影响机械加工表面质量的因素及采取的措施

毕业设计影响机械加工表面质量的因素及采取的措施学 生 姓 名：陈章学 号：102011416系 部：机械工程系专 业：机械设计制造及其自动化指导教师：张爱荣二零一四 年 六 月诚信声明本人郑重声明：本设计及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成设计时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 影响机械加工表面质量的因素及采取的措施 系部： 机械工程系 专业： 机械制造及自动化 学号：102011416 学生： 陈章 指导教师（含职称）： 张爱荣（讲师）专业负责人： 田静 1 设计的主要任务及目标 在机械加工中，有很多因素影响工件表面质量，如何使工件的表面质量达到要求，如何减小各因素对工件表面质量的影响，通过对影响机械加工表面质量的各因素进行分析，分析机械加工过程中影响加工表面质量的各种工艺，并提出提高工件表面质量的措施。2 设计的基本要求和内容分析课题要求，查阅相关知识方面的论文，拟定开题报告；查找设计题目相关的资料，分析影响机械加工表面质量的各种因素，提出改善工件表面质量的最佳措施并严格论证。编写设计说明书一份（约40页 18000字左右）。3 主要参考文献1冯丽.影响机械加工表面质量的若干因素和改进方法J.中国科技信息，2014.2杨叔子，李斌，张福润等.特种加工M. 北京：机械工业出版社，20123李传强.45号钢激光表面改性技术的研究D.广东：汕头大学，2011.4陆剑中，孙家宁.金属切削原理与刀具M.北京：机械工业出版社，2011.4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1分析课题要求，拟定开题报告；2013.122014.3.142查找设计题目相关的资料；2014.3.152014.4.243翻译英文文献，总结国际先进方法；2014.4.244对先进加工方法总结并调查国内外发展状况；2014.4.252014.5.255整理毕业论文2014.5.262014.6.10影响机械表面加工质量的因素及采取的措施摘要：本文对机械加工表面质量进行了分析，指出了影响机械加工表面质量的因素，总结了目前传统机械加工领域提高机械表面质量的措施并提出了目前国际前沿上针对高强度、高硬度材料提高表面加工质量的措施，尤其对于非传统加工的特种加工做出了比较详细的介绍并引用相关实验对比普通加工的数据，比较后总结出特种加工在提高机械加工表面质量的先进性，对工程实践有一定的指导作用。关键词：机械加工，表面质量，改进措施，特种加工Factors affecting the mechanical surface quality and the measures takenAbstract：In this paper, the quality of the machined surface were analyzed, pointing out the factors that influence the quality of the machined surface, summed up the current traditional mechanical machining areas to improve the surface quality of the measures currently proposed for high-strength, high hardness materials to improve the surface finish on the international frontier quality measures, especially for non-traditional machining of special processing to make a more detailed description and references relevant experimental comparison of ordinary processing data comparing the summed special processing to improve the surface quality of advanced machining, engineering practice has some guiding role.Keywords: machining, surface quality improvement measures, special processing目 录1 前言12 机械加工表面质量的影响因素及其对产品性能的影响32.1 表面质量对产品性能的影响32.1.1 表面质量对产品耐磨性的影响32.1.2 表面质量对耐腐蚀的影响32.1.3 表面质量对产品配合性质的影响42.1.4 表面质量对产品疲劳度强度的影响42.2 影响机械加工表面质量的因素42.2.1切削加工42.2.2 切削液的影响62.2.3积屑瘤的影响62.2.4 工艺系统的精度和刚度62.2.5 磨削加工72.2.6 砂轮的粒度与硬度72.2.7 砂轮的修整72.2.8 磨削速度、径向进给量、光磨次数、工件圆周进给速度与轴向进给量72.2.9影响机械表面层物理机械性能的因素82.2.10 表面层冷作硬化82.2.11 表面层材料金相组织的变化82.2.12 表面层残余应力93 提高机械加工表面质量的措施103.1.