a制造工艺装备5

二、表面层的金相组织变化 切削一般不会导致金相组织变化，磨削因单位 切削截面消耗的功率较大，常常导致金相组织 变化。
磨削淬火钢时容易出现的烧伤： 回火烧伤：磨削区温度超过马氏体转变温度， 而未达相变温度，产生回火组织 （索氏体或屈氏体）。 淬火烧伤：磨削区温度超过相变温度，由于冷 却液急冷，表层出现二次淬火马氏 体。 退火烧伤：磨削区温度超过相变温度，不用冷 却液，工件缓慢冷却，发生退火。
（四）表面质量对零件配合性质的影响 表面比较粗糙时，轮廓峰在工作中被逐渐磨掉， 零件尺寸发生变化，进而影响到配合性质。 一般来说，表面粗糙度应与加工精度相适应：
5-2 表面粗糙度及其降低的工艺措施
一、切削加工 （一）几何因素 1、刀尖半径较小时理论粗糙度的计算
平行四边形为切削层理论横截面 三角形为残留面积 H为理论粗糙度 f为进给量 κr为主偏角 κr’为副偏角 则： f=Hctg κr+ Hctg κr’ 得：H=f/(ctg κr+ ctg κr ’)
金刚石刀具的性能：
二、磨削加工 砂轮上的磨粒因几何角度，位置不同起三 种不同的作用 锋利、位置靠前的起切削作用 较锋利、位置较靠前的起刻划作用 较钝、位置靠后的起抛光作用 磨削表面粗糙度与砂轮、工件材质、磨削用量 有关
1、砂轮： 砂轮粒度↑ →表面粗糙度Ra↑ * 一般磨料的粒度用粒度号表示，每英寸长度 上的网眼个数为粒度号，例80#，60#； • 微粉用最大 • 颗粒的最大 • 尺寸的微米 • 数表示，例 • W28、W14。
表面颜色与烧伤之间的关系： 黑 青 淡青 米黄 淡黄
三、表面层残余应力 定义：去除外力和热源作用后,零件内部自身 平衡的应力，称残余应力。 残余应力的成因： （一）局部温升过高引起的热应力 *材料在高温下，处于塑性状态，因温度升高 体积膨胀而发生塑性流动； *材料在低温下，处于弹性状态，因温度降低 体积减小而发生收缩，受下层材料的限制， 发生弹性变形，形成残余应力。
（2）切削速度的影响 加工脆性材料时，切削速度对于粗糙度影响不大 加工塑性材料时，积屑瘤对粗糙度影响很大。
（3）切削深度ap的影响 一般切削深度ap对于粗糙度影响不大，但太小 时，有可能吃不住刀，摩擦严重。 2、工件材质的影响 工件材质韧性、塑性增大，Ra增大 工件材质晶粒越均匀，颗粒越细小，Ra减小 3、刀具材料的影响 刀具越硬，越耐磨，加工Ra越低 硬质合金刀具加工后的Ra<高速钢加工后的Ra
（二）研磨 研磨可以达到很高的精度和表面质量。 基本原理：通过介于工件和硬质研具之间的磨 料或研磨液的流动产生机械摩擦和化学作用 去除微小加工余量。
1、研磨特点： （1）研具较软，以铸铁、塑料、硬木制成。 （2）磨料中混有化学物质，机械与化学作用同时进 行，磨粒运动轨迹复杂，保证均匀性。 （3）加工表面质量高。 2、研具：磨具应软硬适当,组织均匀。 粗研采用铜、铝，精研采用铸铁。 3、研磨剂：研磨剂为磨料与油脂的混合剂。 磨料种类：金刚石微粉,碳化硅,氧化铝等。 油脂起调和磨料.化学腐蚀作用。 油脂种类：油酸,凡士林,变压汽油。
（四）金属冷塑变形，比容积增大导致的表面 残余应力 金属发生冷塑变形，比重下降，体积增大， 使：表层存在压应力 下层存在拉应力
