机械加工表面质量概述(共47页).ppt

1、Chapter 8 Machining Skin Quality 第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量第八章第八章 目录目录第一节第一节 机械加工外表机械加工外表质量概述质量概述 第二节第二节 机械加工后的机械加工后的外表粗糙度外表粗糙度 一一 外表质量的含义外表质量的含义 二二 外表质量对零件使用性外表质量对零件使用性能的影响能的影响 一一 切削加工后的外表切削加工后的外表质量质量 二二 磨削加工后的外表质磨削加工后的外表质量量 第三节第三节 机械加工后外机械加工后外表层物理机械性能表层物理机械性能 一一 机械加工后外表层的机械加工后外表层的冷作硬化冷作硬化 二二 机械加工后外表层

2、金相组机械加工后外表层金相组织的变化织的变化 三三 机械加工后外表层的剩余机械加工后外表层的剩余应力应力 第四节第四节 控制加工外表控制加工外表质量的工艺途径质量的工艺途径 一一 减小剩余拉应力的途减小剩余拉应力的途径径 二二 采用冷压外表强化工艺采用冷压外表强化工艺 三三 采用精密和光整加工采用精密和光整加工 第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量 一台机器在正常的使用过程中，其零件的工作性能会逐渐变坏，甚至出现突然损坏而失效。究其原因往往不是因为强度不够或刚度缺乏，大多数是由于磨损、腐蚀或疲劳破坏所致。而磨损、腐蚀和疲劳破坏都是发生在零件的外表，或是从零件外表开始的。因此，加工外表

3、质量将直接影响到零件的工作性能，尤其是它的可靠性和使用寿命。因此，外表质量问题越来越受到各方面的重视。第一节第一节 机械加工外表质量概述机械加工外表质量概述一、外表质量的含义一、外表质量的含义 任何机械加工所得的外表，实际上不可能是理想的光滑外表，任何机械加工所得的外表，实际上不可能是理想的光滑外表，总是存在一定的微观几何形状偏差。外表层材料在加工时受切削力、总是存在一定的微观几何形状偏差。外表层材料在加工时受切削力、切削热等的影响，也会使原有的物理机械性能发生变化。因此，所切削热等的影响，也会使原有的物理机械性能发生变化。因此，所谓机械加工外表质量就是指外表几何形状和物理机械性能这两方面。谓

4、机械加工外表质量就是指外表几何形状和物理机械性能这两方面。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量 1. 外表层的几何形状外表层的几何形状 加工后的外表几何形状总是以加工后的外表几何形状总是以“峰、峰、“谷交替出现的形式偏离其理想谷交替出现的形式偏离其理想的光滑外表的，如下图。其偏差又有宏观、微观之分，一般以波距峰与峰或谷的光滑外表的，如下图。其偏差又有宏观、微观之分，一般以波距峰与峰或谷与谷间的距离与谷间的距离L和波高峰、谷间的高度和波高峰、谷间的高度H的比值加以区别。的比值加以区别。 LH1000时属于宏观几何形状偏差，即形状误差，属于加工精度的研究范时属于宏观几何形状偏差，即形状误

5、差，属于加工精度的研究范畴。畴。 LH50属于微观几何形状偏差，称为外表粗糙度。属于微观几何形状偏差，称为外表粗糙度。 LH501000，那么称为外表波度。外表粗糙度和外表波度都属于加工外，那么称为外表波度。外表粗糙度和外表波度都属于加工外表质量范畴。表质量范畴。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量 1 1外表粗糙度外表粗糙度 它是指加工外表的微观几何形状误差，国家标准规定：外表粗糙度用在它是指加工外表的微观几何形状误差，国家标准规定：外表粗糙度用在一定长度内称为根本长度轮廓的算术平均偏差值一定长度内称为根本长度轮廓的算术平均偏差值RaRa或十点平均高度或十点平均高度RzRz作为评作

6、为评定指标。定指标。 2 2外表波度外表波度 它是介于宏观几何形状与微观几何形状误差粗糙度之间的周期性几它是介于宏观几何形状与微观几何形状误差粗糙度之间的周期性几何形状误差。外表波度通常是由于加工过程中工艺系统的低频振动造成的。何形状误差。外表波度通常是由于加工过程中工艺系统的低频振动造成的。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量 2. 外表层的物理机械性能外表层的物理机械性能 外表层的材料在加工时会产生物理、机械和化学性质的变化，上图所示为加外表层的材料在加工时会产生物理、机械和化学性质的变化，上图所示为加工外表层沿深度的变化。工外表层沿深度的变化。 在最外层生成氧化膜或其他化合物，

