工艺讲稿第五章

1、 研究加工表面质量的目的研究加工表面质量的目的，就是要掌握机械加工的 各种工艺因素对加工表面质量影响的规律，以便应 用这些规律控制加工过程。最终获得高的加工表面 质量、提高产品使用性能的目的。 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、冷作硬化、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的 一层（几微米几十微米），但对零件的使用性能有很大的影响。 加工表面质量（加工表面质量（Surface quality),),也称为表面完整性（也称为表面完整性（Surface integrity) )：是指经过机械加工后，工件表面上形成的几何结构和影响 所及的，并与基体金属性能有所变异

2、的表面层状态。它包含两方面的 内容：表面几何学方面表面几何学方面和表面层材质的变化表面层材质的变化。 美国金属切削研究协会的M.Filed和J.Kahles于1964年提出了“表面 完整性”的概念，并将其定义为：由于受到加工方法的影响，导致成 品的表面状态或性能没有任何损伤，甚至有所加强的结果。 具体有：具体有： （一）表面形貌（一）表面形貌 主要描述加工后零件的几何特征，它包括表面粗糙度、表面波度和 纹理等。 （二）表面缺陷（二）表面缺陷 它是指加工表面上出现的宏观裂纹、伤痕和腐蚀现象等。 （三）微观组织和表面层的冶金化学性能三）微观组织和表面层的冶金化学性能 主要包括微观裂纹、微观组织变化

3、及晶间腐蚀等。 （四）表面层物理力学性能（四）表面层物理力学性能 主要包括表面层硬化深度和程度、表面层残余应力的大小、分布。 （五）表面层的其他工程技术特征（五）表面层的其他工程技术特征 主要包括摩擦特性、光的反射率、导电性和导磁性等。 主要研究内容与主要研究内容与表面质量的评定：表面质量的评定： 1表面的几何形状特征表面的几何形状特征 （1）表面粗糙度，一般用微观不平度的算术平均偏差Ra来表示。 （2）表面波度，一般常用测量长度上五个最大的波幅的算术 平均 值W 来表示。 （3）加工纹理，指表面刀痕的类型和方向。 （4）伤痕，指加工表面上一些个别位置上出现的缺陷，如沙眼， 气孔，裂痕，划痕等

4、。 表面粗糙度是一种微观几何形状误差，它是指在机械加工中，由 于切削刀痕、表面撕裂、振动和摩擦等原因在被加工表面上所产生的 间距较小的高低不平的几何形状。 我国有关粗糙度的国家标准是： GB/T 3505-2009 产品几何技术规范(GPS) 表面结构 轮廓法 术 语、定义及表面结构参数 GB/T 1031-1995 表面粗糙度参数及其数值。 GB/T 1311993 表面粗糙度符号、代号及其标注法。 评定参数评定参数 评定参数共有6个：其中高度参数3个，间距参数2个，综合 参数1个。 （1） 轮廓算术平均偏差Ra 在取样长度l内，轮廓的纵坐标y(x)的绝对值的算术平均值， 即 l a dxy

5、 l R 0 1 （2） 微观不平度十点平均高度Rz 在取样长度内5个最大的轮廓峰高ypi平均值与5个最大轮廓 谷深yvi平均值之和，即 5 1 5 1 5 1 i vi i piz yyR （3）轮廓最大高度Ry 在取样长度内，轮廓的峰顶线和谷底线之间的距离。峰顶线和 谷底线平行于中线且分别通过轮廓最高点和最低点 ，即 Ry=Rp+Rv （4）轮廓单峰平均间距S （5）轮廓微观不平度的平均间距Sm （6）综合参数轮廓的支承长度率tp 2表面层的物理机械性能的变化表面层的物理机械性能的变化 （1） 表面因塑性变形而引起的冷作硬化； 一般用冷硬层深度 h 及冷硬程度N来评定。 N=(H-H0)/

6、H0X100% 式中：H-已加工表面的显微硬度 H0-为原材料的硬度 切削加工后表面的冷作硬化 （2） 表面层因切削热而引起的金相组织的变化； 当温升超过相变临界点，就会产生组织变化。一般采用 金相组织的显微观测。 （3） 表面层由于切削而产生的残余应力。 在表面层及其与基体之间产生的互相平衡的应力，称为表 面残余应力。 一般判断应力的性质，是拉应力，还是压应力。也可以用 X光拍摄光谱图来分析残余应力的大小。 5.2 表面质量对使用性能的影响表面质量对使用性能的影响 表面质量对配合性质、耐磨性能，耐蚀性以及疲劳强度等都 有很大的影响。 一、一、 配合性质配合性质 （1） 表面粗糙度对配合性质的

