机械制造工艺学第三章-XXXX.ppt

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 任任何何机机械械加加工工方方法法获获得得的的加加工工表表面面，都都不不是是绝绝对对理理想想的的表表面面。既既存存在在宏宏观观几几何何形形状状误误差差，又又存存在在微微观观表面粗糙度、波度表面粗糙度、波度，以及表面划痕和裂纹等缺陷。，以及表面划痕和裂纹等缺陷。一一些些重重要要零零件件常常在在高高温温、高高速速、高高应应力力条条件件下下工工作作，表表面面存存在在任任何何缺缺陷陷都都可可能能引引起起应应力力集集中中、应应力力腐腐蚀蚀而而导导致致零零件件损损坏坏。实实践践证证明明机机械械零零件件破破坏坏一一般般总总是是从表面层开始的，说明零件的表面质量至关重要。从表面层开始的，说明零件的表面质量至关重要。研研究究表表面面质质量量的的目目的的，是是要要掌掌握握机机械械加加工工中中各各种种工工艺艺因因素素对对表表面面质质量量影影响响的的规规律律，以以便便应应用用这这些些规规律律控控制制加加工工过过程程，最最终终达达到到提提高高表表面面质质量量提提高高产产品品使使用用性能的目的。性能的目的。2021/9/231一、一、加工表面质量的概念加工表面质量的概念第一节第一节 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表面粗糙度表面粗糙度表面波度表面波度表面物理力学表面物理力学性能的变化性能的变化表面微观几表面微观几何形状特征何形状特征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2021/9/232图图图图5-25-22021/9/233 a）波度 b）表面粗糙度 零件加工表面的粗糙度与波度RZHRZ （一）（一）加工表面的几何形貌加工表面的几何形貌 表面粗糙度：加工表面的微观几何误差，波长与波高比值表面粗糙度：加工表面的微观几何误差，波长与波高比值小于小于5050。表面波度：加工表面不平度波长与波高比值在表面波度：加工表面不平度波长与波高比值在505010001000的的几何形状误差。几何形状误差。10001000为宏观几何形状误差，属加工精度研究的范围为宏观几何形状误差，属加工精度研究的范围纹理方向：表面刀纹的方向，取决于加工方法纹理方向：表面刀纹的方向，取决于加工方法伤痕：加工表面出现的缺陷，如划痕、气孔、砂眼等伤痕：加工表面出现的缺陷，如划痕、气孔、砂眼等2021/9/2342021/9/235（二）表面层材料的力学物理性能与化学性能（二）表面层材料的力学物理性能与化学性能 由由于于力力和和热热的的作作用用，表表面面层层的的力力学学物物理理性性能能和化学性能将发生变化。和化学性能将发生变化。1）表表面面层层金金属属的的冷冷作作硬硬化化；表表层层金金属属因因塑塑性性变变形形而而引引起起强强度度硬硬度度提提高高，用用硬硬化化程程度度和和硬硬化化深深度度衡衡量量。一一般般机机械械加加工工方方法法，硬硬化化深深度度为为0.05-0.3mm用用滚滚压加工可达几毫米。压加工可达几毫米。2）表表面面层层金金相相组组织织的的变变化化。加加工工过过程程中中，表表面面层层因因切切削削或或磨磨削削热热引引起起温温度度升升高高而而产产生生的的金金相相组组织织的的变变化化；如如磨磨削削淬淬火火钢钢,引引起起马马氏氏体体分分解解,成成回回火火组组织织.3）表表面面层层金金属属的的残残余余应应力力。表表面面层层在在切切削削力力和和切切削削热热的的作作用用下下而而产产生生不不均均匀匀的的体体积积变变化化而而产产生生残残余余应力。应力。2021/9/236二、表面质量对产品使用性能的影响二、表面质量对产品使用性能的影响二、表面质量对产品使用性能的影响二、表面质量对产品使用性能的影响 （一）表面质量对耐磨性的影响（一）表面质量对耐磨性的影响 零件精度保持性取决于耐磨性，耐磨性越高则工作精度零件精度保持性取决于耐磨性，耐磨性越高则工作精度保持性越好。耐磨性除与摩擦副的材料和润滑条件有关外，保持性越好。耐磨性除与摩擦副的材料和润滑条件有关外，还与零件表面质量有关。还与零件表面质量有关。1、粗糙度、波纹度对耐磨性的影响、粗糙度、波纹度对耐磨性的影响 表面越粗糙，有效接触面积越小，初期磨损越大。一般表面越粗糙，有效接触面积越小，初期磨损越大。一般说来说来随着粗糙度的减小，耐磨性提高，但也不是越小越好随着粗糙度的减小，耐磨性提高，但也不是越小越好。