模具机械加工表面质量课件

零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包括加工表面质量。

机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（几微米~几十微米），但都错综复杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足够的重视。一、模具零件表面质量第三节模具机械加工表面质量零件表面质量表面加工纹理伤痕表面物理力学性能的变化表面几何特征表面层冷作硬化表面层残余应力表面层金相组织的变化

1、表面质量的含义（内容）表面粗糙度表面波度加工表面的几何形状特征：表面粗糙度指加工表面的微观几何形状误差。波长与波高(L3/H3)的比值小于50。表面粗糙度的现行标准为：GB/T131-93。表示方法：Ra、Rz、Ry。表面波度介于形状误差与表面粗糙度之间的周期性形状误差。波长与波高(L2/H2)的比值一般为：50~1000。纹理方向指表面刀纹的方向。它取决于表面形成所采用的机械加工方法。④伤痕加工表面上个别位置出现的缺陷，如砂眼、气孔、裂纹和划痕等零件表面在加工中会发生物理、化学性质的变化，加工表面沿深度的变化如图所示。吸附层：氧化膜或其它化合物并吸收、渗进了气体、液体和固体的粒子。（极薄）压缩层（塑性变形区）：由切削力造成，厚度约为几十至几百微米。纤维层：由加工材料与刀具间的摩擦力产生。另外：切削热也会使材料表面发生变化，如相变及晶粒大小的变化。结论：表面物理机械性能不同于基体

表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如后图所示。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。表面粗糙度的轮廓形状和表面加工纹理对零件的耐磨性也有影响，影响实际接触面积与润滑油的存留情况。

2、表面质量对零件使用性能的影响（1）表面质量对零件耐磨性的影响磨损过程的基本规则实际接触面积越来越大，产生了分子之间的亲和力，使表面容易咬焊，润滑油被挤出，出现了急剧磨损磨损初期，实际接触面积小。表面粗糙度与初期磨损量的关系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。（2）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，其抗疲劳破坏的能力越差。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。（3）表面质量对零件工作精度的影响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。（4）表面质量对零件耐腐蚀性能的影响①表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响

零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。

因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。②表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响

零件表面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，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。

表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：如减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。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粗糙度越大，疲劳强度越差适度冷硬、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二、影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面。（一）切削加工表面粗糙度1、几何因素刀尖圆弧半径rε主偏角kr、副偏角kr′进给量f（图4－40）H=f/(cotκr+cotκr′)(8-1)H=f2/(8rε)(8-2)车削、刨削时残留面积高度切削加工后表面粗糙度的实际轮廓与理想轮廓有较大差距。原因：切削过程中刀具刃口圆角及后面的挤压与摩擦使金属材料发生塑性变形，使理想残留面积挤歪或沟纹加深；

在低切削速度下加工塑性材料（如低碳钢、铬钢、不锈钢、高温合金、铝合金等）时常容易出现刀瘤与鳞刺，使加工表面粗糙度严重恶化，成为切削加工的严重问题。刀瘤是切削过程中切屑低面与前刀面发生冷焊的结果，刀瘤形成后并不是稳定不变的，而是逐渐的形成、长大，然后粘附在切屑上被带走或留在工件上。由于刀瘤有时会伸出切削刃之外，其轮廓也很不规则，因而，会在加工表面上出现深浅和宽窄都不断变化的刀痕，大大降低了表面粗糙度。鳞刺是已加工表面上出现的鳞片状毛刺般的缺陷。加工中出现鳞刺是由于切屑在前刀面上的摩擦和冷焊作用造成周期性的停留，代替刀具推挤切削层，造成切削层和工件之间出现撕裂现象，如此连续发生，就在加工表面上出现一系列鳞刺。鳞刺出现并不依赖于刀瘤，但刀瘤的存在会影响鳞刺的生成2、物理力学因素（1）工件材料的影响韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。故对低碳钢和低碳合金钢材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火，可提高硬度，减少刀瘤的产生。脆性材料：加工脆性材料时，与韧性材料相比较容易达到表面粗糙度的要求。同样的材料，晶粒组织越粗大加工后表面质量越差，常在精加工之前进行调质处理以得到均匀细密的晶粒组织和较高的硬度。应减小加工时的塑性变形，避免产生刀瘤和鳞刺。对此影响最大的是被加工材料的性质和切削速度。（2）切削速度的影响加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞刺的影响）见如图4-41所示。此外，切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度。

