第三章 机械加工表面质量(工艺学)

1、2022-4-141第三章 机械加工表面质量机械加工表面质量 2022-4-142第一节第一节 表面质量的概念表面质量的概念表面质量的含义：表面质量的含义：加工表面的几何形状特征：加工表面的几何形状特征：表面粗糙度表面粗糙度 指加工表面的微观几何形指加工表面的微观几何形状误差。波长与波高状误差。波长与波高(L3/H3)的比值小于的比值小于50。 表面粗糙度的现行标准为：表面粗糙度的现行标准为：GB/T131-93GB/T131-93。表示方法：表示方法：RaRa、RzRz、RyRy。表面波度表面波度 介于形状误差与表面粗糙介于形状误差与表面粗糙度之间的周期性形状误差。度之间的周期性形状误差。波

2、长与波高波长与波高(L2/H2)的比值一的比值一般为：般为：501000。纹理方向纹理方向 指表面刀纹的方向。它取指表面刀纹的方向。它取决于表面形成所采用的机械决于表面形成所采用的机械加工方法。加工方法。2022-4-143表面质量的含义：表面质量的含义： 加工表面的物理力学性能的变化：加工表面的物理力学性能的变化： 表面层因塑性变形引起的加工硬化（冷作硬化）；表面层因塑性变形引起的加工硬化（冷作硬化）； 表面层因力或热的作用产生的残余应力；表面层因力或热的作用产生的残余应力； 表面层因切削热或磨削热的作用引起的金相组织变化；表面层因切削热或磨削热的作用引起的金相组织变化；第一节第一节 表面质

3、量的概念表面质量的概念最外层生成有氧化膜或其它化合物，并吸收、渗进了气体、液体和固体的粒子。+2022-4-144表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响 对零件耐磨性的影响：对零件耐磨性的影响：表面粗糙度对耐磨性的影响表面粗糙度对耐磨性的影响刀纹方向对耐磨性的影响刀纹方向对耐磨性的影响冷作硬化对耐磨性的影响冷作硬化对耐磨性的影响残余应力对耐磨性的影响残余应力对耐磨性的影响 对零件耐疲劳性的影响：对零件耐疲劳性的影响：表面粗糙度对耐疲劳性的影响表面粗糙度对耐疲劳性的影响残余应力对耐疲劳性的影响残余应力对耐疲劳性的影响冷作硬化对耐疲劳性的影响冷作硬化对耐疲劳性的影响表面为压应力时

4、，耐疲劳性好。表面为压应力时，耐疲劳性好。冷作硬化程度冷作硬化程度 耐疲劳性耐疲劳性v表面纹理对耐磨性的影响表面纹理对耐磨性的影响表面纹理的形状表面纹理的形状, , 一般来说，圆弧状、凹坑状表面纹理的耐磨性一般来说，圆弧状、凹坑状表面纹理的耐磨性好；尖峰状的表面纹理由于摩擦副接触面压强大，耐磨性较差好；尖峰状的表面纹理由于摩擦副接触面压强大，耐磨性较差。 轻载时，轻载时，表面的纹理方向均与运动方向相间时，耐磨性较好；表面的纹理方向均与运动方向相间时，耐磨性较好；纹理方向均与运动方向相垂直时，耐磨性最差。纹理方向均与运动方向相垂直时，耐磨性最差。v冷作硬化对耐磨性的影响冷作硬化对耐磨性的影响 一

5、般都能使耐磨性有所提高。原一般都能使耐磨性有所提高。原因是硬度高，塑性低，减少了作用表面因是硬度高，塑性低，减少了作用表面的弹性和塑性变形，故减少了磨损。但的弹性和塑性变形，故减少了磨损。但硬度过渡时，表面层金属变脆，磨损反硬度过渡时，表面层金属变脆，磨损反而加剧。而加剧。表面为压应力时，使表面紧密耐磨性高。表面为压应力时，使表面紧密耐磨性高。2022-4-145表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响 对零件耐腐蚀性的影响：对零件耐腐蚀性的影响：Ra值值耐腐蚀性耐腐蚀性表面压应力表面压应力表面致密表面致密耐腐蚀性耐腐蚀性 对零件配合精度的影响：对零件配合精度的影响：实验研究表