当表面粗糙度小到一定程度后，零件间的分子亲和力加强，当表面粗糙度小到一定程度后，零件间的分子亲和力加强，接触面容易发生分子粘接，润滑液难以储存，磨损加快。接触面容易发生分子粘接，润滑液难以储存，磨损加快。2021/9/237 2、表面纹理对耐磨性的影响、表面纹理对耐磨性的影响 表面纹理的形状和方向影响有效接触面积和润滑油的表面纹理的形状和方向影响有效接触面积和润滑油的存留。一般说来，圆弧状，坑状表面纹理的耐磨性好，尖存留。一般说来，圆弧状，坑状表面纹理的耐磨性好，尖峰状的表面纹理由于接触面压强大峰状的表面纹理由于接触面压强大,耐磨性差。纹理方向耐磨性差。纹理方向与运动方向相同，耐磨性好；纹理方向与运动方向垂直与运动方向相同，耐磨性好；纹理方向与运动方向垂直,则耐磨性差。则耐磨性差。3、表面冷作硬化对耐磨性的影响、表面冷作硬化对耐磨性的影响 表面层冷作硬化减少了摩擦副表面层冷作硬化减少了摩擦副接触部位的弹性变形和塑性变形，接触部位的弹性变形和塑性变形，因而减少了磨损，提高耐磨性因而减少了磨损，提高耐磨性，但并不是硬化程度越高耐磨性越但并不是硬化程度越高耐磨性越好，在硬化过度时，引起组织疏松好，在硬化过度时，引起组织疏松磨损会加剧，甚至产生剥落，所以磨损会加剧，甚至产生剥落，所以硬化层要控制在一定的范围。硬化层要控制在一定的范围。2021/9/2384 4、表面层金相组织变化影响、表面层金相组织变化影响、表面层金相组织变化影响、表面层金相组织变化影响n加工过程中，由于加工过程中，由于切削温度过高，表层金相组织会发生某切削温度过高，表层金相组织会发生某些变化些变化，如磨淬火零件时，表层的马氏本组织要分解或出，如磨淬火零件时，表层的马氏本组织要分解或出现回火组织或出现二次淬火组织，直接影响耐磨性。现回火组织或出现二次淬火组织，直接影响耐磨性。1）粗糙度粗糙度:在交变载荷的作用下，零件表面的粗糙度、在交变载荷的作用下，零件表面的粗糙度、划痕、裂纹等缺陷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂划痕、裂纹等缺陷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。对受交变载荷的零件纹。对受交变载荷的零件，减小表面粗糙度值可使疲劳减小表面粗糙度值可使疲劳强度提高强度提高3040%，表面越粗糙，搞疲劳性越差。，表面越粗糙，搞疲劳性越差。2）残余应力残余应力:残余压应力残余压应力,能部分抵削工作载荷所施加能部分抵削工作载荷所施加的拉应力，延缓裂纹的扩展，因而的拉应力，延缓裂纹的扩展，因而提高零件的疲劳强度提高零件的疲劳强度。但但残余拉应力容易使表面产生裂纹，因而降低疲劳强度残余拉应力容易使表面产生裂纹，因而降低疲劳强度。3）冷作硬化）冷作硬化:冷作硬化提高零件的疲劳强度冷作硬化提高零件的疲劳强度。因为硬化。因为硬化层阻碍已有裂纹的扩大和新疲劳裂纹的产生。层阻碍已有裂纹的扩大和新疲劳裂纹的产生。（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（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2021/9/239（三）表面质量对抗腐蚀性能的影响（三）表面质量对抗腐蚀性能的影响（三）表面质量对抗腐蚀性能的影响（三）表面质量对抗腐蚀性能的影响1、表面粗糙度的影响、表面粗糙度的影响 零零件件在在空空气气中中或或腐腐蚀蚀介介质质中中常常发发生生化化学学腐腐蚀蚀和和电电化化学学腐腐蚀蚀，表表面面越越粗粗糙糙则则加加工工表表面面与与空空气气和和腐腐蚀蚀性性介介质质的的接触面积越大，因而抗腐蚀性能越差。接触面积越大，因而抗腐蚀性能越差。2、金属力学与物理性质的影响、金属力学与物理性质的影响 加加工工表表面面的的冷冷作作硬硬化化和和残残余余应应力力都都将将金金属属表表面面处处于于高高能能位位的的不不稳稳定定状状态态，容容易易与与空空气气中中的的物物质质发发生生化化学学反反应应而被腐蚀。而被腐蚀。2021/9/2310（四）表面质量对配合质量的影响（四）表面质量对配合质量的影响（四）表面质量对配合质量的影响（四）表面质量对配合质量的影响 无无论论是是间间隙隙配配合合、过过盈盈配配合合还还是是过过渡渡配配合合，如如果果表表面粗糙度太大，则必然影响实际配合的性质。面粗糙度太大，则必然影响实际配合的性质。对对间间隙隙配配合合，如如果果表表面面粗粗糙糙度度太太大大，则则初初期期磨磨损损量量就就越越大大，工工作作时时间间一一长长配配合合间间隙隙就就越越大大，以以致致改改变变原原有有的配合性质，影响间隙配合的稳定性。