[精选]机制工艺0814690.pptx

Chapter8MachiningSkinQuality第八章第八章机械加工表面质量机械加工表面质量第八章第八章目录目录第一节第一节机械加工表面机械加工表面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表面粗糙度表面粗糙度一一表面质量的含义表面质量的含义二二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一一切削加工后的表面质量切削加工后的表面质量二二磨削加工后的表面质量磨削加工后的表面质量第三节第三节机械加工后表机械加工后表面层物理机械性能面层物理机械性能一一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二二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三三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第四节第四节控制加工表面控制加工表面质量的工艺途径质量的工艺途径一一减小残余拉应力的途径减小残余拉应力的途径二二采用冷压表面强化工艺采用冷压表面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表面质量机械加工表面质量 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不足，大多数是由于磨损、然损坏而失效。究其原因往往不是因为强度不够或刚度不足，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表面，或是从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表面，或是从零件表面开始的。因此，加工表面质量将直接影响到零件的工作性能，尤其是它零件表面开始的。因此，加工表面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，表面质量问题越来越受到各方面的重视。的可靠性和使用寿命。因此，表面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表面质量概述机械加工表面质量概述一、表面质量的含义一、表面质量的含义 任何机械加工所得的表面，实际上不可能是理想的光滑表面，总是存在一定任何机械加工所得的表面，实际上不可能是理想的光滑表面，总是存在一定的微观几何形状偏差。表面层材料在加工时受切削力、切削热等的影响，也会使的微观几何形状偏差。表面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，所谓机械加工表面质量就是指表面几何形原有的物理机械性能发生变化。因此，所谓机械加工表面质量就是指表面几何形状和物理机械性能这两方面。状和物理机械性能这两方面。1.表面层的几何形状表面层的几何形状加工后的表面几何形状总是以加工后的表面几何形状总是以“峰峰”、“谷谷”交替出现的形式偏离其理想交替出现的形式偏离其理想的光滑表面的，如图所示。其偏差又有宏观、微观之分，一般以波距（峰与峰或的光滑表面的，如图所示。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）谷与谷间的距离）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，称为表面粗糙度。属于微观几何形状偏差，称为表面粗糙度。LH501000，则称为表面波度。表面粗糙度和表面波度都属于加工表面，则称为表面波度。表面粗糙度和表面波度都属于加工表面质量范畴。质量范畴。（1 1）表面粗糙度）表面粗糙度它是指加工表面的微观几何形状误差，国家标准规定：表面粗糙度用在一定它是指加工表面的微观几何形状误差，国家标准规定：表面粗糙度用在一定长度内（称为基本长度）轮廓的算术平均偏差值长度内（称为基本长度）轮廓的算术平均偏差值Ra或十点平均高度或十点平均高度Rz作为评定指作为评定指标。标。（2 2）表面波度）表面波度它是介于宏观几何形状与微观几何形状误差（粗糙度）之间的周期性几何形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。表面波度通常是由于加工过程中工艺系统的低频振动造成的。状误差。表面波度通常是由于加工过程中工艺系统的低频振动造成的。2.表面层的物理机械性能表面层的物理机械性能 表面层的材料在加工时会产生物理、机械和化学性质的变化，上图所示为加表面层的材料在加工时会产生物理、机械和化学性质的变化，上图所示为加工表面层沿深度的变化。工表面层沿深度的变化。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表面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表面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。另外切削热也会使表面层产生各种变化，如使材料产生相变以及晶粒大小发另外切削热也会使表面层产生各种变化，如使材料产生相变以及晶粒大小发生变化等。所以表面层的物理机械性能不同于基体，它包括如下三方面。生变化等。所以表面层的物理机械性能不同于基体，它包括如下三方面。（1 1）表面层的冷作硬化）表面层的冷作硬化工件在机械加工过程中，表面层金属产生了强烈的塑性变形，使表面层的强工件在机械加工过程中，表面层金属产生了强烈的塑性变形，使表面层的强度和硬度都高于加工前，这种现象称为表面冷作硬化。度和硬度都高于加工前，这种现象称为表面冷作硬化。（2 2）表面层的残余应力）表面层的残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，加工表面层会产在切削或磨削加工过程中，由于切削变形和切削热的影响，加工表面层会产生残余应力。生残余应力。