机械制造工艺学 第三章 机械加工表面质量及其控制.ppt

《机械制造工艺学 第三章 机械加工表面质量及其控制.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械制造工艺学 第三章 机械加工表面质量及其控制.ppt（95页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第3 3章章 机械加工表面质量及其控制机械加工表面质量及其控制本章要点表面质量及对使用性能影响表面质量及对使用性能影响影响表面粗糙度工艺因素影响表面粗糙度工艺因素机械加工中的振动机械加工中的振动影响表层物理性能工艺因素影响表层物理性能工艺因素1第第3章章 机械加工表面质量及其控制机械加工表面质量及其控制Analysis and Control of Machining Surface Quality3.1 加工表面质量及其对使用加工表面质量及其对使用性能的影响性能的影响Machining Surface Quality and its Influence to Use Performance

2、机械制造工艺学机械制造工艺学 2表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）表面质量表面几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工表面质量加工表面质量加工表面质量加工表面质量加工质量包含的内容3.1.1 加工表面质量概念加工表面质量概念33.1.1 加工表面质量概念加工表面质量概念 加工表面的几何形貌加工表面的几何形貌qq 表面粗糙度表面粗糙度 波长波长/波高波高5050qq 波度波度 波长波长/波高波高=50=5010001000；且具有周期特性；且具有周期特性qq 宏观几何形状误差（平面度、圆度等）宏观几何形状误差（平面度、圆度等）波长波长/波高波高100010

3、00qq 纹理方向表面刀纹形式纹理方向表面刀纹形式qq 表面缺陷如表面缺陷如划痕、划痕、砂眼、气孔、裂纹等砂眼、气孔、裂纹等是加工表面个别位置出现的缺陷是加工表面个别位置出现的缺陷 a）波度 b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度与波度RZHRZ43.1.1 加工表面质量概念加工表面质量概念 无氧铜镜面三维形貌及表面轮廓曲线53.1.1 加工表面质量概念加工表面质量概念 加工纹理方向及其符号标注63.1.1 加工表面质量概念加工表面质量概念 表面层金属力学物理性能和化学性能表面层金属力学物理性能和化学性能qq 表面层金属冷作硬化表面层金属冷作硬化 qq 表面层金属金相组织变化表面层金属金相组织变化

4、 qq 表面层金属残余应力表面层金属残余应力加工变质层模型 73.1.2 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 l表面质量对零件耐磨性的影响表面质量对零件耐磨性的影响Ra（m）初始磨损量重载荷轻载荷表面粗糙度与初始磨损量关系p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。表面粗糙度太大，接触表面的实际表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；挤裂、切断，故磨损加剧；表面粗糙度太小，也会导致磨损加表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧

5、。因为表面太光滑，存不住润滑油，剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。子粘结而加剧磨损。表面粗糙度的最佳值与机器零件的表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关工作情况有关83.1.2 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 qq 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加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。性。因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性因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

6、弹性变形和塑性变形。降低，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。这是因为过分的冷作硬化，将这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过分引起金属组织过分“疏松疏松”，在，在相对运动中可能会产生金属剥相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，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。冷硬程度磨损量T7A钢冷硬程度与耐磨性关系93.1.2 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 q表面纹理零件耐磨性的影响表面纹理零件耐磨性的影响表面纹理零件耐磨性的影响表面纹理零件耐磨性的影响表面纹理

7、的形状和刀纹方向对耐磨性也有影响，原因是纹理形状和刀纹方向影响有效接触面积和润滑液的存留，一般，圆弧状、凹坑状表面纹理的耐磨性好，尖峰状的耐磨性差。在运动副中，两相对运动零件的刀纹方向和运动方向相同时，耐磨性较好，两者的刀纹方向和运动方向垂直时，耐磨性最差。103.1.2 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 q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l表面质量对零件疲劳强度的影响表面质量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。对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很

8、大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差坏的能力越差。113.1.2 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 q表表面面层层冷冷作作硬硬化化与与残残余余应应力力对对零零件件疲疲劳劳强强度度的的影响影响123.1.2 表面质量对零件使用性能的影

9、响表面质量对零件使用性能的影响 l表面质量对零件配合质量的影响表面质量对零件配合质量的影响p表面粗糙度对表面粗糙度对配合质量的影响配合质量的影响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。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，就会影响零件精表面层有较大的残余应力，就会影响零件精度的稳定性。度的稳定性。p表表面残余应力面残余应力对对配合质量配合质量的影响的影响133.1.2 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 l表面质量对零件耐腐蚀性能的

