第8章机械加工表面质量

1、第八章第八章 机械加工表面质量机械加工表面质量 保证机器的使用性能和延长使用寿命，需提高机保证机器的使用性能和延长使用寿命，需提高机器零件的耐磨性、疲劳强度、抗蚀性、密封性、接触器零件的耐磨性、疲劳强度、抗蚀性、密封性、接触刚度等性能，主要取决于零件的表面质量。机械加工刚度等性能，主要取决于零件的表面质量。机械加工表面质量是机械零件加工质量的一个重要指标。是以表面质量是机械零件加工质量的一个重要指标。是以机械零件的加工表面和表面层作为分析和研究对象的。机械零件的加工表面和表面层作为分析和研究对象的。 旨在研究零件表面层在加工中的变化和机理，掌旨在研究零件表面层在加工中的变化和机理，掌握机械加工

2、中各种工艺因素对表面质量的影响规律，握机械加工中各种工艺因素对表面质量的影响规律，控制加工中的各种影响因素，以满足表面质量的要求。控制加工中的各种影响因素，以满足表面质量的要求。 主要讨论机械加工表面质量的含义、表面质量对主要讨论机械加工表面质量的含义、表面质量对使用性能的影响、表面质量产生的机理等。对生产现使用性能的影响、表面质量产生的机理等。对生产现场中发生的表面质量问题从理论上作出解释，提出提场中发生的表面质量问题从理论上作出解释，提出提高机械加工表面质量的途径。高机械加工表面质量的途径。本章提要本章提要表面质量的含义表面质量的含义 表面质量是指机器零件加工后表面层的状态。有表面质量是指

3、机器零件加工后表面层的状态。有两部分：两部分：表面层的几何形状表面层的几何形状 表面粗糙度：表面粗糙度： 是指表面微观几何形状误差，其波高与波长的比是指表面微观几何形状误差，其波高与波长的比值在值在L1/H140的范围内。的范围内。表面波度：表面波度： 是介于加工精度（宏观几何形状误差是介于加工精度（宏观几何形状误差L3/H31000）和表面粗糙度之间的一种带有周期性的几何形状误差，和表面粗糙度之间的一种带有周期性的几何形状误差，其波高与波长的比值在其波高与波长的比值在40L2/H21000的范围。的范围。机械加工后的表面质量机械加工后的表面质量图图8.1 表面几何形状表面几何形状表面层的物理

4、机械性能表面层的物理机械性能表面层冷作硬化（简称冷硬）：表面层冷作硬化（简称冷硬）： 零件在机械加工中表面层金属产生强烈的冷态塑零件在机械加工中表面层金属产生强烈的冷态塑性变形后，引起的强度和硬度都有所提高的现象。性变形后，引起的强度和硬度都有所提高的现象。表面层金相组织的变化：表面层金相组织的变化： 由于切削热引起工件表面温升过高，表面层金属由于切削热引起工件表面温升过高，表面层金属发生金相组织变化的现象。发生金相组织变化的现象。表面层残余应力：表面层残余应力： 由于加工过程中切削变形和切削热的影响，工件由于加工过程中切削变形和切削热的影响，工件表面层产生残余应力。表面层产生残余应力。机械加

5、工后的表面质量机械加工后的表面质量表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响对零件耐磨性的影响对零件耐磨性的影响 在摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件已经确在摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件已经确定的情况下，定的情况下， 两个表面粗糙度值很大的零件接触，最初接触的两个表面粗糙度值很大的零件接触，最初接触的只是一些凸峰顶部，实际接触面积比名义接触面积小只是一些凸峰顶部，实际接触面积比名义接触面积小得多，这样单位接触面积上的压力就很大，当压力超得多，这样单位接触面积上的压力就很大，当压力超过材料的屈服极限时，凸峰部分产生塑性变形；当两过材料的屈服极限时，凸峰部分产生塑性变形；当两个

6、零件作相对运动时，就会产生剪切、凸峰断裂或塑个零件作相对运动时，就会产生剪切、凸峰断裂或塑性滑移，初期磨损速度很快。性滑移，初期磨损速度很快。 机械加工后的表面质量机械加工后的表面质量图图8.2 表面粗糙度与初期表面粗糙度与初期 磨损量关系磨损量关系 曲线存在曲线存在最佳点最佳点，对应零件最耐磨的粗糙度，对应零件最耐磨的粗糙度，此时零件的初期磨损量最小。若载荷加重或润滑此时零件的初期磨损量最小。若载荷加重或润滑条件恶化，磨损曲线将向上向右移动，最佳粗糙条件恶化，磨损曲线将向上向右移动，最佳粗糙度值也随之右移。度值也随之右移。 在表面粗糙度大于最佳值时，减小表面粗糙在表面粗糙度大于最佳值时，减小

7、表面粗糙度值可减少初期磨损量。度值可减少初期磨损量。 但当表面粗糙度小于最佳值时，零件实际接但当表面粗糙度小于最佳值时，零件实际接触面积就增大，接触面积之间的润滑油被挤出，触面积就增大，接触面积之间的润滑油被挤出，金属表面直接接触，因金属分子间的亲和力而发金属表面直接接触，因金属分子间的亲和力而发生粘结（称为冷焊），随着相对运动的进行，粘生粘结（称为冷焊），随着相对运动的进行，粘结处在剪切力的作用下发生撕裂破坏。有时还由结处在剪切力的作用下发生撕裂破坏。有时还由于摩擦产生的高温，使摩擦面局部熔化（称为热于摩擦产生的高温，使摩擦面局部熔化（称为热焊）等原因，使接触表面遭到破坏，初期磨损量焊）等原