（3 3）表面层的金相组织变化）表面层的金相组织变化机械加工特别是磨削加工中，工件表面在切削热产生的高温的作用下，常会机械加工特别是磨削加工中，工件表面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。发生不同程度的金相组织的变化。二、表面质量对零件使用性能的影响二、表面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 表面越粗糙，配合表面间的实际有效接触面积越小，单位面积压力增大，表面易磨损。但过于光滑的表面却不利于润滑油的贮存，还会增加两表面的分子吸附作用，磨损也会加剧。在一定载荷情况下，摩擦副表面有一最佳粗糙度，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，如下图所示。表面层的冷作硬化可提高零件的耐磨性，但硬化过度，则由于表面层与基体金属的硬度相差过大，造成表面层金属的剥落，使磨损加剧。当表面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。2.对零件疲劳强度的影响对零件疲劳强度的影响 表面粗糙度大（特别是在零件上应力集中区的粗糙度大）将大大降低零件的疲劳强度，如下图所示。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不同。适当的硬作硬化可提高零件的疲劳强度，但硬化过度，则容易在零件表面产生微裂纹，造成疲劳扩展，反而降低疲劳强度。表面层的残余应力状态对疲劳强度影响很大。当表面残余应力为压应力时，可延缓疲劳裂纹扩展。而残余应力为拉应力时，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 零件的表面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表面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。由于粗糙表面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。由于粗糙表面的凹谷处容易积聚腐蚀性介质而发生化学腐蚀，或在两种材料表面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，或在两种材料表面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。减少表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。减少表面粗糙度可以提高零件的耐腐蚀性。面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，如果配合表面粗糙度较大，则在初期磨损阶段磨损量就大，在间隙配合中，如果配合表面粗糙度较大，则在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，如果配合表面粗糙，则装配后表面的波峰产生塑性变形，从而使有效过盈量减小，如果配合表面粗糙，则装配后表面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零件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表面粗糙度。应该规定较小的表面粗糙度。5.对零件接触刚度的影响对零件接触刚度的影响表面粗糙度对零件的接触刚度有很大的影响，表面粗糙度越小，则接触刚度表面粗糙度对零件的接触刚度有很大的影响，表面粗糙度越小，则接触刚度越高。越高。另外，表面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，表面粗糙度对零件间的密封性和摩擦系数也有很大的影响，粗糙度小则密封性好，摩擦系数小；反之则密封性差，摩擦系数大。则密封性好，摩擦系数小；反之则密封性差，摩擦系数大。第二节第二节机械加工后的表面粗糙度机械加工后的表面粗糙度一、切削加工后的表面粗糙度一、切削加工后的表面粗糙度切削加工后工件表面粗糙度产生的因素主要有三方面，即：几何因素、物理切削加工后工件表面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。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，在被加工表面上不可避免地要留下未曾切切削加工中由于进给运动的存在，在被加工表面上不可避免地要留下未曾切削的残留面积，如图所示。该残余面积中峰谷间的高度差削的残留面积，如图所示。该残余面积中峰谷间的高度差H越大，所获得的表面越大，所获得的表面将越粗糙。刀具给定后，高度差将越粗糙。刀具给定后，高度差H理论上可通过计算求得。当不考虑刀具圆弧时理论上可通过计算求得。当不考虑刀具圆弧时（用尖刀时）：（用尖刀时）：用刀尖圆弧半径为re 的 刀 具 时：2.物理因素物理因素切削加工后工件表面的实际粗糙度往往比上述理论粗糙度大得多，如图所示。切削加工后工件表面的实际粗糙度往往比上述理论粗糙度大得多，如图所示。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表面粗糙度恶化。变形等多种物理现象，在这些物理因素的作用下会使表面粗糙度恶化。（1 1）工件材料性质的影响）工件材料性质的影响 加工碳素钢等塑性材料时，加工表面会发生弹塑性变形。塑性变形会使残留加工碳素钢等塑性材料时，加工表面会发生弹塑性变形。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表面上，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表面上，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，在加工表面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，在加工表面上出现微粒崩碎的痕迹，使已加工表面呈麻点状的不光洁现象。