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《机械制造工艺学》教案
课 时：2课时
教学课题：影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改善措施
教学目标：掌握影响加工硬化的因素及消除加工硬化的方法；
掌握影响表面残余应力的因素及消除表面残余应力的方法；
了解磨削表面烧伤、磨削表面裂纹的产生原因及控制措施；
教学重点：掌握影响表面残余应力的因素及消除表面残余应力的方法；
了解磨削表面烧伤、磨削表面裂纹的产生原因及控制措施。
教学难点：综合分析力热对表面力学性能的影响。
教具仪器：多媒体
第二节 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改善措施
3.2影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改善措施
3.2.1表面冷作硬化
影响加工硬化的主要因素有刀具几何参数及磨损，切削用量和工件材料等。
加工方法
刀具磨损
图4-65显示了刀具后刀面磨损对冷硬的影响。由图可见，刀具后刀面磨损宽度VB从0增大到0.2mm，表层金属的显微硬度由220HV增大到340HV，这是由于磨损宽度加大后，刀具后刀面与被加工工件的摩擦加剧，塑性变形增大，导致表面冷硬增大。但磨损宽度继续加大，摩擦热急剧增大，弱化趋势变得明显，表层金属的显微硬度逐渐下降，直至稳定在某一水平上。
图4-65 后刀面磨损对冷硬的影响
工件方面 研究表明，工件材料硬度越低、塑性增大，加工硬化程度N和硬化层深度 越大。就结构钢而言，含碳（C）量少，塑性变形大，硬化严重。如：切削软钢N=140%～200%。
切削用量
切削用量vc、f对加工硬化的影响如图4-66、图4-67所示。
通常加大进给量时，表层金属的显微硬度将随之增大。这是因为随着进给量的增大，切削力也增大，表层金属的塑性变形加剧，冷硬程度增大。
切削速度对冷硬程度的影响是力因素和热因素综合作用的结果。当切削速度增大时，刀具与工件的作用时间减少，使塑性变形的扩展深度减小，因而有减小冷硬程度的趋势。但切削速度增大时，切削热在工件表面层上的作用时间也缩短了，又有使冷硬程度增加的趋势。
切削深度对表层金属冷作硬化的影响不大。
控制加工硬化的措施
1）选择较大的刀具前角γo和后角αo及较小的刃口钝圆半径rn。
2）合理确定刀具磨钝标准VB值。
3）提高刀具刃磨质量。
4）合理选择切削用量，尽量选择较高的vc和较小的f。
5）使用性能好的切削液。
6）改善工件的切削加工性。
3.2.2影响表面金属残余应力的因素及控制措施
影响表层金属残余应力的主要因素有刀具几何参数及磨损，切削用量和工件材料等。
刀具几何参数
刀具几何参数中对残余应力影响最大的是刀具前角。图4.55给出了硬质合金刀具切削45钢时，刀具前角γo对残余应力的影响规律。当γo由正变为负时，表层残余拉应力逐渐减小。这是因为γo减小，rn增大，刀具对加工表面的挤压与摩擦作用加大，从而使残余拉应力减小；当γo为较大负值且切削用量合适时，甚至可得到残余压应力。
刀具磨损
刀具后刀面磨损VB值增大，使后刀面与加工表面摩擦增大，也使切削温度升高，从而由热应力引起的残余应力的影响增强，使加工表面呈残余拉应力，同时使残余拉应力层深度加大（见图4.56）。
工件材料
工件材料塑性越大，切削加工后产生的残余拉应力越大，如：工业纯铁、奥氏体不锈钢等。切削灰铸铁等脆性材料时，加工表面易产生残余压应力，原因在于刀具的后刀面挤压与摩擦使得表面产生拉伸变形，待与刀具后刀面脱离接触后在里层的弹性恢复作用下，使得表层呈残余压应力。
切削用量
切削用量三要素中的切削速度vc和进给量f对残余应力的影响较大。因为vc增加，切削温度升高，此时由切削温度引起的热应力逐渐起主导作用，故随着vc增加，残余应力将增大，但残余应力层深度减小。进给量f增加，残余拉应力增大，但压应力将向里层移动。背吃刀量ap对残余应力的影响不显著。
3.2.3影响表面金属残余应力的因素及控制措施
磨削烧伤、磨削裂纹及控制措施
磨削烧伤
磨削工件时，当工件表面层温度达到或超过金属材料的相变温度时，表层金属材料的金相组织将发生变化，表层显微硬度也相应变化，并伴随有残余应力产生，甚至出现微裂纹，同时出现彩色氧化膜，这种现象称磨削烧伤。
磨削裂纹
一般情况下磨削表面多呈残余拉应力，磨削淬火钢、渗碳钢及硬质合金工件时，常常在垂直于磨削的方向上产生微小龟裂，严重时发展成龟壳状微裂纹，有的裂纹不在工件外表面，而是在表面层下用肉眼根本无法发现。裂纹的方向常与磨削方向垂直或呈网状，并且与烧伤同时出现。其危害是降低零件的疲劳强度，甚至出现早期低应力断裂。
磨削烧伤、磨削裂纹的控制措施
（1）正确选择砂轮
为避免产生烧伤，应选择较软的砂轮。选择具有一定弹性的结合剂（如橡胶结合剂，树脂结合剂），也有助于避免烧伤现象的产生。
（2）合理选择磨削用量
从减轻烧伤而同时又尽可能地保持较高的生产率考虑，在选择磨削用量时，应选用较大的工件速度vw和较小的磨削深度ap 。
（3）改善冷却条件
① 采用高压大流量法 此法不但可以增强冷却作用，而且也增强了对砂轮的冲洗作用，使砂轮不易堵塞。
② 安装带空气挡板的喷嘴 此法可以减轻高速回转砂轮表面处的高压附着气流作用，使磨削液能顺利喷注到磨削区。
③ 采用磨削液雾化法或内冷却法 采用专门装置将磨削液雾化，使其带走大量磨削热，增强冷却效果；也可采用内冷却砂轮，其工作原理如图4-70所示。经过严格过滤的磨削液由锥形套1经空心主轴法兰套2引入砂轮的中心腔3内，由于离心力的作用，磨削液经由砂轮内部有径向小孔的薄壁套4的孔隙甩出，直接浇注到磨削区。
图4-70 内冷却砂轮结构
1－锥形盖 2－主轴法兰套 3－砂轮中心腔 4－薄壁套
授后感：
6

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