（4）其它因素的影响

此外，合理使用冷却润滑液，适当增大刀具的前角，提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。（3）进给量的影响

减小进给量f固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势。刀具的前角对切削过程的塑性变形有较大影响，前角增大塑性变形减小，能有效地减小表面粗糙度值。图4－41加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响影响切削加工表面粗糙度的因素刀具几何形状刀具材料、刃磨质量切削用量工件材料残留面积↓→Ra↓前角↑→Ra↓后角↑→摩擦↓→Ra↓刃倾角会影响实际工作前角

v↑→Ra↓f↑→Ra↑材料塑性↑→Ra↑同样材料晶粒组织大↑→Ra↑，（常用正火、调质处理）刀具材料强度↑→Ra↓刃磨质量↑→Ra↓冷却、润滑↑→Ra↓影响切削加工表面粗糙度的因素（二）磨削加工表面粗糙度1、磨削中影响粗糙度的几何因素工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的刻痕形成的，工件单位面积上通过的砂粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。

磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨粒越细，刃口的等高性越好。则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越细密均匀，表面粗糙度值就越小。（1）砂轮的磨粒砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多，表面粗糙度值就越小。工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影响相反。工件的转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，因此表面粗糙度值增大。砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被重叠切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小。增大磨削切深，表面粗糙度变差。（3）磨削用量（2）砂轮修整

砂轮修整除了使砂轮具有正确的几何形状外，更重要的是使砂轮工作表面形成排列整齐而又锐利的微刃（图4－47）。因此，砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大。图4－47砂轮上的磨粒用金刚石修整砂轮相当于在砂轮上车出一条螺纹，修正导程和切深越小，修出的砂轮就越是光滑。磨削刃的等高性也越好，因而磨削出的表面粗糙度值越小。修整用的金刚石是否锋利影响也很大。2、磨削中影响粗糙度的物理因素磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多数是负前角，切削刃又不锐利，大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压，没有切削作用。加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起，又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。（1）磨削用量

砂轮的转速↑

→材料塑性变形↓

→表面粗糙度值↓；磨削深度↑、工件速度↑

→塑性变形↑

→表面粗糙度值↑；为提高磨削效率，通常在开始磨削时采用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表面粗糙度值。（2）工件材料太硬易使磨粒磨钝→Ra↑；太软容易堵塞砂轮→Ra↑；韧性太大，热导率差会使磨粒早期崩落→Ra↑。（2）砂轮粒度与硬度磨粒太细，砂轮易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，若导热情况不好，还会烧伤工件表面。砂轮太硬，使表面粗糙度增大；砂轮选得太软，使表面粗糙度值增大。砂轮的硬度与粘结剂有关，粘结剂保证磨料脱落率最低。影响磨削加工表面粗糙度的因素粒度↓→Ra↓

金刚石笔锋利↑，修正导程、径向进给量↓→Ra↓磨粒等高性↑→Ra↓硬度↑→钝化磨粒脱落↓→Ra↑硬度↓→磨粒脱落↑→Ra↑硬度合适、自励性好↑→Ra↓太硬、太软、韧性、导热性差↑→Ra↓影响磨削加工表面粗糙度的因素砂轮粒度工件材料性质砂轮修正磨削用量砂轮硬度砂轮V↑→Ra↓ap、工件V↑→塑变↑→

Ra↑粗磨ap↑→生产率↑精磨ap↓→Ra↓(ap=0光磨)三、影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制影响表面层物理力学性能的主要因素表面物理力学性能影响金相组织变化因素影响显微硬度因素影响残余应力因素塑变引起的冷硬金相组织变化引起的硬度变化冷塑性变形热塑性变形金相组织变化切削热1.表面层的冷作硬化（1）表面层加工硬化的产生定义：机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化和强化。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，金属的冷硬结构本能的向比较稳定的结构转化，这一现象称为弱化。机械加工过程中产生的切削热，将使金属在塑性变形中产生的硬化现象得到恢复。由于在加工过程中同时受到力因素和热因素的作用，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。（2）衡量表面层加工硬化的指标衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项：1）表面层的显微硬度HV；2）硬化层深度h；3）硬化程度NN=(HV-HV0)/HV0×100％式中HV0——工件原表面层的显微硬度。（3）影响表面层加工硬化的因素(车削)