碎的痕迹，使已加工表面呈麻点状的不光洁现象。（2 2）积屑瘤的影响）积屑瘤的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。切削过程中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。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表面发生强烈摩擦，使工件切削加工中，刀具刀尖圆角及后刀面将和被加工表面发生强烈摩擦，使工件表面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表面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，降低表面粗糙度。状况，降低表面粗糙度。（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，加工表面出现振纹，于是粗糙度将明显加大。工艺系统一旦发生振动，加工表面出现振纹，于是粗糙度将明显加大。二、磨削加工后的表面粗糙度二、磨削加工后的表面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。因此磨削过程与切削加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。影响磨削表面粗糙度的因素主要有以下三个方面。工过程有共性，也有特殊性。影响磨削表面粗糙度的因素主要有以下三个方面。砂粒刻划而造成的残留面积 砂粒的刻划作用比一般切削加工复杂。在工砂粒的刻划作用比一般切削加工复杂。在工件的一小块表面上经历许多次砂粒的切削和刻划，所以残留面积就与砂轮的粒度、件的一小块表面上经历许多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、磨钝、磨粒的切削厚度等有关。弹性、砂轮的修整、砂粒的崩落、磨钝、磨粒的切削厚度等有关。金属表而的塑性变形 磨削时工件表面局部温度很高，表层可能软化甚至磨削时工件表面局部温度很高，表层可能软化甚至微熔，使粗糙度参数值增大。甚至还能造成表面层烧伤、微裂和金属组织的破坏。微熔，使粗糙度参数值增大。甚至还能造成表面层烧伤、微裂和金属组织的破坏。工艺系统的振动 对磨削表面粗糙度来说，振动是主要影响因素。振动产对磨削表面粗糙度来说，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、工作台的爬行等；砂轮的钝化和糊塞所引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。起的较大摩擦力，也会激发起自激振动。第三节第三节机械加工后表面层物理机械性能机械加工后表面层物理机械性能一、机械加工后表面层的冷作硬化一、机械加工后表面层的冷作硬化加工表面的硬化现象是指，加工表面经切削加工后表面层出现的强度和硬度加工表面的硬化现象是指，加工表面经切削加工后表面层出现的强度和硬度都有所提高的现象。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、滑移、拉长、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步变形的抗力。宏观上就表扭曲、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，使加工表面出现强化现象。硬度越小塑性越大的材料现为硬度、强度的增加，使加工表面出现强化现象。硬度越小塑性越大的材料（如低碳钢）切削后的冷硬现象越严重。（如低碳钢）切削后的冷硬现象越严重。由于切削条件不同，在切削加工时表面层的加工硬化可能有以下两种情况。由于切削条件不同，在切削加工时表面层的加工硬化可能有以下两种情况。（1 1）完全强化）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。结构，在宏观上表现为材料的硬度和强度明显增加。（2 2）不完全强化）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，材料的温度达到（0.250.3）T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，则可产生完全的再结晶，表面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，工件表面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表面强化现象加剧。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，冷硬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，冷硬程度也有所加大。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，且切削切削速度增大时，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，如图所示。进给量加大时，温度升高，也使冷硬有所回复，所以硬化程度降低，如图所示。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，如图所示。背吃刀量对冷切削力增大，塑性变形程度增加，所以冷硬程度加大，如图所示。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挤压，使冷硬程度大大增加。的挤压，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。