第三章 机械加工表面质量及其控制

1、第三章第三章 机械加工表面质量及其控制机械加工表面质量及其控制 加工表面质量及其对使用性能的影响加工表面质量及其对使用性能的影响 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改进措施影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改进措施 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动 （一）加工表面的几何形貌（一）加工表面的几何形貌 是加工过程中刀具与被加工工件的摩擦、切屑分离时的塑是加工过程中刀具与被加工工件的摩擦、切屑分离时的塑 性变形以及加工系统的振动等因素的作用，在工件表面上留下性变形以及加工系统的振动等因素的作用，在工件表

2、面上留下 的表面结构。的表面结构。 第一节第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响加工表面质量及其对使用性能的影响 一、加工表面质量的概念一、加工表面质量的概念 加工表面质量包括加工表面的加工表面质量包括加工表面的几何形貌几何形貌和表面层材料的和表面层材料的力力 学物理性能学物理性能、化学性能化学性能。 车床上用金刚石刀具车削无氧铜光学镜面所测得的工件表面三维形貌车床上用金刚石刀具车削无氧铜光学镜面所测得的工件表面三维形貌 加工几何形貌包括加工几何形貌包括表面粗糙度表面粗糙度、波纹度波纹度、纹理方向纹理方向和和表面表面 缺陷缺陷等等4 4各方面问题各方面问题 1 1）表面粗糙度）表面粗糙度 表

3、面粗糙度轮廓是加工表面的微观几个轮廓，表面粗糙度轮廓是加工表面的微观几个轮廓， 其波长与波高比值一般小于其波长与波高比值一般小于5050。 2 2）波纹度）波纹度 加工表面上波长与波高的比值等于加工表面上波长与波高的比值等于50-100050-1000的几何的几何 轮廓称为波纹度，由机械加工振动引起。轮廓称为波纹度，由机械加工振动引起。 3 3）纹理方向）纹理方向 指表面刀纹方向，它取决于表面形成过程中所指表面刀纹方向，它取决于表面形成过程中所 采用的加工方法。即主运动和进给运动的关系。采用的加工方法。即主运动和进给运动的关系。 4 4）表面缺陷）表面缺陷 加工表面上出现的缺陷，如砂眼、加工表

4、面上出现的缺陷，如砂眼、气孔气孔、裂痕裂痕等等 1 1）表层金属的冷作硬化）表层金属的冷作硬化 一般硬化深度可达一般硬化深度可达0.05-0.3mm0.05-0.3mm 2 2）表层金属的金相组织变化）表层金属的金相组织变化 如在磨削淬火钢时，由于磨削如在磨削淬火钢时，由于磨削 热影响会引起淬火钢的马氏体分解或出现回火组织等。热影响会引起淬火钢的马氏体分解或出现回火组织等。 3 3）表层金属的残余应力）表层金属的残余应力 由切削热和切削力综合作用，表层金由切削热和切削力综合作用，表层金 属晶格会发生不同程度的塑性变形或产生金相组织的变化，使属晶格会发生不同程度的塑性变形或产生金相组织的变化，使

5、 表层金属产生残余应力。表层金属产生残余应力。 （二）表面层材料的力学物理性能和化学性能（二）表面层材料的力学物理性能和化学性能 在机械加工中，由于在机械加工中，由于力力和和热热的因素综合作用，加工表层的因素综合作用，加工表层 金属的力学物理性能和化学性能将发生一定的变化。金属的力学物理性能和化学性能将发生一定的变化。 当两个零件表面相互接触时，实际上有效接触面积只是当两个零件表面相互接触时，实际上有效接触面积只是 名义接触面积的一小部分，表面越粗糙，有效接触面积越小。名义接触面积的一小部分，表面越粗糙，有效接触面积越小。 二、加工表面质量对机器零件使用性能的影响二、加工表面质量对机器零件使用

6、性能的影响 1 1、表面粗糙度、波纹度对耐磨性的影响、表面粗糙度、波纹度对耐磨性的影响 （一（一）表面质量对）表面质量对耐磨耐磨性的影响性的影响 零件磨损分为三个阶段：零件磨损分为三个阶段： 初期磨损阶段初期磨损阶段 接触面积小，压强大，凸峰很快被磨掉，甚至形成干摩擦；接触面积小，压强大，凸峰很快被磨掉，甚至形成干摩擦； 正常磨损阶段正常磨损阶段 有效接触面积不断增大，压强也逐渐减小，磨损将以较慢的有效接触面积不断增大，压强也逐渐减小，磨损将以较慢的 速度进行；速度进行； 快速磨损阶段快速磨损阶段 有效有效接触接触面积越来越大，零件间的金属分子亲和力增大，表面积越来越大，零件间的金属分子亲和力

7、增大，表 层的零件咬合作用增大，产生急剧磨损。层的零件咬合作用增大，产生急剧磨损。 一般来说，表面粗糙度值越小，耐磨性越好。但太小接触面容一般来说，表面粗糙度值越小，耐磨性越好。但太小接触面容 易产生分子粘接，润滑油不易存储，磨损反而增加，因此，就易产生分子粘接，润滑油不易存储，磨损反而增加，因此，就 磨损而言，存在一个磨损而言，存在一个最优表面粗糙度值最优表面粗糙度值。 表面粗糙度与初期磨损的关系表面粗糙度与初期磨损的关系 由于纹理形状和刀纹方向将影响有效面积和润滑液的存留，由于纹理形状和刀纹方向将影响有效面积和润滑液的存留， 所以表面纹理对耐磨性有一定的影响。所以表面纹理对耐磨性有一定的影

8、响。 一般圆弧形、凹坑状表面纹理的耐磨性好，尖峰状的表面纹一般圆弧形、凹坑状表面纹理的耐磨性好，尖峰状的表面纹 理由于摩擦副接触面压强大，耐磨性较差。理由于摩擦副接触面压强大，耐磨性较差。 在运动副中，两相对运动零件表面的刀纹方向均与运动方在运动副中，两相对运动零件表面的刀纹方向均与运动方 向相同时，耐磨性较好；两者的刀纹方向均与运动垂直时，耐向相同时，耐磨性较好；两者的刀纹方向均与运动垂直时，耐 磨性最差；其余情况介于上述两种状态之间。磨性最差；其余情况介于上述两种状态之间。 2 2、表面纹理对耐磨性的影响、表面纹理对耐磨性的影响 一般都能使耐磨性有所提高。因为冷作硬化使表层金属的一般都能使