10、影响表面质量对零件耐腐蚀性能的影响p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减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。因为因为零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。越深，渗透与腐蚀作用越强烈。q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143.1.2 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 如如减小表面粗糙度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；可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑

11、动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。功率损失。l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还有其它方面的影响153.1.2 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 qq 对耐磨性影响对耐磨性影响 表面粗糙度值表面粗糙度值 耐疲劳性耐疲劳性 适当硬化（阻止疲劳裂纹生长并产生表面压应力）可提高耐疲适当硬化（阻止疲劳裂纹生长并产生表面压应力）可提高耐疲劳性劳性 表面粗糙度值表面粗糙度值耐蚀性耐蚀性 表面压应力：有利于提高耐蚀性表面压应力：有利于提高耐蚀性 表面粗糙度值表面粗糙度值表面粗糙度值表面粗糙度值

12、配合质量配合质量配合质量配合质量表面残余应力表面残余应力 精度的稳定性精度的稳定性 配合质量配合质量配合质量配合质量 表面粗糙度值表面粗糙度值耐磨性耐磨性，但有限度，但有限度qq 对耐疲劳性影响对耐疲劳性影响qq 对耐蚀性影响对耐蚀性影响qq 对配合质量影响对配合质量影响 纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好；纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好；纹理方向相同较好纹理方向相同较好纹理方向相同较好纹理方向相同较好 适当硬化可提高耐磨性适当硬化可提高耐磨性16第第3章章 机械加工表面质量及其控制机械加工表面质量及其控制Analysis and Control of Machining Surface

13、Quality3.2 影响加工表面质量工艺因影响加工表面质量工艺因素及其改进措施素及其改进措施Technology Factors Influencing Machining Surface Quality and its Improving机械制造工艺学机械制造工艺学 173.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 l几何因素的影响几何因素的影响 直线刃车刀：直线刃车刀：圆弧刃车刀：圆弧刃车刀：影响因素影响因素：刀尖圆弧半径：刀尖圆弧半径 r r、主偏角、主偏角 r r、副偏角、副偏角r r 、进给量、进给量 f f车削时残留面积的高度frRmaxvfrb）Rmaxfa）vf切削加工后

14、表面粗糙度的值主要取决于切削残留面积的高度切削加工后表面粗糙度的值主要取决于切削残留面积的高度切削加工后表面粗糙度的值主要取决于切削残留面积的高度切削加工后表面粗糙度的值主要取决于切削残留面积的高度183.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 q工件材料的性质工件材料的性质韧性韧性表面粗糙度表面粗糙度 工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。脆性脆性表面粗糙度表面粗糙度 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。表面留下许多麻点

15、，使表面粗糙。塑性塑性表面粗糙度表面粗糙度 工件材料塑性越好，塑性变形越大，易产生积屑瘤和鳞刺，加工件材料塑性越好，塑性变形越大，易产生积屑瘤和鳞刺，加工表面粗糙。工表面粗糙。l物理因素的影响物理因素的影响同一材料金相组织越粗大同一材料金相组织越粗大 表面粗糙度表面粗糙度 故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，常在粗加工故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。或精加工前安排正火或调质处理。193.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 q切削速度的影响 加工塑性材料加工塑性材料时，切削速度对时，切削速度对表面粗糙度表面粗糙度的影响随的

16、影响随切切削速度的变化而变化削速度的变化而变化（对积屑瘤和鳞刺的影响）；（对积屑瘤和鳞刺的影响）；切削速度越高切削速度越高，塑性变形越不充分，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越表面粗糙度值越小；小；选择选择低速宽刀精切和高速精切低速宽刀精切和高速精切，可以得到，可以得到较小的表面较小的表面粗糙度；粗糙度；切削速度对脆性材料的影响不大。切削速度对脆性材料的影响不大。203.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 qq 切削表面塑性变形和积屑瘤 切切削削速速度度影影响响最最大大：v v =202050m/min50m/min范范围围，易易产产生生积积屑屑瘤瘤和和鳞鳞刺，表面粗糙度最差；刺，表面

