已加工表面质量

1、机械工程系金属切削原理与机床 学习内容学习内容 一、一、已加工表面质量概已加工表面质量概 述述 二、二、已加工表面粗糙度已加工表面粗糙度 三、加工硬化法三、加工硬化法 四、残余应力四、残余应力 机械工程系金属切削原理与机床 第一节 已加工表面质量概述 一、已加工表面的形成过程一、已加工表面的形成过程 VB r a a 受到刀刃顿圆半径挤压受到刀刃顿圆半径挤压 VBVB的摩擦的摩擦 弹性恢复弹性恢复h h 加工表面在加工表面在CDCD长度上长度上 继续与后刀面摩擦继续与后刀面摩擦已加工已加工 表面，表面，加工变质层加工变质层。 机械工程系金属切削原理与机床 尺寸精度 形状精度 位置精度 （通常形

2、状误差限制在位置公差内，位 置公差限制在尺寸公差内） 表面粗糙度 波度 纹理方向 伤痕（划痕、裂纹、砂眼等） 加工精度 表面质量 表面几何形状精度 表面层的物理性能 表层加工硬化 表层金相组织变化 表层残余应力 图1 加工质量包含的内容 二、已加工表面质量的范畴 机械工程系金属切削原理与机床 第一节 已加工表面质量概述 1表面粗糙度对耐磨性的影响 由于两相互摩擦零件配合时，不是全部表面 接触，只是一些凸峰相接触，其实际接触面小， 导致单位面积上压力增大，磨损加快，这些凸峰 很快压扁磨平，使零件从而失去了原有的精度。 表面粗糙度并不是越小越好，若表面粗糙度 太小，不利于润滑油储存，致使接面形成干

3、摩擦。 在一定条件下，摩擦表面有一个最佳表面粗糙度 值，一般为0.40.8m。 机械工程系金属切削原理与机床 第一节 已加工表面质量概述 2表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 零件表面越粗糙，在交变载荷的作用下容易 引起应力集中。其应力超过疲劳极限，就会产生 疲劳裂纹。 3表面粗糙度对耐腐蚀性的影响 表面粗糙度值大，腐蚀物质易积于坑凹中腐 蚀金属表面，降低工件的表面质量。 机械工程系金属切削原理与机床 第一节 已加工表面质量概述 4表面粗糙度对配合性质的影响 表面粗糙度太粗，对于间隙配合间隙配合的表面，会 因峰尖在工作过程中很快磨掉而使问隙增大，降 低配合精度； 对于过盈配合过盈配合，则因装配时表

4、面的峰顶被挤平， 使有效实际过盈量减小，同样降低配合的连接强 度。 机械工程系金属切削原理与机床 第一节 已加工表面质量概述 5 5加工硬化加工硬化的影响的影响 加工硬化在某些情况下可提高工件的耐磨性 和疲劳强度，但常伴随大量细微裂纹出现，降低 抗冲击能力。 另外，加工硬化也能使后道工序切削加工困 难，使刀具磨损严重。 机械工程系金属切削原理与机床 第一节 已加工表面质量概述 6 6残余应力的残余应力的影响影响 残余应力的存在使工件逐渐变形，影响工件 形状、尺寸精度。另外，残余应力易使零件产生 裂纹而降低耐磨性、疲劳强度和耐腐蚀性。 实践证明实践证明： 许多零件的报废往往起源于零件的表面 缺陷

5、。 机械工程系金属切削原理与机床 第二节 已加工便面粗糙度 一、表面粗糙度产生的原因一、表面粗糙度产生的原因 1 1几何因素所产生的粗糙度。残留面积高度几何因素所产生的粗糙度。残留面积高度 2 2由于切削过程不稳定因素所产生的粗糙度。由于切削过程不稳定因素所产生的粗糙度。 积屑瘤、鳞刺、切削变形、刀具的边界磨损、积屑瘤、鳞刺、切削变形、刀具的边界磨损、 刀刃与工件相对位置变动。刀刃与工件相对位置变动。 机械工程系金属切削原理与机床 第二节 已加工便面粗糙度 一、表面粗糙度产生的原因一、表面粗糙度产生的原因 1 1残留面积残留面积 由于刀具上有由于刀具上有主偏角主偏角KrKr和和副偏角副偏角k

