第五章机械加工质量

1、第四章第四章 机械加工表面质量机械加工表面质量浙江师范大学工学院机械制造工艺学LogoLogo4一、加工表面质量的概念加工表面质量（或表面完整性）包含的内容：加工表面质量（或表面完整性）包含的内容：表面质量表面质量表面粗糙度表面粗糙度表面波度表面波度表面层表面层材质变化材质变化表面表面几何学几何学表面层冷作硬化表面层冷作硬化表面层残余应力表面层残余应力表面层金相组织的变化表面层金相组织的变化纹理方向纹理方向表面缺陷表面缺陷(伤痕伤痕)5 .1 加工表面质量及其控制的影响微观几何轮廓宏观几何轮廓表面粗糙度：表面粗糙度：是指表面是指表面微观微观几何形状误差，其波长与波高的比几何形状误差，其波长与波

2、高的比值在值在L L1 1/H/H1 14040的范围内，波距的范围内，波距1mm1mm。(Ra=0.012，0.025，0.05，0.1，0.2，0.4，0.8，1.6，3.2，6.3，12.5，25，50)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L L3 3/H/H3 3 = 1000= 1000）和表面粗糙度间的一种带有周期性的几何形状误差，其波长与和表面粗糙度间的一种带有周期性的几何形状误差，其波长与波高的比值在波高的比值在4040L L2 2/H/H2 210001000的范围，波距的范围，波距=110mm=110mm纹理方向：纹理方向：

3、纹理方向是指表面刀纹的方向，它取决于表面形纹理方向是指表面刀纹的方向，它取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法。成过程中所采用的机械加工方法。 伤痕：伤痕：是加工表面上一些个别位置上出现的缺陷。例如：砂眼、是加工表面上一些个别位置上出现的缺陷。例如：砂眼、气孔、裂痕等。气孔、裂痕等。1 1、表面层的几何形状、表面层的几何形状 Logo 零件加工表面微观几何形状Logo 零件宏观几何形状误差、波纹度、表面粗糙度从下列三项中选取: 轮廓算术平均偏差R微观不平度十点高度R 轮廓最大高度 a）波纹度 b）表面粗糙度 零件加工表面的粗糙度与波度RZHRZ8刮削1) 表面层冷作硬化表面层冷作硬化(简称冷

4、硬简称冷硬)：在机械加工中，零件表面层在机械加工中，零件表面层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。一般情况下表面硬化层的深度可达的现象。一般情况下表面硬化层的深度可达0.05 0.30mm。2) 表面层金相组织的变化：表面层金相组织的变化：机械加工过程中，由于切削热或机械加工过程中，由于切削热或磨削热的作用引起工件表面温升过高，表面层金属的金相组磨削热的作用引起工件表面温升过高，表面层金属的金相组织发生变化的现象。织发生变化的现象。3) 表面层残余应力：表面层残余应力：是由于加工过程中切削变形和切削热的是由于加工过程中

5、切削变形和切削热的影响，工件表面层产生残余应力。影响，工件表面层产生残余应力。2 2、表面层的物理机械性能、表面层的物理机械性能 9 （1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响）表面粗糙度对零件耐磨性的影响 v 表面粗糙度太大和太小都不耐磨。表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如如图图所示。所示。v表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；v表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容

6、易发生分子，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。粘结而加剧磨损。v表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。随之右移。 5.1.2 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1、 表面质量对耐磨性的影响表面质量对耐磨性的影响耐磨性主要取决于摩擦副的材料及润滑条件，并与零件的表面质量有关。耐磨性主要取决于摩擦副的材料及润滑条件，并与零件的表面质量有关。零件磨损三个阶段：零件磨损三个阶段：初期磨