7、并吸收、渗进了气体粒子，故称为吸附在最外层生成氧化膜或其他化合物，并吸收、渗进了气体粒子，故称为吸附层。层。 在加工过程中由切削力造成的外表塑性变形区称为压缩区，厚度约在几十至在加工过程中由切削力造成的外表塑性变形区称为压缩区，厚度约在几十至几百微米内，随加工方法的不同而变化。其上部为纤维层，它由被加工材料与刀几百微米内，随加工方法的不同而变化。其上部为纤维层，它由被加工材料与刀具间的摩擦力造成。具间的摩擦力造成。 另外切削热也会使外表层产生各种变化，如使材料产生相变以及晶粒大小发另外切削热也会使外表层产生各种变化，如使材料产生相变以及晶粒大小发生变化等。所以外表层的物理机械性能不同于基体，它

8、包括如下三方面。生变化等。所以外表层的物理机械性能不同于基体，它包括如下三方面。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量 1 1外表层的冷作硬化外表层的冷作硬化 工件在机械加工过程中，外表层金属产生了强烈的塑性变形，使外表层工件在机械加工过程中，外表层金属产生了强烈的塑性变形，使外表层的强度和硬度都高于加工前，这种现象称为外表冷作硬化。的强度和硬度都高于加工前，这种现象称为外表冷作硬化。 2 2外表层的剩余应力外表层的剩余应力 在切削或磨削加工过程中，由于切削变形和切削热的影响，加工外表层在切削或磨削加工过程中，由于切削变形和切削热的影响，加工外表层会产生剩余应力。会产生剩余应力。 3

9、3外表层的金相组织变化外表层的金相组织变化 机械加工特别是磨削加工中，工件外表在切削热产生的高温的作用下，机械加工特别是磨削加工中，工件外表在切削热产生的高温的作用下，常会发生不同程度的金相组织的变化。常会发生不同程度的金相组织的变化。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量二、外表质量对零件使用性能的影响二、外表质量对零件使用性能的影响 1. 对零件耐磨性的影响对零件耐磨性的影响 外表越粗糙，配合外表间的实际有效接触面积越小，单位面积压力增大，外表易磨损。但过于光滑的外表却不利于润滑油的贮存，还会增加两外表的分子吸附作用，磨损也会加剧。在一

10、定载荷情况下，摩擦副外表有一最正确粗糙度，过大或过小的粗糙度会使初期磨损量增大，使总的耐磨时间缩短，如以下图所示。 粗糙度的轮廓形状和加工纹路方向也与零件的耐磨性有关，如以下图所示。 外表层的冷作硬化可提高零件的耐磨性，但硬化过度，那么由于外表层与基体金属的硬度相差过大，造成外表层金属的剥落，使磨损加剧。 当外表层金属的金相组织发生变化时，其物理机械性能也会发生相应的变化，从而影响零件的耐磨性。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量 2. 对零件疲劳强度的影响对零件疲劳强度的影响第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量 外表粗糙度大特别是在零件上应力集中区的粗糙度大将大大降低零件

11、的疲劳强度，如以下图所示。 对于不同的材料，外表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不同。 适当的硬作硬化可提高零件的疲劳强度，但硬化过度，那么容易在零件外表产生微裂纹，造成疲劳扩展，反而降低疲劳强度。 外表层的剩余应力状态对疲劳强度影响很大。当外表剩余应力为压应力时，可延缓疲劳裂纹扩展。而剩余应力为拉应力时，零件的疲劳强度降低。 3. 对零件耐腐蚀性能的影响对零件耐腐蚀性能的影响 零件的外表粗糙度对耐腐蚀性也有影响，当零件在潮湿的空气中或在腐蚀性零件的外表粗糙度对耐腐蚀性也有影响，当零件在潮湿的空气中或在腐蚀性介质中工作时。会发生化学腐蚀或电化学腐蚀。由于

12、粗糙外表的凹谷处容易积聚介质中工作时。会发生化学腐蚀或电化学腐蚀。由于粗糙外表的凹谷处容易积聚腐蚀性介质而发生化学腐蚀，或在两种材料外表粗糙度的凸峰间容易产生电化学腐蚀性介质而发生化学腐蚀，或在两种材料外表粗糙度的凸峰间容易产生电化学作用而引起电化学腐蚀。腐蚀过程会从波谷底部向材料深处扩展。所以。减少外作用而引起电化学腐蚀。腐蚀过程会从波谷底部向材料深处扩展。所以。减少外表粗糙度可以提高零件的耐腐蚀性。表粗糙度可以提高零件的耐腐蚀性。 4. 对零件配合性质的影响对零件配合性质的影响 在间隙配合中，如果配合外表粗糙度较大，那么在初期磨损阶段磨损量就大，在间隙配合中，如果配合外表粗糙度较大，那么在

13、初期磨损阶段磨损量就大，造成零件的尺寸发生变化，使配合间隙增大，改变了配合性质。在过盈配合中，造成零件的尺寸发生变化，使配合间隙增大，改变了配合性质。在过盈配合中，如果配合外表粗糙，那么装配后外表的波峰产生塑性变形，从而使有效过盈量减如果配合外表粗糙，那么装配后外表的波峰产生塑性变形，从而使有效过盈量减小，减弱了过盈配合的结合强度。因此，在设计零件时，对于配合精度要求高的小，减弱了过盈配合的结合强度。因此，在设计零件时，对于配合精度要求高的零件应该规定较小的外表粗糙度。零件应该规定较小的外表粗糙度。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量 5. 对零件接触刚度的影响对零件接触刚度的影响

