机械加工表面质量正式

1、 尺寸精度 形状精度 位置精度 （通常形状误差限制在位置公差内，位 置公差限制在尺寸公差内） 表面粗糙度 波度 纹理方向 伤痕（划痕、裂纹、砂眼等） 加工精度 表面质量 表面几何形状精度 表面缺陷层 表层加工硬化 表层金相组织变化 表层残余应力 图1 加工质量包含的内容 表面质量：机器零件加工后表面层的状态。 它分为两个部分: 表面层的几何形状，包括零件宏观几何形状误差、波 度、表面粗糙度 a）波度 b）表面粗糙度 图8-2 零件加工表面的粗糙度与波度 RZ H RZ Ra（m） 初始磨损量 重载荷 轻载荷 图8-2表面粗糙度与 初始磨损量 表面粗糙度值 耐疲劳性 适当硬化可提高耐疲劳性 表面

2、粗糙度值耐蚀性 表面压应力：有利于提高耐蚀性 表面粗糙度值 配合质量 表面粗糙度值耐磨性，但有一定限度（图8-2） 纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好 见书p217图8-3 适当硬化可提高耐磨性 图8-4 车削时残留面积的高度 （8-1） max rr f R ctgctg 2 max 8 f R r （8-2） , rr rkkf 刀尖圆弧半径主偏角副偏角进给量 f r Rmax vf r b） Rmax f a） vf r r 形成原因：几何因素形成原因：几何因素 、物理因素、工艺系统的振动、物理因素、工艺系统的振动 图8-5 切削45钢时切削速度与粗糙度关系 100120 v（m/min

3、） 020406080140 表面粗糙度Rz（m） 4 8 12 16 20 24 28 收缩系数Ks 1.5 2.0 2.5 3.0 积屑瘤高度 h（m） 0 200 400 600 h Ks Rz 磨削机理磨削机理: 磨削的切削刃由无数砂粒组成，分布不均匀；磨削的切削刃由无数砂粒组成，分布不均匀； 大多数砂粒为负前角切削；大多数砂粒为负前角切削； 砂粒三种切削状态砂粒三种切削状态: 弹性变形不形成切削屑弹性变形不形成切削屑 钝化砂粒钝化砂粒 塑性变形形成沟槽不形成切削屑塑性变形形成沟槽不形成切削屑 较钝砂粒较钝砂粒 塑性变形强烈形成切屑塑性变形强烈形成切屑 锋利的砂粒锋利的砂粒 单位面积上

4、的刻痕数愈多，刻痕的等高性好则粗糙度单位面积上的刻痕数愈多，刻痕的等高性好则粗糙度 也愈小。也愈小。 影响表面粗糙度的三个因素： 几何因素几何因素 物理因素物理因素 工艺系统的振动工艺系统的振动 v 砂轮速度v，Ra v 工件速度vw，Ra v 砂轮纵向进给f，Ra v 磨削深度ap，Ra 图8-6 磨削用量对表面粗糙度的影响 vw = 40(m/min) f = 2.36(m /min) ap = 0.01(mm) v = 50(m/s) f = 2.36(m /min) ap = 0.01(mm) v(m/s), vw(m/min) Ra(m) 0 30405060 0.5 1.0 a）

5、ap(mm) 00.01 0.4 0.8 Ra(m) 0 0.2 0.6 0.020.030.04 b） 图8-7 光磨次数-Ra关系 Ra(m) 0 1020 30 0.0 2 0.0 4 0.0 6 光磨次数 粗粒度砂轮(WA60KV) 细粒度砂轮(WA/GCW14KB) v光磨次数，Ra v 砂轮粒度，Ra；但要适量 v 砂轮硬度适中， Ra ；常取中软 v 砂轮组织适中，Ra ；常取中等组织 v 采用超硬砂轮材料，Ra v 砂轮精细修整， Ra v 工件材料 v 冷却润滑液等 切削或磨削加工时，表面层金属由于塑性变形使晶体间产 生剪切滑移，晶格发生拉长，扭曲和破碎而得到强化。 评价指标

6、：冷硬层的深度h和表面层的显微硬度H,硬化程 度N. 取决因素：产生塑性变形的力，变形速度，变形时的温度。 完全强化与不完全强化； 机械加工时的表面层的冷作硬化是强化作用和回复作用的 综合结果。 0 H N H 切削用量影响 刀具影响 00.20.40.60.81.0 磨损宽度VB(mm) 100 180 260 340 硬度(HV) 50钢，v = 40(m/min) f = 0.120.2(mm/z) 图8-8 后刀面磨损对冷硬影响 工件材料 图8-7 f 和 v 对冷硬的影响 硬度(HV) 0 f (mm /r) 0.20.40.60.8 v =170(m/min) 135(m/min)

7、 100(m/min ) 50(m/min) 100 200 300 400 工件材料：45 磨削用量 砂轮 工件材料 图8-9 磨削深度对冷硬的影响 ap(mm) 硬度(HV) 00.25 300 350 450 500 400 0.500.75 普通磨削 高速磨削 加工表面层的金相组织变化加工表面层的金相组织变化 热变质层热变质层 切削加工中由于切削热的作用，加工表面层会产生金相 切削加工中由于切削热的作用，加工表面层会产生金相 组织变化。金相组织变化原因：加工区温升达到一定值，出组织变化。金相组织变化原因：加工区温升达到一定值，出 现金相组织变化，强度和硬度下降，产生残余应力，甚至引现金