6、kr r， 使工件的被切削层材料不能完全被切除，使工件的被切削层材料不能完全被切除， 而在工件已加工表面上形成间距等于进给而在工件已加工表面上形成间距等于进给 量量f f的螺旋状条纹。的螺旋状条纹。残留面积高度愈大，表残留面积高度愈大，表 面光洁度愈差面光洁度愈差。 机械工程系金属切削原理与机床 图 4-8 已加工表面上理论粗糙度 a）r=0 b）r0 机械工程系金属切削原理与机床 第二节 已加工便面粗糙度 残留面积是形成表面粗糙度的主要组成部 分，残留面积亦称为理论粗糙度，常用它的高 度Rmax表示。 图4-8a中由 形成残留面积高度Rmax maxmax cotcot rr faddbRk

7、Rk 0r max cotcot rr f R kk 机械工程系金属切削原理与机床 第二节 已加工便面粗糙度 2 2 2 max 28 ff Rrr r 图4-8b中由 0形成残留面积高度Rmax 残留面积高度，随着进给量f的减小及主、副偏 角的减小或刀尖圆弧半径的增大而减小。 r 机械工程系金属切削原理与机床 第二节 已加工便面粗糙度 2 2、积屑瘤的影响、积屑瘤的影响 不利方面： A、其增大背吃刀量，造成过切现象，而影响加工 的尺寸精度； B、高低不平，会在工件表面造成犁沟现象，影响 表面粗糙度； C、脱落的碎片会粘附或嵌入工作表面上，而影响 表面加工质量。（精加工必须抑制积屑瘤） 机械工

8、程系金属切削原理与机床 图4-9 积削瘤对表面粗糙度影响（32x） a)积削瘤掉落时的照片 b）积削瘤影响表面粗糙度 机械工程系金属切削原理与机床 第二节 已加工便面粗糙度 3 3鳞刺的影响鳞刺的影响 鳞刺是在已加工表面的速度方向上残留着突出 的鳞片状毛刺，它是经常产生在对塑性材料的车、 拉、攻丝和滚齿等加工中。 鳞刺是在使用中、低速及较大进给量，并在 严重摩擦和挤压条件下切削使切削层导裂而形成 的，由于鳞刺的影响促使已加工表面更为粗糙不 平。 机械工程系金属切削原理与机床 图 4-10 在已加工表面上突出的鳞刺 机械工程系金属切削原理与机床 关于鳞刺产生的两种观点：关于鳞刺产生的两种观点：

9、1）积屑瘤说 持这种观点的人认为：积屑瘤底部稳定，顶部不稳 定； 不稳定的顶部的生长与分裂，是导致鳞刺产生的主 要原因。 积屑瘤对已加工表面粗糙度的影响积屑瘤对已加工表面粗糙度的影响 积屑瘤自身能增大已加工表面粗糙度之外，它还在已积屑瘤自身能增大已加工表面粗糙度之外，它还在已 加工表面上导致鳞刺的形成，进一步增大粗糙度。加工表面上导致鳞刺的形成，进一步增大粗糙度。 第二节 已加工便面粗糙度 机械工程系金属切削原理与机床 3、鳞刺 2）层积金属说 持此种观点的人认 为：形成鳞刺的过 程经过了4个阶段： 抹拭、导裂、层积、 切顶。 ac 鳞刺形成过程各阶段的示意图 ac 机械工程系金属切削原理与机

10、床 4、切削过程的变形 切削变形影响表面粗糙度的过程：切削变形影响表面粗糙度的过程： 1 1）切削单元带有）切削单元带有周期性的断裂周期性的断裂，这种断裂深入到切削，这种断裂深入到切削 表面以下，从而在加工表面上留下表面以下，从而在加工表面上留下挤压的痕迹挤压的痕迹，而成，而成 为为波浪形波浪形。 2 2）由于切削刃两端）由于切削刃两端没有来自侧面的约束力没有来自侧面的约束力，加工过程，加工过程 中工件材料被挤压，产生中工件材料被挤压，产生隆起隆起，降低了被加工表面的，降低了被加工表面的 粗糙度。粗糙度。 说明见下图说明见下图 机械工程系金属切削原理与机床 机械工程系金属切削原理与机床 5、刀

11、具的边界摩擦对粗糙度地影响、刀具的边界摩擦对粗糙度地影响 刀具磨损后，有时会在副后面上产生沟槽形的边界磨损，从而在刀具磨损后，有时会在副后面上产生沟槽形的边界磨损，从而在 已加工表面上形成锯齿状的凸出，影响被加工表面的粗糙度。已加工表面上形成锯齿状的凸出，影响被加工表面的粗糙度。 机械工程系金属切削原理与机床 第二节 已加工便面粗糙度 刀具磨损的影响刀具磨损的影响 刀具的后角过小或后面出现严重磨损， 使刀具后面与加工表面间产生挤压和摩擦， 形成了理论粗糙度高度被挤平和划伤。 机械工程系金属切削原理与机床 图 4-11 刀具后面磨损对已加工表面粗糙度的影响 机械工程系金属切削原理与机床 6 刀刃