14、外表粗糙度对零件的接触刚度有很大的影响，外表粗糙度越小，那么接触刚外表粗糙度对零件的接触刚度有很大的影响，外表粗糙度越小，那么接触刚度越高。度越高。 另外，外表粗糙度对零件间的密封性和摩擦系数也有很大的影响，粗糙度小另外，外表粗糙度对零件间的密封性和摩擦系数也有很大的影响，粗糙度小那么密封性好，摩擦系数小；反之那么密封性差，摩擦系数大。那么密封性好，摩擦系数小；反之那么密封性差，摩擦系数大。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量第二节第二节 机械加工后的外表粗糙度机械加工后的外表粗糙度一、切削加工后的外表粗糙度一、切削加工后的外表粗糙度 切削加工后工件外表粗糙度产生的因素主要有三方面，

15、即：几切削加工后工件外表粗糙度产生的因素主要有三方面，即：几何因素、物理因素和加工中工艺系统的振动。何因素、物理因素和加工中工艺系统的振动。 1. 几何因素几何因素 切削加工中由于进给运动的存在，在被加工外表上不可防止地切削加工中由于进给运动的存在，在被加工外表上不可防止地要留下未曾切削的残留面积，如下图。该剩余面积中峰谷间的高度要留下未曾切削的残留面积，如下图。该剩余面积中峰谷间的高度差差H越大，所获得的外表将越粗糙。刀具给定后，高度差越大，所获得的外表将越粗糙。刀具给定后，高度差H理论上可理论上可通过计算求得。当不考虑刀具圆弧时用尖刀时：通过计算求得。当不考虑刀具圆弧时用尖刀时：cotco

16、trrfHkk用刀尖圆弧半径为re 的 刀 具 时 ：28efHr第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量 2. 物理因素物理因素 切削加工后工件外表的实际粗糙度往往比上述理论粗糙度大得多，如下图。切削加工后工件外表的实际粗糙度往往比上述理论粗糙度大得多，如下图。这是因为在切削力、切削热作用下，切削加工中伴随着诸如挤压、摩擦、弹塑性这是因为在切削力、切削热作用下，切削加工中伴随着诸如挤压、摩擦、弹塑性变形等多种物理现象，在这些物理因素的作用下会使外表粗糙度恶化。变形等多种物理现象，在这些物理因素的作用下会使外表粗糙度恶化。 1工件材料性质的影

17、响工件材料性质的影响 加工碳素钢等塑性材料时，加工外表会发生弹塑性变形。塑性变形会使残留加工碳素钢等塑性材料时，加工外表会发生弹塑性变形。塑性变形会使残留面积变形或使沟纹加深，将塑性变形的痕迹残留在已加工外表上，使粗糙度加剧。面积变形或使沟纹加深，将塑性变形的痕迹残留在已加工外表上，使粗糙度加剧。加工如铸铁一类的脆性材料时，一般产生崩碎状切屑，在加工外表上出现微粒崩加工如铸铁一类的脆性材料时，一般产生崩碎状切屑，在加工外表上出现微粒崩碎的痕迹，使已加工外表呈麻点状的不光洁现象。碎的痕迹，使已加工外表呈麻点状的不光洁现象。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量 2 2积屑瘤的影响积屑瘤的

18、影响 用一定的切削速度加工塑性材料时，常会在刀尖处形成积屑瘤。切削过用一定的切削速度加工塑性材料时，常会在刀尖处形成积屑瘤。切削过程中积屑瘤在受到振动、冲击时会发生断裂脱落现象，使粗糙度加大。程中积屑瘤在受到振动、冲击时会发生断裂脱落现象，使粗糙度加大。 3 3摩擦力的影响摩擦力的影响 切削加工中，刀具刀尖圆角及后刀面将和被加工外表发生强烈摩擦，使切削加工中，刀具刀尖圆角及后刀面将和被加工外表发生强烈摩擦，使工件外表产生塑性变形而增加粗糙度。所以，在切削加工中常使用切削液来改善工件外表产生塑性变形而增加粗糙度。所以，在切削加工中常使用切削液来改善摩擦状况，降低外表粗糙度。摩擦状况，降低外表粗糙

19、度。 4 4 工艺系统的振动工艺系统的振动 工艺系统一旦发生振动，加工外表出现振纹，于是粗糙度将明显加大。工艺系统一旦发生振动，加工外表出现振纹，于是粗糙度将明显加大。二、磨削加工后的外表粗糙度二、磨削加工后的外表粗糙度 磨削过程可看作是极多刀齿的铣刀实行特高速铣削。因此磨削磨削过程可看作是极多刀齿的铣刀实行特高速铣削。因此磨削过程与切削加工过程有共性，也有特殊性。影响磨削外表粗糙度的过程与切削加工过程有共性，也有特殊性。影响磨削外表粗糙度的因素主要有以下三个方面。因素主要有以下三个方面。 砂粒刻划而造成的残留面积砂粒刻划而造成的残留面积 砂粒的刻划作用比一般切削加砂粒的刻划作用比一般切削加工