四、减小残余拉应力、防止表面烧伤和裂纹 的工艺措施 （一）合理选择磨削用量
磨削传热分析模型：
*磨削区温度与磨削用量之间的关系为： 磨削深度↑，磨削温度↑ ； 砂轮速度↑，磨削温度↑ ； 工件速度↑，磨削温度↑ ； 进给量↑，磨削温度↓。
2、刀尖半径较大时理论粗糙度的计算
(二）物理因素 加工表面实际廓形与理论廓形差别较大，原 因是加工中存在积屑瘤鳞刺，振动等物理现象。 1、切削用量的影响 （1）进给量f的影响 当：f>0.15mm时 f ↑ →Rz ↑ f<0.15mm时 f ↑ →Rz ↗ f<0.02mm时 f ↑ →Rz →
（二）加工表面层的物理力学性能变化 受加工中力、热等因素的作用，表面金 属力学性能将发生变化： 1、表层因塑性变形而产生的冷作硬化 2、表层因受热而发生金相组织变化 3、表层因力，热等作用而产生残余应力 表面完整性包括：微观几何不平度、力学性能 变化、摩擦反射性能等
二、表面质量对零件使用性能的影响 （一）表面质量对工作精度及其保持性的影响 零件的工作精度主要与微观几何不平度有关 精度保持性主要与表面耐磨性有关 耐磨性则与表面几何质量、表面力学性能有关 一般的磨损过程分为三个阶段： 初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段 初期磨损阶段结束时的磨损量称为初期磨损量。
（三）提高砂轮磨削性能 1、锐化磨粒，减小摩擦； 2、砂轮硬度不宜过高，保持自锐性； 3、砂轮应具一定弹性，避免过载； 4、使用开槽砂轮； 5、使用螺旋槽砂轮。
五、表面强化工艺 主要指冷压工艺，使表面层发生冷塑变形，硬 度提高，产生残余压应力。 常用冷压工艺有： （一）喷丸强化 （二）滚柱滚压强化
5-3 表面层物理、力学性能及 其改善的工艺措施
一、表面层的冷作硬化 1、定义：加工层材料因塑性变形使晶体间产 生剪切滑移，晶格扭曲、晶粒拉长、破碎和 纤维化，材料的强度、硬度都提高的现象称 为冷作硬化。
2、衡量指标： 硬化层深度：h 表层显微硬度：H 硬化程度：N=(H-H0)/H0
3、物理因素对于冷作硬化的影响 切削力↑，则塑性变形↑，冷作硬化↑。 变形速度↑，则塑性变形↓ ，冷作硬化↓ 。 变形温度>（0.25~0.3）倍的金属熔化温度时， 变形金相组织会有所恢复，冷作硬化↓。
第五章 机械加工表面质量 5-1 概述
一、机械加工表面质量含义 包括：微观几何形状 表层物理力学性能
（一）加工表面的几何形状特征 表面几何误差包括： 形状误差： 波长/波幅>1000 表面轮廓曲线经低通滤波获得 波纹度： 50<波长/波幅<1000 表面轮廓曲线经带通滤波获得 一般与刃口形状，进给，刀瘤等有关。 表面微观不平度误差： 波长/波幅<50 表面轮廓曲线经高通滤波获得 一般与工艺系统的振动有关。
*磨削区温度剃度分布规律： 工件速度↑，温度剃度↑ ，高温层厚度↓；
可以同时提高砂轮和工件速度，既减小高温层厚度， 又控制表面粗糙度。较薄的烧伤层可在清磨时去掉。
磨削18CrNiWA钢时的无烧伤临界比值曲线：
（二）提高冷却效果 1、采用高压大流量冷却，冲刷砂轮，加强冷却； 2、在砂轮上安装空气挡板，消除附着气流； 3、利用砂轮孔隙实现内冷却。