12、与工件相对位置变动刀刃与工件相对位置变动 原因： 1）主轴回转精度不高； 2）滑动导轨面的形状误差； 3）材料的不均匀； 4）切削过程不连续等。 自激振动，使振幅发生变化，影响被加工表面的 粗糙度。 机械工程系金属切削原理与机床 第二节 已加工便面粗糙度 7 7振动的影响振动的影响 切削过程中发生振动表面变得粗糙，降低了 表面质量，严重时会影响机床精度和损坏刀具。 机械工程系金属切削原理与机床 图 4-12 在已加工表面上复映的划痕及振纹 a）复映刻痕 b）振纹 机械工程系金属切削原理与机床 二、影响表面粗糙度的因素二、影响表面粗糙度的因素 1 1、刀具方面、刀具方面 1)1)采用较大的刀尖圆

13、弧半径采用较大的刀尖圆弧半径r r ； ； 采用较小的副偏角采用较小的副偏角kk，尤其使用，尤其使用k=0k=0的修的修 光刃。光刃。 2 2）前角：一般情况下，前角对表面粗糙度影响不大；）前角：一般情况下，前角对表面粗糙度影响不大； 但在加工塑性材料时，采用较大的前角可减小积但在加工塑性材料时，采用较大的前角可减小积 屑瘤和鳞刺，从而提高被加工零件的表面粗糙度。屑瘤和鳞刺，从而提高被加工零件的表面粗糙度。 但前角不能太，why？ 注：为提高加工表面质量，首先在刀具强度和寿命 允许条件下，尽量选用大的前角。 机械工程系金属切削原理与机床 图 4-14 副偏角r和刀尖圆弧半径r对表面粗糙度Ra影

14、响 a）r影响 b）r影响 机械工程系金属切削原理与机床 第四节 已加工表面粗糙度 3)稍微增大刀具后角 能减小后刀面与加工表面的摩擦，对减小表面 粗糙度值有利。 4)减小刀具副偏角P106 机械工程系金属切削原理与机床 5 5）刀面及切削刃的表面粗糙度：提高刀具表）刀面及切削刃的表面粗糙度：提高刀具表 面的粗糙度，减小摩擦，可抑制积屑瘤、面的粗糙度，减小摩擦，可抑制积屑瘤、 鳞刺的产生。鳞刺的产生。 6 6）刀具材料：与工件材料的亲和力不同，产）刀具材料：与工件材料的亲和力不同，产 生积屑瘤及粘结磨损的程度不同，产生的生积屑瘤及粘结磨损的程度不同，产生的 表面粗糙度不同。表面粗糙度不同。 机

15、械工程系金属切削原理与机床 第一节 已加工表面质量概述 2 2、工件方面地影响、工件方面地影响 1 1）材料塑性越大，加工粗糙度越大；）材料塑性越大，加工粗糙度越大； 2 2）材料金相组织的影响：）材料金相组织的影响： 对于中碳钢、中碳合金钢，在高速切削时，对于中碳钢、中碳合金钢，在高速切削时， 粒状珠光体组织粗糙度高；粒状珠光体组织粗糙度高； 低速切削时，片状珠光体低速切削时，片状珠光体+ +细晶粒的铁素体，细晶粒的铁素体， 有利于提高粗糙度；有利于提高粗糙度； 易切钢中含硫、铅等元素；易切钢中含硫、铅等元素； 被加工材料的韧性越大，粗糙度越低。被加工材料的韧性越大，粗糙度越低。 机械工程系

16、金属切削原理与机床 3、积屑瘤的影响 4、切削用量的影响 6、刀具材料 机械工程系金属切削原理与机床 6.6.刀具材料刀具材料 选择合适的刀具材料，提高刀具刃磨质量能 减小表面粗糙度。 刀具材料对加工表面质量的影响，主要决定 于：材料的摩擦系数 抗粘结能力 耐磨性 刃磨质量 机械工程系金属切削原理与机床 第二节 已加工表面粗糙度 三、磨削加工影响表面粗糙度的因素三、磨削加工影响表面粗糙度的因素 磨削是机械制造中最常用的加工方法之一。磨削是机械制造中最常用的加工方法之一。 常用于常用于精加工和超精加工精加工和超精加工。 磨削常用于加工淬硬钢、高温合金、硬质合磨削常用于加工淬硬钢、高温合金、硬质合