⑴刀具几何形状的影响切削刃刃口纯圆半径↑后面磨损量↑前角↓→表层金属的塑变加剧→冷硬↑⑵切削用量的影响切削速度v↑→塑变↓→冷硬↓f↑→切削力↑→塑变↑→冷硬↑⑶工件材料性能的影响材料塑性↑→冷硬↑硬度↓→冷硬↑（3）影响表面层加工硬化的因素(磨削)磨削用量的影响

磨削深度↑→磨削力↑→塑变↑→冷硬↑

纵向进给速度f↑→切削力↑→塑变↑→冷硬↑工件转速↑→工件受热作用时间↓→工件软化倾向↓→冷硬↑磨削转速↑→每粒磨粒的切削厚度↓→塑变↓、磨削区温度↑→冷硬↓（高速磨削工件表面的冷硬程度比普通磨削时低）砂轮粒度的影响砂轮粒度↑→每粒磨料的载荷↓→冷硬↓3）冷作硬化的测量方法（书）（2）表层金属的金相组织变化轻磨削条件下，工件表面层金相组织没有发生什么变化。中磨削条件下，工件表面层金相组织与基体显然不同，变化层的深度约为几微米，很容易在后续工序中去除。重磨削条件下，工件表面层金相组织变化层的深度明显增加，如后续工序中去除余量较小，将不能全部去除变化层会影响使用性能。1）磨削加工表面金相组织变化——磨削烧伤（书）切削加工中，由于切削热的作用，在工件的加工区及其邻近区域产生了一定的温升。定义：磨削加工时，表面层有很高的温度，当温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组织变化，强度和硬度降低、产生残余应力、甚至出现微观裂纹。这种现象称为磨削烧伤。

影响金相组织变化程度的因素有：工件材料、磨削温度、冷却速度。淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的磨削烧伤有三种形式。回火烧伤：工件表面温度未达到相变温度AC3，但超过马氏体的转变温度，则工件表面原来的马氏体组织将产生回火现象，转化成硬度较低的回火组织(索氏体或屈氏体)，工件表层组织为回火屈氏体或索氏体。淬火烧伤：退火烧伤：工件表面温度超过相变温度AC3，但无冷却液，因工件冷却缓慢没，磨后表面硬度急剧下降，工件表面被退火。工件干磨时易发生这种烧伤。工件表面温度超过相变温度AC3，又由于冷却液的急冷作用，表面的最外层会出现二次淬火马氏体组织，硬度较原来的回火马氏体高，在它的下层因为冷却较慢，将出现硬度较低的回火组织，一般称之为淬火烧伤。磨削加工表面的硬度分布总结磨削时表面出现的黄、褐、紫、青等烧伤色是工件表面在瞬时高温下产生的氧化膜颜色，相当于钢在回火时的颜色。不同的烧伤颜色表示表面层受到的不同温度与不同的烧伤深度，所以烧伤色能起到显示作用，它表明工件的表面层已发生了热损伤。表面没有烧伤色并不等于表面未受到热损伤。如在磨削过程中采用了过大的磨削用量，造成了很深的烧伤层，在以后的无进给磨削仅磨去了表面的烧伤色，但未能去掉烧伤层，留在工件上就会成为使用中的隐患。磨削用量砂轮与工件材料改善冷却条件1）砂轮转速↑→

磨削烧伤↑2）径向进给量fp↑→

磨削烧伤↑3）

轴向进给量fa↑→磨削烧伤↓4）工件速度vw↑→磨削表面温度提高，但相对来说影响较小1)磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃口锋利↑→磨削力↓→磨削区的温度↓2)磨削导热性差的材料(耐热钢、轴承钢、不锈钢)↓→磨削烧伤↑3)应合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织→磨削烧伤↓(书)

采用内冷却法→磨削烧伤↓（有效）采用磨削液直接对磨削区进行冷却（效果不好）

图2）影响磨削烧伤的因素及改善途径采用开槽砂轮间断磨削→受热↓→磨削烧伤↓

图图开槽砂轮

a）槽均匀分布b）槽均匀分布

（3）金属表面层残余应力定义：

机械加工中工件表面层组织发生变化时（形状变化、体积变化、金相组织变化），在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层的残余应力。表面层残余应力的产生1）冷态塑变

