04-2机械加工表面质量及其控制

1、第四节 机械加工表面质量1第六章 机械加工表面质量概 述 掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高产品性能的目的。 实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量。研究机械加工表面质量的目的机械产品的失效形式因设计不周而导致强度不够；磨损、腐蚀和疲劳破坏。少数多数23.1.1 加工表面质量的概念 表面粗糙度波度纹理方向伤痕 (划痕、裂纹、砂眼等)表面质量表面几何形状精度表面物理、机械性能表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工质量加工质量包含的内容

2、31、表面的几何形状特征 加工后表面形状，总是以“峰”、“谷”的形式偏离其理想光滑表面。按偏离程度有宏观和微观之分。波距：峰与峰或谷与谷间的距离， 以L表示；波高：峰与谷间的高度，以H 表示。波距与波高L/H1000时，属于宏观几何形状误差；L/H50时，属于微观形状误差，称作表面粗糙度；L/H=50 1000时，称作表面波度；主要是由机械加工过程中工艺系统低频振动所引起。451、轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差62微观不平度十点高度R微观不平度十点高度Rz示意图7轮廓最大高度Ry 示意图891011 纹理方向 是指表面刀纹的方向，取决于表面形成所采用的机械加工方法。一般运动副或密封件对纹理方

3、向有要求。 伤痕 是指在加工表面个别位置出现的缺陷，如沙眼、气孔、裂痕等。122、表面层物理力学、化学性能表示方法(1)表面金属层的冷作硬化 指工件在加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形，使工件加工表面层的强度和硬度都有所提高的现象。冷硬层深度 h硬化程度 N13(2)表面层金相组织变化(3)表面层产生残余应力 指的是加工中，由于切削热的作用引起表层金属金相组织发生变化的现象。如磨削时常发生的磨削烧伤，大大降低表面层的物理机械性能。 指的是加工中，由于切削变形和切削热的作用，工件表层及其基体材料的交界处产生相互平衡的弹性应力的现象。残余应力超过材料强度极限就会产生表面裂纹。14二、表面质量

4、对零件使用性能的影响1表面质量对零件耐磨性的影响（1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响 表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如图所示：15表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。16（ 2 ）表面纹理对零件耐磨性的影响圆弧形、凹坑状表面纹理较耐磨。纹理与运动方向的关系17（3）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响 加工表面的冷作硬化，一般能

5、提高零件的耐磨性。因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。 并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。182表面质量对零件疲劳强度的影响（1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。 对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。 表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲

6、劳破坏的能力越差。19（2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响 适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。 残余应力有拉应力和压应力之分，残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度 残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。20（1）表面粗糙度对零件配合精度的影响 表面粗糙度较大，则降低了配合精度。（2）表面残余应力对零件工作精度的影响 表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。3.表面质量对零件工作精度的影响214表面质量对零件耐腐蚀性的影响残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性；

7、表面粗糙度的影响表面粗糙度值越大，越容易积聚腐蚀性物质；波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度表面残余应力对零件耐腐蚀性影响拉应力则降低耐腐蚀性22表面质量对零件使用性能的影响零件表面质量粗糙度太大、太小都不耐磨适度冷硬能提高耐磨性对疲劳强度的影响对耐磨性影响对耐腐蚀性能的影响对工作精度的影响适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度粗糙度越大、工作精度降低残余应力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蚀性越差压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性粗糙度值越小，工件耐疲劳性越好23机械制造工艺学 3.2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施第三章 机械加工表面

8、质量及其控制243.2.1 切削加工表面粗糙度影响因素与改进车削时残留面积的高度直线刃车刀（图a）（3-1）圆弧刃车刀（图b）（3-2）影响因素：刀尖圆弧半径，主偏角，副偏角， 进给量。frHvfrb）Hfa）vf25刀尖圆弧半径主偏角副偏角进给量 6.2 影响表面粗糙度的工艺因素及其改善措施表面粗糙度的形成和影响因素几何因素物理因素一、切削加工表面粗糙度切削残留面积的高度金相组织 : 金相组织越大，粗糙度也越大；切削液的选用及刀具刃磨质量26因素水平1234每齿进给量fz(m)0.5124轴向切深ap(m)10203040切削速度vc(m/min)4070100140 表面粗糙度实验因素水平

9、编码27序号每齿进给量fz(m)轴向切深ap(m)切削速度vc(m/min)表面粗糙度Ra(nm)10.51040176.320.52070185.630.530100206.440.540140223.1511070154.7612040142.37130140193.48140100176.69210100228.210220140242.41123040197.61224070218.613410140319.514420100294.11543070273.81644040257.4 表面粗糙度正交实验测量结果28轴向切深切削速度每齿进给量2930(b) fz=4(a) fz=1313

