1.表面冷作硬化

工件加工时，由于受到切削力和切削热的作用，表面金属层的力学物理性能会产生很大变化，变化之一是表层金属的显微硬度发生变化。

评定硬化组织的指标有三项：表层金属的显微硬度HV、硬化层深度h和硬化程度N。

硬化程度

式中：HV0——原材料硬度。

各种加工方式对钢件表面的硬化程度与硬化深度的影响见表12-3。

表12-3　钢件表面的硬化程度N与硬化深度Δhd

影响加工硬化的主要因素有切削用量、刀具几何参数及工件材料等。

（1）切削用量的影响。

当加大进给量时，表层金属的显微硬度通常将随之增大。这是因为随着进给量的增大，切削力增大，表层金属的塑性变形加剧，冷硬程度增加，如图12-39所示。

切削深度对表层金属冷作硬化的影响不大。但对于磨床，磨削深度越深，对冷硬影响相对提高，如图12-40所示。

图12-39　f和v的影响

图12-40　磨削深度的影响

（2）刀具几何参数的影响。

刀具前角γo越大，切削变形越小，加工硬化程度和硬化层深度均相应减小。

由图12-41可见，刀具后刀面磨损宽度VB从0增大到0.3mm，显微硬度由330HV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，导致表面冷硬增大的缘故。然而，当磨损宽度继续加大，摩擦热急剧增大，弱化趋势突显，表层金属的显微硬度反而逐渐下降，直至稳定在某一个水平上。

图12-41　刀具磨损宽度的影响

（3）工件材料的影响。

众所周知，工件材料硬度越低，塑性增加，加工硬化程度和硬化层深度越大。就汽车常用的低碳、中碳或合金结构钢而言，由于其塑性变形能力强，机械加工中表现出严重硬化现象。

2.材料的金相组织变化

（1）磨削烧伤。(www.daowen.com)

磨削工件时，当其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可能发生部分相变，表层显微硬度也会相应变化，并伴随有残余应力产生，甚至出现微裂纹，事实上还会出现彩色氧化膜，这种现象称为磨削烧伤。

（2）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，常常沿垂直于磨削的方向产生微小龟裂，严重时发展成龟壳状微裂纹，有的裂纹还不在工件外表面，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。

（3）磨削烧伤改进措施。

①正确选择砂轮。对于导热性差的材料如不锈钢，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、树脂结合剂等），这样也有助于避免磨削烧伤现象的产生。

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。建议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，如图12-42所示。

图12-42　带空气挡板的喷嘴

④可考虑采用内冷却砂轮。内冷却砂轮的工作原理如图12-43所示。经过严格过滤的磨削液由锥形套经空心主轴法兰套引入砂轮的中心腔内，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的孔隙甩出，直接浇注到磨削区。

图12-43　内冷却砂轮工作原理

1—砂轮中心腔；2—水通道；3—多孔套

3.表面金属残余应力

（1）切削用量的影响。

切削用量三要素中的切削速度和进给量对残余应力的影响较大。因为切削速度增加，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，故随着切削速度增加，残余应力将增大，但残余应力层深度减小。进给量增加，残余拉应力增大，但压应力将向里层移动。背吃刀量对残余应力的影响并不显著。

（2）刀具的影响。

刀具几何参数中对残余应力影响最大的是刀具前角。当前角由正变为负时，表层残余拉应力逐渐减小。这是因为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；当刀具前角为较大负值且切削用量合适时，甚至可得到残余压应力。

刀具后刀面磨损值增大，使后刀面与加工表面摩擦加大，切削温度升高，由热应力引起的残余应力的影响增强，此时加工表面呈残余拉应力状态，使残余拉应力层深度加大。

（3）工件材料。

工件材料的塑性越大，切削加工后产生的残余拉应力越大，如奥氏体不锈钢等。切削灰铸铁等脆性材料时，加工表面易产生残余压应力，原因在于刀具后刀面的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将通过里层的弹性恢复作用使得表层呈残余压应力。