第五章 机械加工表面质量

1、第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量第一节第一节 机械加工表面质量的含义及其对零件使用机械加工表面质量的含义及其对零件使用 性能的影响性能的影响第二节第二节 影响表面粗糙度的工艺因素及其改善措施影响表面粗糙度的工艺因素及其改善措施第三节第三节 影响零件表面层物理力学性能的因素及其影响零件表面层物理力学性能的因素及其 改善措施改善措施第四节第四节 工艺系统的振动及其控制措施工艺系统的振动及其控制措施第一节第一节 机械加工表面质量的含义及其对零件机械加工表面质量的含义及其对零件一、机械加工表面质量的含义一、机械加工表面质量的含义图5-1表面质量的含义有两方面内容。1 1、表面的几何特征、

2、表面的几何特征图5-2u（1）表面粗糙度u（2）表面波度u（3）纹理方向2 2、表面层物理力学性能、表面层物理力学性能由于机械加工中力因素和热因素的综合作用，加工表面层金属的物理力学性能和化学性能发生一定的变化，主要表现在以下几个方面：u1）表面层加工硬化（冷作硬化）。u2）表面层金相组织变化。u3）表面层产生残余应力。二、机械加工表面质量对零件使用性能的影响二、机械加工表面质量对零件使用性能的影响 1 1、表面质量对零件、表面质量对零件耐磨性耐磨性的影响的影响零件的磨损可分为三个阶段：初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段。图5-3图5-4图5-5 2 2、表面质量对零件、表面质量对零件疲

3、劳强度疲劳强度的影响的影响在交变载荷作用下，零件表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷最易形成应力集中，并发展成疲劳裂纹，导致零件疲劳破坏。表面残余应力对疲劳强度的影响极大。表面层的加工硬化对疲劳强度也有影响。3 3、表面质量对零件、表面质量对零件耐蚀性耐蚀性的影响的影响零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度值。表面残余应力对零件耐蚀性也有较大影响。 4 4、表面质量对、表面质量对配合性质配合性质的影响的影响相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。对间隙配合而言，表面粗糙度值太大，会使配合表面很快磨损而增大配合间隙，改变配合性质，降低配合精度。对过盈配合而言，装配时配合表面的波峰被挤平，减小了

4、实际过盈量，降低了连接强度，影响了配合的可靠性。所以对有配合要求的表面都要求有较小的表面粗糙度值。表面残余应力会引起零件变形，使零件形状和尺寸发生变化，因此对配合性质也有一定的影响。三、表面完整性的概念三、表面完整性的概念表面完整性的内容主要有：u(1)表面形貌u (2)表面缺陷u (3)微观组织与表面层的冶金化学特性1)微观裂纹。2)微观组织变化，包括晶粒大小和形状、析出物和 再结晶等的变化。3)晶间腐蚀和化学成分的优先溶解。4)对于氢氧等元素的化学吸收作用所引起的脆性等。u (4)表面层物理力学性能u (5)表面层其他工程技术特性第二节第二节 影响表面粗糙度的工艺因素及影响表面粗糙度的工艺

5、因素及其改善措施其改善措施一、切削加工的表面粗糙度一、切削加工的表面粗糙度1 1、几何因素、几何因素图5-62 2、物理因素、物理因素影响切削加工表面粗糙度的物理因素：u（1）工件材料的影响u（2）刀具几何参数的影响u（3）切削用量的影响u（4）刀具材料与刃磨质量的影响u（5）冷却润滑液的影响图5-7图5-8二、磨削加工的表面粗糙度二、磨削加工的表面粗糙度图5-91)与磨削砂轮有关的因素主要是砂轮的粒度、硬度以及对砂轮的修整等。(2)与工件材质有关的因素包括材料的硬度、塑性、导热性等。图5-10(3)与加工条件有关的因素包括磨削用量、冷却条件及工艺系统的精度与抗振性等。图5-11第三节第三节

6、影响零件表面层物理力学性能影响零件表面层物理力学性能的因素及其改善措施的因素及其改善措施一、表面层的加工硬化一、表面层的加工硬化1 1、加工硬化的产生及衡量指标、加工硬化的产生及衡量指标在机械加工过程中，工件表面层金属受切削力的作用，产生强烈的塑性变形，使金属的晶格扭曲，晶粒被拉长、纤维化甚至破碎而引起的表面层的强度和硬度增加，塑性降低，物理性能(如密度、导电性、导热性等)也有所变化。这种现象称为加工硬化，又称为冷作硬化或强化。切削热在一定条件下会使金属在塑性变形中产生回复现象，使金属失去加工硬化中所得到的物理力学性能，这种现象称为弱化。 衡量加工硬化的指标有下列三项：u1)表面层的显微硬度H