9、耐磨性有所提高。因为冷作硬化使表层金属的 显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形 和塑性变形，故可减少磨损。但过度的冷作硬化反而降低了耐和塑性变形，故可减少磨损。但过度的冷作硬化反而降低了耐 磨性。磨性。 磨损量磨损量硬化关系硬化关系 3 3、冷作硬化对耐磨性的影响、冷作硬化对耐磨性的影响 （二）表面质量对耐疲劳性的影响（二）表面质量对耐疲劳性的影响 1 1、表面粗糙度对疲劳性的影响、表面粗糙度对疲劳性的影响 在交变载荷作用下，零件上的应力集中区最容易产生和发在交变载荷作用下，零件上的应力集中区最容易产生和发 展成疲劳裂纹，

10、导致疲劳破坏。由于表面粗糙度的凹谷部位最展成疲劳裂纹，导致疲劳破坏。由于表面粗糙度的凹谷部位最 容易引起应力集中，产生疲劳破坏，所以表面粗糙度值减小，容易引起应力集中，产生疲劳破坏，所以表面粗糙度值减小， 表面缺陷小，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表表面缺陷小，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表 面的纹痕越深，纹底半径越小，其抵抗疲劳破坏的能力越差。面的纹痕越深，纹底半径越小，其抵抗疲劳破坏的能力越差。 对于不同的材料，表面粗糙度对疲劳强度的影响程度也不对于不同的材料，表面粗糙度对疲劳强度的影响程度也不 同，这是因为不同的材料对应力集中的敏感程度也不同，材料同，这是因为不同的

11、材料对应力集中的敏感程度也不同，材料 的晶粒越细小，质地越致密，对应力集中越敏感，表面粗糙度的晶粒越细小，质地越致密，对应力集中越敏感，表面粗糙度 对疲劳强度的影响程度越严重。钢材的强度越高，对应力集中对疲劳强度的影响程度越严重。钢材的强度越高，对应力集中 的敏感程度就大，而铸铁和有色金属对应力集中的敏感性较弱。的敏感程度就大，而铸铁和有色金属对应力集中的敏感性较弱。 2 2、表面层金属的力学物理性质对疲劳性的影响、表面层金属的力学物理性质对疲劳性的影响 冷作硬化能够阻止疲劳裂纹的生长，提高零件的耐疲劳冷作硬化能够阻止疲劳裂纹的生长，提高零件的耐疲劳 强度。强度。 残余拉应力使耐疲劳强度下降，

12、残余压应力使疲劳强度残余拉应力使耐疲劳强度下降，残余压应力使疲劳强度 提高。提高。 1 1、表面粗糙度对耐蚀性的影响、表面粗糙度对耐蚀性的影响 零件的腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。大气里所零件的腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。大气里所 含气体和液体与金属表面接触时，会凝聚在金属表面上而使金含气体和液体与金属表面接触时，会凝聚在金属表面上而使金 属腐蚀。属腐蚀。 表面粗糙度值越大，加工表面与气体、液体接触的面积越表面粗糙度值越大，加工表面与气体、液体接触的面积越 大，腐蚀物质容易沉积于凹坑中，腐蚀性能就越差。大，腐蚀物质容易沉积于凹坑中，腐蚀性能就越差。 2 2、表面层金属力学物理性质

13、对耐蚀性的影响、表面层金属力学物理性质对耐蚀性的影响 当零件表面层有残余压应力时，能够阻止表面裂纹的进一当零件表面层有残余压应力时，能够阻止表面裂纹的进一 步扩大，有利于提高零件表面抵抗腐蚀的能力。步扩大，有利于提高零件表面抵抗腐蚀的能力。 （三）表面质量对耐蚀性的影响（三）表面质量对耐蚀性的影响 对于间隙配合表面，因粗糙度太大，使配合间隙增大，对于间隙配合表面，因粗糙度太大，使配合间隙增大， 降低了配合精度，降低了配合的稳定性；降低了配合精度，降低了配合的稳定性； 对于过盈配合表面，表面粗糙度越大，两者相配合时，对于过盈配合表面，表面粗糙度越大，两者相配合时， 部分表面凸峰易被挤掉，使过盈量

14、减小，降低了配合表面的部分表面凸峰易被挤掉，使过盈量减小，降低了配合表面的 结合强度。结合强度。 回首页 （四）表面质量对零件配合质量的影响（四）表面质量对零件配合质量的影响 第二节第二节 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改 进措施进措施 切削加工表面粗糙度主要取决于切削加工表面粗糙度主要取决于切削残留面积的高度切削残留面积的高度。 影响切削残留面积高度的因素有：影响切削残留面积高度的因素有： 刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r r 主偏角主偏角k kr r 副偏角副偏角 进给量进给量f f r K 一、切削加工表面粗糙度一、切削加工表面粗糙度 用圆弧刀刃切削用圆弧刀

15、刃切削 切削残留面积的高度切削残留面积的高度 用尖刀切削用尖刀切削 cotcot rr f H kk r f H 8 2 加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响 切削速度V处于 2050m/min时，表面粗糙 度最大，因为此时容易出 现积屑瘤，加工表面质量 严重恶化 当速度V超过 100m/min时，表 面粗糙度下降， 并趋于稳定 加工脆性材料，切削速度对表面粗糙度的加工脆性材料，切削速度对表面粗糙度的影响不大影响不大。 一般说，切削脆性材料比切削塑性材料容易达到表面粗一般说，切削脆性材料比切削塑性材料容易达到表面粗 糙度的要求，对于同样的材料，糙度的