传统加工领域提高加工表面质量的措施103.1.1刀具角度方面13103.1.2 合理选用切削用量103.1.3 工件材料方面113.1.4 加工方法113.1.5 减小残余应力提高工件质量113.1.6 采用喷丸、滚压、碾光等表面强化工艺113.1.7 减少加工中的震动现象123.2 非传统加工领域提高表面质量的加工方法之特种加工123.2.1电火花加工133.2.2激光表面强化193.2.3超声加工233.2.4电解加工323.2.5复合加工383.3非传统加工领域的其它加工方法413.3.1超高速加工413.2.2精密和超精密切削42结论44参考文献45I I太原工业学院毕业设计1 前言 十八世纪的工业革命使人类对机器的依赖达到了前所未有的程度，机器零件的加工精度由此得到了人们的重视，而随着现在计算机技术的迅猛发展，CAD、CAE和CAM等广泛的应用到了机械加工当中，伴随着高精度的数控加工机床的出现，如电火花数控加工机床和五轴联动数控加工中心的出现，零件的精度已经得到了大幅的提升。但是，人们在实践中发现，即使是精度很高，完全能满足零件使用性能的零件还是会出现被破坏的现象。经过人们对这一现象深入的研究，逐渐认识到零件的使用性能不仅和精度有关，和表面质量之间也有着深刻的联系，机械零件的腐蚀、磨损以及疲劳破坏都是从零件的表面开始然后再向内部扩展的，由此人们开始对表面质量加大了研究的力度并且持续到现在仍是很多学者研究的主要方向。由于现代工业生产的机器向着多功能、高精度和高速化方向发展，致使它们经常要在高温高压或是高速和腐蚀性的环境下工作，表面的任何缺陷都将极大的加速零件的破坏。 表面质量（Surface quality），也称做表面完整性（Surface integrity），是对该表面工作性能影响和加工表面层内可能产生的各种变化的技术指标。它是由表面层物理、化学变化以及加工表面微观几何特征组成。表面的外部加工效应包括表面微观形貌、表面粗糙度等表面微观几何特征；而内部加工效应包括表面层内的加工硬化、残余应力、成分变化以及金相组织结构变化等物理和化学变化。由于机器是由各个零件组成的，因此表面质量对整个机器的使用性能及其使用寿命有着很深的影响。 零件的表面质量与加工质量加工工艺、加工方法和加工参数有关。零件的微观几何误差几乎是不可避免的，因为无论采取哪种加工工艺、加工方法和加工参数，都会有一定的缺陷和偏差，而且表面的物理、化学和力学性能也有很大的不同。所以，总的来讲，表面形貌、表面缺陷、表面层的冶金性能和微观组织和表面层物理性能等都属于表面质量的内容。表面形貌主要包括表面波度、表面粗糙度和纹理，主要是描述的加工后零件的几何特征。而因为加工参数的选择不合适而形成的加工痕迹如毛边、擦伤等表面缺陷，对零件的使用性能具有直接的影响。而且不同的加工方法也会造成不同的表面质量，如磨削加工中产生的毛刺、刀痕等；电解加工中零件的条纹和点蚀等。晶间腐蚀、微观裂纹和表面层的金相组织等也属于微观组织和表面层的冶金化学性能，而加工硬化、表面层残余应力的大小等都属于表面层物理力学性能。 表面粗糙度、表面变质层、表面形貌和机械物理化学性能会由于不同的加工工艺和表面处理方法而不同。而在表面质量中，表面物理层和表面粗糙度以及材料的化学特性的变化都对零件的抗疲劳特性起着重要的作用。 由于表面质量对于机械产品的使用具有重要的意义，国内外对此都进行了大量的研究。世界上首先对表面光洁度进行系统、深入研究的学者是俄国的切比雪夫教授，他在研究之后开创性特的提出了在圆柱铣中计算表明光洁度的公式。在20世纪20年代，T.Finsh提出了表面形貌的质量决定了机器零件表面表面功能特性，但是当时因为条件困难，只能进行目测而无法量化。在20世纪40年代以后，随着更多的专著和专题报告的出现以及测量技术的整体进步，表面质量的评定参数被建立了起来。由此人们对表面质量的研究开始了量化的研究。经过人们不断的研究和探索，已经总结出切削和磨削等一系列影响表面质量的因素并给出了相应提高表面质量的措施，但是随着现代工业的发展，零件更多的工作在恶劣的环境中，人们对于机器寿命和使用性能的要求也越来越高，传统加工领域已经很难达到表面质量的要求，因而人们不得不去探索新的方法来提高表面加工质量。主要的方法包括特种加工以及精密和超精密加工。在这些领域，我国的起步都相对较晚，加工精度和表面质量都与国外有着较为明显的差距，但是随着电子技术和计算机技术的发展，我国的各项技术也得到了较快的发展并大量的运用到汽车、航空航天和船舶等比较重要的领域。 