二、机械加工后表面层金相组织的变化二、机械加工后表面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，加工表层温升更加显著。当温度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，从而改变加工表面原有的物理机械性能，升高到一定程度时将发生金相组织变化，从而改变加工表面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表面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而导致加工表面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伤问题。钢时的烧伤问题。1.1.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），大部分磨粒带有很大的负前角，除磨轮主要起切削作用的是磨粒（砂粒），大部分磨粒带有很大的负前角，除切削作用外，对加工表面具有很大的刮擦挤压作用，因而所产生的磨削热比一般切削作用外，对加工表面具有很大的刮擦挤压作用，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（约的切削热要大得多。加之磨削时大多数（约70以上）热量传入工件。只有少部以上）热量传入工件。只有少部分热量通过切屑、冷却液、砂轮、气流带走。而一般切削加工只有分热量通过切屑、冷却液、砂轮、气流带走。而一般切削加工只有50以下的热以下的热量传入工件。故磨削工件表面温度要比一般切削加工时高得多。磨削工件表面温量传入工件。故磨削工件表面温度要比一般切削加工时高得多。磨削工件表面温度可高达度可高达500600，甚至，甚至700800以上，足以使工件表面产生金相组织以上，足以使工件表面产生金相组织变化。变化。磨削烧伤有以下几种：回火烧伤回火烧伤 如果磨削区温度达到回火温度（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。若磨削中伴有冷却液，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。它会使工件表面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，则转变为过回火组织。二次淬火马氏体组织质地虽硬，但薄而脆，其下层又是硬度较低的过回火组织。这种导致磨削表面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。退火烧伤退火烧伤 若重磨时不伴有冷却液，磨削表面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，则因冷却缓慢而形成退火组织，其强度和硬度都急剧下降。这种使表面物理机械性能下降的现象称退火烧伤。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：工工件材料、磨削温度和冷却速度件材料、磨削温度和冷却速度。各种。各种材料的金相组织和转变的特性是很不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，如果磨相同的。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削区的温度超过马氏体的转变温度（中碳钢在（中碳钢在250350），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720左右）左右）时，则工件表面层的马氏体组织产生时，则工件表面层的马氏体组织产生回火现象，转变成硬度较低的回火组回火现象，转变成硬度较低的回火组织（索氏体或屈氏体）。如果磨削区织（索氏体或屈氏体）。如果磨削区超过相变温度，又由于冷却液的急冷超过相变温度，又由于冷却液的急冷作用，表面层出现二次淬火马氏体组作用，表面层出现二次淬火马氏体组织，硬度较原来的回火马氏体高，如织，硬度较原来的回火马氏体高，如图所示。图所示。三、机械加工后表面层的残余应力三、机械加工后表面层的残余应力 1.1.残余应力产生的原因残余应力产生的原因 在加工过程中，当表面层产生塑性变形或金相组织变化时，在表面层及其与在加工过程中，当表面层产生塑性变形或金相组织变化时，在表面层及其与基体之间就会产生互相平衡的应力，称为表面层的残余应力。表面层产生残余应基体之间就会产生互相平衡的应力，称为表面层的残余应力。表面层产生残余应力的主要原因是：力的主要原因是：（1 1）冷态塑性变形）冷态塑性变形 在切削力的作用下，已加工表面产生强烈的塑性变形。当表面层在切削时受在切削力的作用下，已加工表面产生强烈的塑性变形。当表面层在切削时受刀具后面的挤压和摩擦影响较大时，表面层产生伸长塑性变形，表面积趋于增大，刀具后面的挤压和摩擦影响较大时，表面层产生伸长塑性变形，表面积趋于增大，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，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的表面层的限制，回复不到原来的状态，因而在里层产生但受到已产生塑性变形的表面层的限制，回复不到原来的状态，因而在里层产生拉伸应力、外层产生残余压缩应力。同理，若表面层产生收缩性变形时，则由于拉伸应力、外层产生残余压缩应力。同理，若表面层产生收缩性变形时，则由于基体金属的影响，表面层特产生残余拉伸应力，而里层则产生压缩残余应力。基体金属的影响，表面层特产生残余拉伸应力，而里层则产生压缩残余应力。（2 2）热态塑性变形）热态塑性变形 如图所示，当切削区温度升高时，表面层受热膨胀而产生压缩应力，该应力如图所示，当切削区温度升高时，表面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，当未达到随温度增加而线性地加大，当未达到A点时就开始冷却，因未产生热塑性变形而点时就开始冷却，因未产生热塑性变形而仍回至仍回至O点，表面层不产生残余应力。