16、要求，对于同样的材料，金相组织越粗大，切削后的金相组织越粗大，切削后的 表面粗糙度值也越大表面粗糙度值也越大，为减小切削后的表面粗糙度，常在精，为减小切削后的表面粗糙度，常在精 加工前进行加工前进行调质调质处理，目的在于得到均匀细密的晶粒组织和处理，目的在于得到均匀细密的晶粒组织和 较高的硬度。较高的硬度。 此外，合理选择此外，合理选择切削液切削液，适当增加刀具的，适当增加刀具的前角前角，提高刀，提高刀 具的具的刃磨质量刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。等，均能有效地减小表面粗糙度值。 二、磨削加工后的表面粗糙度（几何因素和物理因素）二、磨削加工后的表面粗糙度（几何因素和物理因素） （一

17、）几何因素的影响（一）几何因素的影响 磨削表面是由砂轮上大量的磨粒刻划出来的无数极细磨削表面是由砂轮上大量的磨粒刻划出来的无数极细 的沟槽形成的。单纯从几何因素考虑，可以认为在单位面的沟槽形成的。单纯从几何因素考虑，可以认为在单位面 积上刻痕越多，即通过单位面积的磨粒越多，刻痕的等高积上刻痕越多，即通过单位面积的磨粒越多，刻痕的等高 性越好，则磨削表面的粗糙度值越小。性越好，则磨削表面的粗糙度值越小。 1 1、磨削用量对表面粗糙度的影响、磨削用量对表面粗糙度的影响 1 1）砂轮的速度越高砂轮的速度越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数就，单位时间内通过被磨表面的磨粒数就 越多，因而越多，因而工件

18、表面的粗糙度值就越小工件表面的粗糙度值就越小。 2 2）增大工件速度时增大工件速度时，单位时间内通过被磨表面的磨粒数减，单位时间内通过被磨表面的磨粒数减 少，少，表面粗糙度值将增加表面粗糙度值将增加。 3 3）砂轮的纵向进给减小砂轮的纵向进给减小，工件表面的每个部位被砂轮重复，工件表面的每个部位被砂轮重复 磨削的次数增加，磨削的次数增加，被磨表面的粗糙度值将减小被磨表面的粗糙度值将减小。 2 2、砂轮粒度和修正对表面粗糙度的影响、砂轮粒度和修正对表面粗糙度的影响 在相同的磨削条件下，砂轮的在相同的磨削条件下，砂轮的粒度号越大粒度号越大，磨削的，磨削的表面表面 粗糙度值越小粗糙度值越小。 修正砂

19、轮的纵向进给量对磨削表面的粗糙度影响甚大。修正砂轮的纵向进给量对磨削表面的粗糙度影响甚大。 磨削过程的塑性变形要比一般切削过程大得多。磨削过程的塑性变形要比一般切削过程大得多。 在力因素和热因素的综合作用下，被磨工件表层金属在力因素和热因素的综合作用下，被磨工件表层金属 的晶粒在横向上被拉长，有时还产生细微的裂口和局部的的晶粒在横向上被拉长，有时还产生细微的裂口和局部的 金属堆积现象。金属堆积现象。 影响磨削表层金属塑性变形的因素，往往是影响表面影响磨削表层金属塑性变形的因素，往往是影响表面 粗糙度的决定性因素。粗糙度的决定性因素。 （二）物理因素的影响（二）物理因素的影响表面层金属的塑性变形

20、表面层金属的塑性变形 1 1、磨削用量、磨削用量 砂轮速度越高，工件材料来不及变形，表层金属的塑砂轮速度越高，工件材料来不及变形，表层金属的塑 性变形减小，磨削表面的粗糙度值将明显减小。性变形减小，磨削表面的粗糙度值将明显减小。 工件速度增大，塑性变形增加，表面粗糙度值将增大。工件速度增大，塑性变形增加，表面粗糙度值将增大。 背吃刀量增大，塑性变形将随之增大，被磨表面的粗背吃刀量增大，塑性变形将随之增大，被磨表面的粗 糙度值会增大。糙度值会增大。 2 2、砂轮的选择、砂轮的选择 砂轮的粒度、硬度、组织和材料的选择不同，都会对被磨砂轮的粒度、硬度、组织和材料的选择不同，都会对被磨 工件表层金属的

21、塑性变形产生影响，进而影响表面的粗糙度。工件表层金属的塑性变形产生影响，进而影响表面的粗糙度。 1 1）砂轮粒度）砂轮粒度 单纯从几何因素考虑，砂轮粒度越细，磨削的表面粗糙度单纯从几何因素考虑，砂轮粒度越细，磨削的表面粗糙度 值越小。但磨粒太细时，砂轮易被磨屑堵塞，若导热情况不好，值越小。但磨粒太细时，砂轮易被磨屑堵塞，若导热情况不好， 反而会在加工表面产生烧伤等现象，使表面粗糙度值增大。因反而会在加工表面产生烧伤等现象，使表面粗糙度值增大。因 此，此，砂轮粒度常取砂轮粒度常取46-6046-60号号。 2 2）砂轮组织）砂轮组织 紧密组织中的磨粒比例大，气孔小，在成形磨削和精密磨紧密组织中的

22、磨粒比例大，气孔小，在成形磨削和精密磨 削时，能获得较小的表面粗糙度值。疏松组织的砂轮不易堵塞，削时，能获得较小的表面粗糙度值。疏松组织的砂轮不易堵塞， 适于磨削软金属、非金属软材料和热敏性材料（磁钢、不锈钢、适于磨削软金属、非金属软材料和热敏性材料（磁钢、不锈钢、 耐热钢等），可获得较小的表面粗糙度值。耐热钢等），可获得较小的表面粗糙度值。一般，应选用中等一般，应选用中等 组织的砂轮。组织的砂轮。 3 3）砂轮硬度）砂轮硬度 砂轮太硬，磨粒不易脱落，磨钝了的磨粒不能及时被新磨砂轮太硬，磨粒不易脱落，磨钝了的磨粒不能及时被新磨 粒替代，使表面粗糙度值增大。砂轮太软，磨粒易脱落，磨削粒替代，使表