7、损阶段；正常磨损阶段；剧烈磨损阶段初期磨损阶段；正常磨损阶段；剧烈磨损阶段5.1.2 机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响摩擦副的磨损过程摩擦副的磨损过程11 （1）表面粗糙度对零件耐磨性）表面粗糙度对零件耐磨性的影响的影响 v 表面粗糙度的最佳值与机器零表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关件的工作情况有关，载荷加大时，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。表面粗糙度值也随之右移。 1、 表面质量对耐磨性的影响表面质量对耐磨性的影响5.1.2 机械加工表面质量对机器产品使

8、用性能和使用寿命的影响机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响12（2）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，为它使磨擦副表面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和塑性变形。减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因为过这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松疏松”，在相对

9、，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。使零件加速磨损。（1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。 对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。集中，产生疲劳裂纹。 表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，

10、加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，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，其抗疲劳破坏的能力越差。纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。残余应力有拉应力和压应力之分，残余应力有拉应力和压应力之分，残余拉应力残余拉应力容易使已容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度降低疲劳强度残余压应力残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度提高零件的疲劳强度。（2

11、）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响度的影响 （1）表面粗糙度对零件配合精度的影响）表面粗糙度对零件配合精度的影响 表面粗糙度较大，则降低了配合精度。表面粗糙度较大，则降低了配合精度。（2）表面残余应力对零件工作精度的影响）表面残余应力对零件工作精度的影响 表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。的稳定性。5.1.2 表面质量对零件工作精度的影响5.1.3 表面质量对零件耐腐蚀性能的影响表面质量对零件耐腐蚀性能的影响（1）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响 零件表面越

12、粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。，渗透与腐蚀作用越强烈。 因此因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。能。（2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响 零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不零件表面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，而表面残余拉应力则降易进入，可增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。低零件耐腐蚀性。 表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：表面质量对零件使用性能

13、还有其它方面的影响：如减如减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。损失。零件表面质量零件表面质量粗糙度太大、太小都不耐磨粗糙度太大、太小都不耐磨适度冷硬能提高耐磨性适度冷硬能提高耐磨性对疲劳强度对疲劳强度的影响的影响对耐磨性的对耐磨性的影响影响对耐腐蚀性对耐腐蚀性能的影响能的影响对工作精度对工作精度的影响的影响粗糙度越大，疲劳强度越差粗糙度越大，疲劳强度越差适度冷硬、残余压应力能提高适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度疲劳强度粗糙

14、度越大、工作精度降低粗糙度越大、工作精度降低残余应力越大，工作精度降低残余应力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蚀性越差粗糙度越大，耐腐蚀性越差压应力提高耐腐蚀性，拉应力压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性反之则降低耐腐蚀性185.1.2 表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响Logo1、 切削加工表面粗糙度的形成及影响因素切削加工表面粗糙度的形成及影响因素(1)(1)几何因素几何因素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k kr r进给量进给量f f20212. 物理力学因素物理力学因素（1）工件材料的影响

15、）工件材料的影响v韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排切削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。正火或调质处理。v 脆性材料：加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切脆性材料：加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。22（1）塑性变形：在切削过程中，刀具的刃口圆角（刃口半径）

16、及后刀面对工件的挤压与摩擦使金属材料发生塑性变形而使理 论残留面积挤歪或沟槽加深，表面粗糙度值。（2）积屑瘤（刀瘤）和磷刺：中低速加工塑性金属材料 积屑瘤（刀瘤）：产生成长脱落是周期性的动态变化（引起振动），形状不规则，脱落的碎片有些嵌入工件使 加工表面上出现深浅和宽度不断变化的沟槽，表面粗糙度值 磷刺：由于切屑在前刀面上摩擦和冷焊作用，造成周期性 地停留，代替刀具推挤切削层，造成切削层和工件之间出现撕 裂现象，如此连续发生使加工表面上出现鳞片状毛刺般的 缺陷，表面粗糙度值。2、物理力学因素Logo图3-7 切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表

