【文章內容簡介】 三、機械加工后表面層的殘余應力 1. 殘余應力的定義 定義： 機械加工中工件表面層組織發(fā)生變化時，在表面層及其與基體材料的交界處會產生互相平衡的彈性力，這種應力即為表面層的 殘余應力 。 第四章 機械加工表面質量 冷塑性變形 工件表面受到擠壓與摩擦，表層產生伸長塑變，基 體仍處于彈性變形狀態(tài)。切削后，表層產生殘余壓 應力，而在里層產生殘余拉伸應力。 熱塑性變形 表層產生殘余拉應力，里層產生產生殘余壓應力 金相組織變化 切削過程產生的高溫會引起表面層的相變，表面層 金相變化的結果會造成體積的變化。表面層體積膨脹 時因受到基體的限制產生拉應力；反之，產生壓應力。 43 機械加工后表面物理機械性能的變化 三、機械加工后表面層的殘余應力 2. 表面層殘余應力產生的原因 第四章 機械加工表面質量 切削熱在表層金屬產生殘余拉應力的示意圖 43 機械加工后表面物理機械性能的變化 三、機械加工后表面層的殘余應力 第四章 機械加工表面質量 磨削裂紋和殘余應力有著十分密切的關系。 在磨削過程中，當工件表面層產生的殘余應力超過工件材料的強度極限時，工件表面就會產生裂紋。 磨削裂紋常與燒傷同時出現。 磨削裂紋的產生與材料性質及熱處理工序有很大關系。磨削硬質合金時，由于其脆性大，抗拉強度低以及導熱性差，所以特別容易產生磨削裂紋。磨削合碳量高的淬火鋼時，由于其晶界脆弱，也容易產生磨削裂紋。 43 機械加工后表面物理機械性能的變化 三、機械加工后表面層的殘余應力 3. 磨削裂紋 第四章 機械加工表面質量 機械加工后工件表面層的殘余應力是冷態(tài)塑性變形、熱 態(tài)塑性變形和金相組織變化的綜合結果。切削加工時起主要作用的往往是冷態(tài)塑性變形，表面層常產生殘余壓縮應力。磨削加工時起主要作用的通常是熱態(tài)塑性變形或金相組織變化引起的體積變化，表面層常產生殘余拉伸應力。 43 機械加工后表面物理機械性能的變化 三、機械加工后表面層的殘余應力 4. 影響表面殘余應力的主要因素 第四章 機械加工表面質量 44 控制加工表面質量的途徑 對零件使用性能危害甚大的殘余拉應力、磨削燒傷和磨削裂紋均起因于磨削熱，所以如何降低磨削熱并減少其影響是生產上的一項重要問題。解決的 原則 ： 一是減少磨削熱的發(fā)生，二是加速磨削熱的傳出。 提高表面質量的工藝途徑大致可以分為兩類：一類是用低效率、高成本的加工方法，尋求各工藝參數的優(yōu)化組合，以 減小表面粗糙度 ；另一類是著重改善工件表面的物理力學性能，以 提高其表面質量 。 第四章 機械加工表面質量 44 控制加工表面質量的途徑 一、選擇合理的磨削參數 生產中比較可行的辦法是通過試驗來確定磨削參數：先按初步選定的磨削參數試磨，檢查工件表面熱損傷情況，據此調整磨削參數直至最后確定下來。另一種方法是在磨削過程中連續(xù)測量磨削區(qū)溫度，然后控制磨削參數。 第四章 機械加工表面質量 光整加工是用粒度很細的磨料對工件表面進行微量切削和擠壓、擦光的過程。光整加工工藝所使用的工具都是浮動連接，由加工面自身導向，而相對于工件的定位基準沒有確定的位置，所使用的機床也不需要具有非常精確的成形運動。這些加工方法的主要作用是降低表面粗糙度，一般不能糾正形狀和位置誤差，加工精度主要由前面工序保證。 