17、 金及其它硬脆材料。金及其它硬脆材料。 磨削的工具是砂轮。砂轮是结合剂将磨粒固磨削的工具是砂轮。砂轮是结合剂将磨粒固 结成一定形状的多孔体。结成一定形状的多孔体。 砂轮的特性主要由磨料、粒度、结合剂、硬砂轮的特性主要由磨料、粒度、结合剂、硬 度、相组织等五因素所决定。均对粗糙度有影响。度、相组织等五因素所决定。均对粗糙度有影响。 机械工程系金属切削原理与机床 图图13-2 砂轮的构造砂轮的构造 1砂轮砂轮 2结合剂结合剂 3磨粒磨粒 4磨屑磨屑 5气孔气孔 6工件工件 机械工程系金属切削原理与机床 1 1、磨料、磨料 磨料直接担负着切削工作，应具有很高的硬 度的韧性，破碎时应能形成尖锐的棱角。

18、 磨料分为天然磨料和人造磨料两大类。 2、粒度 粒度表示磨料颗粒的大小。 砂轮粒度越细，则砂轮工作表面单位面积上 磨粒越多，因而在工件上的刀痕也越细密，粗糙 度就小。 机械工程系金属切削原理与机床 图图13-4 砂轮上的磨粒形状砂轮上的磨粒形状 a)外形外形 b）典型磨粒断面）典型磨粒断面 机械工程系金属切削原理与机床 第二节 已加工表面粗糙度 3 3、砂轮硬度、砂轮硬度 砂轮硬度是指砂轮上的磨粒受力后从砂轮 表面脱落的难易程度，也反映磨料与结合剂的 粘结强度。 砂轮硬度高，则表示磨粒难于脱落；砂轮 软，则反之。 注意：注意：砂轮硬度与磨料硬度是两个不同的概念， 切不可混淆。砂轮的硬度是由结合

19、剂的粘结强 度和砂轮的制造工艺决定的，与磨粒本身的硬 度无关。 机械工程系金属切削原理与机床 第二节 已加工表面粗糙度 砂轮硬度选用原则如下： (1)工件材料越硬，应选用越软的砂轮。 (2)砂轮与工件磨削接触面积大时，磨粒参加切削 的时问较长，易磨损，应选用较软的砂轮。 (3)半精磨与粗磨相比，需用较软的砂轮，以免工 件发热烧伤。 但精磨和成形磨削时为了较长时间保持砂轮球 形、保证磨削表面精度，需选用较硬些砂轮。 机械工程系金属切削原理与机床 第二节 已加工表面粗糙度 4.4.砂轮的修整砂轮的修整 5.5.磨削速度磨削速度 提高速度，增加了工件单位面积上的磨削磨提高速度，增加了工件单位面积上的

20、磨削磨 粒数量，使刻痕数量增大，同时塑性变形减小，粒数量，使刻痕数量增大，同时塑性变形减小， 因而表面粗糙度减小。因而表面粗糙度减小。 6.6.磨削径向进给量与光磨次数磨削径向进给量与光磨次数 7.7.工件圆周进给速度与轴向进给量工件圆周进给速度与轴向进给量 8.8.工件材料工件材料 9.9.切削液切削液 机械工程系金属切削原理与机床 (1)砂轮速度较高或与工件接触面积较大时 宜选用粗粒度砂轮，以减少同时参加磨削 的磨粒数，避免发热过多引起工件表面烧伤。 (2)磨削软而韧的金属时 选用较粗粒度砂轮，以增大容屑空间，避 免砂轮过早堵塞； （3）磨削硬而脆的金属时 选用较细粒度砂轮，以增加同时参加

21、磨削 的磨粒数，提高生产效率。 机械工程系金属切削原理与机床 第三节 加工硬化 一、加工硬化产生的原因一、加工硬化产生的原因 1 1、金属塑性变形的影响、金属塑性变形的影响 1 1）切削加工过程中，金属的塑性变形区范围扩展到切削）切削加工过程中，金属的塑性变形区范围扩展到切削 表面以下，使已加工表面的一部分金属也产生了塑性表面以下，使已加工表面的一部分金属也产生了塑性 变形；变形； 2 2）刀具钝圆半径，使一部分金属从刀刃钝圆部分以下挤）刀具钝圆半径，使一部分金属从刀刃钝圆部分以下挤 压过去，产生更大的附加塑性变形；随后由于弹性恢压过去，产生更大的附加塑性变形；随后由于弹性恢 复，使刀具后刀面