2 机械加工表面质量的影响因素及其对产品性能的影响 机械加工表面质量对产品的性能和寿命有着很大的影响，因而人们对机械加工表面质量进行了长时间的研究并对传统加工领域影响机械表面质量的各种因素进行了详细的总结。2.1 表面质量对产品性能的影响2.1.1 表面质量对产品耐磨性的影响对于一个刚加工好的摩擦副而言，最初的两个接触表面间的接触只是微观上的峰部接触，理论上的接触面积会远远的大于实际的接触面积，这就导致在相互接触的峰部之间会产生很大的接触应力，在接触表面之间发生一些列的变形和破坏，包括弹性变形、塑性变形和峰部之间的剪切破坏，这样会引起严重的磨损。零件磨损一般可分初期磨损阶段、正常磨损阶段和剧烈磨损阶段三个阶段。表面粗糙度对表面质量的好坏起着举足轻重的作用。容易想到，表面质量随着表面粗糙度的减小而变好，但如果表面粗糙值太小，润滑油的储存将变成困难，润滑油的减小会导致分子粘结大量的发生在接触面之间，这样磨损反而增加。因此，接触面的粗糙值存在着一个最佳值，零件的工作情况直接决定着最佳值的大小，表面粗糙度的最佳值随着工作载荷和初期磨损量的增大而增大。2.1.2 表面质量对耐腐蚀的影响对于表面比较粗糙的工件，在腐蚀性介质的条件下工作的时候，容易在表面吸附介质，而这些介质将顺着表面的裂纹渗入到零件表面内部。表面粗糙度越低就越不容易吸附这些介质，反之表面粗糙度越高就越容易被腐蚀。此外，表面的残余压应力也有助于耐腐蚀性的提高，因为表面残余应力会使工件表面得到压紧，从而使腐蚀性介质无法进入；当然若是残余拉应力，就会很大程度的降低其耐腐蚀性。因此，零件耐腐蚀性不仅与表面质量有着密切的关系，与表面残余应力也有着很大的关系。2.1.3 表面质量对产品配合性质的影响表面粗糙度值的大小对表面配合质量也有着非常大的影响。对于间隙配合，如果粗糙度值过大，则两零件间的磨损就会增大，而随着磨损的增加会加大两者之间的间隙，这就会破坏两者之间的配合性质；对于过盈配合，在装配过程中由于磨损会使一些峰部被磨平，从而使过盈量减小，减小了过盈配合的强度，降低了连接的可靠性。2.1.4 表面质量对产品疲劳度强度的影响金属在交变载荷的作用下产生的破坏通常都发生在表面冷硬层下和零件表面，所以说零件表面质量对零件的疲劳强度有着很大的影响。（1）表面粗糙度。表面粗糙度的凹谷部分容易在变载作用下引起应力集中，导致疲劳裂纹的产生。表面粗糙度值愈大，表面的纹痕愈深，纹底半径愈小，抗疲劳破坏的能力就愈差。(2)残余应力和冷作硬化。零件疲劳强度也深受残余应力的影响，因为疲劳裂纹会因为残余拉应力而扩大，从而加速疲劳破坏的速度；而表面层的压应力则相反能够减缓疲劳裂纹的扩大，防止疲劳破坏的产生。而表面冷作硬化一般情况讲都伴随着残余的压应力，因而能够有效减缓疲劳破坏的产生，有利于提高疲劳强度。2.2 影响机械加工表面质量的因素2.2.1切削加工（1）刀具几何参数和工件材料9 刀具几何参数主要包括刀具角度、前面与后面形式、切削刃与刃口形状和刀尖圆弧半径等等，其中对表面粗糙度影响最大的是刀尖圆弧半径r、副偏角r和修光刃。增大修圆刀尖圆弧半径r,能明显的减小表面粗糙度，并且能增加刀头的强度和改善散热条件，但是随着刀尖圆弧半径r的增大残余高度会有所减小，但是由于前一种影响是主要的，因此在变形刚度允许的条件下，增大刀尖圆弧半径可以说是降低表面粗糙度的一种很重要的方法。副偏角r作为影响表面粗糙度的又一个重要的角度，副偏角越小则表面粗糙度越小，但是过小的副偏角会增加副后面与以加工表面的摩擦引起震动，因此在不影响摩擦和震动的条件下，选择较小的副偏角是副偏角的选择原则。同时当修光刃大于进给量的时候也可以获得较好的表面粗糙度。前角和表面粗糙度之间并没有直接的联系，但是由于增大前角可以有效的减少积屑瘤和鳞次的产生，并且可以使刀尖圆弧半径减小，所以当速度属于中低速时适当的增大有利于减小表面粗糙度。当v50m/min时，前角的大小对表面粗糙度。刀具的刃磨质量。要想获得较好的表面质量，需要保证刀具的前后刀面以及切削刃本身的粗糙度要比加工面的粗糙度小12个等级。刀具的材料。刀具材料一般指刀具切削部分的材料，它的性能优劣是影响加工表面质量的重要因素。金属切削过程中，刀具切削部分在高温下承受着很大切削力与剧烈摩擦，在断续切削工作时，还伴随着冲击与振动，引起切削温度的波动。因此刀具材料首先应具备高硬度和高耐磨性、足够的强度与韧性，以及高耐热性。刀具材料与被加工材料金属分子的亲和力大时，被加工材料容易与刀具粘结而生成积屑瘤和鳞次，且被粘结在刀刃上的金属与被加工表面分离时还会形成附加的粗糙度。因此，凡是粘结情况严重，摩擦严重的，表面粗糙度都大；反之，如果粘结和摩擦不严重的，表面粗糙度都小。 (2)工件材料的性质当工件材料为塑形材料时，刀具对工件挤压时会使工件产生塑形变形，在刀具的作用下会使切削与工件分离，这样会增大材料表面的粗糙度，并且由于材料的韧性越好变形越大，表面粗糙度越高。而当工件材料为脆性材料时，切削层经弹性变形后即产生脆性崩裂形成了不规则的崩碎切屑，而在产生崩碎切屑时会产生震动，在加工表面留下很多麻点，表面质量很差。(3)切削条件切削速度。对于塑性材料，积屑瘤和鳞刺的产生很大程度上受到切削速度的影响。