加工表面质量及其控制

1、加工表面质量及其控制 第三章 机械加工表面质量 3-1 加工表面质量及其对使用性能的影响加工表面质量及其对使用性能的影响 3-2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及改进影响加工表面粗糙度的工艺因素及改进 3-3 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及改进影响表层金属力学物理性能的工艺因素及改进 3-4 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动 加工表面质量及其控制 零件表面质量零件表面质量 表面粗糙度表面粗糙度 表面波度表面波度 表面材质性能表面材质性能 的变化的变化 表面微观几何表面微观几何 形状特征形状特征 表面层冷作硬化表面层冷作硬化 表面层残余应力表面层残余应力 表面层金相组织的变化表面层金

2、相组织的变化 表面质量的含义（内容）表面质量的含义（内容） 加工表面质量及其控制 3.1 加工表面质量及其对使用性能的影响加工表面质量及其对使用性能的影响 3.1.1 3.1.1 对耐磨性的影响对耐磨性的影响 1.粗糙度对耐磨性影响粗糙度对耐磨性影响 表面粗糙度与初期磨损量的关系表面粗糙度与初期磨损量的关系 2.表层冷作硬化对耐磨性影响表层冷作硬化对耐磨性影响 加工表面质量及其控制 v表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的表面粗糙度太大，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；凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧； v表面粗糙度太小，也会导致磨损加

3、剧。因为表面太光滑，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，容易存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易造成干摩擦造成干摩擦而而 加剧磨损。加剧磨损。 v表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加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。右移。 加工表面质量及其控制 （2 2）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响 v 加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因加工表面的冷作硬化，一

4、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，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。减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。 v 并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因为过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分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松疏松”，在相对，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，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。使零件加速磨损。 加工表面质量及其控制 3.1.2 3.1.2 对耐疲劳性的影响对耐

5、疲劳性的影响 1.粗糙度对耐疲劳性影响粗糙度对耐疲劳性影响 2.表层冷作硬化对耐疲劳性影响表层冷作硬化对耐疲劳性影响 加工表面质量及其控制 2 2表面质量对零件疲劳强度的影响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 v 表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。 v 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。 v 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。 加工表面质量及其控制 （2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲

6、劳强度的影响 v 适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。 v 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。 v 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。 加工表面质量及其控制 3.1.3 3.1.3 对耐腐蚀性的影响对耐腐蚀性的影响 1.粗糙度对耐腐蚀性影响粗糙度对耐腐蚀性影响 2.表层残余应力对耐腐蚀性影响表层残余应力对耐腐蚀性影响 加工表面质量及其控制 （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

7、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。 加工表面质量及其控制 表面质量对零件使用性能的影响小结：表面质量对零件使用性能的影响小结： 零件表面质量零件表面质量 粗糙度太大、太小都不耐磨粗糙度太大、太小都不耐磨 适度冷硬能提高耐磨性适度冷硬能提高耐磨性 对疲劳强度的对疲劳强度的 影响影响 对耐

8、磨性影响对耐磨性影响 对耐腐蚀性能对耐腐蚀性能 的影响的影响 对工作精度的对工作精度的 影响影响 适度冷硬、残余压应力能提高疲适度冷硬、残余压应力能提高疲 劳强度劳强度 粗糙度越大、配合精度降低粗糙度越大、配合精度降低 残余应力越大，加工精度降低残余应力越大，加工精度降低 粗糙度越大，耐腐蚀性越差粗糙度越大，耐腐蚀性越差 压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之 则降低耐腐蚀性则降低耐腐蚀性 表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能 力越差。力越差。 加工表面质量及其控制 第二章 机械加工表面质量 3-1 加工表面质量及其对使用性能的影响加工表面质量及其

9、对使用性能的影响 3-2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及改进影响加工表面粗糙度的工艺因素及改进 3-3 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及改进影响表层金属力学物理性能的工艺因素及改进 3-4 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动 加工表面质量及其控制 3.2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及改进影响加工表面粗糙度的工艺因素及改进 3.2.13.2.1切削加工的表面粗糙度切削加工的表面粗糙度 由国家标准规定的表面粗糙度定义，轮廓的算由国家标准规定的表面粗糙度定义，轮廓的算 术平均偏差：术平均偏差： 测量长度 阴影部分面积 L dxxf R L a 0 )( Y=f(x) L X 0 Y 加工