17、粗糙度最差；v v 100m/min100m/min时减小，并趋于稳定时减小，并趋于稳定。切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（m）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度 h（m）0200400600hKsRz21p积屑瘤的影响：积屑瘤的影响：3.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度22p鳞刺的影响鳞刺的形成：抹试阶段、导裂阶段、层积阶段、刮成阶段鳞刺的形成：抹试阶段、导裂阶段、层积阶段、刮成阶段3.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度233.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙

18、度 q进给量的影响进给量的影响 p其他影响因素其他影响因素刀具几何角度、刃磨质量，切削液等刀具几何角度、刃磨质量，切削液等减小进给量减小进给量f f固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势，效率降低。表面粗糙度会有增大的趋势，效率降低。适当增大刀具前角，提高刃磨质量，合理选择切削适当增大刀具前角，提高刃磨质量，合理选择切削液，抑制积屑瘤和鳞刺。液，抑制积屑瘤和鳞刺。精镗(车)后的表面轮廓图(横向粗糙度)243.2.2 磨削加工表面粗糙度磨削加工表面粗糙度 q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 从几何因素和塑性变形

19、两方面影响工件的工件的磨削表面磨削表面是由砂轮上是由砂轮上大量磨粒刻划大量磨粒刻划出无数极细出无数极细的的刻痕形成刻痕形成的，工件的，工件单位面积上通过的磨粒数越多单位面积上通过的磨粒数越多，则刻痕越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小表面粗糙度值越小。磨削时磨削时切削力大切削力大速度高温度高速度高温度高，且磨粒大多数是负前角，且磨粒大多数是负前角，切削刃又不锐利，切削刃又不锐利，大多数磨粒大多数磨粒在磨削过程中在磨削过程中只是对被加工只是对被加工表面挤压表面挤压，没有切削作用。加工表面在多次挤压下出现沟，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

20、削时的槽与隆起，又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形高温更加剧了塑性变形，故表，故表面粗糙度值增大。面粗糙度值增大。p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（通常是决定因素）（通常是决定因素）253.2.2 磨削加工表面粗糙度磨削加工表面粗糙度 qq 磨削用量磨削用量 砂轮速度砂轮速度v v，R Ra a 工件速度工件速度v vw w，R Ra a 砂轮纵向进给砂轮纵向进给f f，R Ra a 磨削深度磨削深度a ap p，R Ra a 光磨次数光磨次数，R Ra a 磨削用量对表面粗糙度的影响vw=40(m/min)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)v=50(m/s

21、)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)v(m/s),vw(m/min)Ra(m)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(m)00.20.60.020.030.04b）光磨次数-Ra关系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)263.2.2 磨削加工表面粗糙度磨削加工表面粗糙度 qq 砂轮及其修整砂轮及其修整 砂轮粒度砂轮粒度，R Ra a;但要适量但要适量(4660(4660)砂轮硬度适中，砂轮硬度适中，R Ra a ；常取中软常取中软 砂轮组织适中砂轮组织适中，R Ra

22、a ；常取中等组织常取中等组织 砂轮材料：与工件材料相适应（如氧砂轮材料：与工件材料相适应（如氧化铝适于磨钢，碳化物化铝适于磨钢，碳化物(硅硼硅硼)适于磨铸铁适于磨铸铁，金刚石砂轮适于磨陶瓷材料等），金刚石砂轮适于磨陶瓷材料等）工件材料工件材料 冷却润滑液等冷却润滑液等qq 其他影响因素其他影响因素 金刚石砂轮磨削工程陶瓷零件采用超硬砂轮材料采用超硬砂轮材料，R Ra a 但成本高；但成本高；砂轮精细修整，砂轮精细修整，f f R Ra a 太硬易使磨粒磨钝Ra太软容易堵塞砂轮Ra韧性太大，热导率差会使磨粒早期崩落Ra。273.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量表面粗糙度和表面微观形貌测量

23、qq 比较法比较法qq 触针法：触针法：R Ra a 0.020.025 5m m表面粗糙度测量表面粗糙度测量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qq 光切法：光切法：R Rz z 0.50.56060m mqq 干涉法：干涉法：R Rz z 0.050.050.80.8m m283.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量表面粗糙度和表面微观形貌测量 双管显微镜测量原理1光源 2聚光镜 3窄缝 4工件表面 5目镜透镜 6分划板 7目镜293.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量表面粗糙度和表面微观形貌测量 干涉显微镜测量原理1光源 2、10、15聚光镜 3滤色片 4光阑 5