的配合性质，影响间隙配合的稳定性。初期磨损初期磨损0与粗糙度的关系与粗糙度的关系 0=KRa K为比例系数为比例系数 这这就就是是新新机机器器为为什什么么需需要要经经过过跑跑合合阶阶段段才才能能进进入入正正常工作状态的原因。常工作状态的原因。对对于于过过盈盈配配合合，由由于于表表面面粗粗糙糙度度的的影影响响，会会使使实实际际过过盈盈量量小小于于计计算算过过盈盈量量，装装配配时时凸凸峰峰被被剂剂掉掉，使使实实验验过过盈量减小盈量减小。2021/9/2311第二节第二节第二节第二节 影响表面粗糙度的因素及其改进措施影响表面粗糙度的因素及其改进措施影响表面粗糙度的因素及其改进措施影响表面粗糙度的因素及其改进措施 在切削和磨削过程中，表面粗糙度的形成由几何因素、在切削和磨削过程中，表面粗糙度的形成由几何因素、物理因素物理因素(表层金属的塑性变形表层金属的塑性变形)和工艺系统的振动决定。和工艺系统的振动决定。一、切削加工表面粗糙度一、切削加工表面粗糙度 （一）几何因素（一）几何因素 切削加工表面粗糙度取决于切削残留面积的高度。切削加工表面粗糙度取决于切削残留面积的高度。残留面积高度与刀具的进给量，主偏角、副偏角和刀尖圆角半径有关。2021/9/2312 图中的虚线为Rz与rE、f的计算关系曲线，而实线为实际加工的结果。两者数值上的差别是由于Rz不仅受刀具几何形状的影响，同时还受表面金属层塑性变形的影响。进给量越小，这种影响越大。由几何因素引起表面粗糙度过大，可通过减小切削层残留面积来解决。如减小进给量、减小刀具的主副偏角，增大刀具园角半径。2021/9/2313（二）物理因素（二）物理因素（二）物理因素（二）物理因素 零件加工后实际轮廓与纯几何因素所形成的理想轮廓有较大差别，因为在加工过程中还有塑性变形等物理因素的影响。1）刀具的刃口圆角及后刀面的挤压与摩擦，使金属材料发生塑性变形，使理论残留面积挤歪，因而增大了表面粗糙度。2）切削过程中出现刀瘤与鳞刺会使表面粗糙度严重恶化，加工塑性材料时是影响粗糙度的主要因素。刀馏是在切削过程中，切屑底层与前刀面发生冷焊的结果。鳞刺是在已加工表面上出现磷片状毛刺般的缺陷。1、切削用量的影响（1）进给量的影响 在粗加工和半精加工中，当f0.15mm/r，进给量对表面粗糙度影响大；当f0.15mm/r，则f的进一步减小，不能引起表面粗糙度明显下降；当f0.02mm/r时，表面粗糙度主要取决于被加工面的金属塑性变形。2021/9/2314（2 2）切削速度的影响）切削速度的影响）切削速度的影响）切削速度的影响 V愈高，切削过程中切屑和加工表面的塑性变形程度就愈轻，粗糙度愈小；刀瘤和鳞刺都是在较低速度范围内产生，V愈高可防止刀瘤和鳞刺的产生。提高切削速度既有利于降低表面粗糙度，又有利于提高生产率。加工脆性材料时，切削速度对表面粗糙度影响不大。加工脆性材料比加工塑性材料容易达到表面粗糙度要求。2021/9/2315 （3 3）切削深度的影响）切削深度的影响 切削深度对表面粗糙度的影响不大，但由于刀刃存在圆角半径，当切削深度小到一定程度后，不能进行正常切削，会出现刀具挤压打滑等现象，从而使表面粗糙度增大。2 2、被加工材料性能的影响、被加工材料性能的影响 韧性较大的塑性材料加工后表面粗糙度大，脆性材料其加工粗糙度比较接近理论粗糙度。对于同种材料，晶粒组织愈粗大，加工后粗糙度也愈大，为减小加工后的粗糙度,常在切削加工前进行调质或正火处理，以获得均匀细密的晶粒组织。2021/9/23163 3、刀具几何形状、材料、刃磨质量的影响、刀具几何形状、材料、刃磨质量的影响、刀具几何形状、材料、刃磨质量的影响、刀具几何形状、材料、刃磨质量的影响 前角r0 增大，则塑性变形小、粗糙度小；r0为负，塑性变形大、粗糙度大。不同刀具材料，其化学成分不同，其硬度、刀具材料与工件材料的亲和程度、以及前后刀面与切屑和已加工表面的磨擦系数不同。硬质合金刀具加工所得的表面粗糙度比高速钢刀具加工所获得的小，金刚石刀具加工所得的表面粗糙度比硬质合金刀具加工所得的还要小。1）金刚石强度和硬度高，在高温下能保持其性能。刃口锋利，在切削过程中，其刀尖圆角半径和刃口半径保持不变。2）金刚石与金属材料的亲和力小，加工中不会产生积屑瘤。3）金刚石刀具前后刀面的摩擦系数小，加工时的切削力及表层金属的塑性变形小，有利于降低表面粗糙度。2021/9/2317降低表面粗糙度措施合理选择刀具的几何角度，适当增大刀具前角和刃倾角，提高刀具的刃磨质量，降低前刀面和后刀面的表面粗糙度，选择合适冷却润滑液，提高润滑效果（可以抑制刀瘤和鳞刺的产生），均有利于降低表面粗糙度。