6、明：实验研究表明：零件尺寸大于零件尺寸大于50mm时，推荐：时，推荐：Ra=(0.10.15)T零件尺寸在零件尺寸在1850mm时，推荐：时，推荐： Ra=(0.150.20)T零件尺寸小于零件尺寸小于18mm时，推荐：时，推荐： Ra=(0.200.25)T一定的精度应有相应的表面粗糙度！一定的精度应有相应的表面粗糙度！一定的尺寸公差要有相应的表面粗糙度！一定的尺寸公差要有相应的表面粗糙度！2022-4-146第二节第二节 maxrrctgctgfR rfHR82max,rrf Ra值值加工时，有塑性变形发加工时，有塑性变形发生。使实际表面比理论生。使实际表面比理论表面更粗糙。表面更粗糙。2

7、022-4-147切削加工中影响表面粗糙度的因素切削加工中影响表面粗糙度的因素物理因素：物理因素：切削速度：切削速度：脆性材料脆性材料v Ra工件材料性质：工件材料性质：刀具几何形状、材料：刀具几何形状、材料：前角前角Ra值值冷却润滑：冷却润滑：工艺系统的振动工艺系统的振动：一般韧性较大的塑性材料，加工后表面粗糙度值较大。而脆性材料加工后易得到较小的表面粗糙度值。对于同样材料，其晶粒组织越粗大，加工表面粗糙度值越大。切削塑性材料时，切削速度影响最大：v = 2050m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差2022-4-148 磨削加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度正像切削加工时

8、表面粗糙度的形成过程一样，磨削加工表面粗糙正像切削加工时表面粗糙度的形成过程一样，磨削加工表面粗糙度的形成也是由几何因素和表面层金属的塑性变形度的形成也是由几何因素和表面层金属的塑性变形(物理因素物理因素)决定的，决定的，但磨削过程要比切削过程复杂得多。但磨削过程要比切削过程复杂得多。 （一）几何因素的影响（一）几何因素的影响磨削表面是由砂轮上大量的磨粒刻划出的无数极细的沟槽形成的。磨削表面是由砂轮上大量的磨粒刻划出的无数极细的沟槽形成的。单纯从几何因素考虑，可以认为在单位面积上刻痕越多，即通过单单纯从几何因素考虑，可以认为在单位面积上刻痕越多，即通过单位面积的磨粒数越多，刻痕的等高性越好，则

9、磨削表面的粗糙度值位面积的磨粒数越多，刻痕的等高性越好，则磨削表面的粗糙度值越小。越小。（二）物理因素的影响（二）物理因素的影响表面层金属的塑性变形表面层金属的塑性变形砂轮的磨削速度远比一般切削加工的速度高得多，且磨粒大多为砂轮的磨削速度远比一般切削加工的速度高得多，且磨粒大多为负前角，磨削比压大，磨削区温度很高，工件表层温度有时可达负前角，磨削比压大，磨削区温度很高，工件表层温度有时可达900，工件表层金属容易产生相变而烧伤。因此，磨削过程的塑性，工件表层金属容易产生相变而烧伤。因此，磨削过程的塑性变形要比一般切削过程大得多。变形要比一般切削过程大得多。磨削加工中影响表面粗糙度的因素磨削加工

10、中影响表面粗糙度的因素2022-4-149磨削加工中影响表面粗糙度的因素磨削加工中影响表面粗糙度的因素磨削用量磨削用量砂轮的特性砂轮的特性粒度：粒度：粒度号粒度号Ra值值砂轮的硬度：砂轮的硬度：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精度精度砂轮的修整：砂轮的修整：冷却冷却影响磨削表面层金属塑性影响磨削表面层金属塑性变形的因素，往往是影响变形的因素，往往是影响表面粗糙度的决定因素。表面粗糙度的决定因素。2022-4-1410机械加工中，金属被加工表面层受切削力的作用产生塑性变形，使晶格扭曲，机械加工中，金属被加工表面层受切削力的作用产生塑性变形，使晶格扭曲，晶粒

11、间产生滑移剪切，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，引起表面层的强度和硬晶粒间产生滑移剪切，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，引起表面层的强度和硬度都提高的现象，称加工硬化（冷作硬化）。度都提高的现象，称加工硬化（冷作硬化）。金属冷作硬化的结果，使金属处于高能位不稳定状态，只要一有条件。金属金属冷作硬化的结果，使金属处于高能位不稳定状态，只要一有条件。金属的冷硬结构就会本能地向比较稳定的结构转化，这现象统称弱化。切削热将使的冷硬结构就会本能地向比较稳定的结构转化，这现象统称弱化。切削热将使冷硬现象得到恢复（减轻）。冷硬现象得到恢复（减轻）。影响表面层物理、力学性能变化的因素影响表面层物理、力学性能变化的因素