24、透镜 6、9物镜 7分光镜 8补偿镜 10、14、16反射镜 12目镜 13透光窗303.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量表面粗糙度和表面微观形貌测量 表面三维微观形貌测量表面三维微观形貌测量表面三维形貌测量与处理系统原理图1驱动 2撞块 3电触点 4触针 5工作台 6工件 7步进电机 8控制电路 9驱动电路 10放大电路 11A/D变换器 12微机 13显示器 14打印机313.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量表面粗糙度和表面微观形貌测量 TOPO移相干涉显微镜光学原理图1光源 2、4、12透镜 3视场光阑 6干涉滤光片 7CCD面阵探测器 8输出信号 9目镜 10分光镜 11压电陶

25、瓷 13反射镜 14参考基准板 15分光板 16被测工件323.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量表面粗糙度和表面微观形貌测量 表面微观形貌a）表面形貌干涉条纹 b）表面三维形貌a）b）相位值：轮廓高度：33第第3章章 机械加工表面质量及其控制机械加工表面质量及其控制Analysis and Control of Machining Surface Quality3.3 影响表层物理性能的工艺影响表层物理性能的工艺因素及其改进措施因素及其改进措施Technology Factors Influencing Surface Physics Performance and its Improvi

26、ng机械制造工艺学机械制造工艺学 343.3.1 加工表面层冷作硬化加工表面层冷作硬化 概述概述qq 加工硬化加工硬化 机械加工时，工件机械加工时，工件表面层金属表面层金属受到受到切削力切削力的作用产生的作用产生强烈的强烈的塑性变形塑性变形，使，使晶格扭曲晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加表面层的强度和硬度增加，这种现象称为，这种现象称为加加工硬化工硬化，又称，又称冷作硬化和强化冷作硬化和强化。qq 加工硬化度量加工硬化度量 表层金属显微硬度表层金属显微硬度 HVHV 硬化层深度硬化层深

27、度 h h（mm）硬化程度硬化程度 N N式中 HV 硬化层显微硬度（HV）；HV0 基体层显微硬度（HV）。35 表面层冷作硬化的程度决定于表面层冷作硬化的程度决定于产生产生塑性变形塑性变形的力、的力、变形速度及变形时的温度。变形速度及变形时的温度。p冷作硬化产生的原因冷作硬化产生的原因 3.3.1 加工表面层冷作硬化加工表面层冷作硬化 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变形时的温度不仅影响塑性变形程度塑性变形程度，还会影响变，还会影响变形后金

28、相组织的形后金相组织的恢复程度恢复程度。切削加工时表面层的硬化是不稳定的，一有条件，切削加工时表面层的硬化是不稳定的，一有条件，就会产生弱化现象：就会产生弱化现象：若温度若温度超过（超过（0.250.30）T熔熔（熔化绝对温度），（熔化绝对温度），则除了强化现象外，同时还有则除了强化现象外，同时还有回复现象回复现象，此时歪扭的，此时歪扭的晶格局部得到恢复，晶格局部得到恢复，减低了冷硬作用减低了冷硬作用；u 结论：结论：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复作用的综合结果。强化作用和回复作用的综合结果。3.3.1 加工表面层冷作硬化加工表面层冷作硬化 切削温度

29、越高、高温持续时间越长、强化程度越切削温度越高、高温持续时间越长、强化程度越大，则回复作用也就越强。大，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（佳表面层是没有冷硬层或者只有极小（1020m）冷作硬化的表面层。冷作硬化的表面层。如果温度如果温度超过超过0.30T熔熔就会发生就会发生金属再结晶金属再结晶，此时，此时由于强化而改变了的表面层物理机械性能几乎可以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。完全恢复。3.3.1 加工表面层冷作硬化加工表面层冷作硬化 影影响响切切削削加加工工表表面面

30、冷冷作作硬化因素硬化因素 f f 切削力切削力塑变塑变冷硬冷硬qq 切削用量影响qq 刀具影响 r r 塑变塑变 冷硬冷硬 其他几何参数影响不明显其他几何参数影响不明显 后刀面磨损影响显著（后刀面磨损影响显著（综合作用综合作用综合作用综合作用）00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v=40(m/min)f =0.120.2(mm/z)后刀面磨损对冷硬影响qq 工件材料 材料塑性材料塑性，冷硬倾向，冷硬倾向 切切削削速速度度影影响响复复杂杂（力力与与热热综综合作用结果）合作用结果）切削深度影响不大切削深度影响不大f 和 v 对冷硬的影响硬

