加工时表面层金相组织变化的因素主要有工件材料、磨削温度、温度梯度及冷却速度等。然而，各种材料的金相组织及其转削温度、温度梯度及冷却速度等。然而，各种材料的金相组织及其转变特性是不同的。如轴承钢、高速钢及镍铬钢等高合金钢材料，磨削变特性是不同的。如轴承钢、高速钢及镍铬钢等高合金钢材料，磨削时若冷却不充分则容易使工件表面层上形成的瞬时高温，产生磨削烧时若冷却不充
40、分则容易使工件表面层上形成的瞬时高温，产生磨削烧伤。磨削淬火钢时，根据温度的不同一般分为三种烧伤：伤。磨削淬火钢时，根据温度的不同一般分为三种烧伤：(1)回火烧伤回火烧伤 如果磨削区的温度超过马氏体的转变温度如果磨削区的温度超过马氏体的转变温度(中碳钢为中碳钢为350)，但末，但末超过淬火钢的相变临界温度超过淬火钢的相变临界温度(碳钢的相变温度约为碳钢的相变温度约为720)时，则工件表时，则工件表面层金属的马氏体组织会产生回火现象，转变成硬度较低的回火组织面层金属的马氏体组织会产生回火现象，转变成硬度较低的回火组织(索氏体或托氏体索氏体或托氏体)。这种烧伤称为回火烧伤。这种烧伤称为回火烧伤。(
41、2)淬火烧伤淬火烧伤 如果磨削区温度超过了相变温度，且在冷却液的急冷作用下，表如果磨削区温度超过了相变温度，且在冷却液的急冷作用下，表面会出现二次淬火马氏体组织，硬度比原来的回火马氏体高，但其厚面会出现二次淬火马氏体组织，硬度比原来的回火马氏体高，但其厚度很薄。在它的下层，因冷却较慢会出现硬度比原来回火马氏体低的度很薄。在它的下层，因冷却较慢会出现硬度比原来回火马氏体低的回火索氏体或托氏体。这称为淬火烧伤。回火索氏体或托氏体。这称为淬火烧伤。(3)退火烧伤退火烧伤 如果磨削区温度超过相变温度，但磨削过程没有冷却液，这时工如果磨削区温度超过相变温度，但磨削过程没有冷却液，这时工件表层金属将被退火
42、，表面硬度急剧下降。这称为退火烧伤。一般干件表层金属将被退火，表面硬度急剧下降。这称为退火烧伤。一般干磨时很容易产生这种情况。磨时很容易产生这种情况。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社 淬火烧伤淬火烧伤回火烧伤回火烧伤退火烧伤退火烧伤 磨削时工件表面温度超过相变临界磨削时工件表面温度超过相变临界温度温度Ac3Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。在时，则马氏体转变为奥氏体。在冷却液作用下，工件最外层金属会出现二冷却液作用下，工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回马氏体高，但很薄，其
43、下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极薄，火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极薄，表面层总的硬度是降低的，这种现象称为表面层总的硬度是降低的，这种现象称为淬火烧伤。淬火烧伤。磨削时，如果工件表面层温度只磨削时，如果工件表面层温度只是超过原来的回火温度，则表层原来是超过原来的回火温度，则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象而的回火马氏体组织将产生回火现象而转变为硬度较低的回火组织（索氏体转变为硬度较低的回火组织（索氏体或屈氏体），这种现象称为回火烧伤。或屈氏体），这种现象称为回火烧伤。磨削时，当工件表面层温度超过磨削时，当工件表面层温度超过相变临界温度相变临界温度Ac3Ac3时，则马
44、氏体转变时，则马氏体转变为奥氏体。若此时无冷却液，表层金为奥氏体。若此时无冷却液，表层金属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织。属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织。硬度和强度均大幅度下降。这种现象硬度和强度均大幅度下降。这种现象称为退火烧伤。称为退火烧伤。磨削烧伤的磨削烧伤的三种形式三种形式第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社2）防止磨削烧伤的工艺措施）防止磨削烧伤的工艺措施如果在磨削加工中出现磨削烧伤现象，零件的使用性能将会受到如果在磨削加工中出现磨削烧伤现象，零件的使用性能将会受到严重影响。严重影响。磨削热是磨削烧伤的根源磨削热是磨削烧伤的根源改善磨削烧伤的途径主要有两个