光整加工工藝方法有珩磨、超精加工、研磨、拋光等 。 44 控制加工表面質量的途徑 二、光整加工工藝 第四章 機械加工表面質量 44 控制加工表面質量的途徑 二、光整加工工藝 超精加工： 用細粒度油石，在較低的壓力和良好的冷卻潤滑條件下，以快而短促的往復運動，對低速旋轉的工件進行振動研磨的一種微量磨削加工方法。 珩磨： 利用珩磨工具對工件表面施加一定的壓力，同時珩磨工具還要相對工件完成旋轉和直線往復運動，以去除工件表面的凸峰的一種加工方法。珩磨后工件圓度和圓柱度一般可控制在 ~，尺寸精度可達 IT6~IT5，表面粗糙度在 ~。 第四章 機械加工表面質量 44 控制加工表面質量的途徑 二、光整加工工藝 研磨： 利用研磨工具和工件的相對運動，在研磨劑的作用下，對工件表面進行光整加工的一種加工方法。研磨可采用專用的設備進行加工，也可采用簡單的工具，如研磨心棒、研磨套、研磨平板等對工件表面進行手工研磨。研磨可提高工件的形狀精度及尺寸精度，但不能提高表面位置精度，研磨后工件的尺寸精度可達 ，表面粗糙度可達 ~ 。 第四章 機械加工表面質量 對于承受高應力、交變載荷的零件可以采用噴丸、液壓、擠壓等表面強化工藝使表面層產生殘余壓應力和冷硬層并降低表面粗糙度值，從而提高耐疲勞強度及抗應力腐蝕性能。但是采用強化工藝時應很好控制工藝參數，不要造成過度硬化，否則會使表面完全失去塑性性質，甚至引起顯微裂紋和材料剝落，帶來不良的后果。 44 控制加工表面質量的途徑 三、采用冷壓強化工藝 第四章 機械加工表面質量 44 控制加工表面質量的途徑 三、采用冷壓強化工藝 1. 噴丸 噴丸強化 是利用壓縮空氣或離心力將大量直徑為 ~4mm的珠丸高速打擊零件表面，使其產生冷硬層和殘余壓應力，可顯著提高零件的疲勞強度。珠丸可以采用鑄鐵、砂石以及鋼鐵制造。所用設備是壓縮空氣噴丸裝置或機械離心式噴丸裝置，這些裝置使珠丸能以 35~50mm/s的速度噴出。噴丸強化工藝可用來加工各種形狀的零件，加工后零件表面的硬化層深度可達 mm，表面粗糙度值 Ra可由 ，使用壽命可提高幾倍甚至幾十倍。 第四章 機械加工表面質量 44 控制加工表面質量的途徑 三、采用冷壓強化工藝 2. 滾壓加工 滾壓加工是在常溫下通過淬硬的滾壓工具（滾輪或滾珠）對工件表面施加壓力，使其產生塑性變形，將工件表面上原有的波峰填充到相鄰的波谷中，從而以減小了表面粗糙度值，并在其表面產生了冷硬層和殘余壓應力，使零件的承載能力和疲勞強度得以提高。滾壓加工可使表面粗糙度 Ra值從 ~5μm減小到 ~，表面層硬度一般可提高 20%～ 40%，表面層金屬的耐疲勞強度可提高 30%～ 50%。滾壓用的滾輪常用碳素工具鋼 T12A或者合金工具鋼 CrWMn、 Cr1 CrNiMn等材料制造，淬火硬度在 62~64HRC；或用硬質合金 YG YT15等制成。 第四章 機械加工表面質量 44 控制加工表面質量的途徑 三、采用冷壓強化工藝 3. 金剛石壓光 金剛石壓光是一種用金剛石擠壓加工表面的新工藝，國外已在精密儀器制造業(yè)中得到較廣泛的應用。壓光后的零件表面粗糙度可達 ~，耐磨性比磨削后的提高 ~3倍，但比研磨后的低 20~40%，而生產率卻比研磨高得多。金剛石壓光用的機床必須是高精度機床，它要求機床剛性好、抗振性好，以免損壞金剛石。