31、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：45383.3.1 加工表面层冷作硬化加工表面层冷作硬化 影响磨削加工表面冷作硬化因素影响磨削加工表面冷作硬化因素qq 磨削用量qq 砂轮qq 工件材料 磨削速度磨削速度 塑变 温度 冷硬程度冷硬程度（弱化作用加强）（弱化作用加强）工件转速工件转速 温度 冷硬程度冷硬程度 （弱化作用减弱）（弱化作用减弱）（弱化作用减弱）（弱化作用减弱）纵向进给量影响复杂纵向进给量影响复杂（综合作用综合作用综合作用综合作用）磨削深度磨削深度 磨削力

32、塑变冷硬程度冷硬程度 砂轮粒度砂轮粒度冷硬程度冷硬程度 砂轮硬度砂轮硬度、组织影响不显著组织影响不显著 材料塑性材料塑性 塑变 冷硬倾向冷硬倾向 材料导热性材料导热性 温度 冷硬倾向冷硬倾向 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393.3.1 加工表面层冷作硬化加工表面层冷作硬化 冷作硬化测量方法冷作硬化测量方法qq 表层显微硬度HVqq 硬化层深度测量 斜截面测量可同时测出硬化层深度斜截面测量可同时测出硬化层深度 h h 显微硬度计采用顶角为显微硬度计采用顶角为136136金刚石压头，载荷金刚石压头，载荷 2N2

33、N斜截面测量显微硬度斜截面测量显微硬度403.3.2 表面金属金相组织变化表面金属金相组织变化 磨削加工时切削力大（功率消耗远远大于其它切削方法），切削速度高（通通常常4050m/s，高高达达80200m/s），磨削区温度高（短时间内可上升到4001000C，甚至更高）。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，出现金相组织的变化，强度和硬度下降，产生残余应力，甚至引起裂纹，这就是磨削烧伤现象磨削烧伤现象。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，当工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，

34、并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜。表面层金相组织变化表面层金相组织变化表面层金相组织变化表面层金相组织变化 一般的切削加工方法不太严重，磨削时易产生磨削烧伤现象。41u表面颜色与烧伤之间的关系表面颜色与烧伤之间的关系：黑青淡青米黄淡黄3.3.2 表面金属金相组织变化表面金属金相组织变化 磨削淬火钢时，由于磨削烧伤，工磨削淬火钢时，由于磨削烧伤，工件表面产生氧化膜并呈现出不同颜色，件表面产生氧化膜并呈现出不同颜色，相当于钢的回火色。相当于钢的回火色。不同的烧伤色不同的烧伤色表示受到不同温度的表示受到不同温度的作用与产生作用与产生不同的烧伤深度不同的烧伤深度。有时表。有时表面虽看不出变色，但

35、并不等于表面未面虽看不出变色，但并不等于表面未受热损伤。受热损伤。例如在磨削过程中由于采用过大的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中的隐患。上的烧伤层就会成为使用中的隐患。42 回火烧伤回火烧伤 磨削区温度磨削区温度超过马氏体转变温度超过马氏体转变温度(350(350)而未超过相变温度而未超过相变温度(Ac3)，则工件表面原来的马氏体组织将，则工件表面原来的马氏体组织将产生回火现象产生回

36、火现象，转化成，转化成硬度降低硬度降低的的回火组织回火组织索氏体或屈氏体索氏体或屈氏体；淬火烧伤淬火烧伤 磨削区温度磨削区温度超过相变温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，由于冷却，马氏体转变为奥氏体，由于冷却液的液的急冷急冷作用，作用，表层表层会出现二次淬火马氏体，会出现二次淬火马氏体，硬度较硬度较原来的回火原来的回火马氏体马氏体高高，而它的，而它的下层下层则因为冷却缓慢成则因为冷却缓慢成为硬度降低的回火组织为硬度降低的回火组织。退火烧伤退火烧伤(最为严重最为严重)不用冷却液进行不用冷却液进行干磨削干磨削时，磨削区温度时，磨削区温度超过相变温度超过相变温度，马氏，马氏体转变为奥氏体，因工件体