鳞刺在低速时极易形成，而积屑瘤一般产生在中低速区域，因而在选择切削速度时若能避开此速度区间，就能减小表面的粗糙度。而对于脆性材料时，切屑多为崩碎切屑，所以几乎不存在鳞刺和积屑瘤，也就是说切削速度对表面粗糙度几乎没有影响。这样看来，当切削速度的选择为高速时将会得到良好的表面质量，同时切削的效率也会得到进一步提升。所以为了能尽可能的提高切削速度，我们正在大力发展新型刀具材料和新型的刀具结构。进给量f。随着进给量的减小，残留面积的高度会有所减小，这样可以有效降低鳞刺和积屑瘤的高度，因而想要减小表面粗糙度的话要尽量减小进给量。但进给量的减小也有限值，因为进给量减小一定指时塑性变形的影响增大，粗糙度不但不减小，甚至会有所上升。切削深度。切削深度在大多数情况下对表面粗糙度的影响不是很大，但是也有例外。在切削深度0.020.03mm时，正常的切削是无法进行的，因为在这种情况下刀尖已经不再尖锐而是成为一段圆弧，这样就会使表面常常被挤压划过但是没有切屑，导致表面产生塑性变形，从而加工表面粗糙度会增大，所以切削加工尽量选择大的切削深度，但是切削深度过大也会受到切削热和切削力的影响从而影响加工表面质量。92.2.2 切削液的影响切削液起着冷却和润滑的作用，能有效降低切削温度并能减小切削界面的摩擦，这就极大程度的抑制了鳞刺和积屑瘤的生长，并且使得塑性变形的程度有所减小，从而减小了不表面粗糙度。2.2.3积屑瘤的影响在较低的速度或者中等速度进行切削时，由切屑堆积在刀具前面近切削刃处形成一个硬楔块，这是种由摩擦和变形形成的物理现象，它的硬度一般很高，通常高于工件材料的23倍，称之为积屑瘤。因为积屑瘤可代替切削刃进行切削，当它在剪切较软的金属时，积屑瘤在外力或震动的作用下可能会脱落或局部断裂，继而又重复产生和脱落。积屑瘤在代替切削刃切削时，堆积成的钝圆弧刃口造成挤压和过切现象以及积屑瘤脱落后粘附在以加工表面，都会使得粗糙度的增大。2.2.4 工艺系统的精度和刚度只有工艺系统具备足够的精度和刚度时，才有可能获得比较好的表面质量。2.2.5 磨削加工磨削加工影响表面粗糙度的因素。如同切削加工时表面粗糙度的形成过程一样，磨削加工表面粗糙度的形成，也是由几何因素和表面金属的塑性变形来决定的，影响磨削表面粗糙的主要有下列因素。2.2.6 砂轮的粒度与硬度砂轮硬度应适当，应使磨粒钝后会及时脱落，露出新的磨粒来继续切削，即具有良好的“自砺性”。砂轮的粒度愈细，即单位面积上的磨粒数愈多，则加工表面的刻痕愈细密，表面粗糙度愈低。但若粒度过细，则容易堵塞砂轮，而使工件表面塑性变形增加，从而影响表面粗糙度的降低。2.2.7 砂轮的修整砂轮应及时修整，以去除已钝化的磨粒，保证砂轮具有微刃性和等高性。用金刚石修整砂轮相当于在砂轮上(车削)外圆，纵向和横向的进给量愈小，修整出来的砂轮表面的微刃性和等高性就愈好，磨出工件表面的粗糙度也愈低。2.2.8 磨削速度、径向进给量、光磨次数、工件圆周进给速度与轴向进给量减小磨削用量和提高砂轮速度，可以增加工件单位面积上的刻痕数，同时可降低因塑性变形造成的表面粗糙度。因为在高速磨削下，磨削表面来不及塑性变形，因而提高砂轮速度有利于降低表面粗糙度。增大磨削深度和提高工件速度会使塑性变形加剧，从而增高粗糙度。为了提高磨削效率，通常在开始磨削时采用较大的磨削深度，而在磨削后期采用小的磨削深度，或进行无进给磨削（光磨），以降低工件表面粗糙度。2.2.9影响机械表面层物理机械性能的因素在切削加工中,工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的机械性能产生变化，最主要的变化是表面层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重，因而磨削加工后加工表面层上述机械性能远不如切削加工。2.2.10 表面层冷作硬化(1)冷作硬化及其评定参数。机械加工过程中因切削力作用产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移,晶粒被拉长和纤维化甚至破碎，这些都会使表面层金属的硬度和强度提高，这种现象称为冷作硬化(或称为强化)。表面层金属强化的结果，会增大金属变形的阻力，减小金属的塑性,金属的物理性质也会发生变化。被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态，只要一有可能，金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化，这种现象称为弱化。弱化作用的大小取决于温度的高低、温度持续时间的长短和强化程度的大小。由于金属在机械加工过程中同时受到力和热的作用。因此，加工后表层金属的最后性质取决于强化和弱化综合作用的结果。评定冷作硬化的指标有表层金属的显微硬度、硬化层深度和硬化程度。(2)影响冷作硬化的主要因素。切削刃钝圆半径增大,对表层金属的挤压作用增强,塑性变形加剧，导致冷硬增强。刀具后刀面磨损增大，后刀面与被加工表面的摩擦加剧，塑性变形增大，导致冷硬增强。