7、影响表面粗糙度对配合性质的影响 动配合：动配合：在间隙配合中，如果配合表面粗糙，则在初期磨损阶段 由于配合表面迅速磨损，使配合间隙增大，改变了配合性质。 过盈配合：过盈配合：在过盈配合中，如果配合表面粗糙，则装配后表面的 凸峰将被挤压，而使有效过盈量减少，降低了配合强度。 实际过盈量 e(D1-D2) - 1.2(Ry1+Ry2)。 过渡配合：过渡配合：兼有上述两种问题。 二、耐磨性二、耐磨性 （1） 表面粗糙度对耐磨性能的影响表面粗糙度对耐磨性能的影响 表面粗糙度对耐磨性有很大的影响。 表面的磨损过程一般分为三个阶段： I 初磨损阶段初磨损阶段 ： 凸峰接触，面积小，磨损较快。 II 正常磨

8、损阶段正常磨损阶段 ： 65%75%接触面积。 III急剧磨损阶段急剧磨损阶段 ： 干摩擦，因表面间分子的亲和力，导致 磨损急剧增加。 大的粗糙度使初期磨损严重，粗糙度过小，磨损反而加剧。 工作时间 磨损量 IIIIII （2） 表面纹理及方向对耐磨性能的影响表面纹理及方向对耐磨性能的影响 纹理方向与运动方向相同好。 （3） 冷作硬化对耐磨性能的影响冷作硬化对耐磨性能的影响 表面硬化能提高耐磨性能，但过度的硬化，容易产生剥落。 （4） 残余应力对耐磨性能的影响残余应力对耐磨性能的影响 一般压应力使结构紧密，耐磨性能好。 三、耐蚀性能三、耐蚀性能 （1） 表面粗糙度对耐蚀性能的影响表面粗糙度对耐

9、蚀性能的影响 表面粗糙度的Ra值愈小，耐蚀性能就愈强。因为气体、水 汽及杂质易于凹谷集聚，从而产生化学反映。 （2） 表面层物理机械性能对耐蚀性能的影响表面层物理机械性能对耐蚀性能的影响 有残余拉应力和冷作硬化的零件表面，都会使零件的抗蚀 性下降。对于高强度钢产生回火现象，降低抗蚀性能。 四、疲劳强度四、疲劳强度 （1） 表面粗糙度对疲劳强度的影响表面粗糙度对疲劳强度的影响 Ra愈小，抗疲劳性能愈好。零件的疲劳破坏主要是当受到交变载 荷时，由于表面有裂纹，缺口等缺陷而产生。另外刀纹方向刀纹方向与受力 方向的关系对抗疲劳性能也有较大的影响，一般来说方向一致较好。 （2） 冷作硬化的影响冷作硬化的

10、影响 一般冷作硬化提高抗疲劳强度，但也有的材料如钛合金在一定 的温度下冷作硬化是不利的。 （3） 残余应力的影响残余应力的影响 压应力提高抗疲劳强度，拉应力降低抗疲劳强度。 由于冷作硬化和残余压应力在一般情况下对疲劳强度是有利的， 所以常采用喷丸、滚压和挤压等强化工艺。 5.3 表面粗糙度及影响因素表面粗糙度及影响因素 影响加工表面粗糙度的因素，主要有几何因素和物理因素。 一、切削加工后的表面粗糙度 1几何因素 影响表面粗糙度的几何因素是刀具相对工件作进给运动时， 在工件表面上遗留下来的切削层残留面积。 从公式可知：减小 f、Kr、 Kr 以及加大r均 可减小残留面积。 rr f H ctgK

11、ctgK = + () 22 rr rr KK fr tgtg H ctgKctgK e -+ = + 2.物理因素物理因素 在切削过程中，刀具的刃口圆角以及后面的挤压与摩擦使金属 材料产生塑性变形而使残留部分的理论轮廓受到影响。 因素：因素： （1） 切削速度：，Ra （2） 被加工材料： 韧性大 Ra，晶粒粗大 Ra （3）刀具的切削角度：前角大（锋利） Ra，后角大（减小摩擦） Ra （4）刀具材料与刃磨质量：强度高、刃磨好，Ra 物理因素 二、磨削加工后的表面粗糙度二、磨削加工后的表面粗糙度 磨削的过程是磨粒对工件表面的切削、刻划和滑擦三种作用的综合效应。 磨粒都可以看成是一个微小刀齿