23、面粗糙度值增大。砂轮太软，磨粒易脱落，磨削 作用减弱，也会使表面粗糙度值增大。作用减弱，也会使表面粗糙度值增大。常选用中软砂轮。常选用中软砂轮。 4 4）砂轮材料）砂轮材料 砂轮材料选择适当，可获得满意的表面粗糙度。氧化物砂砂轮材料选择适当，可获得满意的表面粗糙度。氧化物砂 轮适于磨削钢类零件；碳化物砂轮适于磨削铸铁、硬质合金等轮适于磨削钢类零件；碳化物砂轮适于磨削铸铁、硬质合金等 材料；用高硬度材料砂轮磨削可获得极小的表面粗糙度值，但材料；用高硬度材料砂轮磨削可获得极小的表面粗糙度值，但 加工成本高。加工成本高。 5 5）磨削液）磨削液 切削液的作用十分重要。必须采取切实可行的措施，将切切削

24、液的作用十分重要。必须采取切实可行的措施，将切 削液送入切削区。削液送入切削区。 三、表面粗糙度和表面微观形貌的测量三、表面粗糙度和表面微观形貌的测量 ( (一一) )表面粗糙度的测量表面粗糙度的测量 1 1、比较法、比较法 用已知其高度参数值的粗糙度样板与被测表面相用已知其高度参数值的粗糙度样板与被测表面相 比较，通过人的感官，亦可借助放大镜、显微镜来判比较，通过人的感官，亦可借助放大镜、显微镜来判 断被测表面粗糙度的一种检测方法。断被测表面粗糙度的一种检测方法。 适用于生产现场使用适用于生产现场使用 2 2、触针法、触针法( (针描法针描法) ) 是一种接触测量表面粗糙度的方法。电动轮廓仪

25、是一种接触测量表面粗糙度的方法。电动轮廓仪 （又称表面粗糙度检查仪）就是利用针描法来测量表面（又称表面粗糙度检查仪）就是利用针描法来测量表面 粗糙度。粗糙度。 适用于检测适用于检测R Ra a为为0.02-5 0.02-5 m m的轮廓的轮廓 3 3、光切法、光切法 利用利用“光切原理光切原理”来测量零件表面粗糙度的方法。来测量零件表面粗糙度的方法。 光切显微镜（又称双管显微镜）就是应用这一原理设计光切显微镜（又称双管显微镜）就是应用这一原理设计 而成的。而成的。 适用于检测适用于检测R Rz z为为0.5-60 0.5-60 m m的轮廓的轮廓 光切显微镜实物光切显微镜实物 4 4、干涉法、

26、干涉法 利用光波干涉原理测量表面粗糙度的一种方法。利用光波干涉原理测量表面粗糙度的一种方法。 适用于检测适用于检测R Rz z为为0.05-0.8 0.05-0.8 m m的轮廓的轮廓 干涉显微镜实物干涉显微镜实物 ( (二二) )表面三维微观形貌的测量表面三维微观形貌的测量 1 1、分段组装测量方法、分段组装测量方法 2 2、整体测量方法、整体测量方法 回首页 第三节第三节 影响表层金属力学物理性能的工影响表层金属力学物理性能的工 艺因素及其改进措施艺因素及其改进措施 由于受到由于受到切削力切削力和和切削热切削热的作用下，表层金属的力学物理的作用下，表层金属的力学物理 性能会产生很大的变化。

27、性能会产生很大的变化。 最主要的变化有三个方面：最主要的变化有三个方面： 1 1）显微硬度的变化）显微硬度的变化 2 2）金相组织的变化）金相组织的变化 3 3）残余应力）残余应力 （一）概述（一）概述 机械加工过程中产生塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒机械加工过程中产生塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒 间产生滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加，间产生滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加， 统称为统称为冷作硬化（强化）冷作硬化（强化）。 金属冷作硬化的结果，使金属处于高能位不稳定状态，只金属冷作硬化的结果，使金属处于高能位不稳定状态，只 要一有条件，金属的冷硬结构就会

28、本能地向比较稳定的结构转要一有条件，金属的冷硬结构就会本能地向比较稳定的结构转 化，这些现象通称化，这些现象通称弱化弱化。 一、加工表面层的冷作硬化一、加工表面层的冷作硬化 由于金属在机械加工过程中同时受到力因素和热因素的作由于金属在机械加工过程中同时受到力因素和热因素的作 用，机械加工后表面层金属的最后性质取决于用，机械加工后表面层金属的最后性质取决于强化强化和和弱化弱化两个两个 过程的综合。过程的综合。 加工硬化的评定指标：加工硬化的评定指标： （1 1）表层金属的显微硬度）表层金属的显微硬度HV （2 2）硬化层深度）硬化层深度h(h(m)m) （3 3）硬化程度）硬化程度N N=(HV

29、-HV0)/HV0) 100% 1 1、切削用量的影响、切削用量的影响 1 1）进给量）进给量，切削力，切削力，塑性变形加剧，冷作程度，塑性变形加剧，冷作程度。但。但 这种情况只在进给量比较大时准确，当很小时（小于这种情况只在进给量比较大时准确，当很小时（小于0.05-0.05- 0.06mm0.06mm），继续），继续进给量，冷作硬化不仅不进给量，冷作硬化不仅不，反而，反而。 f和和v对冷硬的影响对冷硬的影响 （二）影响切削加工表面冷作硬化的因素（二）影响切削加工表面冷作硬化的因素 2 2）切削速度）切削速度，刀具与工件作用时间，刀具与工件作用时间tt；使塑性变形的扩展；使塑性变形的扩展 深

30、度深度 ，因而冷作硬化的深度，因而冷作硬化的深度h h ；当切削速度；当切削速度v ,v ,切削热切削热 在工件表面的作用时间在工件表面的作用时间，冷硬程度，冷硬程度。 3 3）背吃刀量对表层金属冷作硬化的影响不大。）背吃刀量对表层金属冷作硬化的影响不大。 f和和v对冷硬的影响对冷硬的影响 1 1）切削刃钝圆半径影响很大）切削刃钝圆半径影响很大 半径增大，径向切削分力随之增大，塑性变形程度加剧，半径增大，径向切削分力随之增大，塑性变形程度加剧， 冷硬增大。冷硬增大。 2 2、刀具几何形状的影响、刀具几何形状的影响 2 2）刀具磨损对冷硬影响也很大）刀具磨损对冷硬影响也很大 刀具磨损，摩擦力加大