10、2切削速度影响最大：v = 1050m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差。切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（m）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度 h（m） 0200400600hRz3.2.1 切削加工表面粗糙度切削表面塑性变形和积屑瘤3334 其他影响因素： 刀具几何角度、刃磨质量、切削液 金相组织的影响35几何原因塑性变形机械加工振动二、磨削过程中表面粗糙度的形成1、形成因素切削用量砂轮的粒度和砂轮的修整情况(1) 几何原因1）磨削用量对表面粗糙度的影响砂轮的速度 ，单位时

11、间内的磨削量 ，粗糙度 ；工件的速度 ，单位时间内的磨削量 ，粗糙度 ；砂轮纵向进给速度 ，每部位重复磨削次数 ，粗糙度。36在工件表面上的磨痕就越细密，表面粗糙度值也就越小。3.2.2 磨削加工后的表面粗糙度2、砂轮工作表面的几何形态由磨削机理知，砂轮磨料的粒度越细，在单位时间，通过工件单位面积上的磨粒数越多，3738 砂轮粒度号，Ra；但要适量； 砂轮硬度适中， Ra ；常取中软； 砂轮组织适中，Ra ；常取中等组织； 采用超硬砂轮材料，Ra ； 砂轮精细修整， Ra 。3.2.2磨削加工后的表面粗糙度砂轮影响39 除了从上述几个方面考虑采取措施外，还可从加工方法上着手改善，如用研磨、珩磨

12、、超精加工、抛光等。切削液 砂轮磨削时温度高，热的作用占主导地位。采用切削液可以降低磨削区温度，减少烧伤，冲去脱落的砂粒和切屑，以免划伤工件，从而降低表面粗糙度度值。但必须选择适当的冷却方法和切削液。减少加工表面的表面粗糙度的其它方法40第三章 机械加工表面质量3.3 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施412.3.1 加工表面层的冷作硬化 一）概述 机械加工过程中产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面金属的硬度增加，统称为冷作硬化（强化）。 金属冷作硬化的结果，使金属处于高能位不稳定状态，只要一有条件，金属的冷硬结构就会本能地向比较稳定的结构转

13、化，这些现象称为弱化。 由于金属在机械加工过程中同时受到力因素和热因素的作用，机械加工后表面层金属的最后性质取决于强化和弱化两个过程的综合。 评价冷作硬化的指标有下列三项：（1）表层金属的显微硬度HV（2）硬化层深度h（um）（3）硬化程度N：二）影响切削加工表面冷作硬化的因素422.3.1 加工表面层的冷作硬化 切削加工 f，冷硬程度； 切削用量影响 刀具影响r n ，冷硬程度;其他几何参数影响不明显后刀面磨损影响显著。00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v = 40(m/min) f = 0.120.2(mm/z) 后刀面磨损对冷

14、硬影响 工件材料 材料塑性，冷硬倾向;切削速度影响复杂(力与热综合作用结果)；切削深度影响不大。 f 和 v 对冷硬的影响硬度(HV)0f (mm /r)0.20.40.60.8v =170(m/min)135(m/min)100(m/min )50(m/min)100200300400工件材料：4543冷作硬化的测量方法用显微硬度计测量44 对于磨削加工来说，由于单位面积上产生的切削热比一般切削方法要大几十倍，易使工件表面层的金相组织发生变化，从而使表面层的硬度和强度下降，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜。这种现象称为磨削烧伤。 1表面层金相组织变化与磨削烧伤原因 机械加工过积中，在工

15、件的加工区及其邻近的区域，温度会急剧升高，当温度超过工件材料金相组织变化的临界点，就会发生金相组织变化。对于一般切削加工而言，温度还不会上升到如此程度。磨削烧伤将严重地影响零件的使用性能。3.3.2 表面金属的金相组织变化45 1)如果工件表面层温度未超过淬火钢相变温度(一般中碳钢为720 ，但超过马氏体的转变温度(一般中碳钢为300)，这时马氏体将转变为硬度较低的回火屈氏体或索氏体，这叫回火烧伤。 2)当工件表面层温度超过相变温度，如果这时有充分的切削液，则表面层将急冷形成二次淬火马氏体，硬度比回火马氏体高，但很薄，只有几微米厚。其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体，导致表面层总的硬度降低，这