切削速度增大，刀具与工件的作用时间缩短，使塑性变形扩展深度减小，冷硬层深度减小。切削速度增大后，切削热在工件表面层上的作用时间也缩短了，将使冷硬程度增加。进给量增大，切削力也增大，表层金属的塑性变形加剧，冷硬作用加强。工件材料的塑性愈大，冷硬现象就愈严重。2.2.11 表面层材料金相组织的变化当切削热使被加工表面的温度超过相变温度后，表层金属的金相组织将会发生变化。(1)磨削烧伤。当被磨工件表面层温度达到相变温度以上时，表层金属发生金相组织的变化，使表层金属强度和硬度降低，并伴有残余应力产生,甚至出现微观裂纹。在磨削淬火钢时，可能产生回火烧伤、淬火烧伤、退火烧伤。(2)改善磨削烧伤的途径。磨削热是造成磨削烧伤的根源,故改善磨削烧伤有两个途径：一是正确选择砂轮，合理选择切削用量，尽可能地减少磨削热的产生；二是改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。2.2.12 表面层残余应力(1)产生残余应力的原因。切削时在加工表面金属层内有塑性变形发生,使表面金属的比容加大。由于塑性变形只在表层金属中产生，而表层金属的比容增大,体积膨胀，不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻止，因此就在表面金属层产生了残余应力,而在里层金属中产生残余拉应力；切削加工中，切削区会有大量的切削热产生；不同金相组织具有不同的密度，亦具有不同的比容。如果表面层金属产生了金相组织的变化,表层金属比容的变化必然要受到与之相连的基体金属的阻碍，因而就有残余应力产生。(2)零件主要工作表面最终工序加工方法的选择。零件主要工作表面最终工序加工方法的选择至关重要，因为最终工序在该工作表面留下的残余应力将直接影响机器零件的使用性能。选择零件主要工作表面最终工序加工方法,须考虑该零件主要工作表面的具体工作条件和可能的破坏形式。在交变载荷作用下,机器零件表面上的局部微观裂纹,会因拉应力的作用使原生裂纹扩大,最后导致零件断裂。从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑，表面最终工序应选择能在该表面产生残余压应力的加工方法。本章首先总结了机械加工表面质量对产品的耐磨性、耐腐蚀性和配合性质以及寿命的影响，并且查阅大量资料详细从总结了在传统加工领域影响机械加工表面质量的因素，主要包括切削加工和磨削加工以及表面物理因素对表面质量的影响等，为下文提高机械加工表面质量的方法打下良好的基础。 3 提高机械加工表面质量的措施 对影响表面质量因素进行分析之后，总结了传统加工领域提高机械加工表面质量的措施以及非传统加工领域提高表面质量的措施。然而随着现代机械工作要求的不断提高，传统加工表面质量以很难满足要求，人们针对此展开了非传统领域的新型的加工方法包括特种加工、精密和超紧密加工等来获得更好的表面质量。3.1.传统加工领域提高加工表面质量的措施 人们对传统加工领域影响机械加工表面质量的因素进行了详细的总结后，针对加工方法和加工参数等进行了详细的总结以获得较好的表面加工质量。3.1.1刀具角度方面13（1）前角一般应取大一些，减少加工时候工件和刀具的接触，以减少振动。但在切削有足够的刚度的外圆表面切削时也可取负前角-215提高工件精度。（2）后角大时，刀刃锋锐，工件表面弹性恢复减少，因而减少恢复层与后刀面的-接触长度，减少了厚刀面与加工表面间的摩擦，利于提高表面质量，降低表面粗糙度。（3）主偏角。在工艺体统刚性较好，精加工时，为减少残留高度，提高工件表面质量，主偏角应尽量取小值。（4）副偏角。为了减少残留高度，条件允许的时候，副偏角应尽量的小些，可取 510。有时为提高已加工表面质量，还可使用等于零的带修光刃的车刀，此时理论上残留高度不存在。（5）刀尖形状。根据刀具材料选用大的圆弧过渡刃，还可以在尖处磨有修光刃以减少残留高度，改善表面粗糙度。（6）刃倾角。选用正的小角度刃倾角，控制切屑流出方向为待加工表面，保持进给方向一致。3.1.2 合理选用切削用量（1）进给量f：选用小的进给量f，降低残余高度。（2）切削速度v：避免积屑瘤产生的避免积屑瘤产生的区域以及自激振动大的临界速度。一般低速不超过38m/min降低切削温度；或用高速v大于80m/min，消除积屑瘤不利影响，并利用因切削热增加而产生的高温，进一步减少切屑变形，降低表面粗糙度。（3）切削厚度 ：选用小的切削厚度，减小工艺系统变形以及振动，降低表面粗糙度。3.1.3 工件材料方面加工工件表面粗糙程度和工件材料自身有重要关系，尤其是工件材料的金相组织和材料塑性对工件表面粗糙程度影响较大，因此对于塑性性能较强的工件,加工之前应对其进行正火处理，以此提高工件的硬度降低塑性。另外，选择金相组织较为合理的工件进行加工。3.1.4 加工方法选择合理的机械加工方法主要包括选择合理的磨削参数和采取有效的冷却方法两方面内容。 为了确定合理的磨削参数应先进性试磨，根据工件磨伤情况确定合理的磨削参数，另外，测量过程中可以通过不间断的测量磨削温度对磨削参数进行控制。 