17、面粗糙度Rz（m）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度 h（m） 0200400600hKsRz24（2）切削速度的影响）切削速度的影响 加工塑性材料时，切削速度对表加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响（对面粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞刺积屑瘤和鳞刺的的影响）。加工脆性材料，切削速度影影响）。加工脆性材料，切削速度影响不大。响不大。 此外，切削速度越高，塑性变形此外，切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小越不充分，表面粗糙度值越小 选择低速宽刀精切和高速精切，选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度。可以得到较小的表面粗糙度。 （4）

18、其它因素的影响）其它因素的影响 合理使用合理使用冷却润滑液冷却润滑液，适当，适当增增大刀具的前角大刀具的前角，提高，提高刀具的刃磨刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。糙度值。振动振动（3）进给量的影响）进给量的影响 减小进给量减小进给量f固然可以减小固然可以减小表面粗糙度值，但表面粗糙度值，但进给量过小，进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势。表面粗糙度会有增大的趋势。25外圆磨削外圆磨削二、磨削加工表面粗糙度二、磨削加工表面粗糙度磨削用量：砂轮转速、工件转速、轴向进给量（f）、砂轮纵向进给量（ap）砂轮的六因素：磨料，粒度，结合剂，硬度，组织，形状尺寸26

19、影响切削加工表面影响切削加工表面粗糙度的因素粗糙度的因素刀具几何形状刀具几何形状刀具材料、刃磨质量刀具材料、刃磨质量切削用量切削用量工件材料工件材料残留面积残留面积 Ra前角前角 Ra后角后角摩擦摩擦Ra刃倾角会影响实际工作前角刃倾角会影响实际工作前角 v Raf Raap对对Ra影响不大，太小会影响不大，太小会打滑，划伤已加工表面材料塑性材料塑性 Ra同样材料晶粒组织大同样材料晶粒组织大 Ra，常用正火、调质处理，常用正火、调质处理刀具材料强度刀具材料强度 Ra刃磨质量刃磨质量 Ra冷却、润滑冷却、润滑 Ra影响加工表面粗糙度的因素影响加工表面粗糙度的因素5.2.2 磨削加工表面粗糙度磨削加

20、工表面粗糙度1、 磨削中影响粗糙度的几何因素磨削中影响粗糙度的几何因素 工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的刻痕形成的，工件单位面积上通过的砂粒数越多，则刻的刻痕形成的，工件单位面积上通过的砂粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。 磨粒在砂轮上的分布越磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨粒越细，刃口的等均匀、磨粒越细，刃口的等高性越好。则砂轮单位面积高性越好。则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒越多，磨上参加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越细密均削表面上的刻痕就越细密均匀，表面粗糙度

21、值就越小。匀，表面粗糙度值就越小。（1）砂轮的磨粒）砂轮的磨粒v砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多，表面粗糙度值就越小。多，表面粗糙度值就越小。v工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影响相反。响相反。工件的转速增大，通过加工表面的磨粒数减少工件的转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，因此表面粗糙度值增大，因此表面粗糙度值增大。v砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被重叠切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小重叠切削，而被磨次

22、数越多，工件表面粗糙度值就越小。（3）磨削用量）磨削用量（2）砂轮修整）砂轮修整 砂轮修整除了使砂轮具砂轮修整除了使砂轮具有正确的几何形状外，更重有正确的几何形状外，更重要的是使砂轮工作表面形成要的是使砂轮工作表面形成排列整齐而又锐利的微刃。排列整齐而又锐利的微刃。因此，砂轮修整的质量对磨因此，砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大。削表面的粗糙度影响很大。2、 磨削中影响粗糙度的物理因素磨削中影响粗糙度的物理因素 磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多数是负磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多数是负前角，切削刃又不锐利，大多数磨粒在磨削过程中只是对前角，切削刃又不锐利，大多数磨粒在磨

