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1、机械加工外表质量及影响因素一、外表质量定义任何机械加工所得的外表，实际上不行能是抱负的光滑外表，总是存在确定 的微观几何外形误差。另外，外表材料在加工时受切削力、切削热的影响，也会 使原有的物理一机械性能发生变化。因此，加工外表质量应包括：1、加工外表粗糙度。是指加工外表的较小间距和微小峰谷的微观几何外形 误差。它主要是由于切削加工过程中的刀痕、切削分别时的塑性变形、刀具与被 加工外表的摩擦、工艺系统的高频振动等缘由造成的。2、外表层的物理机械性能变化。外表层的材料在加工时，物理一机械性能变化主要有以下三个方面的内容：1）外表层的冷作硬化。工件在机械加工过程中，外表层金属产生猛烈的塑 性变化，
2、使表层的强度和硬度都有所提高，这种现象称外表冷作硬化。2）外表层剩余应力。在切削加工过程中，由于切削变形和切削热的影响， 在加工外表会产生剩余应力，假设剩余应力超过材料的屈服强度，就会产生外表 裂纹，外表的微观裂将给零件带来严峻的隐患。3）外表层金相组织的变化。工件外表经磨削精加工时，磨削产生的高温，一般可达8001000 ,高的磨削温度会烧坏工作外表，使淬火钢件外表退火， 引起表层金属发生相变，将大大降低外表层的物理一机械性能。二、影响外表粗糙度的因素1、切削加工影响外表粗糙度的因素刀具几何外形及切削运动的影响刀具相对于工件作进给运动时，在加工外表 留下了切削层残留面积，从而产生了外表粗糙度
3、，残留面积的外形是刀具几何外形 的复映，其高度H受刀具的几何角度和切削用量大小的影响。减小进给量vf、主 偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径，均可减小残留面积的高度。此外，适当增 大刀具的前角，以减小切削时的塑性变形的程度，合理选择润滑液和提高刀具刃磨 质量，以减小切削时的塑性变形和抑制刀瘤、鳞刺的生成，也是减小外表粗糙度 值的有效措施。图5-3切削层残留面积2、工件材料的性质加工塑性材料时，由于刀具对金属的挤压，产生了塑性变形，加之刀具迫使 切屑与工件分别的撕裂作用，使外表粗糙度值加大。工件材料韧性愈好，金属的 塑性变形愈大，加工外表就愈粗糙。加工脆性材料时，其切屑呈碎粒状，由于切 屑的崩碎而
4、在加工外表留下很多麻点，使外表粗糙度增大。3、磨削加工影响外表粗糙度的因素如同切削加工时外表粗糙度的形成过程一样，磨削加工外表粗糙度的形成， 也是由几何因素和外表金属的塑性变形来打算的。影响磨削外表粗糙的主要因素 有：1）砂轮的粒度与硬度。砂轮硬度应适当，应使磨粒钝后会准时脱落，露出 的磨粒来连续切削，即具有良好的“自砺性”。砂轮的粒度愈细，即单位面积上 的磨粒数愈多，则加工外表的刻痕愈细密，外表粗糙度愈低。但假设粒度过细， 则简洁堵塞砂轮，而使工件外表塑性变形增加，从而影响外表粗糙度的降低。2）砂轮的修整。砂轮应准时修整，以去除已钝化的磨粒，保证砂轮具有微 刃性和等高性。用金刚石修整砂轮相当
5、于在砂轮上“车削”外圆，纵向和横向的 进给量愈小，修整出来的砂轮外表的微刃性和等高性就愈好，磨出工件外表的粗糙 度也愈低。3）磨削速度、径向进给量、光磨次数、工件圆周进给速度与轴向进给量。 减小磨削用量和提高砂轮速度，可以增加工件单位面积上的刻痕数，同时可降低 因塑性变形造成的外表粗糙度。由于在高速磨削下，磨削外表来不及塑性变形， 因而提高砂轮速度有利于降低外表粗糙度。增大磨削深度和提高工件速度会使塑 性变形加剧，从而增高粗糙度。为了提高磨削效率，通常在开头磨削时承受较大 的磨削深度，而在磨削后期承受小的磨削深度，或进展无进给磨削（光磨），以降 低工件外表粗糙度。4）切削液。切削液对加工过程起
6、冷却和润滑作用，能降低切削区的温度， 削减刀刃与工件的摩擦，从而削减切削过程的塑性变形，抑制积屑瘤和鳞刺的生 长，对降低外表粗糙度有很大作用。5）工件材质。工件材料的硬度、塑性、韧性和导热性能等，对外表粗糙度 有显著的影响。工件材料太硬时，磨粒易钝化；太软时，砂轮易堵塞；韧性大和 导热性能差的材料，使磨粒早期崩落，而破坏了微刃的等高性，因而均使外表粗 糙度增高。三、影响加工外表层物理机械性能的因素在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使外表层金属的物理 机械性能产生变化，最主要的变化是外表层金属显微硬度的变化、金相组织的变 化和剩余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热，