31、，塑性变形增大，冷硬增大。但磨刀具磨损，摩擦力加大，塑性变形增大，冷硬增大。但磨 损继续加大，摩擦热增大，弱化趋势增大，冷硬减弱，直至平损继续加大，摩擦热增大，弱化趋势增大，冷硬减弱，直至平 衡。衡。 3 3、加工材料的影响、加工材料的影响 工件材料塑性越大，冷作硬化倾向越大，冷硬程度越严重。工件材料塑性越大，冷作硬化倾向越大，冷硬程度越严重。 导热性越好，热越不易集中，弱化倾向越小，冷硬程度越严重。导热性越好，热越不易集中，弱化倾向越小，冷硬程度越严重。 2 2、磨削用量的影响、磨削用量的影响 1 1）磨削深度）磨削深度，磨削力，磨削力，塑性变形加剧，冷作程度，塑性变形加剧，冷作程度。 2

32、2）纵向进给速度）纵向进给速度，切削厚度，切削厚度，磨削力，磨削力，冷硬，冷硬。但纵向。但纵向 进给进给，切削热，切削热，弱化趋势，弱化趋势，冷硬程度，冷硬程度。要综合考虑。要综合考虑。 3 3）V V工工，缩短砂轮对工件热作用时间，弱化倾向，缩短砂轮对工件热作用时间，弱化倾向，冷硬，冷硬。 4 4）V V砂轮砂轮，每颗磨粒切除厚度变小，塑性变形程度，每颗磨粒切除厚度变小，塑性变形程度，冷硬，冷硬 。磨削区温度。磨削区温度，弱化倾向，弱化倾向，冷硬，冷硬。 1 1、工件材料性能的影响、工件材料性能的影响 从材料的塑性和导热性两方面考虑。从材料的塑性和导热性两方面考虑。 （三）影响磨削加工表面冷

33、作硬化的因素（三）影响磨削加工表面冷作硬化的因素 3 3、砂轮粒度的影响、砂轮粒度的影响 粒度越大，每颗磨粒载荷越小，冷硬程度也越小。粒度越大，每颗磨粒载荷越小，冷硬程度也越小。 （四）冷作硬化的测量方法（四）冷作硬化的测量方法 测量主要是指表面层的测量主要是指表面层的显微硬度显微硬度HV和和硬化层深度硬化层深度h的测量。的测量。 显微硬度应显微硬度应显微硬度计显微硬度计测量，原理与维氏硬度计测量相同。测量，原理与维氏硬度计测量相同。 采用顶角为采用顶角为1361360 0的金刚石压头在试件表面上打印痕，根据印痕的金刚石压头在试件表面上打印痕，根据印痕 大小决定硬度，所不同的是所用载荷小于大小

34、决定硬度，所不同的是所用载荷小于2N2N，印痕极小。，印痕极小。 加工表面冷硬层很薄时，可在斜截面上测量显微硬度（斜加工表面冷硬层很薄时，可在斜截面上测量显微硬度（斜 界面测量法），并计算界面测量法），并计算h h。 机械加工过程中，在工件的加工区及邻近区域，温度会急机械加工过程中，在工件的加工区及邻近区域，温度会急 剧升高，当温度高到超过工件材料金相组织变化的临界点时，剧升高，当温度高到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。就会发生金相组织的变化。 对于已淬火的钢件，很高的磨削温度往往使表面层金属的对于已淬火的钢件，很高的磨削温度往往使表面层金属的 金相组织产生变化，

35、使表层金属硬度下降，工件表面呈现氧化金相组织产生变化，使表层金属硬度下降，工件表面呈现氧化 膜颜色，这种现象叫膜颜色，这种现象叫磨削烧伤磨削烧伤。磨削烧伤可能导致淬火钢表面。磨削烧伤可能导致淬火钢表面 裂纹，改变表面硬度，降低表面性能，影响零件的使用质量。裂纹，改变表面硬度，降低表面性能，影响零件的使用质量。 切削加工时切削热大部分被切削带走对金相组织影响小。切削加工时切削热大部分被切削带走对金相组织影响小。 磨削时工件温升高引起金相组织显著变化。磨削时工件温升高引起金相组织显著变化。 二、表面金属的金相组织变化二、表面金属的金相组织变化 （一）机械加工表面金相组织的变化（一）机械加工表面金相

36、组织的变化 磨削淬火钢时可能产生三种烧伤：磨削淬火钢时可能产生三种烧伤： 1 1）回火烧伤回火烧伤（中碳钢（中碳钢3003000 0C C）表面温度超过马氏体转变温度，）表面温度超过马氏体转变温度， 马氏体转变成硬度较低的回火组织（索氏体或托氏体），产生马氏体转变成硬度较低的回火组织（索氏体或托氏体），产生 回火效应。回火效应。 2 2）淬火烧伤淬火烧伤（中碳钢（中碳钢7207200 0C C）表面温度超过相变温度，再加）表面温度超过相变温度，再加 上冷却液的急冷作用，表层出现二次淬火马氏体（硬度比原来上冷却液的急冷作用，表层出现二次淬火马氏体（硬度比原来 的回火马氏体高），下层因冷却较慢，出

37、现了索氏体或托氏体的回火马氏体高），下层因冷却较慢，出现了索氏体或托氏体 回火组织（硬度比原来的回火马氏体低）。回火组织（硬度比原来的回火马氏体低）。 3 3）退火烧伤退火烧伤 表面温度超过相变温度，而磨削过程又没有冷却表面温度超过相变温度，而磨削过程又没有冷却 液，表层金属将产生退火组织，表面硬度将急剧下降。液，表层金属将产生退火组织，表面硬度将急剧下降。 1 1、正确选择砂轮、正确选择砂轮 硬度较低的砂轮硬度较低的砂轮 有一定弹性的结合剂的砂轮有一定弹性的结合剂的砂轮 在砂轮的孔隙内浸入石蜡之类的润滑物质在砂轮的孔隙内浸入石蜡之类的润滑物质 （二）减小磨削烧伤的工艺途径（二）减小磨削烧伤的