45、：一是改善磨削烧伤的途径主要有两个：一是减少磨削热的产生减少磨削热的产生；二是；二是改善冷却条件改善冷却条件。通常采用以下工艺途径改善磨削烧伤的程度。通常采用以下工艺途径改善磨削烧伤的程度。合理选择砂轮合理选择砂轮砂轮的硬度、粒度、结合剂和组织等对磨削烧伤有很大影响。磨砂轮的硬度、粒度、结合剂和组织等对磨削烧伤有很大影响。磨削导热性差的材料削导热性差的材料(如耐热钢、轴承钢及不锈钢等如耐热钢、轴承钢及不锈钢等)，或干磨、磨削空心，或干磨、磨削空心薄壁零件以及工件与砂轮接触弧较长时，更易产生烧伤现象。为避免薄壁零件以及工件与砂轮接触弧较长时，更易产生烧伤现象。为避免产生烧伤，应选择较软的砂轮。具
46、有一定弹性的结合剂产生烧伤，应选择较软的砂轮。具有一定弹性的结合剂(如橡胶结合剂如橡胶结合剂，树脂结合剂，树脂结合剂)，或组织疏松的砂轮，利于减轻烧伤。，或组织疏松的砂轮，利于减轻烧伤。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。、防止工件烧伤也有一定效果。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社控制磨削用量控制磨削用量 一般情况下，提高工件回转速度具有减小烧伤层深度的作用，同一般情况下，提高工件回转速度具有减小烧伤层深度的作用，同时相应提高砂轮速度可避免烧伤，并能兼顾工件的表
47、面粗糙度。时相应提高砂轮速度可避免烧伤，并能兼顾工件的表面粗糙度。减小磨削深度和加大纵向进给量，也能够降低表面层温度改善烧减小磨削深度和加大纵向进给量，也能够降低表面层温度改善烧伤，但会导致表面粗糙度值增大。一般采用提高砂轮转速或较宽砂轮伤，但会导致表面粗糙度值增大。一般采用提高砂轮转速或较宽砂轮来弥补。来弥补。改善冷却条件改善冷却条件 改善冷却条件可将磨削产生的热量迅速带走，从而降低磨削区的改善冷却条件可将磨削产生的热量迅速带走，从而降低磨削区的温度，有效地防止烧伤现象的产生。温度，有效地防止烧伤现象的产生。磨削冷却液能降低温度、减少烧伤、冲去脱落的砂粒和切屑，既磨削冷却液能降低温度、减少烧
48、伤、冲去脱落的砂粒和切屑，既能改善烧伤又能减小表面粗糙度。选取比热大的磨削冷却液，加大磨能改善烧伤又能减小表面粗糙度。选取比热大的磨削冷却液，加大磨削液的压力和流量，能够提高热传递效率，利于避免烧伤。削液的压力和流量，能够提高热传递效率，利于避免烧伤。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社目前通用的冷却方法较差，由于砂轮的高速旋转，圆周方向产生强目前通用的冷却方法较差，由于砂轮的高速旋转，圆周方向产生强大气流，使得磨削液很难直接送入磨削区，冷却效果很差。而大气流，使得磨削液很难直接送入磨削区，冷却效果很差。而内冷却内冷却是是一种较为有效的方法，如图一种较为有效的方法，如
49、图5.2所示。所示。内冷却内冷却工作原理是将严格过滤后工作原理是将严格过滤后的冷却液通过中空主轴法兰套引入砂的冷却液通过中空主轴法兰套引入砂轮的中心腔内，在离心力的作用下冷轮的中心腔内，在离心力的作用下冷却液会通过砂轮内部的孔隙向砂轮四却液会通过砂轮内部的孔隙向砂轮四周的边缘洒出，冷却液就有可能直接周的边缘洒出，冷却液就有可能直接注入磨削区。注入磨削区。内冷却装置内冷却装置会产生会产生大量水雾大量水雾，影，影响加工条件，而且响加工条件，而且磨削冷却液必须严磨削冷却液必须严格过滤格过滤，要求杂质不超过，要求杂质不超过0.02%，以，以防止堵塞砂轮内部孔隙。所以，其应防止堵塞砂轮内部孔隙。所以，其
50、应用不广。用不广。第5章加工表面质量控制机械制造工艺学 常同立等 清华大学出版社实际中多采用实际中多采用开槽砂轮开槽砂轮，即在砂轮的圆周上开一些横槽，开槽砂，即在砂轮的圆周上开一些横槽，开槽砂轮的形状如图所示，这就能使砂轮将冷却液带入磨削区；同时，开槽轮的形状如图所示，这就能使砂轮将冷却液带入磨削区；同时，开槽可使砂轮间断磨削，工件受热时间缩短，金相组织来不及转变，开槽可使砂轮间断磨削，工件受热时间缩短，金相组织来不及转变，开槽砂轮还能起到风冷作用，改善散热条件。砂轮还能起到风冷作用，改善散热条件。因此，开槽砂轮可有效地防止烧伤现象产生。开槽的形状主要有因此，开槽砂轮可有效地防止烧伤现象产生。