设材料从20ºC升至800ºC，然后回到20ºC，这层 金属长度l的相对伸长织变化引起的相变应力 残余奥氏体→回火马氏体：体积膨胀，表层为 残余压应力； 马氏体→屈（索）氏体：体积收缩，表层为 残余拉应力。 （三）表面局部冷塑变形引起的塑变应力 在切削方向上存在 拉应力，与其垂直 的方向上存在压应 力。
2、磨削用量 砂轮速度v砂↑ →表面粗糙度Ra ↓
工件速度v工↑ →表面粗糙度Ra ↑
砂轮相对于工件的进给量f↑ →表面粗糙度Ra↑
磨削深度ap↑ →表面粗糙度Ra↑
根据上述实验关系，可以得到经验公式：
3、砂轮修整 砂轮修整质量越高， 磨削表面质量越好。
三、超精研、研磨、珩磨、抛光 超精研、研磨、珩磨、抛光加工的共同特点是： 1、不选择切削用量，只限定压强和加工时间 2、无需精密机床 3、降低表面粗糙度效果明显，提高精度不明 显 4、加工余量小
4、研磨参数 （1）磨料粒度：粒度↑，则粗糙度↑ ， 效率↑。 （2）研磨速度：一般研磨速度<0.5m/s， 精研速度<0.16m/s。 （3）研磨余量：手工研磨余量<10µm， 机械研磨余量<15µm。 （4）研磨压强：粗研0.1~0.3MPa， 精研0.01~0.1MPa 。
（三）珩磨：采用精密油石相对于工件作螺旋 珩磨： 线运动，油石弹性压在工件表面上。 线运动，油石弹性压在工件表面上。 珩磨后表面粗糙度可达Rz0.4~Rz3.2，有时可达 珩磨后表面粗糙度可达 ， Rz0.1以下。 以下。 以下 （四）抛光：原理与 抛光： 研磨相似， 研磨相似，只是研具 采用无纺布等软质材 料。抛光可用于自由 曲面加工。 曲面加工。
初期磨损量与表面几何质量有关，一定载荷、 润滑条件下初期磨损量与表面粗糙度之间的 关系如下图所示： 当载荷增大、润滑条件 恶化时，曲线向右上方 移动，即：载荷增大、 润滑条件恶化时，最佳 粗糙度增大。
（二）表面质量对耐腐蚀性的影响 表面质量越差，存在裂纹时，耐腐蚀性降低
（三）表面质量对零件疲劳强度的影响 表面缺陷会引起应力集中，降低疲劳强度。若 表面存在残余压应力，疲劳强度将会提高。
（一）影响表面层冷作硬化的因素 1、刀具：刀刃钝圆半径↑，冷作硬化↑； 后刀面磨损↑，冷作硬化↑。 2、切削用量：切削速度↑，切削温度↑，则 冷作硬化↓； 进给量↑，冷作硬化↑。 3、被加工材料：硬度↑，冷作硬化↓； 塑性↑，冷作硬化↑。
（二）减少表面层冷作硬化的措施 1、合理选择刀具几何参数 前角↑，冷作硬化↓； 后角↑，冷作硬化↓； 钝圆半径↓ ，冷作硬化↓。 2、限制后刀面磨损 3、合理选择切削用量 切削速度↑，冷作硬化↓； 进给量↓ ，冷作硬化↓ 。
（一）超精研 1、工作原理：采用细粒度的磨条在一定压力和 切削速度下往复运动，对表面进行光整加工。 加工运动：A、工件低速回转运动；B、磨条轴 向进给运动：C、磨条高速往复振动。
2、切削过程：可分为四个阶段 （1）强烈切削阶段：少数波峰上压强很大， 切削作用剧烈。 （2）正常切削阶段：接触面积增大，接触压 强减小，切削作用减弱。 （3）微弱切削阶段：接触面积进一步增大， 接触压强进一步减小，磨条起抛光作用。 （4）停止切削阶段：工件被研平，接触压强 很小，磨条与工件之间形成油膜，切削停止。