此外，它還要求機床主軸精度高，徑向跳動和軸向竄動在 ，主軸轉速能在 2500~6000 r/min的范圍內無級調速。機床主軸運動與進給運動應分離，以保證壓光的表面質量。 第四章 機械加工表面質量 44 控制加工表面質量的途徑 三、采用冷壓強化工藝 4. 液體磨料強化 液體磨料強化是利用液體和磨料的混合物高速噴射到已加工表面，以強化工件表面，提高工件的耐磨性、抗蝕性和疲勞強度的一種工藝方法。 液體和磨料在 400~800Pa壓力下，經過噴嘴高速噴出，射向工件表面，借磨粒的沖擊作用，碾壓加工表面，工件表面產生塑性變形，變形層僅為幾十微米。加工后的工件表面具有殘余壓應力，提高了工件的耐磨性、抗蝕性和疲勞強度。 第四章 機械加工表面質量 44 控制加工表面質量的途徑 四、表面質量的檢查 1. 表面粗糙度的測定 2. 冷作硬化的測定 1）金相法 將試件的側面制成金相磨片，腐蝕后放大 200— 1000倍，即可從其金相組織判斷硬化深度及程度。 2） X光法 將一束 X光線照射在金屬上 , 射線將在晶胞中反射出來，在光譜上得出許多成虛線的干涉圈。如果晶粒破碎或晶格扭曲變形時，則干涉圈變成實線；如果晶格參數有變化， 則干涉圈將產生位移，同時強度減弱，可用膠片記錄其結果。利用這一原理，先照出試件基體 X光譜，與加工層的 X光譜比較，用機械拋光或電拋光逐次去掉加工層，將所照 X光譜比較之，直至與基體一致，即可從機械拋光等去掉的厚度得到硬化深度。 第四章 機械加工表面質量 44 控制加工表面質量的途徑 四、表面質量的檢查 2. 冷作硬化的測定 3）測量顯微硬度法 a、 HV值法：用機械拋光或電拋光逐層去除冷硬層，測量其顯微硬度，直至與基體相同為止，從去除的厚度可得到硬化深度。 b、 硬化層深度 h：在試件的側面磨出金相磨片，從外向內打顯微硬度，從其硬度變化得知硬化深度，如果硬化層很薄，則這種方法不行。 c、 當硬化層很薄時，可在斜切面上測量顯微硬度。一般斜切角 ε=0o30’～ 2o30’， h=Isinε，要注意斜切方向應在縱向粗糙度上，即與主運動方向平行，斜切加工要用研磨、電加工等方法，避免在斜切面上產生加工硬化而影響測量效果。 第四章 機械加工表面質量 44 控制加工表面質量的途徑 四、表面質量的檢查 2. 冷作硬化的測定 4）脆性涂料法 5）激光全息法 6）再結晶法 第四章 機械加工表面質量 44 控制加工表面質量的途徑 四、表面質量的檢查 3. 金相組織變化的測定 (1)氧化膜法 磨削燒傷時，表面形成氧化膜，隨著燒傷時的溫不同，呈現不同顏色，從而可看出其燒程度。 (2)顯微硬度法 由于磨削燒傷時表層的顯微硬度有變化，故可從顯微硬度來測定燒傷的程度和深度。具體方法同上。 (3) 金相組織法 同上 (4)酸洗法 將工件加工面浸泡在硝酸溶液（ 3～ 5%HNO3）中 30～ 45s后，如表面呈黑色則有燒傷，呈暗灰色則無燒傷。 第四章 機械加工表面質量 44 控制加工表面質量的途徑 四、表面質量的檢查 4. 殘余應力的測定 （ 1）物理化學法 將有殘余應力的試件放人相應的腐蝕劑中，表面就會產生裂紋。從裂紋的方向可以判斷殘余應力的性質，縱向裂紋是由切向應力引起的，橫向裂紋是由軸向拉應力引起的。從裂紋出現的時間，可定性的估計殘余應力的大小。裂紋出現愈快，殘余應力愈大。 所用腐蝕劑，對鋼來說是弱堿溶液，對黃銅、錫青銅來說是銨、汞鹽。