工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑变，基体仍处于弹性变形状态。切削后，表层产生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力。2）热态塑变

表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力3）金相组织变化

比容大的组织→比容小的组织→体积收缩，产生拉应力，反之，产生压应力。（密度小，比容大）

机械加工后工件表面层的残余应力是冷态塑性变形、热态塑性变形和金相组织变化的综合结果。切削加工时起主要作用的往往是冷态塑性变形，表面层常产生残余压缩应力。磨削加工时起主要作用的通常是热态塑性变形或金相组织变化引起的体积变化，表面层常产生残余拉伸应力。磨削裂纹的产生

磨削裂纹和残余应力有着十分密切的关系。在磨削过程中，当工件表面层产生的残余应力超过工件材料的强度极限时，工件表面就会产生裂纹。磨削裂纹常与烧伤同时出现。

影响表面残余应力的主要因素（4）提高表面层物理力学性能的加工方法1．滚压加工

滚压加工是利用经过淬火和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态下对金属表面进行挤压，使受压点产生弹性和塑性变形，表层的凸起部分向下压，凹下部分向上挤，逐渐将前工序留下的波峰压平，降低了表面粗糙度；同时它还能使工件表面产生硬化层和残余压应力。因此提高了零件的承载能力和疲劳强度。滚压加工可以加工外圆、孔、平面及成型表面，通常在普通车床、转塔车床或自动车床上进行。如图为典型的滚压加工示意图。图滚压加工原理2.喷丸强化

喷丸强化是利用大量快速运动的珠丸打击被加工工件表面，使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力，可显著提高零件的疲劳强度。

珠丸可以是铸铁的，也可以是切成小段的钢丝（使用一段时间后，自然变成球状）。对于铝质工件，为避免表面残留铁质微粒而引起电解腐蚀，宜采用铝丸或玻璃丸。珠丸的直径一般为0.2~4mm，对于尺寸较小、表面粗糙度值较小的工件，采用直径较小的珠丸。喷丸强化主要用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，如板弹簧、螺旋弹簧、连杆、齿轮、焊缝等。经喷丸加工后的表面，硬化层深度可达0.7mm，零件表面粗糙度值可由Ra5~2.5μm减小到Ra0.63~0.32μm，可几倍甚至几十倍地提高零件的使用寿命。第五节机械加工中的振动振动会在工件加工表面出现振纹，降低了工件的加工精度和表面质量；振动会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨损；振动使机床连接部分松动，影响运动副的工作性能，并导致机床丧失精度；强烈的振动及伴随而来的噪声，还会污染环境，危害操作者的身心健康。为减小加工过程中的振动，有时不得不降低切削用量，使机械加工生产率降低。一、机械加工中的振动现象1、振动对机械加工的影响机械加工中振动的种类及其主要特点机械加工振动自激振动自由振动强迫振动当系统受到初始干扰力激励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。由于总存在阻尼，自由振动将逐渐衰减，如图8-14a所示。(占5%)系统在周期性激振力(干扰力)持续作用下产生的振动，称为强迫振动。只要有激振力存在振动系统就不会被阻尼衰减掉。如图8-14b所示。(占35%)在没有周期性干扰力作用的情况下，由振动系统本身产生的交变力所激发和维持的振动，称为自激振动。切削过程中产生的自激振动也称为颤振。(占65%)一）强迫振动的振源系统外部的周期性干扰力旋转零件的质量偏心传动机构的缺陷切削过程的间隙特性二、机械加工中的强迫振动与控制例如：在切削沿轴向开槽的工件时，车刀在工件每一转中都要受到沟槽的冲击；磨床的砂轮不平衡时，高速旋转的砂轮会给工件周期性变化的压力；用有接扣的皮带传动时，皮带接扣周期性的给传动轴冲击；机床附近有冲床工作时，冲床周期性的冲击力会通过地基传到机床上来。1）强迫振动是由周期性激振力引起的，不会被阻尼衰减掉，振动本身也不能使激振力变化。2）强迫振动的振动频率与外界激振力的频率相同，而与系统的固有频率无关。3）强迫振动的幅值既与激振力的幅值有关，又与工艺系统的特性