10、表面质量及其控制 ctgctg f H H f k k 1刀具几何形状 H 尖刃车刀 k k x2x1 f fxx 21 k 1 Hctgx k Hctgx 2 3.2.2 3.2.2 切削加工的表面粗糙度切削加工的表面粗糙度 加工表面质量及其控制 r f H 8 2 r H f 圆弧刃车刀 加工表面质量及其控制 rr f H ctgctg 2 8 f H r 切削残留面积的高度： 加工表面质量及其控制 实际轮廓 理论轮廓 2物理因素 （1）塑性变形 （2）在切削过程中出现刀瘤,鳞刺等物理现象 加工表面质量及其控制 积屑瘤 H 积屑瘤积屑瘤 加工表面质量及其控制 撕裂 I.抹拭 II.沉积 I

11、II.导裂 IV.刮成 鳞刺的形成过程鳞刺鳞刺 在物理因素方面，降低表面粗糙度主要措施，即消除积屑在物理因素方面，降低表面粗糙度主要措施，即消除积屑 瘤和鳞刺的措施。瘤和鳞刺的措施。 加工表面质量及其控制 加工表面质量及其控制 二二. . 磨削加工的表面粗糙度磨削加工的表面粗糙度 磨削加工与切削加工比较，有许 多特点，主要表现在： 粘结剂 微刃 磨粒 磨粒 磨粒 加工表面质量及其控制 影响磨削表面粗糙度的因素是： 1砂轮方面 （1）砂轮的磨粒）砂轮的磨粒 （2）砂轮硬度）砂轮硬度 磨粒号磨粒号Ra值值 硬度硬度难脱落难脱落Ra值值 硬度硬度易脱落易脱落不易保持形状不易保持形状Ra值值 加工表面

12、质量及其控制 （3）砂轮的修整）砂轮的修整 加工表面质量及其控制 影响磨削表面粗糙度的因素是： 2物理方面 （1）磨削用量）磨削用量 砂轮的转速砂轮的转速 材料塑性变形材料塑性变形 表面粗糙度值表面粗糙度值 ； 加工表面质量及其控制 工件速度工件速度v v工 工 表面粗糙度表面粗糙度Ra Ra 加工表面质量及其控制 磨削深度磨削深度a ap p 表面粗糙度表面粗糙度RaRa 加工表面质量及其控制 不同的磨粒，其锋利程度、硬度不同。砂轮磨粒不同的磨粒，其锋利程度、硬度不同。砂轮磨粒 材料种类很多，可分为三大系，即：材料种类很多，可分为三大系，即： 氧化物系（刚玉类）氧化物系（刚玉类） 碳化物系（

13、碳化硅、碳化硼等）碳化物系（碳化硅、碳化硼等） 高硬磨粒系高硬磨粒系 （2）磨粒的材料）磨粒的材料 加工表面质量及其控制 影响磨削加工表面影响磨削加工表面 粗糙度的因素粗糙度的因素 粒度粒度Ra 金刚石笔锋利金刚石笔锋利，修正导程、径，修正导程、径 向进给量向进给量 Ra 磨粒等高性磨粒等高性Ra 硬度硬度钝化磨粒脱落钝化磨粒脱落 Ra 硬度硬度磨粒脱落磨粒脱落Ra 硬度合适、自励性好硬度合适、自励性好Ra 砂轮粒度砂轮粒度 砂轮修正砂轮修正 磨削用量磨削用量 砂轮硬度砂轮硬度 砂轮砂轮V Ra ap、工件、工件V 塑变塑变 Ra 粗磨粗磨ap生产率生产率 精磨精磨ap Ra(ap=0光磨光磨

14、) 加工表面质量及其控制 第二章 机械加工表面质量 3-1 加工表面质量及其对使用性能的影响加工表面质量及其对使用性能的影响 3-2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及改进影响加工表面粗糙度的工艺因素及改进 3-3 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及改进影响表层金属力学物理性能的工艺因素及改进 3-4 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动 加工表面质量及其控制 表面物理表面物理 力学性能力学性能 金相组织变化金相组织变化 冷作硬化冷作硬化 残余应力残余应力 3-3 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及改进影响表层金属力学物理性能的工艺因素及改进 加工表面质量及其控制 3-3 影响表层金属力学