23、削过程中只是对被加工表面挤压，没有切削作用。加工表面在多次挤压下被加工表面挤压，没有切削作用。加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起，又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形出现沟槽与隆起，又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。，故表面粗糙度值增大。（1）磨削用量）磨削用量 砂轮的转速砂轮的转速 材料塑性变形材料塑性变形 表面粗表面粗糙度值糙度值 ；磨削深度磨削深度、工件速度工件速度 塑性变形塑性变形 表表面粗糙度值面粗糙度值 ； 为提高磨削效率，通常在开始磨削时采为提高磨削效率，通常在开始磨削时采用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较小的径向进给

24、量或无进给量磨削，以减小表小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表面粗糙度值。面粗糙度值。（4）工件材料）工件材料太硬易使磨粒磨钝太硬易使磨粒磨钝 Ra ；太软容易堵塞砂轮太软容易堵塞砂轮Ra ；韧性太大，热导率差会使磨粒早期韧性太大，热导率差会使磨粒早期崩落崩落Ra 。（5）砂轮粒度与硬度）砂轮粒度与硬度磨粒太细，砂轮易被磨屑磨粒太细，砂轮易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大堵塞，使表面粗糙度值增大，若导热情况不好，还会烧，若导热情况不好，还会烧伤工件表面。伤工件表面。砂轮太硬，使表面粗糙度增砂轮太硬，使表面粗糙度增大；大；砂轮选得太软，使表面粗糙砂轮选得太软，使表面粗糙度值增大。度值增大。影响磨

25、削加工表面影响磨削加工表面粗糙度的因素粗糙度的因素粒度粒度Ra 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 Ra磨粒等高性磨粒等高性Ra太硬、太软、韧性、导热性差太硬、太软、韧性、导热性差 Ra砂轮粒度砂轮粒度工件材料性质工件材料性质砂轮修正砂轮修正磨削用量磨削用量砂轮硬度砂轮硬度砂轮砂轮V Raap、工件工件V 塑变塑变 Ra粗磨粗磨ap生产率生产率精磨精磨ap Ra(ap=0光磨光磨) 32工件驱动箱放大器处理器记录器显示器触针传感器触针法工作原理33Logo比较法Logo触针法3637Logo光切法Zp2lrZv6Zv5Zp6Zp5Zp4Zp3Zv4Zv3Zp1R

26、z中线Zv1Zv239光切显微镜光切显微镜Logo干涉法41Logoq 扫描隧道显微测量（STM）ALogoSTM图b STM工作过程演示图a STM实物照片 Logo通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样 石墨三维图像 图a 用STM移动分子组成的IBM字样图b 用STM观察石墨原子排列原子粒显微镜45Logo24212220 kbaeUdkhej式中 h 普郎克常数； e 电子电量； ka，k0 系数。12d试件STM探针Ub图a STM隧道结Logo两种测量模式（2）恒电流测量模式（图b）： 探针在试件表面扫描，使用反馈电路驱动探针，使探针与试件表面之间距离（隧道间

27、隙）不变。此时探针移动直接描绘了试件表面形貌。此种测量模式隧道电流对隧道间隙的敏感性转移到反馈电路驱动电压与位移之间的关系上，避免了非线性，提高了测量精度和测量范围。b）试件输出运动轨迹驱动电路扫描器检测电路控制器STM工作原理扫描器检测电路a）输出试件运动轨迹（1）等高测量模式（图a）：探针以不变高度在试件表面扫描，隧道电流随试件表面起伏而变化，从而得到试件表面形貌信息。Logo关键技术：（1）STM探针金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切断电流，获得尖峰，曲率半径为10nm左右。STM针尖Logo（2）隧道电流反馈控制计算机差分比较积分放大比例放大高压放大A/DXYZ控制信号设定电压前置放大