8、相组织变化，强度和硬度下降，产生残余应力，甚至引 起裂纹，既产生烧伤现象。起裂纹，既产生烧伤现象。 磨削烧伤色磨削烧伤色 磨削烧伤后由于表层的氧化膜磨削烧伤后由于表层的氧化膜 按烧伤程度按烧伤程度 颜色由浅到深颜色由浅到深黄黄褐褐紫紫青青浅黄浅黄 退火烧伤退火烧伤：干磨削时，磨削区温度超过相变温度，马氏体：干磨削时，磨削区温度超过相变温度，马氏体 转变为奥氏体，因工件冷却缓慢，则表层硬度急剧下降，转变为奥氏体，因工件冷却缓慢，则表层硬度急剧下降， 工件表层被退火。工件表层被退火。 （1）冷态塑性变形）冷态塑性变形 （2）热态塑性变形）热态塑性变形 （3）金相组织变化）金相组织变化 产生残余应力

9、的原因：产生残余应力的原因： 冷塑性变形影响冷塑性变形影响 表层压表层压 应力、应力、 里层拉里层拉 应力应力 切削力切削力 受拉应力表层产受拉应力表层产 生塑性变形伸长生塑性变形伸长 表层面积增大里表层面积增大里 层弹性伸长层弹性伸长 切削结束里层弹切削结束里层弹 性变形要恢复受性变形要恢复受 阻外层塑性变形阻外层塑性变形 区区 工件工件 工件工件 + - - + o o oo 加工时加工时 加工后加工后 由冷塑性变形产生的残余应力由冷塑性变形产生的残余应力 里表 热塑性变形热塑性变形 表层受表层受 拉应力拉应力 、里层、里层 受压应受压应 力力 切削切削 温度温度 高高 表层体积膨胀受表层

10、体积膨胀受 阻基体，产生压阻基体，产生压 缩应力，产生热缩应力，产生热 塑性变形塑性变形 切削结束温度下切削结束温度下 降表层要收缩受降表层要收缩受 里层阻止里层阻止 工件工件 工件工件 - + o o + oo - 加工时加工时 加工后加工后 由热塑性变形产生的残余应力由热塑性变形产生的残余应力 机械加工以冷塑性变形为主机械加工以冷塑性变形为主 压应力压应力 切削加工切削加工(温度高温度高)以热塑性变形为主以热塑性变形为主 拉应力拉应力 磨削加工磨削加工 热塑性为主热塑性为主 拉应力拉应力 机械加工后是这三方面原因综合作用的结果：机械加工后是这三方面原因综合作用的结果： 人们希望获得表面人们

11、希望获得表面残余残余压应力压应力，往往进行表面，往往进行表面强化处理。强化处理。 切削用量 刀具 工件材料 图8-11 f 对残余应力的影响 工件：45，切削条件：vc=86m/min， ap=2mm，不加切削液 残余应力(Gpa) 0.20 0 0.20 01 0 0 200300400 距离表面深度(m) f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r 仅讨论切削加工 图8-10 vc 对残余应力的影响 0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件：45切削 条件：ap=0.3mm, f=0.05mm/r, 不加切削液 050100150200 距离表面深度(m)

12、 残余应力(Gpa) -0.20 0 0.20 vc =213m/min vc =86m/min vc =7.7m/min 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 图8-12 带空气挡板冷却喷嘴 8.4 8.4 控制加工表面质量的工艺控制加工表面质量的工艺 途径途径 图8-14 滚压加工原理图 图8-13 珠丸挤压引起残余应力 压缩 拉伸 塑性变形区域 v 影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度 v 影响生产效率 v 加速刀具磨损，易引起崩刃 v 影响机床、夹具的使用寿命 v 产生噪声污染，危害操作者健康

13、v 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。 v 由于系统中总存在由阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对 加工影响不大。 自由振动 强迫振动 自激振动 v 由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起 v 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 v 频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数 v 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 v 相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后

14、干扰力一个 角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。 图8-16 自激振动系统能量关系 A B C 能量E Q E E 0振幅 电动机 (能源) 交变切削力F(t) 振动位移 X(t) 图8-15 自激振动闭环系统 机床振动系统 （弹性环节） 调节系统 （切削过程） 调整振动系统小刚度主轴的位置 （图8-19） 式中 f 和 fn 分别为振源频率和 系统固有频率 x2 x2x1 x1 x1 x1x2 x2 图8-19 两种尾座结构 0.25 n ff f （7-33） 减小切削或磨削时的重叠系数（图8-20） 图8-20 重叠系数 ap fa B 振动方向XD f b bd a）切削b）磨削 r r ， 式中 bd 等效切削宽度，即本次切削实际切到上次切削残留振纹 在垂直于振动方向投影宽度； b 本次切削在垂直于振动方向上的切削宽度； B , fa 砂轮宽度与轴向进给量。 da bBf bB （切削）（磨削） （8-3