15、物理性能的工艺因素及改进影响表层金属力学物理性能的工艺因素及改进 3.3.1 表面层的冷作硬化表面层的冷作硬化 ( (1) ) 加工硬化（或冷作硬化）定义加工硬化（或冷作硬化）定义 ( (2) ) 衡量表面层加工硬化的指标衡量表面层加工硬化的指标 表面层的显微硬度H； 硬化层深度h； 硬化程度N %100 0 0 HR HRHR N HR0：工件原表面：工件原表面 层的显微硬度。层的显微硬度。 加工表面质量及其控制 3.3.1 表面层的冷作硬化表面层的冷作硬化 ( (3) ) 影响切削加工冷作硬化的主要因素影响切削加工冷作硬化的主要因素 刀具刀具 切削用量切削用量 工件材料工件材料 刀刃钝圆半

16、径刀刃钝圆半径，冷作硬化，冷作硬化 后刀面磨损后刀面磨损，冷作硬化，冷作硬化 加工表面质量及其控制 3.3.1 表面层的冷作硬化表面层的冷作硬化 ( (3) ) 影响切削加工冷作硬化的主要因素影响切削加工冷作硬化的主要因素 刀具刀具 切削用量切削用量 工件材料工件材料 刀刃钝圆半径刀刃钝圆半径，冷作硬化，冷作硬化 后刀面磨损后刀面磨损，冷作硬化，冷作硬化 切削速度切削速度，分两种情况讨论，分两种情况讨论 进给量进给量，冷作硬化，冷作硬化。 加工表面质量及其控制 3.3.1 表面层的冷作硬化表面层的冷作硬化 ( (3) ) 影响切削冷作硬化的主要因素影响切削冷作硬化的主要因素 刀具刀具 切削用量

17、切削用量 工件材料工件材料 刀刃钝圆半径刀刃钝圆半径，冷作硬化，冷作硬化 后刀面磨损后刀面磨损，冷作硬化，冷作硬化 切削速度切削速度，切削温度，切削温度， 冷作硬化冷作硬化 进给量进给量，冷作硬化，冷作硬化 硬度硬度，冷作硬化，冷作硬化 塑性塑性，冷作硬化，冷作硬化 加工表面质量及其控制 3.3.2 表面层残余应力表面层残余应力 （1 1）表面残余应力产生机理）表面残余应力产生机理 加工表面质量及其控制 机理 a.冷塑性变形冷塑性变形 - + 距表层深度 0 加工时 加工表面质量及其控制 - + 距表层深度 0 加工时 0 - 距表层深度 + 加工后 加工表面质量及其控制 b.热塑性变形热塑性

18、变形 加工后 0 - 距表层深度 + 距表层深度 0 - + 加工时 加工表面质量及其控制 c金相组织变化的影响金相组织变化的影响 78. 7 96. 7 残余奥氏体： 奥氏体： 88. 7 78. 7 75. 7 铁素体： 珠光体： 马氏体： 加工表面质量及其控制 3.3.2 表面层的残余应力表面层的残余应力 (2) (2) 影响切削加工残余应力的主要因素影响切削加工残余应力的主要因素 刀具前角刀具前角 切削用量切削用量 工件材料工件材料 加工表面质量及其控制 3.3.2 表面层的残余应力表面层的残余应力 (3) (3) 影响磨削加工残余应力的主要因素影响磨削加工残余应力的主要因素 工程材料

19、工程材料 磨削用量磨削用量 加工表面质量及其控制 表面颜色与烧伤之间的关系： 黑 青 淡青 米黄 淡黄 3.3.3 加工表面的金相组织的变化加工表面的金相组织的变化 1 1 磨削烧伤磨削烧伤 加工表面质量及其控制 淬火烧伤淬火烧伤 回火烧伤回火烧伤 退火烧伤退火烧伤 磨削时工件表面温度超过相变临界 温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。在 冷却液作用下，工件最外层金属会出现二 次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火 马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回 火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极薄， 表面层总的硬度是降低的，这种现象称为 淬火烧伤。 磨削时，如果工件表面层温度只 是超过原来的回火温度，则表

20、层原来 的回火马氏体组织将产生回火现象而 转变为硬度较低的回火组织（索氏体 或屈氏体），这种现象称为回火烧伤。 磨削时，当工件表面层温度超过 相变临界温度Ac3时，则马氏体转变 为奥氏体。若此时无冷却液，表层金 属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织。 硬度和强度均大幅度下降。这种现象 称为退火烧伤。 2. 2. 磨削烧伤的三种形式磨削烧伤的三种形式 加工表面质量及其控制 3.3.磨削烧伤磨削烧伤, ,裂纹的控制措施裂纹的控制措施 (1)(1)正确选择砂轮正确选择砂轮 (2)(2)合理选择磨削用量合理选择磨削用量 (3)(3)改善冷却条件改善冷却条件 加工表面质量及其控制 3.3.磨削烧伤磨削烧伤,