采取有效的冷却方法能降低工件表面的粗糙程度，例如可以采用内冷却、大流量冷却方法等。3.1.5 减小残余应力提高工件质量减小残余应力提高工件质量首先应选择合理的加工刀具形状，即使用较大后角和前角的刀具，刀磨时最大限度的减小切削刀刃半径，并注意把握后刀面的磨损宽度。同时根据实际情况准确把握给进量和切削速度。3.1.6 采用喷丸、滚压、碾光等表面强化工艺对于承受高应力、交变载荷的零件可以采用喷丸、滚压、碾光等表面强化工艺使表面层产生残余应力和冷作硬化并降低表面粗糙度，同时消除了磨削等工序的残余拉应力，因此，可以大大提高疲劳强度及抗应力腐蚀性能。借助强化工艺还可以用次等材料代替优等材料，节约贵重材料。但采用强化工艺时，注意不要造成过度硬化，否则会使表面层完全失去塑形性质甚至引起显微裂纹和材料剥落，带来不良后果。因此采用强化工艺必须很好的控制工艺参数以获得要求的强化表面。3.1.7 减少加工中的震动现象在加工中出现震动影响加工表面质量时要根据震动产生的原因、运动规律来寻求控制的途径。首先要判断震动的类型。震动频率与干扰作用频率相同，并随干扰作用的频率改变而改变，岁干扰作用的去除而消除的为强迫震动。振动频率与系统的固有频率相等或者接近，机床转速改变时振动频率不变或稍变，随切削过程停止而消失的自激振动。 对于强迫振动可以采取减少回转原件不平衡的方法来减少激振力；提高机床传动的制造精度来减少因传动而引起的震动；调节工艺系统的固有频率，避开共振区；提高工艺系统的刚度及采用消震装置；将震源与机床隔离等途径。 对于自激振动经过许多实验研究和生产实践有了一些相当有效的抑制措施，如合理选择切削用量、合理选择刀具的集合角度了；提高机床、工件、刀具自身的抗震性及减震装置等。3.2 非传统加工领域提高表面质量的加工方法之特种加工 随着科学技术的发展，特别是航空航天、汽车工业、国防工业技术的发展以及对新型材料的应用，人们对产品的机械性能、使用性能、以及加工精度的要求也越来越高，然而传统的切削方法由于受到刀具材料性能、设备加工性能等方面的限制，无法完成对高硬度、高强度、高韧性等材料的加工，更无法保证其表面加工质量。特种加工技术正是在这种形式下得到了发展，并且在解决新问题的过程中不断进步、不断完善。目前国内外已经开发应用的特种加工方法有数十种之多，并且已经逐步解决了许多关键技术；特种加工技术已经成为现代制造技术中不可缺少的一个组成部分。实践证明，特种加工在生产中日益发挥出重要的作用。 特种加工时指那些不属于传统加工工艺范畴的加工方法，它不同于直接利用机械能切除多余材料的传统加工方法。特种加工是近几十年发展起来的新工艺,是对传统加工工艺方法的重 要补充与发展,目前仍在继续研究开发和改进。直接利用电能、热能、声能、光能、化学能和电化学能，有时也结合机械能对工件进行的加工。特种加工主要包括电火花加工、激光加工、超声加工以及复合加工等。3.2.1电火花加工电火花加工又称放电加工（Electrical Discharge Machining，简称EDM），也有称为电脉冲加工的，它是一种直接利用热能和电能进行加工的新工艺。电火花加工与金属切削加工的原理完全不同，在加工过程中，工具和工件不接触，而是靠工具和工件之间不断的脉冲性火花放电，产生局部、瞬时的高温把金属材料逐步蚀除掉。由于放电过程可见到火花，所以称为电火花加工。电火花加工的原理图如图3.1所示。工件1与工具4分别与脉冲电源2的两个不同极性输出端相连接，自动进给调节装置3使工件和电极间保持相当的放电间隙。两电极间加上脉冲电压后，在间隙最小处或绝缘强度最低处将工作液介质击穿，形成放电火花。放电通道中等离子瞬时高温使工件和电极表面都被蚀除掉一小部分材料，使各自形成一个微小的放电坑。脉冲放电结束后，经过一段时间间隔，使工作液恢复绝缘，下一个脉冲电压又加在两极上，同样进行另一个循环，形成另一个循环，形成另一个小凹坑。当这种过程以相当高的频率重复进行时，工具电极不断调整与工件的相对位置，加工出所需要的零件所以从微观上看，加工表面是由很多个脉冲放电小坑组成的。12电火花加工表面和机械加工的表面不同。它是由无方向性的小坑和硬凸边所组成，特别有利于保存润滑油；机械加工表面则由切削或磨削刀痕所组成，且具有方向性。因此，电火花加工表面的润滑性能和耐磨性能优于机械加工表面。精加工时精度一般为0.01mm，表面粗糙度Ra=0.040.16um；微细加工时精度可达0.0020.004mm. 表面粗糙度Ra=0.040.16um。而普通的车削、镗削和铣削所能达到的表面粗糙度，最小范围为0.20.4mm，而砂轮磨削的精度一般为0.800.10um。1-工件 2-脉冲电源 3-自动进给调节装置4-工具 5-工作液 6-过滤器 7-工作液泵图3.1 电火花加工原理示意图而随着电火花工艺的不断进步，最近新涌现 出的“混粉加工”新工艺，可以有效地提高表面粗糙度，达到Ra为0.01um的加工表面。其方法是在电火2花加工液中混入硅或铝等导电微粉，使工作液电阻率降低，放电间隙扩大，寄生电容大幅减少；同时每次从工具到工件表面的放电通道被微粉分割成多个晓得火花放电通道，到达工件表面的脉冲能量“分散”得很小，相应的放电痕就较小，从而获得大面积的光整表面。 