机械制造工艺学_第五章

1、5.0 机械加工表面质量及其控制表面质量是零件加工质量的重要方面，对零件使用性能有重要影响。本章在介绍加工表面质量概念的基础上，重点讨论影响加工表面粗糙度和表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施。在影响机械加工表面质量的诸多因素中，切削用量、刀具几何角度以及工件、刀具材料等起着非常重要的作用，学习者应了解这些因素对加工表面质量的影响规律，并应注意其与切削原理知识之间的相联系。5.1 加工表面质量及其对零件使用性能的影响一 加工表面质量的概念加工表面的几何形貌表面粗糙度 波长/波高50。波度 波长/波高=501000；且具有周期特性。宏观几何形状误差（平面度、圆度等） 波长/波高1000。纹

2、理方向 表面刀纹形式。表面缺陷 如砂眼、气孔、裂纹等。a）波度b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度与波度5.1 加工表面质量及其对零件使用性能的影响一 加工表面质量的概念加工纹理方向及其符号标注a）纹理平行于标注代号的视图平面；b）纹理垂直于标注代号的视图平面；c）纹理呈交叉形；d）纹理呈近似同心圆；e）纹理呈迂回形；f）纹理呈近似放射形；g）纹理呈微粒，凸起，无方向5.1 加工表面质量及其对零件使用性能的影响一 加工表面质量的概念表面层金属力学物理性能和化学性能表面层金属冷作硬化：工件已加工表面的表层金属在切削加工过程中发生了强烈的塑性变形，表程金属内部晶粒受切削力的作用而产生了严重的扭曲畸变

3、，金属组织变得更为密实，其显微硬度明显高于工件材料本身硬度。表面层金属金相组织变化表面层金属残余应力加工变质层模型5.1 加工表面质量及其对零件使用性能的影响二 加工表面质量对零件使用性能的影响对耐磨性影响：由于一对刚加工好的摩擦副的两个接触表面之间，最初阶段只是在峰部接触，实际接触面积远小于理论面积，因此相互接触的峰部受到非常大的压力，其受到的剪切破坏严重，磨损快。之后实际接触面积增大，摩擦速度减慢。最后随着接触面积的不断增大，分子亲和力增加，机械咬合作用增大，磨损加快。表面粗糙度值，耐磨性，但有限度。纹理：圆弧状、凹坑状较好，纹理方向与运动方向较好。适当冷作硬化可提高耐磨性。5.1 加工表

4、面质量及其对零件使用性能的影响二 加工表面质量对零件使用性能的影响对耐疲劳性影响表面粗糙度值，耐疲劳性。拉伸残余应力易使疲劳裂纹增大，疲劳强度降低。压缩残余应力使疲劳强度增强。（影响较大）适当冷作硬化（产生表面压应力）可提高耐疲劳性。（一般伴有残余压应力的产生）。但硬化过高，易产生较大的脆性裂纹，降低疲劳强度。对耐蚀性影响表面粗糙度值，耐蚀性。表面压应力有利于提高耐蚀性。5.2影响加工表面的表面粗糙度的工艺因素及其改进措施一 切削加工表面的表面粗糙度残留面积直线刃车刀直线刃车刀影响因素：刀尖圆弧半径 r，主、副偏角r、r，进给量 f 。rH fcotr cotf 28rH 车削、刨削时残留面积

5、的高度5.2影响加工表面的表面粗糙度的工艺因素及其改进措施一 切削加工表面的表面粗糙度残留面积直线刃车刀直线刃车刀影响因素：刀尖圆弧半径 r，主、副偏角r、r，进给量 f 。rH fcotr cotf 28rH 车削、刨削时残留面积的高度5.2影响加工表面的表面粗糙度的工艺因素及其改进措施一 切削加工表面的表面粗糙度切削速度（积屑瘤）切削速度影响最大：v = 1050m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差。切削45钢时切削速度与粗糙度关系5.2影响加工表面的表面粗糙度的工艺因素及其改进措施二 磨削加工表面的表面粗糙度磨削加工的特点砂轮表面的形貌复杂，磨粒在砂轮表面上的分布是随机的，

6、高低不一，也很不规则。磨削速度高，且磨粒大多为负前角，单位切削力很大，所以切削温度很高，可达15001600度，工件表面温度也能高达900度，超过相变温度。因此与切削加工相比，塑性变形大得多。被加工表面是由无数个高低不等的磨粒滑擦、刻划和切削而成，因而衡量表面粗糙度的依据是单位时间内通过单位磨削面积的磨粒数多少（取出刻痕数多少）、刻痕的深浅及刻痕的均匀性。单位面积上的刻痕数越多、刻痕等高性越好、刻痕越均匀，则表面粗糙度越好。5.2影响加工表面的表面粗糙度的工艺因素及其改进措施二 磨削加工表面的表面粗糙度（从几何因素和塑性变形两方面影响）磨削用量砂轮速度v ，Ra工件速度vw，Ra砂轮纵向进给

7、f ，Ra磨削深度ap，Ra光磨次数 ，Ra磨削用量对表面粗糙度的影响光磨次数-Ra关系5.2影响加工表面的表面粗糙度的工艺因素及其改进措施二 磨削加工表面的表面粗糙度砂轮及修整砂轮粒度细，Ra；但要适量。砂轮硬度适中， Ra ；常取中软。砂轮组织适中，Ra ；常取中等组织。砂轮材料：与工件材料相适应（如氧化铝适于磨钢，碳化硅适于磨铸铁，金刚石砂轮适于磨陶瓷材料等）。采用超硬砂轮材料，Ra 砂轮精细修整， Ra 其他影响因素工件材料冷却润滑液等5.2影响加工表面的表面粗糙度的工艺因素及其改进措施二 磨削加工表面的表面粗糙度砂轮及修整砂轮粒度细，Ra；但要适量。砂轮硬度适中， Ra ；常取中软。