38、工艺途径 1 1）a ap p，温度，温度 从减轻烧伤的角度考虑，从减轻烧伤的角度考虑，ap的取值不宜过大。的取值不宜过大。 磨削背吃刀量ap对磨削温度分布的影响 1-ap=0.01mm 2-ap=0.02mm 3-ap=0.04mm 4-ap=0.06mm 2 2、合理选择磨削用量、合理选择磨削用量 2 2）横向进给量）横向进给量f t，温度，温度 为了减轻烧伤，宜选用较大的为了减轻烧伤，宜选用较大的f t 横向进给量横向进给量ftft对磨削温度分布的影响对磨削温度分布的影响 1-ft=24mm/单行程 2-ft=12mm/单行程 3-ft=6mm/单行程 从减轻烧伤而同时又尽可能地保持较高

39、的生产率考虑，从减轻烧伤而同时又尽可能地保持较高的生产率考虑， 在选择磨削用量时，在选择磨削用量时，应选用较大的工件速度应选用较大的工件速度Vw和较小的磨削和较小的磨削 深度深度aP。 3 3）工件回转速度）工件回转速度Vw，磨削表面温度，磨削表面温度，但，但Vw，热量不，热量不 易传入工件内层，可减小烧伤层深度。可是易传入工件内层，可减小烧伤层深度。可是Vw，粗糙度，粗糙度， 为弥补这一缺陷，可以相应提高砂轮速度为弥补这一缺陷，可以相应提高砂轮速度Vs，即，即同时提高同时提高Vw 和和Vs，可以避免产生烧伤。，可以避免产生烧伤。 3 3、改善冷却条件、改善冷却条件 磨削液若能直接进入磨削区，

40、对磨削区进行充分冷却，磨削液若能直接进入磨削区，对磨削区进行充分冷却， 能有效的防止烧伤现象的产生。能有效的防止烧伤现象的产生。 内冷却内冷却是一种较为有效的方法，如下图：冷却水能直接是一种较为有效的方法，如下图：冷却水能直接 注入冷却区，但磨床附近产生大量水雾，操作工人劳动条件注入冷却区，但磨床附近产生大量水雾，操作工人劳动条件 差，精磨时无法通过观察火焰试磨对刀。差，精磨时无法通过观察火焰试磨对刀。 4 4、开槽砂轮、开槽砂轮 在砂轮的圆周上开一些横槽，能使砂轮将冷却液带入磨削在砂轮的圆周上开一些横槽，能使砂轮将冷却液带入磨削 区。有均匀等距开槽和变距开槽两种区。有均匀等距开槽和变距开槽两

41、种 有三种好处：有三种好处： 1 1）能将冷却液带入磨削区；）能将冷却液带入磨削区； 2 2）间断磨削，工件受热时间短，金相组织来不及转变；）间断磨削，工件受热时间短，金相组织来不及转变； 3 3）能起风扇作用，改善散热条件。）能起风扇作用，改善散热条件。 因此可有效防止烧伤现象的产生。因此可有效防止烧伤现象的产生。 开槽砂轮开槽砂轮 a)a)槽均匀分布槽均匀分布 b)b)槽不均匀分布槽不均匀分布 1 1、机械加工时表层金属有塑性变形，使表层金属的比容增大，、机械加工时表层金属有塑性变形，使表层金属的比容增大， 不可避免地收到相连的里层金属的阻碍。另外，当刀具从被不可避免地收到相连的里层金属的

42、阻碍。另外，当刀具从被 加工表面切除金属时，纤维被拉长。切削结束后，弹性变形加工表面切除金属时，纤维被拉长。切削结束后，弹性变形 被恢复，塑性变形得不到恢复。被恢复，塑性变形得不到恢复。 这两种情况都使这两种情况都使表层金属产生压缩残余应力，而里层金表层金属产生压缩残余应力，而里层金 属产生拉伸残余应力属产生拉伸残余应力，这种情况叫冷态塑性变形。，这种情况叫冷态塑性变形。 三、表层金属的残余应力三、表层金属的残余应力 （一）表层金属产生残余应力的原因（一）表层金属产生残余应力的原因 t tp p点为金属具有高塑性的温度，点为金属具有高塑性的温度，t tn n为标准室温，为标准室温， t tm

43、m为金属融化温度。为金属融化温度。 表层金属表层金属1 1的温度超过的温度超过t tp p，不产生残余应力，不产生残余应力， 金属层金属层2 2在在t tp p和和t tn n之间，受热膨胀，金属层之间，受热膨胀，金属层1 1不对不对2 2起起 任何阻碍作用，但受到任何阻碍作用，但受到3 3的阻止，因此的阻止，因此2 2产生瞬时残产生瞬时残 余压应力，余压应力，3 3受到瞬时残余拉应力，如图受到瞬时残余拉应力，如图b b。 切削结束后，当金属层切削结束后，当金属层1 1的温度降至低于的温度降至低于t tp p时，时， 变为不完全拉伸残余应力，变为不完全拉伸残余应力，2 2中的压缩残余应力进中的

44、压缩残余应力进 一步增大，图一步增大，图c c。 再继续冷却，再继续冷却，1 1继续收缩，因此继续收缩，因此1 1中的拉伸残余中的拉伸残余 应力继续加大，而应力继续加大，而2 2的压缩应力则扩展到的压缩应力则扩展到3 3内，在室内，在室 温下，由于切削热引起的表层金属残余应力状态，温下，由于切削热引起的表层金属残余应力状态， 如图如图d d。 2 2、热塑性变形的影响、热塑性变形的影响 不同的金相组织具有不同的密度，如果在机械加工中产生不同的金相组织具有不同的密度，如果在机械加工中产生 了金相组织的变化，由于体积的变化，将导致残余应力的产生。了金相组织的变化，由于体积的变化，将导致残余应力的产

45、生。 若金相组织的变化引起表层金属体积增大，则表层金属产若金相组织的变化引起表层金属体积增大，则表层金属产 生压缩残余应力，而里层金属产生拉伸残余应力；如金相组织生压缩残余应力，而里层金属产生拉伸残余应力；如金相组织 变化引起表层金属体积减小，表层金属产生拉伸残余应力，里变化引起表层金属体积减小，表层金属产生拉伸残余应力，里 层金属产生压缩残余应力。层金属产生压缩残余应力。 3 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 （二）影响表层金属残余应力的工艺因素（二）影响表层金属残余应力的工艺因素 1 1、切削速度和被加工材料的影响、切削速度和被加工材料的影响 实验表明：用正前角车