8、因，使接触表面遭到破坏，初期磨损量反而急剧增加。反而急剧增加。机械加工后的表面质量机械加工后的表面质量 图图8.3表示两个不同零件的表面，粗糙度值相同，但轮廓形状不同，表示两个不同零件的表面，粗糙度值相同，但轮廓形状不同，其耐磨性相差可达其耐磨性相差可达34倍。试验表明，耐磨性决定于轮廓峰顶形状和凹倍。试验表明，耐磨性决定于轮廓峰顶形状和凹谷形状。前者决定干摩擦时的实际接触面积，后者决定润滑摩擦时的谷形状。前者决定干摩擦时的实际接触面积，后者决定润滑摩擦时的容油情况。图容油情况。图8.4为两摩擦表面粗糙度纹路方向对零件耐磨性的影响。为两摩擦表面粗糙度纹路方向对零件耐磨性的影响。 表面粗糙度对耐

9、磨性能的影响，还与表面粗糙度对耐磨性能的影响，还与粗糙度的轮廓形状及纹路方粗糙度的轮廓形状及纹路方向向有关。有关。机械加工后的表面质量机械加工后的表面质量表面层的冷硬可显著地减少零件的磨损。表面层的冷硬可显著地减少零件的磨损。原因：原因： 冷硬提高了表面接触点处的屈服强度，减少了进冷硬提高了表面接触点处的屈服强度，减少了进一步塑性变形的可能性，并减少了摩擦表面金属的冷一步塑性变形的可能性，并减少了摩擦表面金属的冷焊现象。焊现象。 但如果表面硬化过度，零件心部和表面层硬度差但如果表面硬化过度，零件心部和表面层硬度差过大，会发生表面层剥落现象，使磨损加剧。过大，会发生表面层剥落现象，使磨损加剧。

10、表面层产生金相组织变化时，由于改变了基体材表面层产生金相组织变化时，由于改变了基体材料原来的硬度，因而也直接影响其耐磨性。料原来的硬度，因而也直接影响其耐磨性。机械加工后的表面质量机械加工后的表面质量对零件疲劳强度的影响对零件疲劳强度的影响 在周期性的交变载荷作用下，零件表面微观不平在周期性的交变载荷作用下，零件表面微观不平与表面的缺陷一样都会产生与表面的缺陷一样都会产生应力集中应力集中现象，而且表面现象，而且表面粗糙度值越大，即凹陷越深和越尖，应力集中越严重，粗糙度值越大，即凹陷越深和越尖，应力集中越严重，越容易形成和扩展疲劳裂纹而造成零件的疲劳损坏。越容易形成和扩展疲劳裂纹而造成零件的疲劳

11、损坏。 钢件对应力集中敏感，钢材的强度越高，表面粗钢件对应力集中敏感，钢材的强度越高，表面粗糙度对疲劳强度的影响越大。含有石墨的铸铁件相当糙度对疲劳强度的影响越大。含有石墨的铸铁件相当于存在许多微观裂纹，与有色金属件一样对应力集中于存在许多微观裂纹，与有色金属件一样对应力集中不敏感，表面粗糙度对疲劳强度的影响就不明显。不敏感，表面粗糙度对疲劳强度的影响就不明显。 加工纹路方向加工纹路方向对疲劳强度的影响更大，如果刀痕对疲劳强度的影响更大，如果刀痕与受力方向垂直，则疲劳强度将显著降低。与受力方向垂直，则疲劳强度将显著降低。机械加工后的表面质量机械加工后的表面质量对零件疲劳强度的影响对零件疲劳强度

12、的影响 零件表面的冷硬层能够阻碍裂纹的扩大和新裂纹零件表面的冷硬层能够阻碍裂纹的扩大和新裂纹的出现的出现，因为由摩擦学可知疲劳源的位置在冷硬层的，因为由摩擦学可知疲劳源的位置在冷硬层的中部，因此冷硬可以提高零件的疲劳强度。但冷硬层中部，因此冷硬可以提高零件的疲劳强度。但冷硬层过深或过硬则容易产生裂纹，反而会降低疲劳强度。过深或过硬则容易产生裂纹，反而会降低疲劳强度。所以冷硬要适当。所以冷硬要适当。 表面层的内应力对疲劳强度的影响很大。表面层的内应力对疲劳强度的影响很大。表面层表面层残余的压应力能够部分地抵消工作载荷施加的拉压力，残余的压应力能够部分地抵消工作载荷施加的拉压力，延缓疲劳裂纹扩展。

13、而残余拉应力容易使已加工表面延缓疲劳裂纹扩展。而残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹而降低疲劳强度。带有不同残余应力表面层产生裂纹而降低疲劳强度。带有不同残余应力表面层的零件，其疲劳寿命可相差数倍至数十倍。的零件，其疲劳寿命可相差数倍至数十倍。机械加工后的表面质量机械加工后的表面质量对零件抗腐蚀性能的影响对零件抗腐蚀性能的影响 零件表面粗糙度值越大，潮湿空气和腐蚀介质越零件表面粗糙度值越大，潮湿空气和腐蚀介质越容易堆积在零件表面凹处而发生容易堆积在零件表面凹处而发生化学腐蚀化学腐蚀，或在凸峰，或在凸峰间产生电化学作用而引起间产生电化学作用而引起电化学腐蚀电化学腐蚀，故抗腐蚀性能，故抗腐蚀性能越差

14、。越差。 表面冷硬和金相组织变化都会产生内应力。零件表面冷硬和金相组织变化都会产生内应力。零件在应力状态下工作时，会产生在应力状态下工作时，会产生应力腐蚀应力腐蚀（材料在拉应材料在拉应力集中和特定的腐蚀环境共同作用下发生腐蚀裂纹扩力集中和特定的腐蚀环境共同作用下发生腐蚀裂纹扩展的现象）展的现象） ，若有裂纹，则更增加了应力腐蚀的敏感，若有裂纹，则更增加了应力腐蚀的敏感性。因此表面内应力会降低零件的抗腐蚀性能。性。因此表面内应力会降低零件的抗腐蚀性能。机械加工后的表面质量机械加工后的表面质量对零件的其它影响对零件的其它影响 表面质量对零件的表面质量对零件的配合质量、密封性能及摩擦系配合质量、密封