在影响表面粗糙度的几何因素和物理因素中，何者占主导地位，这取决于不同情况。加工脆性材料以几何因素为主；而加工塑性材料、特别是韧性大的材料，以物理因素为主。2021/9/2318二、磨削加工后的表面粗糙度 与车削不同，磨削加工表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的沟槽所形成，每单位面积上的刻痕数愈多，即通过单位面积的磨粒数愈多，刻痕的等高性越好，则粗糙度愈小。磨削表面粗糙度与几何因素、物理因素和振动有关。（一）几何因素的影响：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）砂轮的速度：）砂轮的速度：提高砂轮速度，单位时间内通过被加提高砂轮速度，单位时间内通过被加工表面的磨粒数越多，同时塑性变形造成的隆起量随砂轮工表面的磨粒数越多，同时塑性变形造成的隆起量随砂轮速度的增大而下降，有利于降低表面粗糙度。速度的增大而下降，有利于降低表面粗糙度。2021/9/2319 2）工件速度和进给量的影响）工件速度和进给量的影响 提高工件速度和进给量提高工件速度和进给量,单单位时间内通过被磨表面的磨粒数位时间内通过被磨表面的磨粒数减少，会增大表面粗糙度；减少，会增大表面粗糙度；2021/9/23203）磨削深度）磨削深度 增增大大磨磨削削深深度度，将将增增加加塑塑性性变变形形程程度度，从从而而增增大粗糙度大粗糙度。2021/9/2321 2 2、砂轮粒度和砂轮修整对表面粗糙度的影响、砂轮粒度和砂轮修整对表面粗糙度的影响：1）砂轮的粒度愈细，则砂轮工作面的单位面积上的磨粒愈多，在工件上的刻痕愈密愈细，所以粗糙度愈小。因此，选择粒度号大的砂轮有利于降低表面粗糙。但如果但如果粒度号过大，则只能采用很小的磨削深度粒度号过大，则只能采用很小的磨削深度，还，还需要很长时间的空行程，否则砂轮容易堵塞，造成表面烧需要很长时间的空行程，否则砂轮容易堵塞，造成表面烧伤。一般磨削其粒度号不超过伤。一般磨削其粒度号不超过80，常用，常用46-60号。号。2021/9/2322 2）砂轮的修整：如果砂轮工作表面修整不好，则表面上的磨粒不处在同一高度，其中高度较低的磨粒不能起到磨削作用，加工时会使单位面积上的磨粒数减少，从而增大表面粗糙度。因此在磨削加工最后几次行程前，应精细修整砂轮。砂轮修整时导程和切深越小，磨粒的微刃等高性越好，相当于选用大粒度号砂轮，磨削表面粗糙度越小。砂轮修整时常用金刚石修整器。在磨削过程中，通常在开始时采用较大的磨削深度，以提高生产率而最后采用小切深或无进给磨削以降低粗糙度。2021/9/2323（二）物理因素的影响（二）物理因素的影响 由于磨削速度比切削加工的速度高很多，且磨粒大多为负前角，磨削比压大，磨削区域的温度很高（有时达900度）工件容易产生相变而烧伤，同时产生比切削加工更大的塑性变形，增大表面粗糙度。1、磨削用量 1）砂轮的速度：砂轮速度越高，工件材料来不及塑性变形，因而表面层金属的塑性变形减小，表面粗糙度将明显减小；2）工件速度：工件速度增加，塑性变形增加，表面粗糙度增大；3）进给量：进给量增大，塑性变形增大，表面粗糙度增大2021/9/2324 2 2、砂轮的选择、砂轮的选择 粒度、硬度、组织和材料对磨削表面粗糙度影响很大。粒度：粒度越细，磨削表面粗糙度越小，但如果磨粒太小，砂轮容易堵塞，引起表面烧伤，使表面粗糙度增大。硬度：砂轮的硬度是指磨粒在磨削力作用下从砂轮表面上脱落的难易程度。砂轮太硬，钝化了的磨粒不能及时被新磨粒替代，使表面粗糙度增大；砂轮太软，磨粒易脱落，磨削作用减弱，也会使表面粗糙度增大。组织：指磨粒、结合剂和气孔的比例关系。组织细密，能获得高精度和较小表面粗糙度，组织疏松，不易堵塞，适于磨削软金属材料，如：磁钢、不锈钢和耐热钢。材料：氧化物（刚玉）砂轮用于磨钢类零件；碳化物砂轮（碳化硅）用于磨铸铁和硬质合金等材料，人造金刚石和立方氮化硼，可获得很少的表面粗糙度，但成本较高。2021/9/2325第三节、影响表面层物理力学性能的工艺因第三节、影响表面层物理力学性能的工艺因第三节、影响表面层物理力学性能的工艺因第三节、影响表面层物理力学性能的工艺因素及其改措施素及其改措施素及其改措施素及其改措施 在在切切削削力力和和切切削削热热作作用用下下，加加工工表表面面的的机机械械物物理理性性能能会会发发生生变变化化，与与基基体体材材料料性性能能有有很很大大不不同同，主主要要变变化化：表表层层金金相组织的变化，微观硬度变化和在表层中产生残余应力。