20、复杂。在工件的一小块外表上经历许屡次砂粒的切削和刻划，所工复杂。在工件的一小块外表上经历许屡次砂粒的切削和刻划，所以残留面积就与砂轮的粒度、弹性、砂轮的修整、砂粒的崩落、磨以残留面积就与砂轮的粒度、弹性、砂轮的修整、砂粒的崩落、磨钝、磨粒的切削厚度等有关。钝、磨粒的切削厚度等有关。 金属表而的塑性变形金属表而的塑性变形 磨削时工件外表局部温度很高，表层可磨削时工件外表局部温度很高，表层可能软化甚至微熔，使粗糙度参数值增大。甚至还能造成外表层烧伤、能软化甚至微熔，使粗糙度参数值增大。甚至还能造成外表层烧伤、微裂和金属组织的破坏。微裂和金属组织的破坏。 工艺系统的振动工艺系统的振动 对磨削外表粗糙

21、度来说，振动是主要影响对磨削外表粗糙度来说，振动是主要影响因素。振动产生的原因如砂轮不平衡、主轴的振摆、工作台的爬行因素。振动产生的原因如砂轮不平衡、主轴的振摆、工作台的爬行等；砂轮的钝化和糊塞所引起的较大摩擦力，也会激发起自激振动。等；砂轮的钝化和糊塞所引起的较大摩擦力，也会激发起自激振动。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量第三节第三节 机械加工后外表层物理机械性能机械加工后外表层物理机械性能一、机械加工后外表层的冷作硬化一、机械加工后外表层的冷作硬化 加工外表的硬化现象是指，加工外表经切削加工后外表层出现加工外表的硬化现象是指，加工外表经切削加工后外表层出现的强度和硬度都有所提

22、高的现象。的强度和硬度都有所提高的现象。 1. 加工硬化产生的原因加工硬化产生的原因 材料发生塑性变形时，材料原本排列整齐的晶格将发生剪切、材料发生塑性变形时，材料原本排列整齐的晶格将发生剪切、滑移、拉长、扭曲、破碎等现象。这些现象的产生增加了晶格进一滑移、拉长、扭曲、破碎等现象。这些现象的产生增加了晶格进一步变形的抗力。宏观上就表现为硬度、强度的增加，使加工外表出步变形的抗力。宏观上就表现为硬度、强度的增加，使加工外表出现强化现象。硬度越小塑性越大的材料如低碳钢切削后的冷硬现强化现象。硬度越小塑性越大的材料如低碳钢切削后的冷硬现象越严重。现象越严重。 由于切削条件不同，在切削加工时外表层的加

23、工硬化可能有以由于切削条件不同，在切削加工时外表层的加工硬化可能有以下两种情况。下两种情况。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量 1完全强化 材料的晶格发生剪切、滑移、拉长、扭曲和破碎现象，同时出现纤维化组织结构，在宏观上表现为材料的硬度和强度明显增加。 2不完全强化 冷硬层中已发生剪切、滑移、扭曲、破碎的晶格是不稳定的，在热作用下原子活动力增强。一般，材料的温度到达0.250.3T熔材料的熔点时，金相织织会发生回复、再结晶现象。当温度超过0.4 T熔时，那么可产生完全的再结晶，外表层物理机械性能几乎可以完全恢复。 切削加工中，往往伴随着上述两种对立的过程。一次具体的切削加工后，工件

24、外表的强化程度是这两种对立过程综合作用的结果。 使塑性变形增加、切削热减少以及热作用时间短的因素都会使加工外表强化现象加剧。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量 2. 影响冷作硬化的主要因素影响冷作硬化的主要因素 影响冷作硬化的主要因素有刀具、切削用量和被加工材料。影响冷作硬化的主要因素有刀具、切削用量和被加工材料。 刀具刀具 刀具刀尖圆弧半径和后刀面的磨损对冷作硬化的影响较为显著，当刀具刀尖圆弧半径和后刀面的磨损对冷作硬化的影响较为显著，当刀尖圆弧半径加大或刀具后刀面磨损严重时冷硬程度增大。刀具前角减小时，冷刀尖圆弧半径加大或刀具后刀面磨损严重时冷硬程度增大。刀具前角减小时，冷硬程

25、度也有所加大。硬程度也有所加大。 切削用量切削用量 切削速度增大时，刀具与工件作用时间短，塑性变形小，且切切削速度增大时，刀具与工件作用时间短，塑性变形小，且切削温度升高，也使冷硬有所回复，所以硬化程度降低，如下图。进给量加大时，削温度升高，也使冷硬有所回复，所以硬化程度降低，如下图。进给量加大时，切削力增大，塑性变形程度增加，所以冷硬程度加大，如下图。背吃刀量对冷硬切削力增大，塑性变形程度增加，所以冷硬程度加大，如下图。背吃刀量对冷硬程度影响不大，但当背吃刀量过小时，刀具切削不下切屑，此时刀具变为纯粹的程度影响不大，但当背吃刀量过小时，刀具切削不下切屑，此时刀具变为纯粹的挤压，使冷硬程度大大