16、称为淬火烧伤。 3)当工件表面层温度超过相变温度，如果这时无切削液，则表面硬度急剧下降，工件表层被退火，这种现象称为退火烧伤。 磨淬火钢时，在工件表面层上形成的瞬时高温将使表面金属产生以下三种金相组织变化：46 工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜。磨削烧伤 磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现。 磨削裂纹3.3.2 表面金属的金相组织变化47磨削烧伤与磨削裂纹的控制 合理选择砂轮； 合理选择磨削用量； 改善冷却条件；选用开槽砂轮48 磨削深

17、度，工件横向进给量和工件速度 ，砂轮与工件表面接触时间相对，因而热的作用时间 ，磨削烧伤 。 为减轻烧伤而同时又保持高的生产率、一般选用较大的工件速度和较小的磨削深度。同时，为了弥补因增大工件速度而造成表面粗糙度值增大的缺陷，可以提高砂轮速度。(1)合理选择磨削用量但：磨削深度，生产率；工件速度，表面粗糙度值。实践证明，同时提高砂轮速度和工件速度，可以避免烧伤。解决办法：49采用切削液带走磨削区的热量可以避免烧伤。(2)冷却条件磨削时，一般冷却效果较差，由于高速旋转的砂轮表面上产生强大气流层，实际上没有多少切削液能进入磨削区。增加切削液的流量和压力采用特殊喷嘴采用多孔性砂轮比较有效的冷却方法5

18、0 软砂轮较好，对于硬度太高的砂轮，钝化砂粒不易脱落，容易产生烧伤。(3)砂轮的选择 砂轮结合剂最好采用具有一定弹性的材料，如树脂、橡胶等。3.3.2 表面金属的金相组织变化51(1)冷态塑性变形引起的残余应力 (2)热态塑性变形引起的残余应力(3)金相组织变化引起的残余应力一）、表面层残余应力及其产生的原因 表面层残余应力 外部载荷去除后，工件表面层及其与基体材料的交界处仍残存的互相平衡的应力。表面层残余应力产生的原因3.3.3 表面金属的残余应力52(1)冷态塑性变形引起的残余应力 当刀具从被加工表面上去除金属时，由于后刀面的挤、压和摩擦作用，加大了表面层伸长的塑性变形，表面层的伸长变形受

19、到基体金属的限制，也在表面层产生了残余压应力。 在切削力作用下，已加工表面产生强烈的塑性变形。表面层金属比容增大，体积膨胀，与它相连的里层金属的阻止其体积膨胀；里层产生残余拉应力表面层产生残余压应力结果：3.3.3 表面金属的残余应力53(2)热态塑性变形引起的残余应力 磨削温度越高，热塑性变形越大，残余拉应力也越大，有时甚至产生裂纹。在切削热作用下产生热膨胀金属基体温度较低工件加工表面表层产生热压应力切削时切削过程结束时温度下降，已产生热塑性变形的表层收缩结果表面产生残余拉应力3.3.3 表面金属的残余应力54(3)金相组织变化引起的残余应力 如：马氏体密度为7.75 g/cm3，奥氏体密度

20、为7.96 g/cm3， 珠光体密度为7.78 g/cm3，铁索体密度为7.88 g/cm3； 切削时产生的高温会引起表面层金相组织变化。因为不同的金属组织，它们的密度不同，因而引起的残余应力。以淬火钢磨削为例淬火钢原来的组织是马氏体7.75 g/cm3磨削加工后表层可能产生回火，马氏体变为珠光体7.78 g/cm3密度增大而体积减小表面产生残余拉应力导致结果3.3.3 表面金属的残余应力55 因此，最终工序加工方法的选择，须考虑零件的具体工作条件及零件可能产生的破坏形式。(四)零件破坏形式和最终工序的选择 一般来说，零件表面残余应力的数值及性质主要取决于零件最终工序加工方法的选择。3.3.3

21、 表面金属的残余应力561疲劳破坏2滑动磨损3滚动磨损零件破坏形式零件表面层金属的残余应力将直接影响机器零件的使用性能。3.3.3 表面金属的残余应力57 从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑，最终工序应选择能在加工表面产生残余压应力的加工方法。1. 疲劳破坏机器零件表面上局部产生微观裂纹在交变载荷的作用下拉应力作用下原生裂纹扩大导致零件破坏滑动摩擦的机械作用物理化学方面的综合作用2滑动磨损指的是两个零件作相对滑动，滑动面逐渐磨损的现象。滑动磨损机理粘接磨损扩散磨损化学磨损58 从提高零件抵抗滑动摩擦引起的磨损考虑，最终工序应选择能在加工表面产生残余拉应力的加工方法。 从抵抗粘接磨损、扩散磨损、化