15、性能及摩擦系数数都有很大的影响。表面粗糙度值越大，初期磨损量都有很大的影响。表面粗糙度值越大，初期磨损量越大，对动配合来说，使用不久就会使配合性质发生越大，对动配合来说，使用不久就会使配合性质发生变化；对静配合来说，压装时会减少过盈量，降低配变化；对静配合来说，压装时会减少过盈量，降低配合强度。合强度。 零件表面层状态对其使用性能有如此大的影响是零件表面层状态对其使用性能有如此大的影响是因为：承受载荷应力最大的表面层是金属的边界，机因为：承受载荷应力最大的表面层是金属的边界，机械加工后破坏了晶粒的完整性，从而降低了表面的某械加工后破坏了晶粒的完整性，从而降低了表面的某些机械性能。表面层有裂纹、

16、加工痕迹等各种缺陷，些机械性能。表面层有裂纹、加工痕迹等各种缺陷，在动载荷的作用下，可能引起应力集中而导致破坏。在动载荷的作用下，可能引起应力集中而导致破坏。零件表面经过加工后，表面层的物理、机械、冶金和零件表面经过加工后，表面层的物理、机械、冶金和化学性能都变得和基体材料不同了。化学性能都变得和基体材料不同了。机械加工后的表面质量机械加工后的表面质量切削加工后的表面粗糙度切削加工后的表面粗糙度 切削加工时表面粗糙度的形成，大致可归纳为切削加工时表面粗糙度的形成，大致可归纳为三方面的原因：三方面的原因：几何因素几何因素物理因素物理因素工艺系统的振动工艺系统的振动机械加工后的表面粗糙度机械加工后

17、的表面粗糙度几何因素几何因素 由刀具相对于工件作进给运动时在加工表面上遗由刀具相对于工件作进给运动时在加工表面上遗留下来的切削层残留面积（图留下来的切削层残留面积（图8.5）。理论上的最大粗）。理论上的最大粗糙度糙度Rmax可由刀具形状、进给量可由刀具形状、进给量f，按几何关系求得。，按几何关系求得。当不考虑刀尖圆弧半径时：当不考虑刀尖圆弧半径时：kkfRcotcotmaxrfR82max 当背吃刀量和进给量很小时，粗糙度主要由刀尖当背吃刀量和进给量很小时，粗糙度主要由刀尖圆弧构成：圆弧构成：机械加工后的表面粗糙度机械加工后的表面粗糙度图图8.5 切削层残留面积切削层残留面积机械加工后的表面粗

18、糙度机械加工后的表面粗糙度物理因素物理因素 由图知，实际粗糙度与理论粗糙度差别较大。由图知，实际粗糙度与理论粗糙度差别较大。 主要是与被加工材料的性能及切削机理有关的物理主要是与被加工材料的性能及切削机理有关的物理因素的影响。切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工因素的影响。切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工件挤压与摩擦而产生塑性变形。韧性越好的材料塑性变件挤压与摩擦而产生塑性变形。韧性越好的材料塑性变形越大，且容易出现积屑瘤与鳞刺，使粗糙度严重恶化。形越大，且容易出现积屑瘤与鳞刺，使粗糙度严重恶化。 还有切削用量、冷却润滑液和刀具材料等因素影响。还有切削用量、冷却润滑液和刀具材料等因素影响。

19、 图图8.6 塑性材料加工后表面的实际轮廓和理论轮廓塑性材料加工后表面的实际轮廓和理论轮廓机械加工后的表面粗糙度机械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度影响因素可归纳为三方面：影响因素可归纳为三方面： 与磨削过程和砂轮结构有关的几何因与磨削过程和砂轮结构有关的几何因素素 与磨削过程和被加工材料塑性变形有与磨削过程和被加工材料塑性变形有关的物理因素关的物理因素 工艺系统的振动因素工艺系统的振动因素机械加工后的表面粗糙度机械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度 从几何因素看，砂轮上磨粒的微刃形状和分布对于磨从几何因素看，砂轮上磨粒的微刃形状和分布

20、对于磨削后的表面粗糙度是有影响的。磨削表面是由砂轮上大量削后的表面粗糙度是有影响的。磨削表面是由砂轮上大量的磨粒刻划出无数极细的构槽形成的，每单位面积上刻痕的磨粒刻划出无数极细的构槽形成的，每单位面积上刻痕越多，即通过每单位面积的磨粒数越多，以及刻痕的等高越多，即通过每单位面积的磨粒数越多，以及刻痕的等高性能好，粗糙度也就越低。性能好，粗糙度也就越低。 从物理因素看，大多数磨粒只有滑擦、耕犁作用。在从物理因素看，大多数磨粒只有滑擦、耕犁作用。在滑擦作用下，被加工表面只有弹性变形，不产生切屑；在滑擦作用下，被加工表面只有弹性变形，不产生切屑；在耕犁作用下，磨粒在工件表面上刻划出一条沟痕，工件材耕

21、犁作用下，磨粒在工件表面上刻划出一条沟痕，工件材料被挤向两边产生隆起，此时产生塑性变形但仍不产生切料被挤向两边产生隆起，此时产生塑性变形但仍不产生切屑。磨削量是经过很多后继磨粒的多次挤压因疲劳而断裂、屑。磨削量是经过很多后继磨粒的多次挤压因疲劳而断裂、脱落，所以加工表面的塑性变形很大，表面粗糙度值越大。脱落，所以加工表面的塑性变形很大，表面粗糙度值越大。机械加工后的表面粗糙度机械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度为了降低表面粗糙度值，应考虑以下主要影响因素：为了降低表面粗糙度值，应考虑以下主要影响因素：砂轮的粒度砂轮的粒度 砂轮的粒度愈细，则砂轮单位面积上的磨粒数愈