46、刀加工实验表明：用正前角车刀加工45#45#钢时，在所有切削速度下，钢时，在所有切削速度下， 均是热因素起主导作用，工件表层产生拉伸残余应力。均是热因素起主导作用，工件表层产生拉伸残余应力。 而切削而切削18CrNiMoA18CrNiMoA钢时，钢时，低速时热因素起主导作用低速时热因素起主导作用，切削，切削 速度提高到一定程度时，表层温度逐渐升高至淬火温度，表层速度提高到一定程度时，表层温度逐渐升高至淬火温度，表层 金属产生局部淬火，拉伸残余应力的数值逐渐减少，金属产生局部淬火，拉伸残余应力的数值逐渐减少，速度再增速度再增 高，淬火进行的较充分，金相组织的变化因素起主导作用高，淬火进行的较充分

47、，金相组织的变化因素起主导作用，因，因 而，在表层金属中产生压缩残余应力。而，在表层金属中产生压缩残余应力。 2 2、前角的影响、前角的影响 前角影响极大前角影响极大 切削切削45#45#钢时，前角由正变负并继续增负，表层金属拉伸残余钢时，前角由正变负并继续增负，表层金属拉伸残余 应力下降。负前角很大（应力下降。负前角很大（-30-30度和度和-50-50度）切削速度有很大时，度）切削速度有很大时， 发生淬火反应，出现压缩残余应力。发生淬火反应，出现压缩残余应力。 切削切削18CrNiMoA18CrNiMoA合金钢时，容易发生淬火反应，在合金钢时，容易发生淬火反应，在 v=150m/min，=

48、-30度时，就出现压缩残余应力，在度时，就出现压缩残余应力，在 v=750m/min时，所有负前角都出现压缩残余应力。只有较大时，所有负前角都出现压缩残余应力。只有较大 正前角时，才会出现拉伸残余应力。正前角时，才会出现拉伸残余应力。 前角的变化，不仅影响残余应力的数值和符号，而且在很大前角的变化，不仅影响残余应力的数值和符号，而且在很大 程度上影响残余应力的扩展深度。程度上影响残余应力的扩展深度。 （三）影响磨削残余应力的工艺因素（三）影响磨削残余应力的工艺因素 磨削加工中，磨削加工中，热因素热因素，塑性变形塑性变形对表面残余应力的影响都对表面残余应力的影响都 很大。很大。 在一般磨削过程中

49、，若热因素起主导作用，工件表层将产在一般磨削过程中，若热因素起主导作用，工件表层将产 生拉伸残余应力；若塑性变形起主导作用，工件表层将产生压生拉伸残余应力；若塑性变形起主导作用，工件表层将产生压 缩残余应力；若产生淬火烧伤，金相组织变化因素起主要作用，缩残余应力；若产生淬火烧伤，金相组织变化因素起主要作用， 则工件表层将产生压缩残余应力。则工件表层将产生压缩残余应力。 精细加工时，塑性变形起主导作用，工件表层将产生压缩精细加工时，塑性变形起主导作用，工件表层将产生压缩 残余应力。残余应力。 当当a ap p很小时，塑性变形主导，表层压缩残余应力，随着很小时，塑性变形主导，表层压缩残余应力，随着

50、a ap p增增 大，塑性变形增大，切削热升高，热因素逐渐占主导作用，表大，塑性变形增大，切削热升高，热因素逐渐占主导作用，表 层拉伸残余应力，随着层拉伸残余应力，随着a ap p增大，拉伸残余应力逐渐增大。增大，拉伸残余应力逐渐增大。 当当a ap p0.0250.025时，塑性变形因素逐渐起主导作用，表层金属时，塑性变形因素逐渐起主导作用，表层金属 的拉伸残余应力逐渐减小，当的拉伸残余应力逐渐减小，当a ap p很大时，表层呈现压缩残余应很大时，表层呈现压缩残余应 力状态。力状态。 磨削背吃刀量对残余应力的影响磨削背吃刀量对残余应力的影响 1-1-普通磨削普通磨削 2-2-高速磨削高速磨削

51、 1 1、磨削用量的影响、磨削用量的影响 背吃刀量背吃刀量a ap p对残余应力的性质、数值影响很大。对残余应力的性质、数值影响很大。 V V砂轮 砂轮上升，磨削区温度升高，每颗粒所切除的金属厚度减小， 上升，磨削区温度升高，每颗粒所切除的金属厚度减小， 热因素的作用增大，塑性变形因素的影响减小，使表层产生热因素的作用增大，塑性变形因素的影响减小，使表层产生 拉伸残余应力的趋势增大。拉伸残余应力的趋势增大。 V V工件 工件增大，使热作用时间减小，热因素影响下降，塑性变形 增大，使热作用时间减小，热因素影响下降，塑性变形 因素影响上升，表层金属中产生拉伸残余应力的趋势逐渐减因素影响上升，表层金

52、属中产生拉伸残余应力的趋势逐渐减 小，产生压缩残余应力的趋势逐渐增大。小，产生压缩残余应力的趋势逐渐增大。 2 2、工程材料的影响、工程材料的影响 一般来说，材料强度越高、导热性越差、塑性越低，在磨一般来说，材料强度越高、导热性越差、塑性越低，在磨 削时表面金属产生拉伸残余应力的倾向越大。削时表面金属产生拉伸残余应力的倾向越大。 碳碳素工具钢素工具钢T8T8和工业铁比较，强度高，塑性低，导热性差，和工业铁比较，强度高，塑性低，导热性差， 因此热因素的作用比磨削工业铁明显，产生拉伸残余应力的倾因此热因素的作用比磨削工业铁明显，产生拉伸残余应力的倾 向比工业铁大。向比工业铁大。 磨削磨削T8T8钢