37、转变为奥氏体，因工件冷却缓慢冷却缓慢，则，则表层硬度急剧下降表层硬度急剧下降，这时，这时工件工件表层被退火表层被退火。p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：3.3.2 表面金属金相组织变化表面金属金相组织变化 磨削温度磨削温度磨削温度磨削温度（组织变化（组织变化)温度梯度温度梯度温度梯度温度梯度（组织变化不同（组织变化不同)冷却速度冷却速度冷却速度冷却速度（得到组织不同得到组织不同)p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 3.3.2 表面金属金相组织变化表面金属金相组织变化 工件材料工件材料工件材料工件材料 低碳钢时不会发

38、生相变；低碳钢时不会发生相变；高合金钢如轴承钢、高速钢、镍铬钢等传热性特别差，在冷高合金钢如轴承钢、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。却不充分时易出现磨削烧伤。未淬火钢为扩散度低的珠光体，磨削时间短时不会发生金相未淬火钢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；组织的变化；淬火钢极易相变。淬火钢极易相变。3.3.2 表面金属金相组织变化表面金属金相组织变化 改善冷却条件（改善冷却条件（冷却液进入磨削区冷却液进入磨削区）改善改善磨削烧伤的磨削烧伤的磨削烧伤的磨削烧伤的途径途径 合理选择砂轮合理选择砂轮磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃口磨削时，砂轮表面上磨粒的

39、切削刃口锋利锋利磨削力磨削力磨削区的温度磨削区的温度应根据工件材料合理选择砂轮的硬度、应根据工件材料合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织结合剂和组织磨削烧伤磨削烧伤合理选择磨削用量合理选择磨削用量砂轮转速砂轮转速 磨削烧伤磨削烧伤径向进给量径向进给量fp 磨削烧伤磨削烧伤轴向进给量轴向进给量fa磨削烧伤磨削烧伤工件速度工件速度vw磨削烧伤磨削烧伤采用内冷却法磨削烧伤内冷却装置内冷却装置1 1锥形盖锥形盖 2 2通道孔通道孔 3 3中心腔中心腔 4 4有径向小孔薄壁套有径向小孔薄壁套采用开槽砂轮（采用开槽砂轮（冷却条件好冷却条件好）间断磨削间断磨削 受热受热磨削烧伤磨削烧伤453.3.2 表面金属金

40、相组织变化表面金属金相组织变化 图图3-24 开槽砂轮开槽砂轮a）槽均匀分布槽均匀分布 b）槽不均匀分布）槽不均匀分布463.3.3 表面金属残余应力表面金属残余应力 qq 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变化时，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界处会产生互相平衡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。这种应力即为表面层的残余应力。的弹性力。这种应力即为表面层的残余应力。p残余应力产生的原因残余应力产生的原因 冷态塑性变形冷态塑性变形机械加工时，工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑变，基机械加工时，工件表面受到

41、挤压与摩擦，表层产生伸长塑变，基体仍处于弹性变形状态。体仍处于弹性变形状态。切削后，表层产生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力。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，引起高温机械加工时，切削或磨削热使工件表面局部温升过高，引起高温塑性变形。塑性变形。表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力；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起表面的相变。比容大的组织比容小的组织体积收缩，产生拉应力，反之，产生压应力。473.3.3 表面金属残余应力表面金属残余应力 qq 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

42、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，在一定条件下，其中某一三方面因素综合作用的结果，在一定条件下，其中某一或二种因素可能起主导作用。或二种因素可能起主导作用。切削时切削热不多（切削时切削热不多（一般切削加工一般切削加工）时则以冷态塑性变形为）时则以冷态塑性变形为主，主，表面层常产生残余压缩应力。表面层常产生残余压缩应力。若切削热多则以热态塑性变若切削热多则以热态塑性变形为主，形为主，表面层常产生残余拉伸应力。表面层常产生残余拉伸应力。磨削时表面层残余应力岁磨削条件不同而不同：磨削时表面层残余应力岁磨削条件不同而不同：轻磨削条件产生浅而小的残余压应力轻磨削条件产生浅而小的

43、残余压应力，因为此时没有金相组，因为此时没有金相组织变化，温度影响也很小，主要是织变化，温度影响也很小，主要是塑性变形的影响塑性变形的影响在起作用。在起作用。中等磨削条件产生浅而大的拉应力。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（最外表面可能出现小而浅的压应力），这里显然是由于现小而浅的压应力），这里显然是由于热态塑性变形和金相组热态塑性变形和金相组织变化的影响织变化的影响在起主导作用的缘故。在起主导作用的缘故。483.3.3 表面金属残余应力表面金属残余应力 v v残余应力残余应力（热应力起主（热应力起主导作用