12、。磨削过程中产生的塑性变形远大于切 削，常出现隆起现象。 因素有：因素有： （1）砂轮：砂轮粒度愈细愈好。 （2）砂轮的修整：磨削刃的等高性愈好愈好。 （3）磨削速度与工件圆周进给速度： / w愈大， 愈大 愈好。 （4）磨削切深和光磨次数：切深愈小愈好。 5.4 表面层物理机械性能及影响因素表面层物理机械性能及影响因素 一、加工表面层的冷作硬化 加工过程中工件表面产生的塑性变形使晶体产生剪切滑移， 晶格严重扭曲，并产生晶粒拉长、破碎和纤维化，这时它的强 度和硬度都有所增加，这就是冷作硬化冷作硬化现象。 影响因素：影响因素：产生塑性变形的力、速度力、速度以及变形时的温度温度。 力力愈大，塑性变

13、形也愈大，因而硬化程度也愈大。 变形速度变形速度愈大，塑性变形愈不充分，硬化程度也减小。 当温度当温度处在0.250.3 tm ( tm 为金属的熔点）会产生恢复现象， 也就是部分消除冷作硬化。 （一）影响表面层冷作硬化的工艺因素（一）影响表面层冷作硬化的工艺因素 1、刀具： 刀刃钝圆半径，冷作硬化； 后刀面磨损，冷作硬化。 2、切削用量： 切削速度，切削温度，则冷作硬化； 进给量，冷作硬化。 3、被加工材料：硬度，冷作硬化； 塑性，冷作硬化。 （二）减少表面层冷作硬化的措施（二）减少表面层冷作硬化的措施 1、合理选择刀具几何参数 前角，冷作硬化； 后角，冷作硬化； 钝圆半径 ，冷作硬化。 2

14、、限制后刀面磨损 3、合理选择切削用量 切削速度，冷作硬化； 进给量 ，冷作硬化 。 二、加工表面层的组织变化二、加工表面层的组织变化 当温度升高超过金相组织变化的临界点时，就会产生金相 组织变化。 如：如：温度在250350（马氏体转变温度），出现回火现象。 温度超过720（相变临界温度），由于冷却液的作用，出 现二次淬火马氏体。 磨削淬火钢时容易出现的烧伤：磨削淬火钢时容易出现的烧伤： 回火烧伤：磨削区温度超过马氏体转变温度，而未达相变温度， 产生回火组织索氏体或屈氏体）。 淬火烧伤：磨削区温度超过相变温度，由于冷却液急冷，表层出 现二次淬火马氏体。 退火烧伤：磨削区温度超过相变温度，不用

15、冷却液，工件缓慢冷 却，发生退火。 三、加工表面层的残余应力三、加工表面层的残余应力 原因：原因： 1. 冷态塑性变形冷态塑性变形 可以把工件等效抽象为三根弹簧，如图所示， 加工过程中如果产生拉伸塑性变形，则表面产生残余压应力。 如果产生压缩塑性变形，则表面产生残余拉应力。 因素：因素： 切削时：主要与刀具角度有关。 磨削时：主要与砂轮速度以及 进给量有关。 表层 里层 内层 初态 恢复状态 受力状态 塑性变形 切削力 产生残余压应力产生残余压应力 产生残余拉应力产生残余拉应力 2. 热态塑性变形热态塑性变形 温度升高，表面层热膨胀，由于受到里层表面的阻碍而产 生热压缩应力，温度超过材料的弹性

16、变形范围，产生塑性变 形，当温度下降时，表层产生拉应力。 3. 金相组织变化金相组织变化 不同的组织有不同的比重，表层如果体积膨胀，产生残余 压应力，反之产生残余拉应力。 如：马氏体 ： M =7.65； 奥氏体： A = 7.96； 屈氏体： T = 7.78； 索氏体： S = 7.78。 5.5 表面光整加工 表面光整加工的目的是为了获得高质量的表面，通常 作为机械加工的最终加工工序。 1、光整加工定义 旨在提高工件表面质量的各种加工方法、加工技术统称 为表面光整加工技术，简称光整加工。 2、光整加工分类 以降低工件表面粗糙度值为主要目的的光整加工，如光 整磨削、研磨、珩磨和抛光等。 以

17、改善工件表面物理力学性能为主要目的的光整加工， 如滚压、喷丸强化、金刚石压光和挤孔等。 （一）研磨（一）研磨 研磨研磨是将研磨工具表面嵌入磨料或敷 涂磨料并添加润滑剂，在一定的压力 作用下，使工件和研具接触并做相对 运动，通过磨料作用，从工件表面切 去一层极薄的切屑，使工件具有精确 的尺寸、准确的几何形状和很低的表 面粗糙度，这种对工件表面进行最终 精密加工的方法，叫做研磨。 （二）抛光（二）抛光 抛光抛光是用高速旋转的低弹性材料（棉布、毛毡、人造革等）抛光盘， 或用低速旋转的软质弹性或粘弹性材料（塑料、沥青、石蜡等）抛光 盘，加抛光剂，具有一定研磨性质的获得光滑加工表面的加工方法。 抛光加工