22、与已加工表面摩擦，再次发生剪切复，使刀具后刀面与已加工表面摩擦，再次发生剪切 变形。变形。 结果：结果：经过以上几次变形，使金属晶格发生扭曲，晶粒拉长、经过以上几次变形，使金属晶格发生扭曲，晶粒拉长、 破碎，阻碍了金属的进一步变形，而使金属进一步强化，破碎，阻碍了金属的进一步变形，而使金属进一步强化， 硬度显著提高。硬度显著提高。 机械工程系金属切削原理与机床 第三节 加工硬化 2 2、切削温度的影响、切削温度的影响 切削温度低于相变温度，使金属弱化，硬度切削温度低于相变温度，使金属弱化，硬度 降低；更高的温度时，将发生相变。降低；更高的温度时，将发生相变。 已加工表面的硬度，就是这种强化、弱

23、化、已加工表面的硬度，就是这种强化、弱化、 相变综合作用的结果。相变综合作用的结果。 表示硬化程度表示硬化程度N N的两种表示法（的两种表示法（P151P151）：）： N=(H-HN=(H-H0 0)/H)/H0 0 x100%x100% N=H/H N=H/H0 0 x100%x100% 机械工程系金属切削原理与机床 第三节 加工硬化 二、影响加工硬化的原因二、影响加工硬化的原因 1 1、刀具方面、刀具方面 1 1）前角越大，硬化层深度越小。）前角越大，硬化层深度越小。 2 2）切削刃刀钝圆半径越大，加工硬化越大）切削刃刀钝圆半径越大，加工硬化越大 3 3）后刀面磨损量）后刀面磨损量VBV

24、B越大，加工硬化深度越大越大，加工硬化深度越大 2、工件方面工件方面 1）工件材料的塑形越大，硬化越严重；）工件材料的塑形越大，硬化越严重； 2）高锰钢材料强化指数大，加工硬化大）高锰钢材料强化指数大，加工硬化大P109; 3）有色金属熔点低，容易弱化，所以其硬化现）有色金属熔点低，容易弱化，所以其硬化现 象比钢低。象比钢低。 机械工程系金属切削原理与机床 第三节 加工硬化 3 3、切削条件方面的影响、切削条件方面的影响 1 1）切削速度的影响：）切削速度的影响： 加工硬化，先是随着速度的增加而减小；到较高加工硬化，先是随着速度的增加而减小；到较高 速度后，又随着速度的增加而增加。速度后，又随

25、着速度的增加而增加。 原因：开始变形硬化来不及，后来变形速度高于原因：开始变形硬化来不及，后来变形速度高于 弱化速度。弱化速度。 机械工程系金属切削原理与机床 第三节 加工硬化 2 2）进给量的影响：）进给量的影响： 进给量的增加，加工硬化现象增加进给量的增加，加工硬化现象增加 背吃刀量对加工硬化现象影响不大背吃刀量对加工硬化现象影响不大 3 3）切削液的影响）切削液的影响 采用有效的切削液，可降低硬化层深度。采用有效的切削液，可降低硬化层深度。 机械工程系金属切削原理与机床 第三节 加工硬化 4.4.表面层材料金相组织的变化表面层材料金相组织的变化 磨削烧伤磨削烧伤 回火烧伤回火烧伤 淬火烧

26、伤淬火烧伤 退火烧伤退火烧伤 机械工程系金属切削原理与机床 磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下三种磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下三种： 回火烧伤回火烧伤：磨削区温度超过马氏体转变温度而未超过相变温：磨削区温度超过马氏体转变温度而未超过相变温 度，工件表面的马氏体组织产生回火，转化成硬度低的回火度，工件表面的马氏体组织产生回火，转化成硬度低的回火 组织组织索氏体或屈氏体。索氏体或屈氏体。 淬火烧伤淬火烧伤：磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，：磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体， 由于冷却液的急冷作用，表面层会出现二次淬火马氏体，硬由于冷却液的急冷作用，表面层会出现二次淬火马

27、氏体，硬 度高于回火马氏体，而它的下层则因缓慢冷却成为硬度低的度高于回火马氏体，而它的下层则因缓慢冷却成为硬度低的 回火组织回火组织。 磨削烧伤色 磨削烧伤后由于表层的氧化膜 按烧伤程度 颜色由浅到深颜色由浅到深黄黄褐褐紫紫青青浅黄浅黄 退火烧伤退火烧伤：干磨削时，磨削区温度超过相变温度，马氏体转：干磨削时，磨削区温度超过相变温度，马氏体转 变为奥氏体，因工件冷却缓慢，则表层硬度急剧下降，工件变为奥氏体，因工件冷却缓慢，则表层硬度急剧下降，工件 表层被退火。表层被退火。 机械工程系金属切削原理与机床 第三节 加工硬化 防止磨削烧伤的途径防止磨削烧伤的途径 磨削烧伤的根源：磨削热磨削烧伤的根源：