28、对数放大（线性化）探针压电陶瓷试件隧道电流反馈控制系统原理框图D/ALogo（3）纳米级扫描运动压电陶瓷扫描管（4）信号采集与数据处理由软件完成。XZ陶瓷管金属膜+UX-UX-UY+UYUZa）LL0b）压电陶瓷扫描管结构及工作原理当陶瓷管内壁接地，X轴两外壁电极电压相反时，陶瓷管一侧伸长，另一侧缩短，形成X方向扫描(图b ) 。若两外壁电极电压相同，则陶瓷管伸长或缩短，形成Z方向位移。压电陶瓷扫描管结构见图 a ，其工作原理见图b。Logo原子力显微镜原子力显微镜（AFM）A接触式非接触式LogoAFM探针被微力弹簧片压向试件表面，原子排斥力将探针微微抬起。达到力平衡。 AFM探针扫描时，因

29、微力簧片压力基本不变，探针随被测表面起伏。 STM驱动AFM扫描驱动AFM探针STM探针试件微力簧片AFM结构简图在簧片上方安装STM探针， STM探针与簧片间产生隧道电流，若控制电流不变，则STM探针与AFM探针（微力簧片）同步位移，于是可测出试件表面微观形貌。LogoAFM实物照片扫描探针磁盘图像（3）影响表面层加工硬化的因素）影响表面层加工硬化的因素 刀具几何形状的影响刀具几何形状的影响切削刃切削刃 r、前角前角、后面磨损量、后面磨损量VB 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 切削速度切削速度v塑变塑变冷硬冷硬 f切削力切削力塑变塑变冷硬冷硬工件材料

30、性能的影响工件材料性能的影响 材料塑性材料塑性冷硬冷硬表面物理力学性能影响金相组织变化因素影响显微硬度因素影响残余应力因素塑变引起的冷硬金相组织变化引起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Logo机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为1 1）表面层的显微硬度）

31、表面层的显微硬度HVHV；2 2）硬化层深度）硬化层深度h h；3 3）硬化程度）硬化程度N N N=(HV-HV N=(HV-HV0 0)/HV)/HV0 0100100式中式中 HVHV0 0工件原表面层的显微硬度。工件原表面层的显微硬度。（2 2） 衡量表面层加工硬化的指标衡量表面层加工硬化的指标5.3.1、 影响表面层物理力学性能的影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制主要因素及其控制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性能表面物理力学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

32、变引起的冷硬金相组织变化引起的硬度变化冷塑性变形热塑性变形金相组织变化切削热（3）影响表面层加工硬化的因素）影响表面层加工硬化的因素 刀具几何形状的影响刀具几何形状的影响切削刃切削刃 r、前角前角、后面磨损量、后面磨损量VB 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 切削速度切削速度v塑变塑变冷硬冷硬 f切削力切削力塑变塑变冷硬冷硬工件材料性能的影响工件材料性能的影响 材料塑性材料塑性冷硬冷硬Logo切削用量影响刀具影响00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v = 40(m/min) f = 0.120.

33、2(mm/z)图3-17 后刀面磨损对冷硬影响工件材料图3-15 f 和 v 对冷硬的影响硬度(HV)0f (mm /r)0.20.40.60.8v =170(m/min)135(m/min)100(m/min )50(m/min)100200300400工件材料：45Logo磨削用量砂轮工件材料图3-18 磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削（3）影响表面层加工硬化的因素）影响表面层加工硬化的因素 刀具几何形状的影响刀具几何形状的影响切削刃切削刃 r、前角前角、后面磨损量、后面磨损量VB 表层金属的塑变加剧表层金

34、属的塑变加剧冷硬冷硬切削用量的影响切削用量的影响 切削速度切削速度v塑变塑变冷硬冷硬 f切削力切削力塑变塑变冷硬冷硬工件材料性能的影响工件材料性能的影响 材料塑性材料塑性冷硬冷硬2. 表面层残余应力表面层残余应力定义：定义： 机械加工中工件表面层组织发生机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力。这种应界处会产生互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层的残余应力。力即为表面层的残余应力。（1）表面层残余应力的产生）表面层残余应力的产生 1） 冷态塑变冷态塑变 工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑变，基体仍处于弹性变形