相组织的变化，微观硬度变化和在表层中产生残余应力。一、加工表面的冷作硬化一、加工表面的冷作硬化 冷作硬化冷作硬化：在切削（磨削）过程中，如果加工表面层产生：在切削（磨削）过程中，如果加工表面层产生的塑性变形使的塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格严重扭曲晶体间产生剪切滑移，晶格严重扭曲，并产，并产生晶粒的拉长、破碎和纤维化，引起材料表层强度和硬度生晶粒的拉长、破碎和纤维化，引起材料表层强度和硬度提高，这种现象称冷作硬化。提高，这种现象称冷作硬化。冷硬的结果冷硬的结果：变形阻力增大、塑性降低，导电性、导热性：变形阻力增大、塑性降低，导电性、导热性发生变化。发生变化。2021/9/2326弱化：弱化：冷作硬化使金属处于高能位的不稳定状态，在冷作硬化使金属处于高能位的不稳定状态，在冷作硬化使金属处于高能位的不稳定状态，在冷作硬化使金属处于高能位的不稳定状态，在温度较高时会本能向低能位的稳定状态转变。温度较高时会本能向低能位的稳定状态转变。温度较高时会本能向低能位的稳定状态转变。温度较高时会本能向低能位的稳定状态转变。冷作硬化的评定指标：冷作硬化的评定指标：1）表层金属的显微硬度，用HV表示2）硬化层深度h3）硬化程度N 硬化程度越大，则硬化层的深度越大。2021/9/2327硬化程度取决于硬化程度取决于：1）产生塑性变形的力产生塑性变形的力：力越大，塑性变形越大，硬化程度越大。力越大，塑性变形越大，硬化程度越大。2）变形速度变形速度：变形速度越快，变形越不充分，硬化程度越小。变形速度越快，变形越不充分，硬化程度越小。3）变形温度变形温度：变形的温度影响金相组织的恢复，当温度在变形的温度影响金相组织的恢复，当温度在0.250.3T范围，产生恢复现象，部分消除冷作硬化。范围，产生恢复现象，部分消除冷作硬化。2021/9/2328（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（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 1、切削用量的影响、切削用量的影响 切削用量中以切削用量中以f、V影响最大影响最大 f增增大大，切切削削力力增增大大，塑塑性性变变形形程程度度也也增增大大，因因此此硬硬化化现象增大，但在现象增大，但在f较小时刀刃园角在表面上挤在使硬化增加。较小时刀刃园角在表面上挤在使硬化增加。V增增大大，则则硬硬化化层层的的深深度度和和硬硬度度都都减减小小，因因为为V增增大大会会使使温温度度增增高高有有助助于于冷冷硬硬的的回回复复，同同时时V增增大大，使使刀刀具具与与工工件件的接触时间缩短，塑性变形减少；的接触时间缩短，塑性变形减少；切削深度对表面层切削深度对表面层金属的冷作硬化影金属的冷作硬化影响不大。响不大。2021/9/2329 2、刀具几何形状的影响、刀具几何形状的影响 刀刀具具前前角角减减小小，刃刃口口圆圆角角和和后后刀刀面面的的磨磨损损量量增增大大时时，冷作硬化程度和深度增大。冷作硬化程度和深度增大。刃刃口口圆圆角角半半径径增增大大，则则径径向向切切削削分分力力增增大大，塑塑性性变变形形加剧，引起冷硬增大加剧，引起冷硬增大.前角增大、切削力减小，塑性变形减小前角增大、切削力减小，塑性变形减小,冷硬减小冷硬减小 刀刀具具磨磨损损对对表表层层金金属属冷冷硬硬影影响响很很大大。后后刀刀面面磨磨损损，磨磨损损量量小小时时，随随磨磨损损的的增增大大冷冷硬硬增增大大，磨磨损损量量很很大大时时，软软化作用增强。化作用增强。2021/9/2330 3、被加工材料性能的影响、被加工材料性能的影响 材料的塑性越大、硬度越低，则材料冷硬越严重。材料的塑性越大、硬度越低，则材料冷硬越严重。碳钢含碳量越高，强度越大，其塑性越小，冷硬越轻。碳钢含碳量越高，强度越大，其塑性越小，冷硬越轻。有色金属，熔点低，易弱化，其冷作硬化比钢轻得多。有色金属，熔点低，易弱化，其冷作硬化比钢轻得多。减少切削加工表面冷作硬化的措施1）合理选择刀具角度，前角大，刃口半径小。2）限制后刀面的磨损。3）合理选择切削用量，V大f小。4）进行有效冷却。2021/9/2331(三三三三)影响磨削加工表面冷作硬件的因素影响磨削加工表面冷作硬件的因素影响磨削加工表面冷作硬件的因素影响磨削加工表面冷作硬件的因素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个方面考虑从材料的塑性和导热性两个方面考虑 磨高碳钢：硬化程度磨高碳钢：硬化程度60-65%，个别达，个别达100%。