53、时磨削背吃刀量对残余应力的影响钢时磨削背吃刀量对残余应力的影响 1-1-碳素工具钢碳素工具钢T8 2-T8 2-工业铁工业铁 工件表面层的残余应力将直接影响机器零件的使用性能，工件表面层的残余应力将直接影响机器零件的使用性能， 一般来说，工件表面残余应力的性质及数值主要取决于工件最一般来说，工件表面残余应力的性质及数值主要取决于工件最 终工序的加工方法，因此工件最终工序加工方法的选择至关重终工序的加工方法，因此工件最终工序加工方法的选择至关重 要。要。 选择工件最终工序加工方法，须考虑该零件的具体工作条选择工件最终工序加工方法，须考虑该零件的具体工作条 件及零件可能产生的破坏形式。件及零件可能

54、产生的破坏形式。 （四）工件最终工序加工方法的选择（四）工件最终工序加工方法的选择 在交变载荷作用下工作的零件，最终工序应选择能在加工在交变载荷作用下工作的零件，最终工序应选择能在加工 表面产生压缩残余应力的加工方法。表面产生压缩残余应力的加工方法。 两个零件作相对滑动，最终工序应选择能在加工表面上产两个零件作相对滑动，最终工序应选择能在加工表面上产 生拉伸残余应力的方法。生拉伸残余应力的方法。 两个零件作相对滑滚动，最终工序应选择能在加工表面上两个零件作相对滑滚动，最终工序应选择能在加工表面上 产生压应力的方法。产生压应力的方法。 通过冷压加工方法，使表面层金属发生通过冷压加工方法，使表面层

55、金属发生冷态塑性变形冷态塑性变形， 以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面层产生压缩以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面层产生压缩 残余应力的表面残余工艺，如喷丸强化和滚压加工。残余应力的表面残余工艺，如喷丸强化和滚压加工。 四、四、表面强化工艺表面强化工艺 （一）喷丸强化（一）喷丸强化 1 1）利用大量快速运动珠丸打击工件表面）利用大量快速运动珠丸打击工件表面, , 使工件表面产生使工件表面产生 冷硬层和压缩残余应力冷硬层和压缩残余应力, , 可显著提高零件的疲劳强度和使用可显著提高零件的疲劳强度和使用 寿命。寿命。 2 2）珠丸可以是铸铁的，也可以是切成小段的钢丝（使用一）珠丸可

56、以是铸铁的，也可以是切成小段的钢丝（使用一 段时间后，自然变成球状）。对于铝质工件，为避免表面残段时间后，自然变成球状）。对于铝质工件，为避免表面残 留铁质微粒而引起电解腐蚀，宜采用铝丸或玻璃丸。珠丸的留铁质微粒而引起电解腐蚀，宜采用铝丸或玻璃丸。珠丸的 直径一般为直径一般为0 0.24mm，对于尺寸较小、表面粗糙度值较小的，对于尺寸较小、表面粗糙度值较小的 工件，采用直径较小的珠丸。工件，采用直径较小的珠丸。 3 3）用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，例如）用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，例如 板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等 1 1）利用淬

57、硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态下挤压）利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态下挤压 金属表面，将凸起部分下压下，凹下部分上凸，修正工件表面金属表面，将凸起部分下压下，凹下部分上凸，修正工件表面 的微观几何形状的微观几何形状, ,形成压缩残余应力，提高耐疲劳强度。形成压缩残余应力，提高耐疲劳强度。 2 2）滚压加工减小表面粗糙度值，表面硬度一般可提高）滚压加工减小表面粗糙度值，表面硬度一般可提高 10%40%，表面金属的耐疲劳强度一般可提高，表面金属的耐疲劳强度一般可提高30%50%。 回首页滚压加工原理图滚压加工原理图 （二）滚压加工（二）滚压加工 机械加工过程产生的振动，是一种

58、十分有害的现象。机械加工过程产生的振动，是一种十分有害的现象。 自由振动自由振动 强迫振动强迫振动 自激振动自激振动 振动有三种：振动有三种： 机械加工中产生的振动主要是强迫振动和自激振动（颤动）机械加工中产生的振动主要是强迫振动和自激振动（颤动） 两种类型。两种类型。 第四节第四节 机械加工过程中振动机械加工过程中振动 一一 机械加工中的强迫振动机械加工中的强迫振动 强迫振动是由于外界周期性干扰力的作用而引起的振动，强迫振动是由于外界周期性干扰力的作用而引起的振动， 强迫振动是影响精密加工质量和生产率的关键因素。强迫振动是影响精密加工质量和生产率的关键因素。 振动主要来自两个方面：振动主要来

59、自两个方面： 1）机内振源）机内振源 （1）高速回转零部件质量的不平衡；）高速回转零部件质量的不平衡； （2）机床传动件的制作误差和缺陷；）机床传动件的制作误差和缺陷； （3）切削过程中的冲击；）切削过程中的冲击； （4）往复传动部件的惯性力。）往复传动部件的惯性力。 2）机外振源：其他机床、锻锤等，是通过地基传给机床的。）机外振源：其他机床、锻锤等，是通过地基传给机床的。 （二）强迫振动的特征（二）强迫振动的特征 1）干扰力：强迫振动是在外界周期性干扰力的作用下产生的，）干扰力：强迫振动是在外界周期性干扰力的作用下产生的， 但振动本身并不能引起干扰力的变化。但振动本身并不能引起干扰力的变化。

60、 2）频率：强迫振动的频率总与外界干扰力的频率相同或成倍）频率：强迫振动的频率总与外界干扰力的频率相同或成倍 数关系。数关系。 3）幅值：强迫振动振幅的大小在很大程度上取决于干扰力的）幅值：强迫振动振幅的大小在很大程度上取决于干扰力的 频率频率与加工系统固有频率与加工系统固有频率0的比值，入股比值为的比值，入股比值为1时，振幅时，振幅 达最大值，此现象叫共振。达最大值，此现象叫共振。 根据强迫振动的幅频响应特征，可知：改变运动根据强迫振动的幅频响应特征，可知：改变运动 参数或工艺系统的结构，使参数或工艺系统的结构，使f干扰变化，或使干扰变化，或使f工艺系工艺系 统某阶固有频率变化，强迫振动的幅