35、状态。切削后，表层产切削后，表层产生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力。2） 热态塑变热态塑变 表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力(其原理见图)3） 金相组织变化金相组织变化 比容大的组织比容大的组织比容小的组织比容小的组织体积收缩，产生体积收缩，产生拉应力，反之，产生压应力。（密度小，比容大拉应力，反之，产生压应力。（密度小，比容大）图图 切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图 机械加工后工件表面层的残余应力是机械加工后工件表面层的残余应力是冷态塑性变形、热冷态塑性变形、热 态塑性变态塑性变形和金相组织变化

36、的综合结果。形和金相组织变化的综合结果。切削加工时起主要作用的往往是冷态塑切削加工时起主要作用的往往是冷态塑性变形，表面层常产生残余压缩应力。性变形，表面层常产生残余压缩应力。磨削加工时起主要作用的通常是磨削加工时起主要作用的通常是热态塑性变形或金相组织变化引起的体积变化，表面层常产生残余拉伸热态塑性变形或金相组织变化引起的体积变化，表面层常产生残余拉伸应力。应力。（2 2）磨削裂纹的产生）磨削裂纹的产生 磨削裂纹和残余应力有着十分密切的关系。在磨削过程中，当磨削裂纹和残余应力有着十分密切的关系。在磨削过程中，当工件表面层产生的残余应力超过工件材料的强度极限时，工件表面就工件表面层产生的残余应

37、力超过工件材料的强度极限时，工件表面就会产生裂纹。磨削裂纹常与烧伤同时出现。会产生裂纹。磨削裂纹常与烧伤同时出现。 （3 3）影响表面残余应力的主要因素）影响表面残余应力的主要因素 切削加工中，由于切削热的作用，在工件的加切削加工中，由于切削热的作用，在工件的加工区及其邻近区域产生了一定的温升。工区及其邻近区域产生了一定的温升。 定义：定义：磨削加工时，表面层有很高的温度，当磨削加工时，表面层有很高的温度，当温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组织变化，强度和硬度降低、产生残余应力、甚至织变化，强度和硬度降低、产生残余应力、甚至出现微观裂纹。这种现

38、象称为磨削烧伤。出现微观裂纹。这种现象称为磨削烧伤。 淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的磨削烧伤有三种形式。磨削烧伤有三种形式。三、表面层金相组织变化与磨削烧伤三、表面层金相组织变化与磨削烧伤1.1.表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生 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温度Ac3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

39、的，这种现象称为淬火烧伤。 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相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。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。硬度和强度均大幅度下降。这种现象称为退火烧伤。2. 磨削烧伤的三种形式磨削烧伤的三种形式磨削用量磨削用量砂轮与工件材料砂轮与工件材料改善冷却条件改善冷却条件1）砂轮转速 磨削烧伤2）径向进给量fp 磨削烧伤3） 轴向进给量fa磨削烧伤4）工件速度vw磨削烧伤1)磨削时，砂轮表面上磨粒

40、的切削刃口锋利磨削力磨削区的温度2)磨削导热性差的材料(耐热钢、轴承钢、不锈钢)磨削烧伤3)应合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织磨削烧伤 采用内冷却法 磨削烧伤 图3.影响磨削烧伤的因素及改善途径采用开槽砂轮采用开槽砂轮间断磨削受热磨削烧伤 图Logo切削用量刀具工件材料图b f 对残余应力的影响工件：45，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液 残余应力(Gpa)0.2000.2001 00200300400距离表面深度(m) f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r仅讨论切削加工图a vc 对残余应力的影响0=5,0=5,r=75,r=0.8m