26、增加。挤压，使冷硬程度大大增加。 被加工材料被加工材料 一般来说，硬度越小塑性越大的材料切削后的冷硬现象越严一般来说，硬度越小塑性越大的材料切削后的冷硬现象越严重。重。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量二、机械加工后外表层金相组织的变化二、机械加工后外表层金相组织的变化 磨削烧伤磨削烧伤 机械加工中伴随着切削热使工件温度升高，加工表层温升更加机械加工中伴随着切削热使工件温度升高，加工表层温升更加显著。当温度升高到一定程度时将发生金相组织变化，从而改变加显著。当温度升高到一定程度时将发生金相组织变化，从而改变加工外表原有的物理机械性能，这

27、种现象以磨削加工最为严重也最为工外表原有的物理机械性能，这种现象以磨削加工最为严重也最为常见。这种磨削加工中因金相组织发生变化而导致加工外表物理机常见。这种磨削加工中因金相组织发生变化而导致加工外表物理机械性能下降的现象称为磨削烧伤。这里侧重介绍磨削淬火钢时的烧械性能下降的现象称为磨削烧伤。这里侧重介绍磨削淬火钢时的烧伤问题。伤问题。 1. 引起磨削烧伤的原因引起磨削烧伤的原因 磨轮主要起切削作用的是磨粒砂粒，大局部磨粒带有很大磨轮主要起切削作用的是磨粒砂粒，大局部磨粒带有很大的负前角，除切削作用外，对加工外表具有很大的刮擦挤压作用，的负前角，除切削作用外，对加工外表具有很大的刮擦挤压作用，因

28、而所产生的磨削热比一般的切削热要大得多。加之磨削时大多数因而所产生的磨削热比一般的切削热要大得多。加之磨削时大多数约约70以上热量传入工件。只有少局部热量通过切屑、冷却液、以上热量传入工件。只有少局部热量通过切屑、冷却液、砂轮、气流带走。而一般切削加工只有砂轮、气流带走。而一般切削加工只有50以下的热量传入工件。以下的热量传入工件。故磨削工件外表温度要比一般切削加工时高得多。磨削工件外表温故磨削工件外表温度要比一般切削加工时高得多。磨削工件外表温度可高达度可高达500600，甚至，甚至700800以上，足以使工件外表以上，足以使工件外表产生金相组织变化。产生金相组织变化。第八章第八章 机械加工

29、外表质量机械加工外表质量 磨削烧伤有以下几种： 回火烧伤 如果磨削区温度到达回火温度对淬火后未回火钢或超过原来的回火温度对淬火后已低温回火的钢时，工件表层原来的马氏体组织或回火马氏体组织将产生回火现象而变为硬度较低的过回火组织。这种烧伤现象称为回火烧伤。这是一种经常发生在中等磨削时的烧伤情况。 淬火烧伤 当磨削区的温度超过相变临界温度时、原淬火所得到的马氏休组织将转回到奥氏体。假设磨削中伴有冷却液，该奥氏体在冷却液的作用下又会完成一次淬火过程，称为二次淬火。它会使工件外表出现一层二次淬火马氏休组织，而在它的下层温度较低，冷却亦慢，那么转变为过回火组织。二次淬火马氏体组织质地虽硬，但薄而脆，其下

30、层又是硬度较低的过回火组织。这种导致磨削外表层总体物理机械性能下降的现象称为淬火烧伤。这是种在重磨削并伴有冷却液的情况下生的烧伤。 退火烧伤 假设重磨时不伴有冷却液，磨削外表的马氏体组织在超过相变临界温度的高温作用下转变为奥氏体，那么因冷却缓慢而形成退火组织，其强度和硬度都急剧下降。这种使外表物理机械性能下降的现象称退火烧伤。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量 2. 2. 影响磨削加工金相组织变化影响磨削加工金相组织变化的因素的因素 影响金相组织变化的因素有：影响金相组织变化的因素有：工件材料、磨削温度和冷却速度。各工件材料、磨削温度和冷却速度。各种材料的金相组织和转变的特性是很种

31、材料的金相组织和转变的特性是很不相同的。如淬火钢在磨削时，如果不相同的。如淬火钢在磨削时，如果磨削区的温度超过马氏体的转变温度磨削区的温度超过马氏体的转变温度中碳钢在中碳钢在250250350350，但未超过，但未超过相变临界温度碳钢约为相变临界温度碳钢约为720720左右左右时，那么工件外表层的马氏体组织产时，那么工件外表层的马氏体组织产生回火现象，转变成硬度较低的回火生回火现象，转变成硬度较低的回火组织索氏体或屈氏体。如果磨削组织索氏体或屈氏体。如果磨削区超过相变温度，又由于冷却液的急区超过相变温度，又由于冷却液的急冷作用，外表层出现二次淬火马氏体冷作用，外表层出现二次淬火马氏体组织，硬度