7、比刀刃切削 时更严峻，因而磨削加工后加工外表层上述3项物理机械性能的变化会很大。1、冷作硬化(1)金属的冷作硬化在机械加工过程中，因切削力作用产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶 粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长和纤维化，甚至裂开，这些都会使外表层金属的 硬度和强度提高，这种现象称为冷作硬化(或称为强化)。外表层金属强化的结果， 会增大金属变形的阻力，减小金属的塑性，金属的物理性质也会发生变化。被冷 作硬化的金属于高能位的不稳定状态，只要一有可能，金属的不稳定状态就要向 比较稳定的状态转化，这种现象称为弱化。弱化作用的大小，取决于温度的凹凸、温 度持续时的长短和强化程度的大小。由于金属在机械加工过
8、程中同时受到力和热的 作用，因此加工后表层金属的最终性质，取决于强化和弱化综合作用的结果。评定冷 作硬化的指标有3项：即表层金属的显微硬度HV、硬化层深度h和硬化程度No (2)影响冷作硬化的主要因素切削刃钝圆半径增大，对表层金属的挤压作用增加，塑性变形加剧，导致冷硬 增加。刀具后刀面磨损增大，后刀面与被加工外表的摩擦加剧，塑性变形增大， 导致冷硬增加。切削刃钝圆半径对加工硬化的影响切削速度增大，刀具与工件的 作用时间缩短，使塑性变形扩展深度减小，冷硬层深度减小。切削速度增大后， 切削热在工件外表层上的作用时间也缩短了,将使冷硬程度增加。进给量增大， 切削力也增大，表层金属的塑性变形加剧，冷硬
9、作用加强。工件材料的塑性愈大，冷 硬现象就愈严峻。2、外表层剩余应力产生的缘由是：加工时在切削力作用下，已加工外表层受拉应力作用，产生 伸长塑性变形，外表积趋向增大，此时里层处于弹性变外形态下。当切削力去除 后，里层金属趋向复原，但受到已产生塑性变形的外表层的限制，恢复不到原状，因 而在外表层产生剩余压应力，里层则为拉应力与之相平衡。3、外表层材料金相组织的变化(1)磨削烧伤。当被磨工件外表层的温度到达相变温度以上时，表层金属 发生金相组织的变化，使表层金属强度和硬度降低，并伴有剩余应力产生，甚至 消灭微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。在磨削淬火钢时，可能产生3种烧伤。回火烧伤。假设磨削区的温度
10、未超过淬火钢的相变温度，但已超过马氏体的 转变温度，工件表层金属的回火马氏体组织将转变成硬度较低的回火组织(索氏 体或托氏体)，这种烧伤称为回火烧伤。淬火烧伤。假设磨削区温度超过了相变温度，再加上冷却液的急冷作用，表 层金属发生二次淬火，使表层金属消灭二次淬火马氏体组织，其硬度比原来的回 火马氐体的高，在它的下层，因冷却较慢，消灭了硬度比原先的回火马氏体低的回 火组织(索氏体或托氏体)，这种烧伤称为淬火烧伤。退火烧伤。假设削区温度超过了相变温度，而磨削区域又无冷却液进入，表 层金属将产生退火组织，外表硬度将急剧下降，这种烧伤称为退火烧伤。磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤有两个途径：一
11、是正确选择 砂轮，合理选择切削用量，尽可能地削减磨削热的产生；二是改善冷却条件，尽 量使产生的热量少传入 工件。(2)热塑性变形的影响。外表层在切削热的作用下产生热膨胀，此时基体温度较低，因此外表层热膨 胀受基体的限制产生热压缩应力。当外表层的温度超过材料的弹性变形范围时， 就会产生热塑性变形(在压应力作用下材料相对缩短)。当切削过程完毕，温度下 降至与基体温度全都时，由于外表层已产生热塑性变形，但受到基体的限制产生 了剩余拉应力，里层则产生了压应力。(3)金相组织变化的影响。切削时产生的高温，会引起外表层的相变。由于不同的金相组织有不同的密 度，外表层金相变化的结果造成了体积的变化。外表层体