12、 表面层的加工硬化表面层的加工硬化评定指标：评定指标：表面层的显微硬度表面层的显微硬度 HV硬化层深度硬化层深度 h 硬化程度硬化程度 N%100HVHVHVN00 影响因素：影响因素：刀具刀具切削用量切削用量 工件材料工件材料 前角减少，刃口圆角和后刀面磨损前角减少，刃口圆角和后刀面磨损量增大时，径向切削分力也增大，塑性量增大时，径向切削分力也增大，塑性形变增大，冷作层深度和硬度也随之增形变增大，冷作层深度和硬度也随之增大。大。切削速度影响复杂（切削力与切削切削速度影响复杂（切削力与切削热综合作用结果）热综合作用结果）某些加工条件下，切削速度增大，某些加工条件下，切削速度增大，塑性变形减少，

13、塑性变形减少，有减小冷硬程度的趋有减小冷硬程度的趋势，势，但切削热在工件表面层上的作用但切削热在工件表面层上的作用时间也缩短了，又有使冷硬程度增加的时间也缩短了，又有使冷硬程度增加的趋势。因此最终冷硬程度增加。趋势。因此最终冷硬程度增加。另一些加工条件下，切削速度增大，另一些加工条件下，切削速度增大，塑性变形减少，硬化层深度和硬度降低。塑性变形减少，硬化层深度和硬度降低。工件硬度愈小，塑性愈大的材工件硬度愈小，塑性愈大的材料，冷作硬化愈严重。料，冷作硬化愈严重。图 f 和 v 对冷硬的影响硬度(HV)0f (mm /r)0.20.40.60.8v =170(m/min)135(m/min)10

14、0(m/min )50(m/min)100200300400工件材料：45进给速度增大，切削力增大，进给速度增大，切削力增大，塑性变形加剧，硬化现象增大。塑性变形加剧，硬化现象增大。很小进给速度出现相反的现象。很小进给速度出现相反的现象。2022-4-1411磨削用量砂轮工件材料 磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削影响表面层物理、力学性能变化的因素影响表面层物理、力学性能变化的因素2022-4-1412影响表面层物理、力学性能变化的因素影响表面层物理、力学性能变化的因素 表面层的金相变化表面层的金相变化加工中加工

15、中产生产生达到相变温度达到相变温度产生相变产生相变烧伤的形式：烧伤的形式：退火烧伤退火烧伤回火烧伤回火烧伤淬火烧伤淬火烧伤工件表面温度超过相变温度工件表面温度超过相变温度AC3，但，但无冷却液，工件表面被退火。无冷却液，工件表面被退火。工件干磨时易发生这种烧伤。工件干磨时易发生这种烧伤。工件表面温度未达到相变温度工件表面温度未达到相变温度AC3，但超过马氏体的转变温度，工件表但超过马氏体的转变温度，工件表层组织为回火屈氏体或索氏体。层组织为回火屈氏体或索氏体。工件表面温度超过相变温度工件表面温度超过相变温度AC3，冷，冷却充分，工件表面被二次淬火。但却充分，工件表面被二次淬火。但淬透层很薄，其

16、下层仍为回火屈氏淬透层很薄，其下层仍为回火屈氏体或索氏体。体或索氏体。表层金属就会发生金相组织变化，从而表层金属就会发生金相组织变化，从而使表面层强度和硬度降低，产生残余应使表面层强度和硬度降低，产生残余应力，甚至出现微观裂纹，表面呈现氧化力，甚至出现微观裂纹，表面呈现氧化膜颜色。这种现象被称为磨削烧伤。膜颜色。这种现象被称为磨削烧伤。2022-4-1413表面层的金相变化表面层的金相变化 影响磨削烧伤的因素：影响磨削烧伤的因素： 磨削用量磨削用量aP工件表层温度工件表层温度烧伤烧伤 V V砂轮砂轮工件表层温度工件表层温度烧伤烧伤ff工件表层温度工件表层温度烧伤烧伤V V工件工件工件表层温度工