32、较原来的回火马氏体高，组织，硬度较原来的回火马氏体高，如下图。如下图。三、机械加工后外表层的剩余应力三、机械加工后外表层的剩余应力 1. 剩余应力产生的原因剩余应力产生的原因 在加工过程中，当外表层产生塑性变形或金相组织变化时，在在加工过程中，当外表层产生塑性变形或金相组织变化时，在外表层及其与基体之间就会产生互相平衡的应力，称为外表层的剩外表层及其与基体之间就会产生互相平衡的应力，称为外表层的剩余应力。外表层产生剩余应力的主要原因是：余应力。外表层产生剩余应力的主要原因是： 1冷态塑性变形冷态塑性变形 在切削力的作用下，已加工外表产生强烈的塑性变形。当外表在切削力的作用下，已加工外表产生强烈

33、的塑性变形。当外表层在切削时受刀具后面的挤压和摩擦影响较大时，外表层产生伸长层在切削时受刀具后面的挤压和摩擦影响较大时，外表层产生伸长塑性变形，外表积趋于增大，此时里层金属受到影响，处于弹性变塑性变形，外表积趋于增大，此时里层金属受到影响，处于弹性变形状态。当外力消失后，里层金屑趋向复原，但受到已产生塑性变形状态。当外力消失后，里层金屑趋向复原，但受到已产生塑性变形的外表层的限制，回复不到原来的状态，因而在里层产生拉伸应形的外表层的限制，回复不到原来的状态，因而在里层产生拉伸应力、外层产生剩余压缩应力。同理，假设外表层产生收缩性变形时，力、外层产生剩余压缩应力。同理，假设外表层产生收缩性变形时

34、，那么由于基体金属的影响，外表层特产生剩余拉伸应力，而里层那那么由于基体金属的影响，外表层特产生剩余拉伸应力，而里层那么产生压缩剩余应力。么产生压缩剩余应力。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量 2 2热态塑性变形热态塑性变形 如下图，当切削区温度升高时，外表层受热膨胀而产生压缩应力，该应如下图，当切削区温度升高时，外表层受热膨胀而产生压缩应力，该应力随温度增加而线性地加大，当未到达力随温度增加而线性地加大，当未到达A A点时就开始冷却，因未产生热塑性变形点时就开始冷却，因未产生热塑性变形而仍回至而仍回至O O点，外表层不产生剩余应力。点，外表层不产生剩余应力。 当切削区温度升高到达

35、当切削区温度升高到达A A点时，热应力到达材料的屈服强度值，假设在点时，热应力到达材料的屈服强度值，假设在A A点处温度再升高至点处温度再升高至TBTB，外表层产生热塑性变形，热应力值将停留在材料在不同温，外表层产生热塑性变形，热应力值将停留在材料在不同温度时的屈服强度值处度时的屈服强度值处BB：材料在温度：材料在温度TBTB时的屈服强度，当磨削完毕温度下时的屈服强度，当磨削完毕温度下降时，热应力按原斜率沿降时，热应力按原斜率沿BCBC线下降，直到与基体温度一致，即到达线下降，直到与基体温度一致，即到达C C点。加点。加工后外表层将有剩余拉应力。工后外表层将有剩余拉应力。 温度愈高，愈容易产生

36、热塑性变形，产生的剩余应力也愈大，如以下图温度愈高，愈容易产生热塑性变形，产生的剩余应力也愈大，如以下图所示。剩余应力的大小，除与温度有关外，也与材料的特性有关，即与屈服极限所示。剩余应力的大小，除与温度有关外，也与材料的特性有关，即与屈服极限的曲线及温度升降的斜率有关。的曲线及温度升降的斜率有关。 3 3金相组织的变化金相组织的变化 切削加工时，尤其是磨削加工时的高温，会引起外表层金属组织的相变。切削加工时，尤其是磨削加工时的高温，会引起外表层金属组织的相变。由于不同的金相组织有不同的比重，因此，不同的组织的体积也不相同。假设外由于不同的金相组织有不同的比重，因此，不同的组织的体积也不相同。

37、假设外表层的体积增加时，由于受基体的影响，外表产生压应力。反之外表层体积缩表层的体积增加时，由于受基体的影响，外表产生压应力。反之外表层体积缩小时，那么产生拉应力。小时，那么产生拉应力。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量 2. 2. 裂纹的产生裂纹的产生 当外表层的剩余拉应力超过材料的强度极限时，零件外表就会产生裂纹。当外表层的剩余拉应力超过材料的强度极限时，零件外表就会产生裂纹。有的磨削裂纹也可能不在工件的外外表，而是在外表层下成为肉眼难于发现的缺有的磨削裂纹也可能不在工件的外外表，而是在外表层下成为肉眼难于发现的缺陷。裂纹的方向常与