12、积膨胀时，因受到基体 的限制，产生了压应力。反之，外表层体积缩小，则产生拉应力。各种金相组织 大马氏体比重最小，奥氏体比重最大，磨削淬火钢时假设外表层产生回火现象， 马氏体转化成索氏体或屈氏体(这两种组织均为集中度很高的珠光体)，因体积缩 小，外表层产生剩余拉应力，里层产生剩余压应力。假设外表层产生二次淬火现 象，则外表层产生二次淬火马氏体，其体积比里层的回火组织大，因而表层产生压 应力，里层产生拉应力。(4)零件主要工作外表最终工序加工方法的选择。选择零件主要工作外表最终工序加工方法，须考虑该零件主要工作外表的具 体工作条件和可能的破坏形式。在交变载荷作用下，机器零件外表上的局部微观 裂纹，
13、会因拉应力的作用使原生裂纹扩大，最终导致零件断裂。从提高零件抵抗 疲乏破坏的角度考虑，该外表最终工序应选择能在该外表产生剩余压应力的加工 方法。(5)磨削裂纹的产生及防止。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以觉察的缺陷。 裂纹的方向常与磨削方向垂直或成网状，裂纹的产生常与烧伤同时消灭。磨削裂 纹的产生与材料及热处理工序有很大的关系，磨削硬质合金时，由于其脆性大， 抗拉强度低以及导热性差，所以特别简洁产生裂纹。磨削含碳量高的淬火钢时， 由于其晶界脆弱，也简洁产生磨削裂纹。工件在淬火后假设存在剩余应力，则即
14、 使在正常的磨削条件下也可能会消灭裂纹。渗碳、渗氮时假设工艺不当，就会在 外表层晶界面上析出脆性的碳化物、氮化物。当磨削时，在热应力作用下就简洁 沿着这些组织发生脆性破坏，而消灭网状裂纹。由于磨削热是产生剩余拉应力的根 本缘由，因此防止产生裂纹的途径，也在于降低磨削热以及改善其散热条件，前 面所述的减轻外表热损伤的措施，均有利于避开产生外表剩余拉应力和裂纹。在 磨削工序前后进展去除内应力的低温回火处理，亦能有效地减小外表层的拉应力，防止产生磨削裂纹。四、提高加工外表质量的措施通过前面的分析，我们知道影响外表粗糙度的因素有切削条件（切削速度、进 给量、切削液）、刀具（几何参数、切削刃外形、刀具材
15、料、磨损状况）、工件材料 及热处理、工艺系统刚度和机床精度等几个方面。在了解了影响外表粗糙度的因素 之后，我们必需依据需要降低加工外表的粗糙度，改善机械加工的外表质量。提 高加工外表质量的措施主要有：1、刀具方面为了削减残留面积，刀具应承受较大的刀尖圆弧半径、较小的副偏角或适宜 的修光刃或宽刃精刨刀、精车刀等。选用与工件材料适应性好的刀具材料，避开 使用磨损严峻的刀具，这些均有利于减小外表粗糙度。2、工件材料方面工件材料性质中，对加工外表粗糙度影响较大的是材料的塑性和金相组织。 对于塑性大的低碳钢、低合金钢材料，预先进展正火处理以降低塑性，切削加工 后能得到较小的粗糙度。工件材料应有适宜的金相
16、组织（包括状态、晶粒度大小 及分布）。3、切削条件方面以较高的切削速度切削塑性材料可抑制积屑瘤消灭，减小进给量，承受高效 切削液，增加工艺系统刚度，提高机床的动态稳定性，都可获得好的外表质量。4、加工方法方面主要是承受周密、超周密和光整加工。选用较小的径向进给量，选用较大的 砂轮速度和较小的轴向进给速度，工件速度应当低些，承受细粒度砂轮；精细修 整砂轮工作外表，使砂轮上磨粒锐利，也可到达较好的磨削效果。选择适宜的磨 削液能获得低粗糙度外表。5、削减加工外表层变形强化和剩余应力也能提高加工外表质量合理选择刀具的几何外形，承受较大的前角和后角，并在刃磨时尽量减小其 切削刃刃口半径；使用刀具时，应合
17、理限制其后刀面的磨损宽度；合理选择切削 用量，承受较高的切削速度和较小的进给量；加工时承受有效的切削液等，可削 减加工外表层变形强化。当零件外表存在剩余应力时，其疲乏强度会明显下降， 特别是对有应力集中或在有腐蚀性介质中工作的零件，影响更为突出。为此，应 尽可能在机械加工中减小或避开产生剩余应力。但是，影响剩余应力产生的因素 较为简洁。总的说来，凡能减小塑性变形和降低切削温度的因素都能使已加工外表 的剩余应力减小。止匕外，生产中常承受滚压、挤（胀）孔、喷丸强化、金刚石压光等冷压加工方 法来改善外表层材质的变化。通过这些措施在生产实践中的应用，大大的提高了 机械加工零件的外表质量，提高了产品的工作性能、牢靠性、寿命。