塑性差。塑性差 磨纯铁：硬化程度磨纯铁：硬化程度75-80%，可达，可达140-150%。因为塑性好，。因为塑性好，导热性好，弱化倾向小。导热性好，弱化倾向小。2、磨削用量、磨削用量背吃刀量：背吃刀量：吃刀量大，磨削力大，塑性变形加剧，冷硬增大吃刀量大，磨削力大，塑性变形加剧，冷硬增大纵向进给速度：纵向进给速度：进给速度大，切屑的厚大，磨削力，冷硬增进给速度大，切屑的厚大，磨削力，冷硬增大；另一方面，温度升高，弱化作用增强。两者综合作用。大；另一方面，温度升高，弱化作用增强。两者综合作用。工件转速工件转速：转速增大，接触时间短，弱化的能力降低，冷硬：转速增大，接触时间短，弱化的能力降低，冷硬增大。增大。磨削速度磨削速度：砂轮速度增大，切削厚度减小，磨削温度升高，：砂轮速度增大，切削厚度减小，磨削温度升高，冷硬降低。冷硬降低。2021/9/2332 3、砂轮粒度的影响 粒度越大，每颗磨粒的载荷减小，冷硬减小。（四）冷作硬化的测量方法 主要测量表层的显微硬度和硬化层深度，硬化程度可通过计算得出。显微硬度：显微硬度计2021/9/2333二、表面金相组织的变化二、表面金相组织的变化二、表面金相组织的变化二、表面金相组织的变化 （一）、机械加工表面金相组织的转变 在机械加工过程中,所消耗的能量绝大多数转化成热能,在切削热的作用下，加工表面温度会升高，当温度升高到一定程度后，则产生金相组织的变化。对切削加工，一般不会严重到如此程度，但对磨削来说，由于消耗的功率大，可能出现这种情况。1、磨削温度 磨削时，速度高，磨粒带有很大的负前角，除起切削作用外，还括擦挤压工件表面，因而产生的磨削热比切削时大得多，加上有80%的磨削热传入工件，只有少部分通过切屑、砂轮、冷却液带走，而切削时只有约5%的热量进入工件，致使磨削时工件表面温度比切削时高得多。2021/9/23342 2、磨削烧伤、磨削烧伤、磨削烧伤、磨削烧伤 磨削表层温度一般高达500600有时甚至达700以上，这样工件表面层产生金相组织变化，并使表层金属硬度下降，并呈现氧化膜颜色，这种现象称磨削烧伤。淬火钢磨削可能产生三种烧伤：淬火钢磨削可能产生三种烧伤：回回火火烧烧伤伤：当当磨磨削削区区温温度度没没有有超超过过相相变变温温度度但但超超过过马马氏氏体体转转变变温温度度（250300）时时，马马氏氏体体转转变变成成回回火火屈屈氏氏体体或或索氏体等与回火退火相近的组织，硬度低于回火马氏体。索氏体等与回火退火相近的组织，硬度低于回火马氏体。淬淬火火烧烧伤伤：当当磨磨削削区区温温度度超超过过相相变变临临界界温温度度（720）时时，马马氏氏体体转转变变成成奥奥氏氏体体，又又由由于于冷冷却却液液的的急急剧剧冷冷却却，会会发发生生二二次淬火现象，其硬度比回火马氏体的硬度高。次淬火现象，其硬度比回火马氏体的硬度高。退火烧伤：如果不用冷却液进行干磨，如温度超过相变临界温度，由于冷却速度较慢，表面硬度下降。2021/9/23353、烧伤颜色 表面烧伤以后在光线的照射下呈一定的颜色，从烧伤色可以判断出表面层发生金相组织变化的程度。褐色、紫色、青色都是淬火烧伤。黄、浅黄回火烧伤。但表面没有烧伤颜色并不等于表面不存在损伤。如在磨削中，采用过大的磨削用量，造成很深的热变质层，以后的无进给磨削仅磨去表面烧伤色，但还并不意味着这层金属没有烧伤。2021/9/2336（二）减小磨削烧伤的工艺途径（二）减小磨削烧伤的工艺途径（二）减小磨削烧伤的工艺途径（二）减小磨削烧伤的工艺途径 烧伤主要原因是磨削区域中温度过高。为此应尽量烧伤主要原因是磨削区域中温度过高。为此应尽量减少磨削时产生的磨削热，并迅速将磨削热传走，以降减少磨削时产生的磨削热，并迅速将磨削热传走，以降低工件表层温度。措施如下：低工件表层温度。措施如下：1、正确选择砂轮、正确选择砂轮 对于导热性差的材料对于导热性差的材料，如耐热钢、轴承钢和不锈钢，如耐热钢、轴承钢和不锈钢，容易产生烧伤，容易产生烧伤，应选择较软的砂轮，使磨粒钝化后尽快应选择较软的砂轮，使磨粒钝化后尽快脱离脱离。同时可选择具有一定弹性的结合剂（如橡胶结合。同时可选择具有一定弹性的结合剂（如橡胶结合剂或树脂结合剂），也可避免烧伤。剂或树脂结合剂），也可避免烧伤。2、合理选择磨削用量、合理选择磨削用量 在磨削过程中，当增大磨削深度、砂轮转速和工件转在磨削过程中，当增大磨削深度、砂轮转速和工件转速时，均会引起表面温度升高。其中，速时，均会引起表面温度升高。其中，磨削深度影响最磨削深度影响最显著，应减少磨削切深显著，应减少磨削切深。