28、磨削热 途径：途径： 尽可能的减少磨削热的产生；尽可能的减少磨削热的产生； 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； 措施：措施： 正确选择砂轮正确选择砂轮 合理选择磨削用量合理选择磨削用量 改善冷却条件改善冷却条件 机械工程系金属切削原理与机床 第四节 残余应力 残余应力的基本概念残余应力的基本概念： 残余应力是指在没有外力的作用下，在物体内部保持残余应力是指在没有外力的作用下，在物体内部保持 平衡而存留的应力。平衡而存留的应力。 一、造成残余应力的原因一、造成残余应力的原因 悟语：悟语：明确机理，才能寻找解决途径明确机理，才能寻找解决途径。残余应

29、力是影响加。残余应力是影响加 工精度的重要因素，如何避免或降低工精度的重要因素，如何避免或降低 1 1、机械应力引起的塑性变形、机械应力引起的塑性变形 1 1）切削过程中，切削刃前方的晶体一部分随切屑流出另一）切削过程中，切削刃前方的晶体一部分随切屑流出另一 部分停留在已加工表面，在分离出的部分停留在已加工表面，在分离出的水平方向晶粒水平方向晶粒 受压受压， 而在而在垂直方向，晶粒受拉垂直方向，晶粒受拉，这样就形成了，这样就形成了残余拉应力残余拉应力； 机械工程系金属切削原理与机床 第四节 残余应力 2 2）在已加工表面形成过程中，刀具后刀面与已）在已加工表面形成过程中，刀具后刀面与已 加工表

30、面加工表面 产生很大的挤压与摩擦，使表层产生很大的挤压与摩擦，使表层金属产金属产 生拉伸塑性变形生拉伸塑性变形，刀具离开后，在里层金属的作刀具离开后，在里层金属的作 用下，表层金属产生用下，表层金属产生残余压应力残余压应力。 2、热应力引起的塑性变形热应力引起的塑性变形 切削过程产生热，切削层温度里低外高，变切削过程产生热，切削层温度里低外高，变 形不一致使表层金属产生热应力，热应力超过屈形不一致使表层金属产生热应力，热应力超过屈 服极限使表层金属产生压缩塑性变形；切削后冷服极限使表层金属产生压缩塑性变形；切削后冷 却至室温后，表层金属的收缩又受到里层金属的却至室温后，表层金属的收缩又受到里层

31、金属的 限制，使限制，使表层金属产生残余拉应力表层金属产生残余拉应力。 机械工程系金属切削原理与机床 第四节 残余应力 3 3、相变引起的体积变化、相变引起的体积变化 切削时，若表层温度大于相变温度，则表层切削时，若表层温度大于相变温度，则表层 组织可能发生相变；由于各种金相组织的体积不组织可能发生相变；由于各种金相组织的体积不 同，从而产生残余应力。同，从而产生残余应力。 对于碳钢而言：相对奥氏体体积小，马氏体对于碳钢而言：相对奥氏体体积小，马氏体 体积大，屈氏体或索氏体体积小。体积大，屈氏体或索氏体体积小。 奥氏体体积奥氏体体积马氏体体积时，表层产生残余马氏体体积时，表层产生残余 压应力，

32、里层产生残余拉应力；压应力，里层产生残余拉应力； 奥氏体奥氏体 屈氏体或索氏体时（金属表面退屈氏体或索氏体时（金属表面退 火），表层产生残余拉应力。火），表层产生残余拉应力。 切削碳钢时，一般在已加工表面层常为切削碳钢时，一般在已加工表面层常为残余拉应力残余拉应力 机械工程系金属切削原理与机床 第四节 残余应力 4.热态塑性变形引起的残余应力 5.金相组织变化引起的残余应力 机械工程系金属切削原理与机床 二、影响残余应力的因素二、影响残余应力的因素 1 1、刀具方面、刀具方面 1 1）当刀具前角由正值逐渐变为负值时，表）当刀具前角由正值逐渐变为负值时，表 层的残余拉应力逐渐减小，但残余应力深度