38、磨削方向垂直如下图或呈网状，裂纹的产生常与烧伤同陷。裂纹的方向常与磨削方向垂直如下图或呈网状，裂纹的产生常与烧伤同时出现。时出现。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量第四节第四节 控制加工外表质量的工艺途径控制加工外表质量的工艺途径一、减小剩余拉应力、防止磨削烧伤和磨削裂纹的途径一、减小剩余拉应力、防止磨削烧伤和磨削裂纹的途径 如上所述，剩余拉应力、磨削烧伤和磨削裂纹对零件的使用性如上所述，剩余拉应力、磨削烧伤和磨削裂纹对零件的使用性能影响很大。对磨削加工来说，高的磨削温度是引起这些缺陷的一能影响很大。对磨削加工来说，高的磨削温度是引起这些缺陷的一个主要原因。所以只要减少磨削热的产生

39、或加速磨削热的传散，均个主要原因。所以只要减少磨削热的产生或加速磨削热的传散，均可有效地减少上述缺陷的发生。可有效地减少上述缺陷的发生。 1. 选择合理的磨削参数选择合理的磨削参数 磨削用量是影响剩余应力和磨削裂纹的首要因素。提高工件速磨削用量是影响剩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剩余拉应力，消除裂纹。但工件速度和进给度和进给速度可以减小剩余拉应力，消除裂纹。但工件速度和进给速度的提高受到外表粗糙度要求的限制。速度的提高受到外表粗糙度要求的限制。 减小磨削深度也可减小剩余应力，当磨削深度减小到一定值后减小磨削深度也可减小剩余应力，当磨削深度减小到一定值后可得到低剩余

40、应力的外表层。可得到低剩余应力的外表层。 另外，降低砂轮速度也可降低剩余拉应力，但由于降低砂轮速另外，降低砂轮速度也可降低剩余拉应力，但由于降低砂轮速度会影响磨削效率，故生产中一般不采用。度会影响磨削效率，故生产中一般不采用。 2. 选择有效的冷却方法选择有效的冷却方法 选择适宜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选择适宜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，如下图。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，如下图。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量二、采用冷压外

41、表强化工艺二、采用冷压外表强化工艺 外表强化工艺是通过对工件外表施加冷挤压使之发生冷态塑性外表强化工艺是通过对工件外表施加冷挤压使之发生冷态塑性变形，从而提高其外表硬度强度，并形成外表剩余压应力的一种加变形，从而提高其外表硬度强度，并形成外表剩余压应力的一种加工方法。通过冷挤压，外表微观不平度的波峰被压平，因而外表粗工方法。通过冷挤压，外表微观不平度的波峰被压平，因而外表粗糙度得到一定程度的减小。常用的外表强化工艺有滚压强化、挤压糙度得到一定程度的减小。常用的外表强化工艺有滚压强化、挤压强化和喷丸强化。强化和喷丸强化。 1. 喷丸喷丸第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量 对一些不规则

42、表面或形状复杂的表面，如弹簧、叶片、齿轮齿形面等，可采用喷九强化的方法。喷九强化是利用高速运动中的珠丸冲击工件表面，使之塑件变形而产生冷硬层并形成残余压应力的方法。珠丸大多采用直径为0.4mm2mm的钢丸（或玻璃丸），利用压缩空气或离心力将它们高速喷向加工表面。表面的内曲率半径小或要求粗糙度小时，宜采用小尺寸的钢九。喷时速度一般为35ms50ms，珠丸尺寸小时，喷射速度应大些，以保证具有足够的动能。如图所示。 2. 2. 滚压滚压 滚压强化是用可自由转动的质地很硬的滚子常用硬质合金制造对工滚压强化是用可自由转动的质地很硬的滚子常用硬质合金制造对工件表而均匀地施加压力，使表而产生塑性变形而得以强

43、化，并产生剩余压应力。件表而均匀地施加压力，使表而产生塑性变形而得以强化，并产生剩余压应力。滚压加工一般在精车精刨后，直接在原机床上加装液压工具进行。其结构简滚压加工一般在精车精刨后，直接在原机床上加装液压工具进行。其结构简单，操作方便，适用于规那么外表，如外圆、内孔和平面等的强化加工。单，操作方便，适用于规那么外表，如外圆、内孔和平面等的强化加工。 3. 3. 挤压挤压 挤压是对内圆外表进行强化的一种工艺，也称为胀孔。它是用比孔径挤压是对内圆外表进行强化的一种工艺，也称为胀孔。它是用比孔径略大一点的钢球或挤压工具，压过被加工孔，使孔壁产生冷塑性变形而得以强化。略大一点的钢球或挤压工具，压过被

44、加工孔，使孔壁产生冷塑性变形而得以强化。挤压可在车床或拉床上进行。挤压可在车床或拉床上进行。 生产中常用的滚压和挤压加工方法见以下图。生产中常用的滚压和挤压加工方法见以下图。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量三、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，分机械加工精度，分一般加工、精密加工一般加工、精密加工与与超精密加工超精密加工。一般加工