18、的方法抛光加工的方法主要有机械抛光、化学抛光、机械化学抛光、超声波 抛光和激光抛光加工等。现代发展的抛光加工方法还有浮动抛光、水 合抛光、磁流体抛光和磁悬浮抛光等。 抛光时所用的抛光盘一般是软质的，软质的，研磨时所用的研具一般是硬质的硬质的。 机械抛光固定磨料抛光盘粘附磨粒抛光盘 （三）（三） 喷丸强化喷丸强化 表面强化工艺是表面强化工艺是使指通过冷压加工的方法使表面层金属发生冷态塑性 变形，以减小表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面层产生残余压 应力。如滚压、喷丸强化等 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， 珠丸挤压工件表面的状态

19、, 可显著提高零件的疲劳 强度。 珠丸珠丸可以是铸铁的，也可以是切成小段的钢丝。 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 0.24mm，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。 喷丸加工原理 喷丸强化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，如叶 片、弹簧、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Ra52.5m 减小到Ra0.630.32m ， 可几倍甚至几十倍地提高零件的使用寿命几倍甚至几十倍地提高零件的使用寿命。 （四）（四） 滚压加工滚压加工 滚压加工是利用经过

20、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。 典型的滚压加工示意图。 车床用滚压工具车床用滚压工具 飞机起落架螺栓 5.6 工艺系统的振动及控制方法工艺系统的振动及控制方法 一一、振动对机械加工过程的影响振动对机械加工过程的影响 机械加工过程中，工艺系统常常会发生振动振动，即在工件和刀具 的

21、切削刃之间，除了名义上的切削运动外，还会出现一种周期性 的相对运动。 产生振动时，工艺系统的正常切削过程便受到干扰和破坏， 从而使零件加工表面出现振纹，降低了零件的加工精度和表面质 量，频率低时产生波度，频率高时产生微观不平度。强烈的振 动 会使切削过程无法进行，甚至造成刀具 “崩刃 ”。为此，常被迫 降低切削用量，致使机床、刀具的工作性能得不到充分的发挥， 限制了生产率的提高。振动还影响刀具的耐用度和机床的寿命， 发出噪声，恶化工 作环境，影响工人健康。 二、机械加工中振动的类型二、机械加工中振动的类型 振动按其产生的原因来分类有三种：自由振动自由振动、强迫振动强迫振动和 自激振动自激振动。

22、 具统计，强迫振动约占 30%，自激振动约占 65%，自 由振动占比重则很小。 自由振动自由振动往往是由于切削力的突然变化或其它外界力的冲击 等原因所引起的。这种振动一般可以迅速衰减，因此对机械加工 过程的影响较小。而强迫振动和自激振动都是不能自然衰减而且 危害较大的振动。下面就这两种振动形式进行简单的分析。 三、强迫振动三、强迫振动 强迫振动是受外界干扰而引起的，主要特点主要特点如下： 1.强迫振动是在外界周期性干扰力作用下产生。 2.强迫振动频率与外界干扰力的频率相同。 3.振幅的大小与干扰力的频率与系统频率的比值有关，当比值 等于或接近1时，将产生共振。 消除或减弱强迫振动的途径：消除或

23、减弱强迫振动的途径： 4.消除或尽量减小干扰力。 5.采取隔离措施。 6.增大系统刚度与阻尼，避免出现共振现象。 四、机械加工中的自激振动四、机械加工中的自激振动 在机械加工过程中，经常出现一种振动，是由振动过程本身引起 某种切削力的周期性变化，并由这个周期性变化的切削力，反过来加 强和维持振动，使振动系统补充由于阻尼作用而消耗的能量，这种类 型的振动称为自激振动自激振动。切削过程中产生的自激振动是频率较高的强 烈振动，通常又称为颤振颤振。 ( 一一 )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。振动过程本身能引起某种力 的周期性变化，从中获得能量的补充，以维持这个振动。 2 自激振动频率等于或接近系统的固有频率； 3 自激振动振幅大小，以及振动能否产生，取决于每一振动周 期内，系统获得的能量与消耗能量的对比情况。 ( 二二 )自激振动产生的机理自激振动产生的机理 加工过程中产生自激振动的根本原因，是振动过程中引起了切削力 的变化，并使F相离F相近。在每一振动周期中，切削力对工件（