33、逐渐层的残余拉应力逐渐减小，但残余应力深度逐渐 增加。增加。 原因：原因：前角越小，切削刃钝圆半径越大，刀具对已前角越小，切削刃钝圆半径越大，刀具对已 加工表面的挤压与摩擦作用越大，从而降低了了加工表面的挤压与摩擦作用越大，从而降低了了 残余拉应力。残余拉应力。 在切削用量一定的情况下，采用较大的副前在切削用量一定的情况下，采用较大的副前 角，可得到残余应力为压应力的加工表面，提高角，可得到残余应力为压应力的加工表面，提高 零件表面性能。零件表面性能。 机械工程系金属切削原理与机床 2 2）刀具后刀面磨损量）刀具后刀面磨损量VBVB增加时，可使已加工表面残余拉增加时，可使已加工表面残余拉 应力

34、增大，残余应力层深度也增加。应力增大，残余应力层深度也增加。 原因：原因：刀具后刀面磨损量刀具后刀面磨损量VBVB增加时，使已加工表面切削温增加时，使已加工表面切削温 度上升，热应力引起的残余应力逐渐增加。度上升，热应力引起的残余应力逐渐增加。 2 2、工件材料方面、工件材料方面 1 1）工件材料塑性越大，残余拉应力越大；）工件材料塑性越大，残余拉应力越大； 2 2）切削灰铁等脆性材料时，加工表面产生残余压应力。）切削灰铁等脆性材料时，加工表面产生残余压应力。 原因：切原因：切削加工时，后到面的挤压与摩擦起主导作用，使削加工时，后到面的挤压与摩擦起主导作用，使 加工表面产生拉伸变形。加工表面产

35、生拉伸变形。 机械工程系金属切削原理与机床 3 3、切削条件方面、切削条件方面 1 1）切削速度增加时，热应力引起的残余拉应力起主导作）切削速度增加时，热应力引起的残余拉应力起主导作 用。用。 速度越高，残余拉应力越大；速度越高，残余拉应力越大； 速度越高，残余应力深度越浅。速度越高，残余应力深度越浅。 原因：原因：塑性变形区减小。塑性变形区减小。 速度越高，超过相变温度时，情况不同，如前述。速度越高，超过相变温度时，情况不同，如前述。 2 2）进给量的影响：进给量的增加，加工表面残余拉应力）进给量的影响：进给量的增加，加工表面残余拉应力 及深度增加。及深度增加。 原因：原因：热应力引起的残余

36、应力占优势热应力引起的残余应力占优势 3 3）背吃刀深度对残余应力影响不大。）背吃刀深度对残余应力影响不大。 机械工程系金属切削原理与机床 粒度号粒度号Ra值值 硬度硬度难脱落难脱落Ra值值 硬度硬度易脱落易脱落不易保持形状不易保持形状精度精度 机械工程系金属切削原理与机床 机械加工中，金属被加工表面层受切削力的作用产生塑性变形，使晶格机械加工中，金属被加工表面层受切削力的作用产生塑性变形，使晶格 扭曲，晶粒间产生滑移剪切，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，引起表面层的扭曲，晶粒间产生滑移剪切，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，引起表面层的 强度和硬度都提高的现象，称加工硬化。强度和硬度都提高的现象，称加

37、工硬化。 评定指标：评定指标： 表面层的显微硬度表面层的显微硬度 H 硬化程度硬化程度 N 硬化层深度硬化层深度 h %100 0 0 H HH N 影响因素：影响因素： 刀具刀具 切削用量切削用量 工件材料工件材料 2、产生原因、产生原因 A已加工表面的形成过程中，表层金属受了复杂的塑性变形已加工表面的形成过程中，表层金属受了复杂的塑性变形；（强化）；（强化） B刀具钝圆半径的挤压摩擦；（强化）刀具钝圆半径的挤压摩擦；（强化） C温度影响（弱化、相变）温度影响（弱化、相变） 机械工程系金属切削原理与机床 加工中加工中 达到相变温度达到相变温度产生相变产生相变 退火烧伤退火烧伤 回火烧伤回火烧

38、伤 淬火烧伤淬火烧伤 工件表面温度超过相变温度工件表面温度超过相变温度AC3，但，但 无冷却液，工件表面被退火。无冷却液，工件表面被退火。 工件干磨时易发生这种烧伤。工件干磨时易发生这种烧伤。 工件表面温度未达到相变温度工件表面温度未达到相变温度AC3， 但超过马氏体的转变温度，工件表但超过马氏体的转变温度，工件表 层组织为回火屈氏体或索氏体。层组织为回火屈氏体或索氏体。 工件表面温度超过相变温度工件表面温度超过相变温度AC3，冷，冷 却充分，工件表面被二次淬火。但却充分，工件表面被二次淬火。但 淬透层很薄，其下层仍为回火屈氏淬透层很薄，其下层仍为回火屈氏 体或索氏体。体或索氏体。 机械工程系