7、V。u2)硬化层深度WT5BXh0。u3)硬化程度N。2 2、影响加工硬化的因素、影响加工硬化的因素u1)切削力越大，塑性变形越大，硬化程度和硬化层深度也越大。u2)切削温度越高，则弱化作用增大，使冷硬作用减小。u3)被加工材料的硬度低、塑性好，则切削时塑性变形越大，冷硬现象就越严重。%100HVHVHV00N二、表面层的残余应力二、表面层的残余应力1 1、表面层残余应力产生的原因、表面层残余应力产生的原因表面层残余应力的产生，主要有以下三种原因:u（1）冷态塑性变形引起的残余应u（2）热态塑性变形引起的残余应力u（3）金相组织变化引起的残余应力2 2、影响表面层残余应力及磨削裂纹的因素、影响

8、表面层残余应力及磨削裂纹的因素图5-12图5-13磨削裂纹和残余应力有着密切的关系，当残余应力超过材料的强度极限，材料表面就会产生裂纹。影响产生磨削裂纹的因素很多，主要是围绕着“热”。图5-14三、表面层金相组织变化与磨削烧伤三、表面层金相组织变化与磨削烧伤1 1、表面层金相组织变化与磨削烧伤原因、表面层金相组织变化与磨削烧伤原因磨淬火钢时，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：u1)如果工件表面层温度未超过相变温度Ac3(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托氏体或索氏体，这称为回火烧伤。u2)当工件

9、表面层温度超过相变温度Ac3，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托氏体，导致表面层总的硬度降低，这称为淬火烧伤。u3)当工件表面层温度超过相变温度Ac3，则马氏体转变为奥氏体，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。2 2、影响磨削烧伤的因素影响磨削烧伤的因素及其及其改善措施改善措施磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤可有两个途径：一是尽可能减少磨削热的产生；二是改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。现将有关问题分述如下：u(1)合理选择磨削用量u(2)工

10、件材料u(3)砂轮的选择u(4)改善冷却条件图5-15图5-16图5-17图5-18四、提高和改善零件表面层的物理力学性能的措施四、提高和改善零件表面层的物理力学性能的措施 ( (一一) )零件破坏形式和最终工序的选择零件破坏形式和最终工序的选择1 1、疲劳破坏、疲劳破坏2 2、滑动磨损、滑动磨损3 3、滚动磨损、滚动磨损图5-19 ( (二二) )表面强化工艺表面强化工艺表面强化工艺表面强化工艺：表面强化工艺是指在常温下通过冷加工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。 1 1、喷丸强化、喷丸强化2 2、滚压加工、滚压加工3 3、液体磨料

11、强化、液体磨料强化图5-20第四节第四节 工艺系统的振动及其控制措施工艺系统的振动及其控制措施一、机械加工中的振动现象一、机械加工中的振动现象( (一一) )机械振动的分类机械振动的分类1、自由振动2、强迫振动3、自激振动( (二二) )振动对机械加工的影响振动对机械加工的影响主要表现在：u(1)影响零件的表面质量u(2)影响生产率u(3)影响机床、夹具和刀具寿命u(4)振动噪声污染工作环境二、强迫振动二、强迫振动 1 1、强迫振动产生的原因、强迫振动产生的原因u(1)系统外部的周期性激振力u(2)高速回转零件的质量不平衡引起的振动u(3)传动机构的缺陷和往复运动部件的惯性力引起的振动u(4)

12、切削过程的间歇性2 2、强迫振动的、强迫振动的数学描述及特性数学描述及特性图5-21图5-22强迫振动的特性是：强迫振动的特性是：u(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。u(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。u(3)强迫振动的幅值既与激振力的幅值有关，又与工艺系统的动态特性有关。图5-23三、自激振动三、自激振动自激振动自激振动: :切削加工时，在没有周期性外力作用的情况下，有时刀具与工件之间也可能产生强烈的相对振动，并在工件的加工表面上残留下明显的、有规律的振纹。这种由振动系统本身产生的交变力激发和维持的振动称

13、为自激振动，通常也称为颤振。( (一一) )自激振动的产生条件和特性自激振动的产生条件和特性通常将自激振动看成是由振动系统(工艺系统)和调节系统(切削过程)两个环节组成的一个闭环系统。图5-24( (二二) )自激振动的激振学说自激振动的激振学说1 1、负摩擦激振学说、负摩擦激振学说图5-252 2、再生颤振学说、再生颤振学说图5-26图5-273 3、坐标联系学说、坐标联系学说图5-28图5-29四、机械加工中振动的诊断方法四、机械加工中振动的诊断方法一般诊断步骤如下：u1）拾取诊断信号，作机床工作时的频谱图。u2）做环境试验，查找机外振源。u3）做空运转试验，查找机内振源。五、机械加工中振动的控制五、机械加工中振动的控制机械加工中控制振动的途径有三个方面：消除或减弱产生机械振动的条件；改善工艺系统的动态特性，增强工艺系统的稳定性；采取各种消振减振装置。( (一一) )消除或减弱产生强迫振动的条件消除或减弱产生强迫振动的条件u1)减小激振力u2)调整振源频率u3)采取隔振措施( (二二) )消除或减弱产生自激振动的条件消除或减弱产生自激振动的条件1 1、合理选择切削用量、合理选择切削用量图5-30图5-31图5-322 2、合理选择刀具