2021/9/2337 工件转速越大，表面的温度梯度越大，发生高温的表面层越薄。在以后的无进给磨削中将会被磨去。在以后的无进给磨削中将会被磨去。由于金相组织转变需要一定时间，提高工件转速后，工件与砂轮的接触时间会极短，而一出磨削区域，马上冷却，故一般来不及回火。在加工中，如果出现烧伤层很薄，在以后的无进给在加工中，如果出现烧伤层很薄，在以后的无进给磨削中会将其磨去。因此，问题不在于是否存在烧伤，磨削中会将其磨去。因此，问题不在于是否存在烧伤，而在于烧伤到底有多厚。而在于烧伤到底有多厚。所以所以提高工件速度有利于减轻表面的烧伤提高工件速度有利于减轻表面的烧伤。但提高。但提高工件转速后，会影响表面粗糙度，工件转速后，会影响表面粗糙度，故在生产中采用同时故在生产中采用同时提高砂轮与工件速度的方法来防止烧伤。提高砂轮与工件速度的方法来防止烧伤。2021/9/23383、改善冷却条件、改善冷却条件 1ml水变成水蒸汽可带走水变成水蒸汽可带走2512J.磨削区每秒的发热磨削区每秒的发热量在量在4187J以下，如果冷却水能进入到磨削区域，可避以下，如果冷却水能进入到磨削区域，可避免烧伤。免烧伤。（1）用高压大流量冷却。）用高压大流量冷却。（2）为减轻高速旋转砂轮表面高压附着气流的作用，可加）为减轻高速旋转砂轮表面高压附着气流的作用，可加装空气挡板。装空气挡板。（3）采用内冷却，砂轮是多孔的，具有渗水能力。）采用内冷却，砂轮是多孔的，具有渗水能力。因有水雾，工人操作条件差，且看不到火花，不便于因有水雾，工人操作条件差，且看不到火花，不便于磨削对刀。磨削对刀。2021/9/2339图图图图5-195-192021/9/23404、选用开槽砂轮 增大磨削刃距离，使砂轮与工件间断接触，不仅改善散热条件，提高冷却效果，可大大减小烧伤。2021/9/2341三、表面金属的残余应力三、表面金属的残余应力三、表面金属的残余应力三、表面金属的残余应力 在在切切削削和和磨磨削削加加工工中中，加加工工表表面面层层相相对对于于基基体体材材料料会会发发生生形形状状、体体积积或或金金相相组组织织的的变变化化，使使表表面面层层中中产产生生相相互平衡的残余应力。互平衡的残余应力。（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1、表层金属冷塑性变形所引起的残余应力、表层金属冷塑性变形所引起的残余应力 1）加加工工过过程程中中，因因塑塑性性变变形形会会发发生生晶晶格格移移动动，原原来来的的紧紧密密排排列列受受到到破破坏坏，引引起起容容积积增增大大比比重重下下降降，从从而而在在表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力。2）在在切切削削力力作作用用下下，已已加加工工表表面面层层受受拉拉应应力力产产生生伸伸长长塑塑性性变变形形，而而里里层层仍仍处处于于弹弹性性状状态态，切切削削力力去去除除后后里里层层金金属属趋趋于于复复原原，但但受受到到已已塑塑性性变变形形的的表表层层限限制制，不不能能回回复复到到原原状状，因因而而在在表表面面层层产产生生残残余余压压应应力力，里里存存为为拉拉应力。应力。2021/9/23422、局部温升过高而引起的残余应力、局部温升过高而引起的残余应力 加加工工过过程程会会产产生生大大量量的的切切削削热热。在在切切削削热热作作用用下下表表层层产产生生热热膨膨胀胀，而而基基体体温温度度较较低低，因因此此表表层层膨膨胀胀受受基基体体的的限限制制产产生生热热压压缩缩应应力力，当当表表层层温温度度超超过过弹弹性性变变形形范范围围就就产产生生塑塑性性变变形形（相相对对压压缩缩）；当当切切削削结结束束以以后后，温温度度下下降降，体体积积要要收收缩缩，当当进进入入弹弹性性状状态态时时，表表层层因因产产生生热热塑塑变变形形，其其收收缩缩会会受受到到基基体体限限制制，故故在在表表层层产产生生拉拉应应力力，而而在在里里层层产产生压应力。生压应力。当当表表层层的的残残余余拉拉应应力力超超过过材材料料的的强强度度极极限限时时，表表面面会会产生裂纹。产生裂纹。故在磨削加工中表面容易出现裂纹。故在磨削加工中表面容易出现裂纹。2021/9/23433 3、金相组织变化所引起的残余应力、金相组织变化所引起的残余应力、金相组织变化所引起的残余应力、金相组织变化所引起的残余应力 切切削削热热使使表表层层金金属属温温度度升升高高，甚甚至至达达到到相相变变温温度度，因因不不同同组组织织比比重重不不同同，相相变变的的结结果果会会造造成成体体积积变变化化，体体积积膨膨胀则产生残余压应力胀则产生残余压应力，体积缩小则产生残余拉应力体积缩小则产生残余拉应力。