41、m,工件：45切削条件：ap=0.3mm, f=0.05mm/r, 不加切削液050100150200距离表面深度(m)残余应力(Gpa)-0.2000.20vc =213m/minvc =86m/minvc =7.7m/minLogo图3-31 滚压加工原理图图a 珠丸挤压引起残余应力 压缩拉伸塑性变形区域725.35.3、4 4表面强化工艺表面强化工艺指通过冷压加工的方法使表面层金属发生冷态塑性变形，以减小表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面层产生残余压应力的表面强化工艺。滚压机轧辊表面强化滚压机轧辊表面强化5.3.1.1 5.3.1.1 强化强化喷丸喷丸喷丸是一种用压缩空气或离心力将大量

42、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，造成表面的冷作硬化和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. .降降到到. .。喷丸后零件的使用寿命可提高数倍至数十倍。例如，。喷丸后零件的使用寿命可提高数倍至数十倍。例如，齿轮可提高倍，螺旋弹簧可提高

43、倍以上齿轮可提高倍，螺旋弹簧可提高倍以上。74（一）（一） 喷丸强化喷丸强化4.3.1.2 4.3.1.2 滚压滚压用工具钢淬硬自称的钢滚用工具钢淬硬自称的钢滚轮或钢珠在零件上进行滚轮或钢珠在零件上进行滚压，使表层材料产生塑性压，使表层材料产生塑性流动，形成新的光洁表面。流动，形成新的光洁表面。表面粗糙度可自表面粗糙度可自. .降降至至. .，表面硬化深度，表面硬化深度达达. . .mmmm硬化程硬化程度。度。用于气缸、油缸等零件用于气缸、油缸等零件内孔滚压 77（二）外圆滚压加工飞机起落架螺栓外圆滚压Logo LogoLogov 影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度v 影响生产效率

44、v 加速刀具磨损，易引起崩刃v 影响机床、夹具的使用寿命v 产生噪声污染，危害操作者健康v 工艺系统受到初始干扰力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称为自由振动。v 由于系统中总存在由阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。自由振动强迫振动自激振动机械加工振动机械加工振动自激振动自激振动自由振动自由振动强迫振动强迫振动当系统受到初始干扰力激励破坏了其当系统受到初始干扰力激励破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。由于总存维持的振动称为自由振动。由于总存在阻尼，自由振动将逐渐衰减。在阻尼，自由振动将逐渐衰减。(占占5%)

45、系统在周期性激振力系统在周期性激振力(干扰力干扰力)持续作用持续作用下产生的振动，称为强迫振动。强迫下产生的振动，称为强迫振动。强迫振动的稳态过程是谐振动，只要有激振动的稳态过程是谐振动，只要有激振力存在振动系统就不会被阻尼衰减振力存在振动系统就不会被阻尼衰减掉。掉。(占占30%)在没有周期性干扰力作用的情况下，在没有周期性干扰力作用的情况下，由振动系统由振动系统本身产生本身产生的交变力所激发的交变力所激发和维持的振动，称为自激振动。切削和维持的振动，称为自激振动。切削过程中产生的自激振动也称为颤振。过程中产生的自激振动也称为颤振。(占占65%)81Logov 由外界周期性的干扰力（激振力）作

46、用引起v 强迫振动振源：机外机内。机外振源均通过地基把振动传给机床。机内： 1）回转零部件质量的不平衡 2）机床传动件的制造误差和缺陷 3）切削过程中的冲击v 频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数v 幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振v 相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。Logo图a 自激振动系统能量关系A B C能量EQEE0振幅电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)图3-32 自激振动闭环系统机床振动系统（弹性环节）调节系统（切削过程）Logo切削过程，由于偶然干扰，使加工系统产生振动并在加工表面上留下振纹。第二次走刀时，刀具将在有振纹的表面上切削，使切削厚度发生变化，导致切削力周期性地变化，产生自激振动 图例 再生自激振动原理图f切入 切出y0ya）b）y0y切入 切出fc）fy0y切入 切出d）切入 切出fy0ya）b）c）系统无能量获得；d）y 滞后于y0，即 0- ，此时切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出时切削力所作正功（获得能量）大于切入时所作负功，系统有能量获得，