44、）导作用）qq 切削用量切削用量 材料塑性材料塑性 残余应力残余应力 铸铸铁铁等等脆脆性性材材料料易易产产生生残残余余压应力压应力 不同材料差异明显不同材料差异明显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)0.2000.200100200300400距离表面深度(m)f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r f f残余应力残余应力 切削深度影响不显著切削深度影响不显著vc 对残余应力的影响0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件：45切削条件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液

45、050100150200距离表面深度(m)残余应力(Gpa)-0.2000.20vc=213m/minvc=86m/minvc=7.7m/min影响残余应力的工艺因素影响残余应力的工艺因素u切削加工切削加工 qq 工件材料工件材料493.3.3 表面金属残余应力表面金属残余应力 低速（低速（6 620m/min20m/min）残余拉伸应力（热应力起主导作用）残余拉伸应力（热应力起主导作用）中速（中速（200200250m/min250m/min）残余压缩应力残余压缩应力 高速（高速（500500850m/min850m/min）残余压缩应力（金相组织变化起主导残余压缩应力（金相组织变化起主导作

46、用）作用）vv 18CrNiMoA18CrNiMoA车削残余应力车削残余应力切削速度对残余应力的影响切削速度对残余应力的影响503.3.3 表面金属残余应力表面金属残余应力 qq 刀具影响刀具影响 前前角角+，残残余余拉应力拉应力 刀刀具具磨磨损损残残余余应力应力 513.3.3 表面金属残余应力表面金属残余应力 q磨削过程中残余应力的影响磨削过程中残余应力的影响磨削加工磨削加工磨削加工磨削加工时表面层的残余应力时表面层的残余应力总的来说，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化的影响较大，故大多数磨削零件的表面层往往有残

47、表面层往往有残余拉应力。余拉应力。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，零件表面就会出现会出现裂纹，裂纹，即即磨削裂纹磨削裂纹。p磨削裂纹磨削裂纹磨削裂纹一般很浅（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），方向的裂纹），裂纹总是拉应力引起的，且常与烧伤裂纹总是拉应力引起的，且常与烧伤同时出现。同时出现。有的磨削裂纹也可能不在工件的外表面，而是有的磨削裂纹也可能不在工件的外表面，而是在表在表面层下面层下成为肉眼难以发现的缺陷。成

48、为肉眼难以发现的缺陷。52图图8.12 8.12 磨削裂纹磨削裂纹3.3.3 表面金属残余应力表面金属残余应力 533.3.3 表面金属残余应力表面金属残余应力 v v 温度温度 拉应力倾向拉应力倾向 qq 磨削用量磨削用量 f f 工件转速工件转速 塑变塑变塑变塑变 拉应力拉应力 背吃刀量：背吃刀量：影响很大影响很大 a ap p很小很小压应力（塑性变形起主要作用）；压应力（塑性变形起主要作用）；增大增大拉应力（热变形起主要作用）；拉应力（热变形起主要作用）；再增大再增大压应力压应力（塑性变形起主要作用）；（塑性变形起主要作用）；（塑性变形起主要作用）；（塑性变形起主要作用）；磨削残余应力的

49、影响因素磨削残余应力的影响因素磨削工业铁背吃刀量残余应力磨削工业铁背吃刀量残余应力磨削磨削T8T8钢背吃刀量残余应力钢背吃刀量残余应力543.3.3 表面金属残余应力表面金属残余应力 材料强度材料强度 导热性导热性 塑性塑性 拉应力倾向拉应力倾向 qq 工件材料工件材料磨削硬质合金时，由于其脆性大，抗拉强度低以及导热性磨削硬质合金时，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。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。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条

50、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。件下也可能出现裂纹。qq 工件材料的热处理工件材料的热处理工件淬火后在磨削前进行工件淬火后在磨削前进行去除应力去除应力的工序能收到很好的效果。的工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渗碳、渗氮时如果工艺不当，就会在表面层晶界面上析出析出脆脆性的性的碳化物、氮化物碳化物、氮化物，当磨削时在，当磨削时在热应力作用热应力作用下，就容易沿着下，就容易沿着这些组织发生这些组织发生脆性破坏脆性破坏，而出现，而出现网状裂纹网状裂纹。55p冷却方法冷却方法选择适宜的磨削液和有效的冷却方法。选择适宜的磨削液和有效