电火花加工按工具电极和工件相对运动的方式和用途不同，大致可分为电火花穿孔成型加工、电火花切割加工、电火花磨削和镗削、电火花同步共轭回转加工、电火花高速小孔加工、电火花表面强化和刻字类。 上海交通大学的孙晓岚硕士在其导师康小明的指导下，对电火花加工在闭式整体叶盘上做了许多研究并进行了一系列相关的实验，在此特引用该实验来验证电火花加工在实际加工中的应用。15 众所周知，叶盘类零件在航空航天领域里有着极其重要的地位，因为它的性能直接关系到发动机性能的好坏，我国在发动机领域常年落后于欧美等国的一个重要原因也是无法保证获得较好的叶盘表面质量，从而导致叶盘无法再高温高压下保证一定寿命的工作。而随着电火花加工在精密加工中的逐渐应用，现在电火花加工已经成为加工闭式整体叶盘有效的方法之一。图3.2即为闭式整体叶盘。图3.2 闭式整体叶盘 该实验用在航空航天领域已经得到广泛应用的镍基高温合金Incone1718为工件材料，直径为10mm的石墨棒作为工具电极，加工时电源正极接工具的电极，实验用的是北京电加工所C40四轴电火花加工机床上加工的。C40四轴联动机床运动精度为1um，重复定位精度为2um，放电参数的设置是根据北京电加工研究所提供的B系列电源加工条件设定的。图3.3为C40四轴联动机床精度。为了保证良好的加工精度和较高的加工效率，较大的电规准用在粗加工阶段以提高加工效率，而小规准则用于精加工阶段以确保获得较好的表面质量，并且根据经验选择了最合适的实验参数，C40四轴电火花加工机床以及具体参数见表3.1。图3.3 C40 四轴联动机床精度表3.1 四轴电火花加工机床具体参数 图3.为实际加工叶盘实例。图3.4实际加工叶盘实例用电火花加工后的工件表面会出现大小不一的凹坑，这些凹坑相互叠加在一起，并且凹坑的大小和深浅会直接影响到工件的表面粗糙度。而在这个实验中，在取样长度L为0.25mm时，评定长度为5L时，他们所测得平均表面粗糙度分为1.184um，可知电火花加工的表面粗糙度已经相当的不错，图3.5是将叶片表面形貌分别放大100倍、500倍后的图形。图3.5 叶片表面形貌放大100倍、500倍图形从图中可以观察到，电坑数量虽然很多，但是尺寸很小，所加工表面非常平整，已经满足了所要求的表面质量。但是国外通过电火花加工后处理磨粒流加工，可以将叶盘表面粗糙度控制到0.8um以下，所得的表面质量将更加精细，对于高温合金而言这是非常难得的，而我国无论是对电火花技术的控制和参数选择，还是对后处理工艺的研究都还有很长的路要走。 下面在以电火花磨削为例介绍电火花加工表面质量的优势。在生产过程中经常碰到一些深而小的孔，尺寸精度和表面粗糙度要求都比较高，工件材料的机械加工性能也比较差。若采用磨削的加工方法，则加工效率太低；若采用内圆磨床磨削的加工方法，由于磨削时的砂轮轴较细，刚度很差。转速也很难达到要求，因此磨削效率低下，表面粗糙度也不是很理想；若采用电火花磨削则再不高的转速下达到很满意的加工效果。 如对于低刚度细长锥杆的外面磨削。如需要一种细长锥杆的精密零件，长3065mm，小端直径0.6mm，大端直径1.52.3mm，表面粗糙度Ra为0.2um。由于刚度低，若采用精车或磨削，则容易弯曲变形，用电火花磨削这种方法则可以达到这种要求。 图3.6为外圆磨削示意图。工件锥杆以500r/min旋转，工具电极一边沿锥面作微量往复运动，一边沿径向间隙进给。工作液为煤油和机油的混合物，从扁喷嘴浇淋至加工表面，只要流量足够，电火花被包容在工作液中而与空气隔绝，就能避免燃烧而引起火灾。11图3.6 外圆磨削示意图 工具电极为纯铜板块。磨削分为粗、中、精、光4个标准，依次逐步转换。（1） 粗规准：负极性，脉冲宽度300us，脉冲间隔50us，峰值电流10A，电极损耗较小。 这个规准的目的是去除大部分余量，并把工作偏心修圆。进给不能过快，采取只进不退、间歇进给的进给方式。（2） 中规准：负极性，脉冲宽度100us，脉冲间隔40us，峰值电流4A。 进一步修圆，留单边0.050.1mm余量给精规准磨削。（3） 精规准：正极性，脉冲宽度510us，脉冲间隔510us，峰值电流12A。（4） 光规准：正极性，采用RC线路脉冲电源，R=2000，C=1000pF。表面粗糙度可达0.2um。目前电火花加工在制造业尤其是在模具制造业中的应用越来越广泛，加工范围日益扩大，小到微细孔的加工，大到汽车行业的覆盖件冲模。至于中小型复杂腔的加工，则更是电火花加工的特长，形状越复杂，其优越性越能体现出来。电火花设备近年来发展迅速，设备的刚度、精度、加工粗糙度和自动化程度越来越高，功能越来越完善。机床采用了标准电极柄之后，装夹定位实现了自动化，精度也进入了“微米”级，有些机床甚至具有自动更换装置，大大扩大了加工范围。