22、多，砂轮的粒度愈细，则砂轮单位面积上的磨粒数愈多，在工件上的刻痕也愈密而细，所以粗糙度值愈低。在工件上的刻痕也愈密而细，所以粗糙度值愈低。砂轮的修整砂轮的修整 砂轮的修整质量越高，砂轮的修整质量越高，砂轮工作表面上的等高微砂轮工作表面上的等高微刃刃（图（图8.7）就越多，因而就越多，因而磨出的工件表面粗糙度值磨出的工件表面粗糙度值也就愈低。也就愈低。图图8.7 8.7 磨粒上的微刃磨粒上的微刃机械加工后的表面粗糙度机械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度砂轮速度砂轮速度 提高砂轮速度可以增加单位时间内工件单位面积上的提高砂轮速度可以增加单位时间内工件单位面积上的刻痕数

23、，同时塑性变形造成的隆起量随着砂轮速度的增大刻痕数，同时塑性变形造成的隆起量随着砂轮速度的增大而下降，原因是高速下塑性变形的传播速度小于磨削速度，而下降，原因是高速下塑性变形的传播速度小于磨削速度，材料来不及变形，因而粗糙度可以显著降低。材料来不及变形，因而粗糙度可以显著降低。工件速度工件速度 工件速度越大，单个磨粒的磨削厚度就越大，单位时工件速度越大，单个磨粒的磨削厚度就越大，单位时间内磨削工件表面的磨粒数减少，表面粗糙度值增大。间内磨削工件表面的磨粒数减少，表面粗糙度值增大。机械加工后的表面粗糙度机械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度径向进给量径向进给量 增大磨

24、削径向进给量将增加塑性变形的程度从而增大增大磨削径向进给量将增加塑性变形的程度从而增大粗糙度。通常在磨削过程开始时采用较大的径向进给量，粗糙度。通常在磨削过程开始时采用较大的径向进给量，以提高生产率，而在最后采用小径向进给量或无径向进给以提高生产率，而在最后采用小径向进给量或无径向进给量磨削，以降低粗糙度值。量磨削，以降低粗糙度值。轴向进给量轴向进给量 磨削时采用较小的轴向进给量，则磨削后表面粗糙度磨削时采用较小的轴向进给量，则磨削后表面粗糙度较低。较低。机械加工后的表面粗糙度机械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度 另外，引起磨削表面粗糙度增大的主要原因还往另外，引

25、起磨削表面粗糙度增大的主要原因还往往是往是工艺系统的振动工艺系统的振动所致。所致。 增加工艺系统刚度和阻尼，做好砂增加工艺系统刚度和阻尼，做好砂轮的动平衡以及合理地修整砂轮轮的动平衡以及合理地修整砂轮可显著降可显著降低粗糙度。低粗糙度。机械加工后的表面粗糙度机械加工后的表面粗糙度机械加工后表面层的冷作硬化机械加工后表面层的冷作硬化 切削或磨削加工时，表面层金属由于塑性变形使晶体切削或磨削加工时，表面层金属由于塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格发生拉长、扭曲和破碎而得到强化。间产生剪切滑移，晶格发生拉长、扭曲和破碎而得到强化。冷作硬化的特点：冷作硬化的特点： 变形抵抗力提高（屈服点提高），塑性降

26、低（相对延变形抵抗力提高（屈服点提高），塑性降低（相对延伸率降低）。伸率降低）。冷硬的指标冷硬的指标: 通常用冷硬层的深度通常用冷硬层的深度h、表面层的显微硬度、表面层的显微硬度H以及硬以及硬化程度化程度N来表示（图来表示（图8.8），其中），其中N=H/H0，H0为原来的显为原来的显微硬度。微硬度。冷作硬化产生的原因冷作硬化产生的原因 机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能图图8.8 8.8 切削加工后表面层的冷硬切削加工后表面层的冷硬机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能 表面层冷作硬化的程度决定于产生塑表面层冷作硬化的程度决定于产生塑性变形的力

27、、变形速度及变形时的温度。性变形的力、变形速度及变形时的温度。 力越大，塑性变形越大，则硬化程度越大；力越大，塑性变形越大，则硬化程度越大； 速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度越小；速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度越小； 变形时的温度不仅影响塑性变形程度，还会影响变形变形时的温度不仅影响塑性变形程度，还会影响变形后金相组织的恢复程度。后金相组织的恢复程度。 冷作硬化产生的原因冷作硬化产生的原因 机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能切削加工时表面层的硬化可能有两种情况：切削加工时表面层的硬化可能有两种情况：完全强化完全强化 此时出现晶格歪扭以及纤维结构和变形层物

28、理机械性此时出现晶格歪扭以及纤维结构和变形层物理机械性质的改变；质的改变；不完全强化不完全强化 若温度超过（若温度超过（0.250.30）T熔熔（熔化绝对温度），则（熔化绝对温度），则除了强化现象外，同时还有回复现象，此时歪扭的晶格局除了强化现象外，同时还有回复现象，此时歪扭的晶格局部得到恢复，减低了冷硬作用；如果温度超过部得到恢复，减低了冷硬作用；如果温度超过0.30T熔就熔就会发生金属再结晶，此时由于强化而改变了的表面层物理会发生金属再结晶，此时由于强化而改变了的表面层物理机械性能几乎可以完全恢复。机械性能几乎可以完全恢复。冷作硬化产生的原因冷作硬化产生的原因 机械加工后的表面层物理机械性

29、能机械加工后的表面层物理机械性能 机械加工时表面层的冷作硬化就是机械加工时表面层的冷作硬化就是强化作用和回强化作用和回复作用的综合结果。复作用的综合结果。 切削温度越高、高温持续时间越长、强化程度越大，切削温度越高、高温持续时间越长、强化程度越大，则回复作用也就越强。则回复作用也就越强。 因此对高温下工作的零件，能保证疲劳强度的最佳表因此对高温下工作的零件，能保证疲劳强度的最佳表面层是没有冷硬层或者只有极小（面层是没有冷硬层或者只有极小（1020m）冷作硬化的）冷作硬化的表面层。表面层。冷作硬化产生的原因冷作硬化产生的原因 机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能刀具刀具