淬淬火火钢钢表表层层产产生生回回火火现现象象时时马马氏氏体体转转索索氏氏体体，因因体体积积缩缩小小表表层层产产生生拉拉应应力力，里里层层产产生生残残余余压压应应力力；淬淬火火钢钢发发生生二二次次淬淬火火时时，淬淬火火马马氏氏体体比比回回火火马马氏氏体体体体积积大大，因因而而表表存存产生压应力，里层产生拉应力。产生压应力，里层产生拉应力。2021/9/2344 4、机械加工后表面层的实际残余应力 表面加工以后的残余应力是上述三个方面综合作用的结果，在一定条件下，其中一种两种原因可能起主导作用。切削加工中，如果切削热不高，以冷塑性变形为主表层产生压应力，如果切削热较高以后在表层中产生热塑性变形。热塑拉应力与冷塑压应力抵销一部分。当冷塑占主导地位表面层产生残余压应力。当热塑占主导地位表面层产生残余拉应力。在磨削时，一般磨削热较高，常以相变和热塑性变形产生的拉应力为主，所以表面层常带有残余拉应力。2021/9/2345（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（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、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 45#钢，在各种切削速度下均产生残余拉应力，说钢，在各种切削速度下均产生残余拉应力，说明切削热起主要作用。明切削热起主要作用。18CrNiMoA在切削速度较低时产生残余拉应力（切在切削速度较低时产生残余拉应力（切削热起主要作用），在高速切削时产生残余压应力（发削热起主要作用），在高速切削时产生残余压应力（发生了金相组织转变）。生了金相组织转变）。2021/9/23462 2、前角的影响、前角的影响、前角的影响、前角的影响2021/9/2347（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1、磨削用量的影响1）磨削深度2）磨削速度2、工件材料的影响 工件材料的强度越高，导热性越差，塑性越低，在磨削时越容易产生残余拉应力。2021/9/2348（四）工件最终加工工序的选择（四）工件最终加工工序的选择工件的残余应力直接影响到其工作性能。1）受交变载荷的零件，最终工序选择可产生残余压应力的加工方法2）对相对滑动的零件，从提高零件抵抗滑动摩擦引起的磨损来考虑，最终工序选择可产生残余拉应力的加工方法。从抵抗扩散磨损、化学磨损、粘接磨损来考虑，残余应力的性质无特殊要求，但残余应力的数值越小越好。3）对相对滚动的零件，从提高搞滚动磨损能力来考虑，最终工序选择可产生残余压应力的加工方法。各种加工方法在工件上产生的残余应力见表3-32021/9/2349四、表面强化工艺四、表面强化工艺四、表面强化工艺四、表面强化工艺 通通过过冷冷压压加加工工使使表表面面层层金金属属发发生生冷冷态态塑塑性性变变形形，以以降降低低表表面面粗粗糙糙度度，提提高高表表面面硬硬度度，并并在在表表面面层层中中产产生生残残余余压压应应力力。强强化化工工艺艺可可提提高高零零件件抗抗疲疲劳劳强强度度和和使使用用寿寿命命，借借助强化工艺还可以用次等材料代替优质材料。助强化工艺还可以用次等材料代替优质材料。常用表面强化工艺方法有：常用表面强化工艺方法有：喷丸、滚压、辗光喷丸、滚压、辗光2021/9/2350（一）喷丸强化（一）喷丸强化（一）喷丸强化（一）喷丸强化 喷丸是利用压缩空气将珠丸快速喷射打击被加工表面，使表面产生冷塑性变形，提高表面硬度，产生残余压应力。主要用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的零件，如弹簧、连杆、齿轮和焊缝等。喷丸强化的结果：会造成表面冷作硬化及残途压应力，硬化深度0.77mm，粗糙度可由3.2um降至0.4um。零件喷丸后寿命提高数倍至数十倍，如齿轮4倍、弹簧55。喷丸在磨削、电镀等工序后进行，可以有效地消除这些工序带来的有害的残余应力。珠丸可以是铸铁的也可是切成小段的钢线，加工铝制品时，为避免引起电解腐蚀，宜用铝球或玻璃球。2021/9/2351（二）滚压强化（二）滚压强化（二）滚压强化（二）滚压强化 用用工工具具钢钢制制成成的的钢钢滚滚轮轮或或钢钢珠珠在在零零件件表表面面上上进进行行滚滚压压、辗辗光光，使使表表层层材材料料产产生生塑塑性