目前电火花加工机床在发达国家的生产企业主要分布在日本人及欧洲地区，而美国及美洲地区就很少，其主要原因是因为日本在第二次世界大战中基础工业设施遭受到毁灭性的重创，工业在一片废墟中开始恢复，因此对于电火花加工这种新型的加工方式十分愿意接纳，同时也投入了相当的精力促成了电火花加工业在日本的发展；同样在欧洲的电火花加工工业借助于苏联研究成果也迅速在欧洲进行了推广；而对于美国而言，由于第二次世界大战并没有触及到其工业基础并且还拥有众多熟练的产业工人，因此直到现在电火花加工产业的接受方面仍任需要一定的过程。而我国虽然在电火花加工上也取得了很大的进步，但是扔感觉投入相对不足，发展缓慢，仅就模具应用而言，大多零件和模具型腔的抛光还在使用手工，这与电火花加工擅长的精密模具和精密零件的加工显得很不相称，因此电火花加工是提高表面加工质量的一个重要发展方向。3.2.2激光表面强化 激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门新兴科学，它在现代工农业生产、国防建设、医疗、通讯、科学研究等各个领域，越来越得到广泛的应用。在材料加工方面，已逐步形成一种崭新的加工方法激光加工。把它用于精密加工，更有其独特的优越性。目前，激光加工已用于精密打孔、精密切割、精密焊接以及表面强化等。下面主要介绍激光表面强化的作用。 激光表面强化是通过激光与材料的相互作用使材料发生所希望的物理化学性能的变化，从而获得新的更为优异的性能。它是在七十年代出现了高功率激光器以后才开始研究的。激光热处理的过程是将激光束扫射零件表面，其红外光能量被零件表面吸收而迅速形成极高的温度，使金属产生相变甚至熔融。随着激光束离开零件表面，零件表面的热量迅速向内部传递而形成极高的冷却速度。作为表面相变硬化，只需加热到金属的临界点以上；而激光合金化则要求表面有层熔融状态。所以激光表面强化实际上是一种表面处理技术，它与火焰淬火、感应淬火等成熟工艺相比具有很多优点：因为热处理时使用激光功率密度高，半秒钟内就可以将工件表面从室温加热到临界点以上，因为热影响区小，工件变形小，处理后不需修磨或只需修磨；光束移动方便，便于控制，可以对形状复杂的零件或零件的局部进行处理；而且因为加热点小，在大快基体上散热较快而形成自淬火不需冷却介质，不仅节省资源，而且工作环境清洁。汕头大学的研究生李传强在其指导老师陈少克的指导下，针对机械制造中常用的45号刚，采用LWS-500型激光焊接机，进行了一系列的实验。由于实验条件有限，故在此引用其实验数据作为参考。16其中，所用LWS-500型激光器是有广州瑞通激光有限公司生产，它的功率是500w，其特点是能有较好的光束质量，而且控制简单，峰值功率比较高，能量很大等特点。图3.7即为此激光焊接机。图3.7 激光焊机机所用的45号钢首先被电火花切割为10mm10mm30mm的试样，然后被放入电炉中加热到860，在保温30min之后，出炉水冷，把试样放入水中并不停地搅拌，然后试样又被放入电炉中并加热到600，将其保温60min后开炉空冷，这样就得到了调制后的试样。此激光淬火实验的参数为：电流105A，频率30Hz，脉宽3.5mm，激光加工系统的功率为370.44w，功率密度为209.7W/mm2,，采用的扫描速度分别为2mm/s, 4mm/s, 6mm/s, 8mm/s。45号钢通过激光淬火后可以获得细晶马氏体组织，与常规的淬火相比，其错位密度显著提高，硬度也更高，硬化层组织更细密，而且整体硬度分布比较均匀。下图是硬化层表面硬度与激光扫描速度的关系，纵坐标是硬化层的表面硬度，横坐标是激光扫描的速度，由图3.8可以看出硬化层表面硬度随着扫描速度的增加而减少。对45号钢而言，采用激光淬火对其进行表面强化处理时，表面硬度和耐磨性都比普通的淬火要好，而且显著提高了材料的综合性能，且该实验作者还针对硬化层表面硬度最高也就是扫描速度为2mm/s时，硬度沿着截面深度的分布，其中纵坐标是表面硬度，横坐标是沿着截面的深度。由图3.9中可以看出，离表面越深那么其硬度就会越小，当深度在2mm时基体硬度最小为52HRC，而普通淬火后45钢表面硬度一般就是在5862HRC之间，由此可见激光淬火得到的表面效果会更好。图3.8 硬化层表面硬度随速度变化图图3.9表面硬度随表面距离变化图 激光表面改性在汽车制造业中得到了广泛的应用，可以毫不夸张的说，激光加工技术提升了整个汽车制造业的制造水平。在当今任何一家汽车公司采用激光技术的程度是代表该公司汽车制造水平先进性的重要标志。 齿轮是机械传功中的重要部件，在传动系统中起着传递动力及改变速度和方向的作用。因此，它们工作时的受力和运动情况是十分复杂的，由此产生的损伤形式也是多样。较多常见、后果较严重的损伤有点蚀、断齿和齿面胶合。电动工具行业使用的一些小模数齿轮，由于它们的转速较高，极易在工作中产生疲劳、断齿等现象。所以，这类齿轮应该具有较高的抗弯曲疲劳强度，心部要有高的耐冲击韧性，表面要有高强度、高耐磨性和一定的抗腐蚀性。目前国内外大多采用常规热处理的方法来获得硬齿面齿轮。如高频淬火、中频淬火、渗碳淬火、渗氮等。但这些方法存在着硬化层分布不均匀，硬度变化梯度大，或者变形大等缺陷。激光热处理可以使齿轮获得比常规热处理更高的表面硬度及硬度分布均匀的相变硬化层，具有工件变形小，工作环境洁净，处理后不需要磨齿等精加工工序的特点。激光相变后，在材料