30、刀具的切削刃口圆角和后刀面的磨损量对于冷硬刀具的切削刃口圆角和后刀面的磨损量对于冷硬层有很大的影响，此两值增大时，冷硬层深度和硬度层有很大的影响，此两值增大时，冷硬层深度和硬度也随之增大。前角减少时，冷硬也增大。也随之增大。前角减少时，冷硬也增大。被加工材料被加工材料 被加工材料硬度愈低、塑性愈大，切削后的冷硬被加工材料硬度愈低、塑性愈大，切削后的冷硬现象愈严重。现象愈严重。影响冷作硬化的主要因素影响冷作硬化的主要因素 机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能切削用量切削用量 切削速度增大时，刀具与工件接触时间短，塑性切削速度增大时，刀具与工件接触时间短，塑性变形程度减少，

31、同时会使温度增高，有助于冷硬的回变形程度减少，同时会使温度增高，有助于冷硬的回复，所以硬化层深度和硬度都有所减少。复，所以硬化层深度和硬度都有所减少。 进给量增大时，切削力增大，塑性变形程度也增进给量增大时，切削力增大，塑性变形程度也增大，因此硬化现象增大。但在进给量较小时，由于刀大，因此硬化现象增大。但在进给量较小时，由于刀具的刃口圆角在加工表面单位长度上的挤压次数增多，具的刃口圆角在加工表面单位长度上的挤压次数增多，因此硬化倾向也会增大。径向进给量增大时，冷硬层因此硬化倾向也会增大。径向进给量增大时，冷硬层深度也有所增大，但其影响程度不显著。深度也有所增大，但其影响程度不显著。影响冷作硬化

32、的主要因素影响冷作硬化的主要因素 机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后表面层金相组织的变化机械加工后表面层金相组织的变化 磨削加工时切削力比其它加工方法大数十倍，切削速磨削加工时切削力比其它加工方法大数十倍，切削速度也非常高，所以功率消耗远远大于其它切削方法。度也非常高，所以功率消耗远远大于其它切削方法。 由于砂轮导热性差、切屑数量少，磨削过程中能量转由于砂轮导热性差、切屑数量少，磨削过程中能量转化的热大部分都传给了工件。磨削时，在很短的时间内磨化的热大部分都传给了工件。磨削时，在很短的时间内磨削区温度可上升到削区温度可上升到4001000C，甚至更高。，甚至

33、更高。 这样大的加热速度，促使加工表面局部形成瞬时热聚这样大的加热速度，促使加工表面局部形成瞬时热聚集现象，有很高温升和很大的温度梯度，出现金相组织的集现象，有很高温升和很大的温度梯度，出现金相组织的变化，强度和硬度下降，产生残余应力，甚至引起裂纹，变化，强度和硬度下降，产生残余应力，甚至引起裂纹，这就是这就是。金相组织变化的原因金相组织变化的原因 机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能 磨削淬火钢时，由于磨削烧伤，工件表面产生氧化膜磨削淬火钢时，由于磨削烧伤，工件表面产生氧化膜并呈现出黄、褐、紫、青、灰等不同颜色，相当于钢的回并呈现出黄、褐、紫、青、灰等不同颜色，相当于

34、钢的回火色。火色。 不同的烧伤色表示受到不同温度的作用与产生不同的不同的烧伤色表示受到不同温度的作用与产生不同的烧伤深度。有时表面虽看不出变色，但并不等于表面未受烧伤深度。有时表面虽看不出变色，但并不等于表面未受热损伤。热损伤。 例如在磨削过程中由于采用过大的磨削用量，造成了例如在磨削过程中由于采用过大的磨削用量，造成了很深的烧伤层，以后的无进给磨削中磨去了表面的烧伤色，很深的烧伤层，以后的无进给磨削中磨去了表面的烧伤色，而未能除去烧伤层，则留在工件上的烧伤层就会成为使用而未能除去烧伤层，则留在工件上的烧伤层就会成为使用中的隐患。中的隐患。金相组织变化的原因金相组织变化的原因 机械加工后的表面

35、层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能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度，则工件磨削区温度超过马氏体转变温度而未超过相变温度，则工件表面原来的马氏体组织将产生回火现象，转化成硬度降低的回火表面原来的马氏体组织将产生回火现象，转化成硬度降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，由于冷却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，表层会出现二次淬火马氏体，硬度较原来的回火液的急冷作用，表层会出现

36、二次淬火马氏体，硬度较原来的回火马氏体高，而它的下层则因为冷却缓慢成为硬度降低的回火组织。马氏体高，而它的下层则因为冷却缓慢成为硬度降低的回火组织。退火烧伤退火烧伤 不同冷却液进行干磨削时，磨削区温度超过相变温度，马氏不同冷却液进行干磨削时，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，这时体转变为奥氏体，因工件冷却缓慢，则表层硬度急剧下降，这时工件表层被退火。工件表层被退火。金相组织变化的原因金相组织变化的原因 机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能影响磨削加工时金相组织变化的因素有影响磨削加工时金相组织变化的因素有: 。影响磨削加工时

37、金相组织变化的因素影响磨削加工时金相组织变化的因素 机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能 工件材料为工件材料为低碳钢低碳钢时不会发生相变；时不会发生相变； 高合金钢高合金钢如轴承钢、高速钢、镍铬钢等传热性特别如轴承钢、高速钢、镍铬钢等传热性特别差，在冷却不充分时易出现磨削烧伤。差，在冷却不充分时易出现磨削烧伤。 未淬火钢未淬火钢为扩散度低的珠光体，磨削时间短时不会为扩散度低的珠光体，磨削时间短时不会发生金相组织的变化；发生金相组织的变化； 淬火钢淬火钢极易相变。极易相变。影响磨削加工时金相组织变化的因素影响磨削加工时金相组织变化的因素 机械加工后的表面层物理机械性能机械