点，表面层不产生残余应力。当切削区温度升高到达当切削区温度升高到达A点时，热应力达到材料的屈服强度值，若在点时，热应力达到材料的屈服强度值，若在A点处温点处温度再升高至度再升高至TB，表面层产生热塑性变形，热应力值将停留在材料在不同温度时的，表面层产生热塑性变形，热应力值将停留在材料在不同温度时的屈服强度值处（屈服强度值处（B：材料在温度：材料在温度TB时的屈服强度），当磨削完毕温度下降时，热时的屈服强度），当磨削完毕温度下降时，热应力按原斜率（沿应力按原斜率（沿BC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点。加工后表面点。加工后表面层将有残余拉应力。层将有残余拉应力。温度愈高，愈容易产生热塑性变形，产生的残余应力也愈大，如下图所示。温度愈高，愈容易产生热塑性变形，产生的残余应力也愈大，如下图所示。残余应力的大小，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残余应力的大小，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。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，会引起表面层金属组织的相变。由切削加工时，尤其是磨削加工时的高温，会引起表面层金属组织的相变。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。若表面层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。若表面层的体积增加时，由于受基体的影响，表面产生压应力。反之表面层体积缩小时，的体积增加时，由于受基体的影响，表面产生压应力。反之表面层体积缩小时，则产生拉应力。则产生拉应力。2.2.裂纹的产生裂纹的产生当表面层的残余拉应力超过材料的强度极限时，零件表面就会产生裂纹。有当表面层的残余拉应力超过材料的强度极限时，零件表面就会产生裂纹。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于发现的缺陷。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于发现的缺陷。裂纹的方向常与磨削方向垂直（如图所示）或呈网状，裂纹的产生常与烧伤同时裂纹的方向常与磨削方向垂直（如图所示）或呈网状，裂纹的产生常与烧伤同时出现。出现。第四节第四节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一、减小残余拉应力、防止磨削烧伤和磨削裂纹的途径一、减小残余拉应力、防止磨削烧伤和磨削裂纹的途径如上所述，残余拉应力、磨削烧伤和磨削裂纹对零件的使用性能影响很大。如上所述，残余拉应力、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个主要原因。所以只要减少对磨削加工来说，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或加速磨削热的传散，均可有效地减少上述缺陷的发生。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。1.1.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残余应力和磨削裂纹的首要因素。提高工件速度和进给速度磨削用量是影响残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残余拉应力，消除裂纹。但工件速度和进给速度的提高受到表面粗糙度可以减小残余拉应力，消除裂纹。但工件速度和进给速度的提高受到表面粗糙度要求的限制。要求的限制。减小磨削深度也可减小残余应力，当磨削深度减小到一定值后可得到低残余减小磨削深度也可减小残余应力，当磨削深度减小到一定值后可得到低残余应力的表面层。应力的表面层。另外，降低砂轮速度也可降低残余拉应力，但由于降低砂轮速度会影响磨削另外，降低砂轮速度也可降低残余拉应力，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。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合适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合适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，如图所示。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，如图所示。二、采用冷压表面强化工艺二、采用冷压表面强化工艺表面强化工艺是通过对工件表面施加冷挤压使之发生冷态塑性变形，从而提表面强化工艺是通过对工件表面施加冷挤压使之发生冷态塑性变形，从而提高其表面硬度强度，并形成表面残余压应力的一种加工方法。通过冷挤压，表面高其表面硬度强度，并形成表面残余压应力的一种加工方法。通过冷挤压，表面微观不平度的波峰被压平，因而表面粗糙度得到一定程度的减小。常用的表面强微观不平度的波峰被压平，因而表面粗糙度得到一定程度的减小。常用的表面强化工艺有滚压强化、挤压强化和喷丸强化。化工艺有滚压强化、挤压强化和喷丸强化。1.1.喷丸喷丸 对一些不规则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）对工件表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化，并产生残余压应力。滚压而均匀地施加压力，使表而产生塑性变形而得以强化，并产生残余压应力。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。