22、学磨损考虑对残余应力的性质无特殊要求时，应尽量减小表面残余应力值。 当表面层的压缩工作应力超过材料的许用应力时，将使表面层金属磨损。改善措施59 3滚动磨损指的是两个零件作相对滚动，滚动面将逐渐磨损的现象。滚动磨损来自滚动摩擦的机械作用物理化学方面综合作用 从提高零件抵抗滚动摩擦引起的磨损考虑，最终工序应选择能在表面层下深h处产生压应力的加工方法。 滚动磨损的决定性因素是表面层下深h处的最大拉应力。最终工序加工方法的选择可参考下表60各种加工方法在工件表面残留的内应力61四表面强化工艺62 1喷九强化 利用压缩空气或离心力将大量的珠丸(直径为0.4 4mm)以高速打击被加工零件表面，使表面产生

23、冷硬层和残余压应力，可以显著提高零件的疲劳强度。珠丸可以是铸铁或砂石，钢丸更好。喷丸所用设备是压缩空气喷丸装置或机械离心式喷丸装置，这些装置使珠丸能以35 50m/s的速度喷出。珠丸(直径为0.4 4mm)高速(35 50 m/s)打击被加工零件表面使表面产生冷硬层和残余压应力方法概要 喷九加工主要用于强化形状复杂的零件，如齿轮、连杆、曲轴等。零件经喷九强化后，硬化层深度可达0.7mm，表面租糙度Ra值可由3.2 减少到0.4 ，使用寿命可提高几倍到几十倍。应用 喷九加工主要用于强化形状复杂的零件，如齿轮、连杆、曲轴等。零件经喷九强化后，硬化层深度可达0.7mm，表面租糙度Ra值可由3.2 减

24、少到0.4 ，使用寿命可提高几倍到几十倍。6364 2滚压加工 利用淬硬的滚压工具(滚轮或滚珠)在常温下对工件表面施加压力，使其产生塑性变形，工件表面上原有的波峰被填充到相邻的波谷中，以减小表面粗糙度值，并使表面产生冷硬层和残余压应力，从而提高零件的承裁能力和疲劳强度。方法滚压工具波峰被填充到相邻的波谷中表面产生冷硬层和残余压应力 滚压可以加工外圆、孔、平面及成形表面，通常在卧式车床、转塔车床或自动车床上进行。功效表面层硬度一般可提高20 40；表面层金属的耐疲劳强度可提高30 50。应用653液体磨料强化 液体和磨料在400 800kPa下，经过喷嘴高速喷出，射向工件表面，借磨粒的冲击作用，

25、磨平工件表面的表面粗糙度并碾压金属表面。液体磨料强化是利用液体和磨料的混合物强化工件表面的方法。方法 由于磨粒的冲击和微量切削作用，使工件表面产生几十微米的塑性变形层。加工后的工件表面层具有残余压应力，提高了工件的耐磨性、抗蚀性和疲劳强度。效果 液体磨料强化工艺最宜于加工复杂型面，如锻摸、汽轮机叶片、螺旋桨、仪表零件和切削刀具等。应用66机械制造工艺学 第3章 机械加工表面质量3.4 机械加工过程中的振动673.4 机械加工过程中的振动机械加工过程中振动的危害 影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度； 影响生产效率； 加速刀具磨损，易引起崩刃； 影响机床、夹具的使用寿命； 产生噪声污染，

26、危害操作者健康。工艺系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。由于系统中总存在阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。机械加工过程中振动的类型自由振动自由振动强迫振动自激振动683.4.1 机械加工过程中强迫振动强迫振动产生原因由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起；强迫振动振源：机外机内。机外振源均通过地基把振动传给机床。机内： 1）回转零部件质量的不平衡； 2）机床传动件的制造误差和缺陷； 3）切削过程中的冲击。频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数；幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振。相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。强迫振动的特征69没有周期性外力作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动，称为自激振动处于切削过程中的工艺系统作用干扰力产生自由振动引起刀具和工件相对位置的变化切削力的波动工艺系统产生振动导致1、自激振动的产生3.4.2 机械加工过程中自激振动7071 自激振动系统是一个闭环反馈自控系统，调节系统把持续工作的能量转变为交变力对振动系统进行激振，振动系统的振动又控制切削过程产生激振力，以反馈制约进入振动系统的能量。组成的一个闭环系统。2、自激振动