38、加工后的表面层物理机械性能图图8.9 8.9 磨削高碳淬火钢时表面的硬度分布磨削高碳淬火钢时表面的硬度分布机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能 当磨削深度小于当磨削深度小于10m时，由于温度的影响使表面时，由于温度的影响使表面层的回火马氏体产生弱化，并与塑性变形产生的冷作硬层的回火马氏体产生弱化，并与塑性变形产生的冷作硬化现象综合而产生了比基体硬度低的部分，而表面的里化现象综合而产生了比基体硬度低的部分，而表面的里层由于磨削加工中的冷作硬化起了主导作用而又产生了层由于磨削加工中的冷作硬化起了主导作用而又产生了比基体硬度高的部分。比基体硬度高的部分。 当磨削深度为当磨削深

39、度为2030m时，冷作硬化的影响减少，时，冷作硬化的影响减少，磨削温度起了主导作用。由于磨削区温度磨削温度起了主导作用。由于磨削区温度高于马氏体转高于马氏体转变温度变温度，低于相变温度而使表面层马氏体回火产生回火，低于相变温度而使表面层马氏体回火产生回火烧伤。烧伤。 当磨削深度增大至当磨削深度增大至50m时，磨削区最高温度时，磨削区最高温度超过超过了了相变临界温度相变临界温度，急冷时产生淬火烧伤，而再往里层则，急冷时产生淬火烧伤，而再往里层则硬度又逐渐升高直至未受热影响的基体组织。硬度又逐渐升高直至未受热影响的基体组织。影响磨削加工时金相组织变化的因素影响磨削加工时金相组织变化的因素 机械加工

40、后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后表面层的残余应力机械加工后表面层的残余应力 在机械加工中，工件表面层金属相对基体金属发生形在机械加工中，工件表面层金属相对基体金属发生形状、体积的变化或金相组织变化时，工件表面层中将残留状、体积的变化或金相组织变化时，工件表面层中将残留相互平衡的残余应力。产生表面层残余应力的原因：相互平衡的残余应力。产生表面层残余应力的原因：冷态塑性变形冷态塑性变形 机械加工时，表层金属产生强烈的塑性变形。沿切削机械加工时，表层金属产生强烈的塑性变形。沿切削速度方向表面产生拉伸变形，晶粒被拉长，金属密度会下速度方向表面产生拉伸变形，晶粒被拉长，金属

41、密度会下降，即比容增大，而里层材料则阻碍这种变形，因而在表降，即比容增大，而里层材料则阻碍这种变形，因而在表面层产生残余压应力，在里层则产生残余拉应力。面层产生残余压应力，在里层则产生残余拉应力。残余应力产生的原因残余应力产生的原因 机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能热态塑性变形热态塑性变形 机械加工时，切削或磨削热使工件表面局部温升过高，机械加工时，切削或磨削热使工件表面局部温升过高，引起引起高温塑性变形高温塑性变形。图。图8.10为因加工温度而引起残余应力为因加工温度而引起残余应力的示意图。的示意图。 第第1层温度在塑性温度以上，产生热塑变形，故没有应力；第层温度

42、在塑性温度以上，产生热塑变形，故没有应力；第2层温度在塑性温度与室温之间，只产生弹性热膨胀，膨胀受到第层温度在塑性温度与室温之间，只产生弹性热膨胀，膨胀受到第3层层的阻碍，产生压应力；第的阻碍，产生压应力；第3层处在室温的冷态层不产生热变形，产生层处在室温的冷态层不产生热变形，产生拉应力。开始冷却时，当第拉应力。开始冷却时，当第1层冷到塑性温度以下，体积收缩，但第层冷到塑性温度以下，体积收缩，但第2层阻碍其收缩，第层阻碍其收缩，第1层中产生拉应力，第层中产生拉应力，第2层中的压应力增加。而由于层中的压应力增加。而由于第第2层的冷却收缩，第层的冷却收缩，第3层中的拉应力有所减小。最后冷却时，第层

43、中的拉应力有所减小。最后冷却时，第1层层继续收缩，拉应力进一步增大，而第继续收缩，拉应力进一步增大，而第2层热膨胀全部消失，完全由第层热膨胀全部消失，完全由第1层的收缩而形成一个不大的压应力，第层的收缩而形成一个不大的压应力，第3层拉应力消失，而与第层拉应力消失，而与第2层一层一起受第起受第1层的影响，也形成一个不大的压应力。层的影响，也形成一个不大的压应力。残余应力产生的原因残余应力产生的原因 机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能金相组织变化金相组织变化 切削时产生的高温会引起表面的相变。切削时产生的高温会引

44、起表面的相变。 由于不同的金相组织有不同的比容，表面层金相变化由于不同的金相组织有不同的比容，表面层金相变化的结果将造成体积的变化。的结果将造成体积的变化。 表面层体积膨胀时，因为受到基体的限制，产生了压表面层体积膨胀时，因为受到基体的限制，产生了压应力；反之产生拉应力。应力；反之产生拉应力。残余应力产生的原因残余应力产生的原因 机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能 实际机械加工后的表面层残余应力及其分布，是上述实际机械加工后的表面层残余应力及其分布，是上述三方面因素综合作用的结果三方面因素综合作用的结果，在一定条件下，其中某一或，在一定条件下，其中某一或二种因素可能起

45、主导作用。二种因素可能起主导作用。 例如：切削时切削热不多则以冷态塑性变形为主，若例如：切削时切削热不多则以冷态塑性变形为主，若切削热多则以热态塑性变形为主。磨削时表面层残余应力切削热多则以热态塑性变形为主。磨削时表面层残余应力岁磨削条件不同而不同，图岁磨削条件不同而不同，图8.11所示为三类磨削条件下产所示为三类磨削条件下产生的表面层残余应力。轻磨削条件产生浅而小的残余压应生的表面层残余应力。轻磨削条件产生浅而小的残余压应力，因为此时没有金相组织变化，温度影响也很小，主要力，因为此时没有金相组织变化，温度影响也很小，主要是塑性变形的影响在起作用。中等磨削条件产生浅而大的是塑性变形的影响在起作

