《机械制造技术基础》华中科技大学出版社 第四章 第四节

砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越 多，表面粗糙度值就越小。 工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影 响相反。工件的转速增大，通过加工表面的磨粒数减少， 因此表面粗糙度值增大。 砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被 重叠切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小。
2. 磨削烧伤的三种形式
淬火烧伤
磨削时工件表面温度超过相变临界 温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。在 冷却液作用下，工件最外层金属会出现二 次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火 马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回 火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极薄， 表面层总的硬度是降低的，这种现象称为 淬火烧伤。 磨削时，如果工件表面层温度只 是超过原来的回火温度，则表层原来 的回火马氏体组织将产生回火现象而 转变为硬度较低的回火组织（索氏体 或屈氏体），这种现象称为回火烧伤。
2） 热态塑变
表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压 应力(其原理见图)
3） 金相组织变化
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。（密度小，比容大）
图
切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图
（2）磨削裂纹的产生
磨削裂纹和残余应力有着十分密切的关系。在磨削 过程中，当工件表面层产生的残余应力超过工件材料的强 度极限时，工件表面就会产生裂纹。磨削裂纹常与烧伤同 时出现。
2．表面质量对零件疲劳强度的影响
（1）表面粗糙度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。
对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。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。 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，表面的纹痕越深， 纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。
H=f 2/(8rε)
图4－40
车削、刨削时残留面积高度
2、物理力学因素
（1）工件材料的影响
韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈
大，加工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的 工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗 加工或精加工前安排正火或调质处理。 脆性材料：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。
对耐腐蚀性能 的影响
三、 影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制
机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几 何因素和物理力学因素两个方面。 （一）切削加工表面粗糙度
1、几何因素
•刀尖圆弧半径rε •主偏角kr、副偏角kr′ •进给量f（图4－40）
(8-1)
(8-2)
H=f/(cotκr+cotκr′)
↑→ Ra↓
砂轮修正
影响磨削加工表面 粗糙度的因素
砂轮硬度
磨削用量
工件材料性质
四、 影响表面层物理力学性能的 主要因素及其控制
影响表面层物理力学性能的主要因素
影响显微硬度因素 •塑变引起的冷硬 •金相组织变化引起 的硬度变化
表面物理力学 性能
影响残余应力因素
•冷塑性变形 •热塑性变形 •金相组织变化
（3）影响表面残余应力的主要因素
机械加工后工件表面层的残余应力是冷态塑性变形、热 态塑性变形和金相组织变化的综合结果。切削加工时起主要 作用的往往是冷态塑性变形，表面层常产生残余压缩应力。 磨削加工时起主要作用的通常是热态塑性变形或金相组织变 化引起的体积变化，表面层常产生残余拉伸应力。
三、表面层金相组织变化与磨削烧伤
衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项： 1）表面层的显微硬度HV； 2）硬化层深度h；
3）硬化程度N
N=(HV-HV0)/HV0×100％ （8-3）
式中 HV0——工件原表面层的显微硬度。
（3）影响表面层加工硬化的因素
⑴刀具几何形状的影响
切削刃 rε↑、前角↓、后面磨损量VB↑ →表层金属的塑变加剧→冷硬↑ 切削速度v↑→塑变↓→冷硬↓ f↑→切削力↑→塑变↑→冷硬↑
表面质量对零件使用性能的影响
粗糙度太大、太小都不耐磨 对耐磨性影响 适度冷硬能提高耐磨性 粗糙度越大，疲劳强度越差
零件表面质量
对疲劳强度的 影响
适度冷硬、残余压应力能提高疲 劳强度
对工作精度的 影响
粗糙度越大、工作精度降低
残余应力越大，工作精度降低 粗糙度越大，耐腐蚀性越差 压应力提高耐腐蚀性，拉应力反 之则降低耐腐蚀性
影响金相组织变化 因素
•切削热
1. 表面层的冷作硬化
（1） 表面层加工硬化的产生
定义：机械加工时，工件表面层金属受到 切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶 格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉 长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强 度和硬度增加，这种现象称为加工硬化， 又称冷作硬化和强化。
（2） 衡量表面层加工硬化的指标
1.表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生
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。 定义：磨削加工时，表面层有很高的温度，当 温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组织 变化，强度和硬度降低、产生残余应力、甚至出现 微观裂纹。这种现象称为磨削烧伤。 淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的 磨削烧伤有三种形式。
图4－38
表面粗糙度与初期磨损量的关系
（2）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 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。这是 因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏 松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接 触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。
图4－47 砂轮上的磨粒
2、 磨削中影响粗糙度的物理因素
磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多数是负前角，切 削刃又不锐利，大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压， 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 削时的高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。
（1）磨削用量
砂轮的转速↑ →材料塑性变形↓ → 表面粗
表面质量的含义（内容）
表面粗糙度 表面微观几何 形状特征 表面波度
零件表面质量
表面物理力学 性能的变化
表面层冷作硬化 表面层残余应力
表面层金相组织的变化
二、表面质量对零件使用性能的影响
1．表面质量对零件耐磨性的影响
（1）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。如图4-38所示。 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、挤裂、切断，故磨损加剧； 表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑， 存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘 结而加剧磨损。 表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷 加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也 随之右移。
（2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲 劳强度的影响
适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。 残余应力有拉应力和压应力之分，残余拉应力容易使已
加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度
残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，
延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。
3.表面质量对零件工作精度的影响
（4）其它因素的影响
图4－41
加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响
刀具几何形状
•残留面积↓ →Ra↓ •前角↑→ Ra↓ •后角↑→摩擦↓→Ra↓ •刃倾角会影响实际工作前角 • v↑→ Ra↓ •f↑→ Ra↑ •ap对Ra影响不大，太小会 打滑，划伤已加工表面
切削用量
影响切削加工表面 粗糙度的因素
工件材料
•材料塑性↑→ Ra↑ •同样材料晶粒组织大↑→ Ra↑ ，常用正火材料强度↑→ Ra↓ •刃磨质量↑→ Ra↓ •冷却、润滑↑→ Ra↓
（二）磨削加工表面粗糙度
1、 磨削中影响粗糙度的几何因素 工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细 的刻痕形成的，工件单位面积上通过的砂粒数越多，则刻 痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。
糙度值↓ ； 磨削深度↑、工件速度↑ → 塑性变形↑ →表 面粗糙度值↑ ； 为提高磨削效率，通常在开始磨削时采 用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较 小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表 面粗糙度值。
（2）工件材料
•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
一、 概 述
零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且 包括加工表面质量。
机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面， 它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。 虽然只有极薄的一层（几微米~几十微米），但都错综复 杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀 性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此 必须加以足够的重视。
⑵切削用量的影响
⑶工件材料性能的影响
材料塑性↑→冷硬↑
2. 表面层残余应力
定义： 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的弹性力。这种应 力即为表面层的残余应力。
（1）表面层残余应力的产生
1）
冷态塑变
工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑 变，基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。
（1）砂轮的磨粒
磨粒在砂轮上的分布越 均匀、磨粒越细，刃口的等 高性越好。则砂轮单位面积 上参加磨削的磨粒越多，磨 削表面上的刻痕就越细密均 匀，表面粗糙度值就越小。
（2）砂轮修整
（3）磨削用量
砂轮修整除了使砂轮具 有正确的几何形状外，更重 要的是使砂轮工作表面形成 排列整齐而又锐利的微刃 （图4－47）。因此，砂轮修 整的质量对磨削表面的粗糙 度影响很大。