21、 ,裂纹的控制措施裂纹的控制措施 (3)(3)改善冷却条件改善冷却条件 1 1、采用高压大流量冷却，冲刷砂轮，加强冷却、采用高压大流量冷却，冲刷砂轮，加强冷却； 2 2、在砂轮上安装空气挡板，消除附着气流、在砂轮上安装空气挡板，消除附着气流； 加工表面质量及其控制 3.3.磨削烧伤磨削烧伤, ,裂纹的控制措施裂纹的控制措施 (3)(3)改善冷却条件改善冷却条件 1 1、采用高压大流量冷却，冲刷砂轮，加强冷却、采用高压大流量冷却，冲刷砂轮，加强冷却； 2 2、在砂轮上安装空气挡板，消除附着气流、在砂轮上安装空气挡板，消除附着气流； 3 3、利用砂轮孔隙实现内冷却；、利用砂轮孔隙实现内冷却； 4

22、4、选用开槽砂轮。、选用开槽砂轮。 加工表面质量及其控制 图图 内冷却装置内冷却装置 1锥形盖锥形盖 2通道孔通道孔 3砂轮中心孔砂轮中心孔 4有径向小孔的薄壁套有径向小孔的薄壁套 加工表面质量及其控制 图图 开槽砂轮开槽砂轮 a） 槽均匀分布槽均匀分布 b）槽不均匀分布）槽不均匀分布 加工表面质量及其控制 1 1喷丸强化喷丸强化 3.3.4 提高表面层物理力学性能的加工方法提高表面层物理力学性能的加工方法 加工表面质量及其控制 1 1喷丸强化喷丸强化 3.3.4 提高表面层物理力学性能的加工方法提高表面层物理力学性能的加工方法 加工表面质量及其控制 2 2滚压加工滚压加工 3.3.4 提高表

23、面层物理力学性能的加工方法提高表面层物理力学性能的加工方法 加工表面质量及其控制 P f 单滚柱滚压单滚柱滚压 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。 加工表面质量及其控制 加工表面质量及其控制 第二章 机械加工表面质量 3-1 加工表面质量及其对使用性能的影响加工表面质量及其对使用性能的影响 3-2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及改进影响加工表面粗糙度的工艺因素及改进 3-3 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及改进影响表层金属力学物理性能的工艺因素及改进 3-4 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动 加工表面质量及其控制 3.4 3.4

24、机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动 振动频率高表面粗糙度值增大； 振动频率低产生波度。 加工表面质量及其控制 振动会在工件加工表面出现振纹，降低了工件的加工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；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振动会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨 损；损； 振动使机床连接部分松动，影响运动副的工作性能，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；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

25、小加工过程中的振动，有时不得操作者的身心健康。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。不降低切削用量，使机械加工生产率降低。 加工表面质量及其控制 3.4.1 3.4.1 强迫振动强迫振动 强迫振动的原因 由外界具有一定频 率的周期性变化的激振 力所引起的振动，称为 强迫振动。 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 加工表面质量及其控制 I.强迫振动是由周期性干扰力引起的，不会被阻尼衰减掉，振 动本身也不能使干扰力变化。 II.强迫振动的振动频率与外界干扰力的频率相同，而与系统 的固有频率无关。 III.强迫振动的幅值既

26、与干扰力的幅值有关，又与工艺系统的 特性有关。 当外界干扰力的频率接近或等于工艺系统的固有 频率时，就会引起共振现象，这时振幅极大，对工艺 系统的危害极其严重。 强迫振动的特点 加工表面质量及其控制 消除强迫振动的途径 (1)消振与隔振； (2)消除回转零件的不平衡； (3)提高传动件的制造精度； (4)提高系统刚度，增加阻尼。 加工表面质量及其控制 3.4.2 3.4.2 自激振动自激振动 1.1.定义定义 自激振动的原因 由加工系统本身引起交变切削力 反过来加强和维持自身振动的现象。 加工表面质量及其控制 自激振动的特点自激振动的特点 1)自激振动是一种不衰减的振动。 2)自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率 3)自激振动能否产生以及振幅的大小，决定于每一振动周期 内系统所获得的能量与所消耗的能量的对比情况。 4)自激振动的形成和持续，是由于过程本身产生的激振和反 馈作用。 加工表面质量