39、金属切削原理与机床 aP 工件表层温度工件表层温度烧伤烧伤 V V砂轮 砂轮 工件表层温度工件表层温度 烧伤烧伤 ff工件表层温度工件表层温度烧伤烧伤 V V工件 工件 工件表层温度工件表层温度热源作用时间热源作用时间烧伤烧伤 机械工程系金属切削原理与机床 机械工程系金属切削原理与机床 一、减小残余拉应力、防止磨削烧伤和磨削裂纹的途径一、减小残余拉应力、防止磨削烧伤和磨削裂纹的途径 1. 1. 选择合理的磨削参数选择合理的磨削参数 磨削用量是影响残余应力和磨削裂纹的首要因素。磨削用量是影响残余应力和磨削裂纹的首要因素。 提高工件速度和进给速度可以减小残余拉应力，消除裂纹。提高工件速度和进给速度

40、可以减小残余拉应力，消除裂纹。 但工件速度和进给速度的提高受到表面粗糙度要求的限制。但工件速度和进给速度的提高受到表面粗糙度要求的限制。 减小磨削深度也可减小残余应力，当磨削深度减小到一定减小磨削深度也可减小残余应力，当磨削深度减小到一定 值后可得到低残余应力的表面层。值后可得到低残余应力的表面层。 机械工程系金属切削原理与机床 2. 2. 选择有效的冷却方法选择有效的冷却方法 选择合适的磨削液和冷却方法可有效地降低磨削温度。生 产中常用高压大流量冷却、内冷砂轮、加装空气档板等方法来 提高磨削液的冷却效果，如图所示。 机械工程系金属切削原理与机床 机械工程系金属切削原理与机床 二、采用冷压表面

41、强化工艺二、采用冷压表面强化工艺 表面强化工艺是通过对工件表面施加冷挤压使之发生表面强化工艺是通过对工件表面施加冷挤压使之发生 冷态塑性变形，从而提高其表面硬度强度，并形成表面残冷态塑性变形，从而提高其表面硬度强度，并形成表面残 余压应力的一种加工方法。余压应力的一种加工方法。 通过冷挤压，表面微观不平度的波峰被压平，因而表通过冷挤压，表面微观不平度的波峰被压平，因而表 面粗糙度得到一定程度的减小。常用的表面强化工艺有面粗糙度得到一定程度的减小。常用的表面强化工艺有滚滚 压强化、挤压强化和喷丸强化。压强化、挤压强化和喷丸强化。 机械工程系金属切削原理与机床机械工程系金属切削原理与机床 图8-1

42、4 滚压加工原理图 图8-13 珠丸挤压引起残余应力 压缩 拉伸 塑性变形区域 机械工程系金属切削原理与机床 三、采用精密和光整加工三、采用精密和光整加工 机械加工精度，分一般加工、精密加工与超精密加工。机械加工精度，分一般加工、精密加工与超精密加工。 现在，一般将加工误差现在，一般将加工误差10m10m以上，表面粗造度值以上，表面粗造度值 Ra0.2Ra0.20.8m0.8m以上的加工方法划分为一般加工；加工误差为以上的加工方法划分为一般加工；加工误差为 10100.1m0.1m，表面粗糙度值为，表面粗糙度值为Ra0.1Ra0.10.01m0.01m的加工方法划的加工方法划 分为精密加工；加

43、工误差小于分为精密加工；加工误差小于0.1m0.1m，面表粗糙度值小于，面表粗糙度值小于 Ra0.025mRa0.025m的工方法划分为超精密加工。的工方法划分为超精密加工。 采用精密和超精密加工可全面提高加工精度和表面质量。采用精密和超精密加工可全面提高加工精度和表面质量。 机械工程系金属切削原理与机床 （1）精密加工工艺：）精密加工工艺： 高速精镗、高速精车、宽刃精刨、细密高速精镗、高速精车、宽刃精刨、细密 磨削等。磨削等。 （2）超精密加工（超精密加工（光整加工工艺光整加工工艺）： 珩磨、超精加工、研磨、抛光珩磨、超精加工、研磨、抛光 机械工程系金属切削原理与机床 机械工程系金属切削原理与机床 机械工程系金属切削原理与机床 第一节 已加工表面质量概述 一、已加工表面的形成过程一、已加工表面的形成过程 VB r a a 受到刀刃顿圆半径挤压受到刀刃顿圆半径挤压 VBVB的摩擦的摩擦 弹性恢复弹性恢复h h 加工表面在加工表面在CDCD长度上长度上 继续与后刀面摩擦继续与后刀面摩擦已加工已加工 表面，表面，加工变质层加工变质层。 机械工程系金属切削原理与机