46、用。中等磨削条件产生浅而大的拉应力。淬火钢重磨削条件则产生深而大的拉应力（最外拉应力。淬火钢重磨削条件则产生深而大的拉应力（最外表面可能出现小而浅的压应力），这里显然是由于热态塑表面可能出现小而浅的压应力），这里显然是由于热态塑性变形和金相组织变化的影响在起主导作用的缘故。性变形和金相组织变化的影响在起主导作用的缘故。残余应力产生的原因残余应力产生的原因 机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能影响残余应力的主要工艺因素：影响残余应力的主要工艺因素： 具体的情况则看其对切削时的塑性变形、切削温度具体的情况则看其对切削时的塑性变形、切削温度和金相组织变化的影响程度而定。和金相

47、组织变化的影响程度而定。影响残余应力的工艺因素影响残余应力的工艺因素 机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能 总的来说，磨削加工中热态塑性变形和金相组织变总的来说，磨削加工中热态塑性变形和金相组织变化的影响较大，故大多数磨削零件的表面层往往有残余化的影响较大，故大多数磨削零件的表面层往往有残余拉应力。拉应力。 当残余拉应力超过材料的强度极限时，零件表面就当残余拉应力超过材料的强度极限时，零件表面就会出现裂纹。有的磨削裂纹也可能不在工件的外表面，会出现裂纹。有的磨削裂纹也可能不在工件的外表面，而是在表面层下成为肉眼难以发现的缺陷。而是在表面层下成为肉眼难以发现的缺陷。 磨削

48、裂纹一般很浅（磨削裂纹一般很浅（0.25.050mm），大多数垂直），大多数垂直于磨削方向或成网状（磨螺纹时有时也有平行于磨削方于磨削方向或成网状（磨螺纹时有时也有平行于磨削方向的裂纹），如图向的裂纹），如图8.12所示。裂纹总是拉应力引起的，所示。裂纹总是拉应力引起的，且常与烧伤同时出现。且常与烧伤同时出现。磨削裂纹的产生磨削裂纹的产生 机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能图图8.12 8.12 磨削裂纹磨削裂纹机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能 磨削裂纹的产生与材料性质及热处理工序有很大关磨削裂纹的产生与材料性质及热处理工序有很大关系。系。

49、 磨削硬质合金时，由于其脆性大，抗拉强度低以及磨削硬质合金时，由于其脆性大，抗拉强度低以及导热性差，所以特别容易产生磨削裂纹。磨削含碳量高导热性差，所以特别容易产生磨削裂纹。磨削含碳量高的淬火钢时，由于其晶界脆弱，也容易产生磨削裂纹。的淬火钢时，由于其晶界脆弱，也容易产生磨削裂纹。工件在淬火后如果存在残余应力，则即使在正常的磨削工件在淬火后如果存在残余应力，则即使在正常的磨削条件下也可能出现裂纹，故在磨削前进行去除应力的工条件下也可能出现裂纹，故在磨削前进行去除应力的工序能收到很好的效果。渗碳、渗氮时如果工艺不当，就序能收到很好的效果。渗碳、渗氮时如果工艺不当，就会在表面层晶界面上析出脆性的碳

50、化物、氮化物，当磨会在表面层晶界面上析出脆性的碳化物、氮化物，当磨削时在热应力作用下，就容易沿着这些组织发生脆性破削时在热应力作用下，就容易沿着这些组织发生脆性破坏，而出现网状裂纹。坏，而出现网状裂纹。磨削裂纹的产生磨削裂纹的产生 机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能例题例题8.1 8.1 在外圆磨床上磨削一根淬火钢轴，其强度极限b=2000MPa，工件表面温度升至8000C，因使用冷却液而产生回火。表面层金属由马氏体转变为珠光体，其密度从7.75103kg/m3增至7.78103kg/m3。问工件表面层将产生多大的残余应力？是压应力还是拉应力？是否会产生磨削裂纹？由于

51、表面层热作用引起高温塑性变形，冷却后表面层产生拉应力。已知：T1=8000C，T0=200C，=1210-6/0C，E=21011N/mm，由式（7.16）得表面层的热伸长量：所以线膨胀系数残1 01TTLTLL7801012)20800(1012TTLL6601MPaPaLLE187210187278010121026611由于表层金相组织的变化引起的应力：表面层回火，表层组织由马氏体转变为珠光体，其密度增加，由马增大到珠，比容积由V减小到V-V，因此表面层产生的收缩受到基体组织的阻碍，就产生了残余拉应力。已知：马=7.75103kg/m3，珠=7.78103kg/m3，由容积与密度的关系得

52、：V-V/V=马/珠即：1-V/V=马/珠=7.75/7.78=1-0.03/7.78得体膨胀系数：V/V=0.03/7.78由于体膨胀系数是线膨胀系数的三倍,故残2综合上面两个情况,工件表面总的残余拉应力为：残=残1+残2=1872+257=2129Mpa因为残余拉应力残=2129Mpa工件强度极限b=2000MPa，所以加工中产生磨削裂纹，裂纹方向与磨削方向垂直。MPa257Pa1025778. 703. 031102LLE6118.4.1 减小残余拉应力、防止磨削烧伤和磨削裂减小残余拉应力、防止磨削烧伤和磨削裂纹的工艺途径纹的工艺途径8.4 控制加工表面质量的工艺途径控制加工表面质量的工

53、艺途径对零件使用性能危害甚大的残余拉应力、磨削烧伤和对零件使用性能危害甚大的残余拉应力、磨削烧伤和磨削裂纹均起因于磨削热，所以如何降低磨削热并减磨削裂纹均起因于磨削热，所以如何降低磨削热并减少其影响是生产上的一项重要问题。解决的原则：一少其影响是生产上的一项重要问题。解决的原则：一是减少磨削热的发生，二是加速磨削热的传出。是减少磨削热的发生，二是加速磨削热的传出。8.4.1.1 选择合理的磨削参数选择合理的磨削参数8.4 控制加工表面质量的工艺途径控制加工表面质量的工艺途径为了直接减少磨削热的发生，降低磨削区的温度，应为了直接减少磨削热的发生，降低磨削区的温度，应合理选择磨削参数：减少砂轮速度