45、是指加工误差10m以上，表面粗造度值Ra0.20.8m以上的加工方法。精密加工 是指加工误差100.1m，表面粗造度值Ra0.10.01m的加工方法。精密加工 是指加工误差小于0.1m ，表面粗造度值小于Ra0.0025m的加工方法。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量 光整加工是用粒度很细的磨料对工件外表进行微量切削、挤压、擦光的过程。光整加工是用粒度很细的磨料对工件外表进行微量切削、挤压、擦光的过程。它不要求机床有精确的成形运动，而是按随机创成原理，让工件加工外表各点和它不要求机床有精确的成形运动，而是按随机创成原理，让工件加工外表各点和磨具研具工作面上各点具有很大随机接触条件。

46、进行相互修整，使误差逐步磨具研具工作面上各点具有很大随机接触条件。进行相互修整，使误差逐步均化而得以消除，从而得到极光滑的加工外表和高于磨具原始精度的加工精度。均化而得以消除，从而得到极光滑的加工外表和高于磨具原始精度的加工精度。光整加工后的外表粗糙度可到达光整加工后的外表粗糙度可到达Ra0.50.006m，甚至更小。，甚至更小。 光整加工方法最常用的有砂带磨削、研磨、珩磨、超精磨和抛光等几种。光整加工方法最常用的有砂带磨削、研磨、珩磨、超精磨和抛光等几种。 1. 精密加工工艺精密加工工艺 精密加工与超精密加工的主要特点是机床精度高、刚性好，机床具有精确的精密加工与超精密加工的主要特点是机床精

47、度高、刚性好，机床具有精确的微量进给装置，机床工作台低速运动稳定性好以及工艺系统抗振性好。切削时根微量进给装置，机床工作台低速运动稳定性好以及工艺系统抗振性好。切削时根本上都是微量切削。与自动化联系十分紧密。为了提高加工质量，采用计算机控本上都是微量切削。与自动化联系十分紧密。为了提高加工质量，采用计算机控制、在线检测、自适应控制、误差补偿等技术，减少人的因素的影响。制、在线检测、自适应控制、误差补偿等技术，减少人的因素的影响。 常用的精密与超精密加工方法如以下图所示。常用的精密与超精密加工方法如以下图所示。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外

48、表质量 2. 2. 光整加工工艺光整加工工艺 1 1珩磨珩磨 珩磨是一种代替研磨，对孔进行光整加工的高生产率加工方法，工件可珩磨是一种代替研磨，对孔进行光整加工的高生产率加工方法，工件可到达高的精度和外表质量。加工时是用珩磨工具在被加工孔中作往复移动和旋转到达高的精度和外表质量。加工时是用珩磨工具在被加工孔中作往复移动和旋转运动加工预先经绞、磨或者精镗的孔，如下图。运动加工预先经绞、磨或者精镗的孔，如下图。 珩磨加工的特点是： 生产率高 珩磨工具通常是由6块、9块或12块精细磨条油石安装在珩磨头壳体的径向槽中，由于磨具是磨条形状，可供给充足的冷却液，珩磨头在被加工孔中作回转运动，选用的切削速度

49、高达45mmin60mmin，沿轴线作往复运动的纵向进给即可达12mmin15mmin，因此，珩磨加工的生产率比研磨提高很多。 加工外表的粗糙度较小 珩磨时，磨削轨迹交错复杂，故能把工件外表的凹凸不平之处削平，而获得较高的外表光洁度。由于珩磨头与机床为浮动连接，所以珩磨加工不能修正孔的相对位置误差。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量 2 2超精加工超精加工 超精加工是用细粒度磨块进行加工的一种光整加工方法。主要用以降低超精加工是用细粒度磨块进行加工的一种光整加工方法。主要用以降低外表粗糙度。加工面常为外圆柱外表，工作时工件一边旋转一边作

50、往复直线运动，外表粗糙度。加工面常为外圆柱外表，工作时工件一边旋转一边作往复直线运动，作为切削工具的砂条在一定的压力作用下紧压在工件上，并作高频率的往复振动作为切削工具的砂条在一定的压力作用下紧压在工件上，并作高频率的往复振动振幅一般为振幅一般为2 24mm4mm。这些运动的合成，使磨块上的砂粒在加上外表上磨出极。这些运动的合成，使磨块上的砂粒在加上外表上磨出极细微的不重复的复杂轨迹，切去加工外表的凸峰，从而获得细微的不重复的复杂轨迹，切去加工外表的凸峰，从而获得RaRa为为0.04m0.04m以下的以下的光洁外表。光洁外表。第八章第八章 机械加工外表质量机械加工外表质量 3 3研磨研磨 研磨是用研具轻压在工件外表上，在研具与工件外表之间放入用磨料与研磨是用研具轻压在工件外表上，在研具与工件外表之间放入用磨料与油脂组成的研磨剂或研磨用的油脂组成的研磨剂或研磨用的“软膏，当研磨时工具与工件外表产生不规那么软膏，当研磨时工具与工件外表产生不规那么的相对运动，就实现了研磨工作，如以下图所示。的相对