其结构简单，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，适用于规则表面，如外圆、内孔和平面等的强化加工。操作方便，适用于规则表面，如外圆、内孔和平面等的强化加工。3.3.挤压挤压 挤压是对内圆表面进行强化的一种工艺，也称为胀孔。它是用比孔径略大一挤压是对内圆表面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。挤压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。挤压可在车床或拉床上进行。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下图。生产中常用的滚压和挤压加工方法见下图。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 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。光整加工是用粒度很细的磨料对工件表面进行微量切削、挤压、擦光的过程。光整加工是用粒度很细的磨料对工件表面进行微量切削、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，让工件加工表面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，让工件加工表面各点和磨具（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表面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表面和高于磨具原始精度的加工精度。光整加工后的表面粗糙度可达到光整加工后的表面粗糙度可达到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。1.1.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。切削时基微量进给装置，机床工作台低速运动稳定性好以及工艺系统抗振性好。切削时基本上都是微量切削。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下图所示。常用的精密与超精密加工方法如下图所示。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，工件可达到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，工件可达到高的精度和表面质量。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高的精度和表面质量。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，如图所示。加工预先经绞、磨或者精镗的孔，如图所示。珩磨加工的特点是：生产率高生产率高 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，可供应充足的冷却液，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。加工表面的粗糙度较小加工表面的粗糙度较小 珩磨时，磨削轨迹交错复杂，故能把工件表面的凹凸不平之处削平，而获得较高的表面光洁度。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。（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。主要用以降低表面超精加工是用细粒度磨块进行加工的一种光整加工方法。主要用以降低表面粗糙度。加工面常为外圆柱表面，工作时工件一边旋转一边作往复直线运动，作粗糙度。加工面常为外圆柱表面，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24mm）。这些运动的合成，使磨块上的砂粒在加上表面上磨出）。这些运动的合成，使磨块上的砂粒在加上表面上磨出极细微的不重复的复杂轨迹，切去加工表面的凸峰，从而获得极细微的不重复的复杂轨迹，切去加工表面的凸峰，从而获得Ra为为0.04m以下的以下的光洁表面。光洁表面。（3 3）研磨）研磨 研磨是用研具轻压在工件表面上，在研具与工件表面之间放入用磨料与油脂研磨是用研具轻压在工件表面上，在研具与工件表面之间放入用磨料与油脂组成的研磨剂或研磨用的组成的研磨剂或研磨用的“软膏软膏”，当研磨时工具与工件表面产生不规则的相对，当研磨时工具与工件表面产生不规则的相对运动，就实现了研磨工作，如下图所示。运动，就实现了研磨工作，如下图所示。粗研时，研具的材料应比工件材料软些，常用铸铁、铜、铝或硬木等制成，粗研时，研具的材料应比工件材料软些，常用铸铁、铜、铝或硬木等制成，因而可使很硬的磨粒嵌入研具表面，加速切削过程。但在精研时，则用较软的磨因而可使很硬的磨粒嵌入研具表面，加速切削过程。但在精研时，则用较软的磨粒，硬的研具（淬硬钢）；此时磨粒不嵌入研具表面，而是用不断被压碎成为更粒，硬的研具（淬硬钢）；此时磨粒不嵌入研具表面，而是用不断被压碎成为更细而带有尖锐的棱刃进行研磨。研具工作表面的形状，应与工件表面相适应。细而带有尖锐的棱刃进行研磨。研具工作表面的形状，应与工件表面相适应。研磨可加工平面、内外圆柱面、锥面及成形表面，经过研磨后的表面，能做研磨可加工平面、内外圆柱面、锥面及成形表面，经过研磨后的表面，能做到粗糙度小于到粗糙度小于Ra0.1m，尺寸和表面形状精度可大幅度提高（尺寸精度高于，尺寸和表面形状精度可大幅度提高（尺寸精度高于IT4级），但不能提高工件表面相互位置精度。级），但不能提高工件表面相互位置精度。由于研磨余量仅为由于研磨余量仅为0.01mm左右，因此在研磨前，工件须先经精车或精磨等工左右，因此在研磨前，工件须先经精车或精磨等工序。研磨工序可采用手工研磨或机工研磨，后者用于大量生产。手工研磨内外圆序。研磨工序可采用手工研磨或机工研磨，后者用于大量生产。