8、砂轮组织适中，Ra ；常取中等组织。砂轮材料：与工件材料相适应（如氧化铝适于磨钢，碳化硅适于磨铸铁，金刚石砂轮适于磨陶瓷材料等）。采用超硬砂轮材料，Ra 砂轮精细修整， Ra 其他影响因素工件材料冷却润滑液等5.2影响加工表面的表面粗糙度的工艺因素及其改进措施三 表面粗糙度测量比较法触针法： Ra0.025 m光切法： Rz0.560 m干涉法： Rz0.050.8 m工件驱动箱放大器处理器记录器显示表触针传感器触针法工作原理5.2影响加工表面的表面粗糙度的工艺因素及其改进措施三 表面粗糙度测量比较法1光源 2聚光镜 3窄缝 4工件表面 5目镜透镜 6分划板 7目镜双管显微镜测量原理5.2影响

9、加工表面的表面粗糙度的工艺因素及其改进措施三 表面粗糙度测量比较法干涉显微镜测量原理1光源 2、10、15聚光镜 3滤色片 4光阑 5透镜 6、9物镜7分光镜 8补偿 10、14、16反射镜 12目镜 13透光窗5.3影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施一 加工表面层的冷作硬化加工硬化 ：加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象。加工硬化的产生：加工表面严重变形层内金属晶格拉长、挤紧、扭曲、碎裂，使表层组织硬化。加工硬化度量表层金属显微硬度 HV硬化层深度 h（m）硬化程度 N式中 HV 硬化层显微硬度（HV）； HV0 基体层显微硬度（HV）。100%HVHV0HV0N 5.3影

10、响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施一 加工表面层的冷作硬化影响切削加工表面冷作硬化的因素切削用量影响f ，冷硬程度 。切削速度影响复杂（力与热综合作用结果）。背吃刀量影响不大。切削层厚度对冷硬的影响f 和 v 对冷硬的影响5.3影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施一 加工表面层的冷作硬化影响切削加工表面冷作硬化的因素刀具几何形状的影响rn，冷硬程度。0，冷硬程度。其他几何参数影响不明显。后刀面磨损影响显著。5.3影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施一 加工表面层的冷作硬化影响磨削加工表面冷作硬化因素磨削用量磨削深度 冷硬程度 。磨削速度 冷硬程度 （弱化作用加强）

11、。工件转速 冷硬程度 。纵向进给量影响复杂。砂轮砂轮粒度 冷硬程度 。砂轮硬度、组织影响不显著。 工件材料材料塑性 冷硬倾向 。材料导热性 冷硬倾向 。磨削深度对冷硬的影响vw=7.5m/min，vft=3750mm/min5.3影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施一 加工表面层的冷作硬化冷作硬化测量方法表层显微硬度HV显微硬度计：采用顶角为136金刚石压头，载荷2N。斜截面测量：可同时测出硬化层深度 h（下图）。硬化层深度测量斜截面测量显微硬度三 表面金属的残余应力残余应力的原因：材料表层比容的变化塑性变形表层拉伸塑性变形不能回复，比容增大，受到与它相连的里层未发生塑性变形金属的阻

12、碍。切削热表层发生热塑性变形，因此在冷却过程中，受到里层金属的限制，产生拉应残余应力。金相组织变化表层比容增大，则表层金属将产生压缩残余应力，而里层产生拉伸残余应力；表层比容减小，则表层金属将产生拉伸残余应力，而里层产生压缩残余应力；5.3影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施三 表面金属的残余应力残余应力影响因素切削用量v 残余应力 （热应力起主导作用）。 残余应力 。背吃刀量影响不显著。工件材料材料塑性 残余应力 。铸铁等脆性材料易产生残余压应力。不同材料差异明显。vc对残余应力的影响刀具：0=0=5，r=75，r=0.8， 工件：45切削条件：ap=0.3mm， f=0.05mm

13、/r，不加切削液f 对残余应力的影响5.3影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施三 表面金属的残余应力18CrNiMoA车削残余应力低速（620m/min）：拉伸残余应力（热应力起主导作用）。中速（200250m/min）：压缩残余应力。高速（500850m/min）：压缩残余应力（金相组织变化起主导作用）。切削速度对残余应力的影响5.3影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施三 表面金属的残余应力磨削加工残余应力磨削用量背吃刀量：很小压应力（塑性变形起主要作用）；增大拉应力（热变形起主要作用）；再增大压应力（塑性变形起主要作用）。v ，工件转速 拉应力 。背吃刀量对残余应力影响

14、5.3影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施三 表面金属的残余应力各种加工方法在工件表面上残留的内应力加工方法残余应力情况残余应力值/MPa残余应力层深度h/mm车削一般情况，表面受拉，里层受压；vc=500m/min时，表面受压，里层受拉200800，刀具磨损后可达1000一般情况，0.050.10；用大负前角（030）车刀，vc很大时，h可达0.65磨削一般情况，表面受压，里层受拉20010000.050.30铣削同车削6001500碳钢淬硬表面受压，里层受拉400750钢珠滚压钢件表面受压，里层受拉700800喷丸强化钢件表面受压，里层受拉10001200渗碳淬火表面受压，里层受拉10001100镀铬表面受拉，里层受压400镀铜表面受拉，里层受压2005.3影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施5.3影响表层金属力学物