54、和背吃刀量；适当合理选择磨削参数：减少砂轮速度和背吃刀量；适当提高进给量和工件速度。但这会使粗糙度值增大而造提高进给量和工件速度。但这会使粗糙度值增大而造成矛盾。生产中比较可行的办法是通过试验来确定磨成矛盾。生产中比较可行的办法是通过试验来确定磨削参数：先按初步选定的磨削参数试磨，检查工件表削参数：先按初步选定的磨削参数试磨，检查工件表面热损伤情况，根据此调整磨削参数直至最后确定下面热损伤情况，根据此调整磨削参数直至最后确定下来。另一种方法是在磨削过程中连续测量磨削区温度，来。另一种方法是在磨削过程中连续测量磨削区温度，然后控制磨削参数。国外研究通过计算机进行过程控然后控制磨削参数。国外研究通

55、过计算机进行过程控制磨削和自适应磨削等方法来减少磨削热。制磨削和自适应磨削等方法来减少磨削热。8.4.1.2 8.4.1.2 选择有效的冷却方法选择有效的冷却方法8.4 控制加工表面质量的工艺途径控制加工表面质量的工艺途径选择适宜的磨削液和有效的冷却方法。如采用高压达选择适宜的磨削液和有效的冷却方法。如采用高压达流量冷却、内冷却或减轻旋转的砂轮表面的高压附着流量冷却、内冷却或减轻旋转的砂轮表面的高压附着气流的作用，加装空气挡板，以使冷却液能顺利地喷气流的作用，加装空气挡板，以使冷却液能顺利地喷注到磨削区。注到磨削区。8.4.2 8.4.2 采用冷压强化工艺采用冷压强化工艺8.4 控制加工表面质

56、量的工艺途径控制加工表面质量的工艺途径对于承受高应力、交变载荷的零件可以采用喷丸、液对于承受高应力、交变载荷的零件可以采用喷丸、液压、挤压、等表面强化工艺使表面层产生残余压应力压、挤压、等表面强化工艺使表面层产生残余压应力和冷硬层并降低表面粗糙度值，从而提高耐疲劳强度和冷硬层并降低表面粗糙度值，从而提高耐疲劳强度及抗应力腐蚀性能。但是采用强化工艺时应很好控制及抗应力腐蚀性能。但是采用强化工艺时应很好控制工艺参数，不要造成过度硬化，否则会使表面完全失工艺参数，不要造成过度硬化，否则会使表面完全失去塑性性质，甚至引起显微裂纹和材料剥落，带来不去塑性性质，甚至引起显微裂纹和材料剥落，带来不良的后果。

57、良的后果。8.4.2.1 8.4.2.1 喷丸喷丸8.4 控制加工表面质量的工艺途径控制加工表面质量的工艺途径喷丸是一种用压缩空气或离心力将大量直径细小（喷丸是一种用压缩空气或离心力将大量直径细小（. .mmmm）的丸粒（钢丸、玻璃丸）以）的丸粒（钢丸、玻璃丸）以m/sm/s的速度向零件表面喷射的方法。可以用于任何复杂形的速度向零件表面喷射的方法。可以用于任何复杂形状的零件。喷丸的结果在表面层产生很大的塑性变形，状的零件。喷丸的结果在表面层产生很大的塑性变形，造成表面的冷作硬化和残余压应力。硬化深度可达造成表面的冷作硬化和残余压应力。硬化深度可达. .mm,mm,表面粗糙度可自表面粗糙度可自.

58、 .降到降到. .。喷丸后零件的。喷丸后零件的使用寿命可提高数倍至数十倍。例如，齿轮可提高使用寿命可提高数倍至数十倍。例如，齿轮可提高倍，螺旋弹簧可提高倍以上。倍，螺旋弹簧可提高倍以上。8.4.2.28.4.2.2滚压滚压8.4 控制加工表面质量的工艺途径控制加工表面质量的工艺途径用工具钢淬硬自称的钢滚轮或钢珠在零件上进行滚压，使用工具钢淬硬自称的钢滚轮或钢珠在零件上进行滚压，使表层材料产生塑性流动，形成新的光洁表面。表面粗糙度表层材料产生塑性流动，形成新的光洁表面。表面粗糙度可自可自. .降至降至. .，表面硬化深度达，表面硬化深度达. . .mmmm硬硬化程度。化程度。8.4.38.4.3

59、采用精密和光整加工工艺采用精密和光整加工工艺8.4 控制加工表面质量的工艺途径控制加工表面质量的工艺途径精密和光整加工工艺是指经济加工精度在精密和光整加工工艺是指经济加工精度在级以上，表面粗糙度小于级以上，表面粗糙度小于. .，表面物理机械，表面物理机械性能也处于十分良好状态的各种加工工艺方法。采用性能也处于十分良好状态的各种加工工艺方法。采用精密加工工艺能全面地提高加工精度和表面质量，而精密加工工艺能全面地提高加工精度和表面质量，而光整加工工艺主要是为了获得较高的表面质量。光整加工工艺主要是为了获得较高的表面质量。8.4.3.18.4.3.1精密加工工艺精密加工工艺8.4 控制加工表面质量的

60、工艺途径控制加工表面质量的工艺途径精密加工工艺的加工精度主要由高精度的机床保证。精密加工工艺的加工精度主要由高精度的机床保证。精密加工的切削深度和进给量一般极小，切削速度则精密加工的切削深度和进给量一般极小，切削速度则很高或极低，加工时尽可能进行充分的冷却和润滑，很高或极低，加工时尽可能进行充分的冷却和润滑，以有利于最大限度地排除切削力，切削热对加工质量以有利于最大限度地排除切削力，切削热对加工质量的影响，并有利于降低表面粗糙度。精密加工切削效的影响，并有利于降低表面粗糙度。精密加工切削效率不高，故加工余量不能太大，所以对前道工序有较率不高，故加工余量不能太大，所以对前道工序有较高的要求。高的