17、件表层温度热源作用时间热源作用时间烧伤烧伤 工件材料工件材料 砂轮特性砂轮特性 冷却冷却工件材料硬度高、强度高、韧性和密度大都工件材料硬度高、强度高、韧性和密度大都会使磨削区温度升高，容易产生磨削烧伤。会使磨削区温度升高，容易产生磨削烧伤。采用粗粒度砂轮、较软的砂轮可避免磨削烧采用粗粒度砂轮、较软的砂轮可避免磨削烧伤发生。伤发生。2022-4-1414影响表面层物理、力学性能变化的因素影响表面层物理、力学性能变化的因素 表面层的残余应力表面层的残余应力冷态塑性变形冷态塑性变形热态塑性变形热态塑性变形局部金相组织变化局部金相组织变化在切削力的作用下，已加工面受后刀面的挤压，使在切削力的作用下，已

18、加工面受后刀面的挤压，使晶格扭曲，表层金属比容积增大，体积膨胀，而内晶格扭曲，表层金属比容积增大，体积膨胀，而内层金属又阻止其伸长。故加工后表面层残余应力为层金属又阻止其伸长。故加工后表面层残余应力为压应力压应力(- -)，里层为拉应力，里层为拉应力(+)。在切削热的作用下，已加工面产生热膨胀，此时表在切削热的作用下，已加工面产生热膨胀，此时表层产生热压应力。加工后，表层已产生的热塑性变层产生热压应力。加工后，表层已产生的热塑性变形收缩受到内层金属的阻碍。故加工后表面层残余形收缩受到内层金属的阻碍。故加工后表面层残余应力为拉应力应力为拉应力(+) ，里层为压应力，里层为压应力(- -) 。不同

19、的金相组织有不同的密度，如不同的金相组织有不同的密度，如M M=7.75g/cm=7.75g/cm3 3 A A=7.96g/cm=7.96g/cm3 3、P P=7.78g/cm=7.78g/cm3 3、F F=7.88g/cm=7.88g/cm3 3当金相组织变化时，由于密度不同，体积会发生变当金相组织变化时，由于密度不同，体积会发生变化。如果表层金属膨胀则残余应力为压应力化。如果表层金属膨胀则残余应力为压应力(- -)，反，反之，之，如果表层金属体积缩小则产生残余如果表层金属体积缩小则产生残余拉应力拉应力(+)。例如：淬火钢表面回火，表层金属由马氏体转变成屈氏体或索氏体，密度由例如：淬火

20、钢表面回火，表层金属由马氏体转变成屈氏体或索氏体，密度由7.757.75变为变为7.78g/cm7.78g/cm3 378.775.7VVV 78.703.0VV 210129.078.701.0V3VLL )MPa(9 .27010129. 0101 . 2LLE25 拉拉2022-4-1415金属熔化温度金属熔化温度金属高塑性温度金属高塑性温度标准室温标准室温切削中（升切削中（升温热膨胀时）温热膨胀时）切削结束后切削结束后 冷却收缩冷却收缩室温下室温下切削热产生残余拉应力的示意图切削热产生残余拉应力的示意图没有残余应力的没有残余应力的完全塑性状态完全塑性状态受热膨胀产生压应力受热膨胀产生压

21、应力不完全塑性状态不完全塑性状态影响表面层物理、力学性能变化的因素影响表面层物理、力学性能变化的因素2022-4-1416切削用量 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)0.2000.2001 00200300400距离表面深度(m) f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r 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)残余应力(Gpa)-0.2000.20vc

22、 =213m/minvc =86m/minvc =7.7m/min影响表面层物理、力学性能变化的因素影响表面层物理、力学性能变化的因素2022-4-14172022-4-1418刀具工件材料影响表面层物理、力学性能变化的因素影响表面层物理、力学性能变化的因素2022-4-14192022-4-14202022-4-14212022-4-1422磨削用量的影响磨削用量的影响 工件材料工件材料热变形和塑性变形对残余应力影响很大热变形和塑性变形对残余应力影响很大热因素起主导作用残余拉应力塑性变形起主导作用残余压应力淬火烧伤时，金相组织变化起主导作用残余压应力ap对残余应力的影响2022-4-1423

23、加工方法加工方法残余应力符号残余应力符号 /MPa应力层深度应力层深度h/mm车削车削一般外拉内压一般外拉内压 外压内拉外压内拉200800 刀具磨损刀具磨损1000一般外拉内压一般外拉内压0.050.1高速、负前角时高速、负前角时0.65磨削磨削一般外压内拉一般外压内拉20010000.050.30铣削铣削外压内拉外压内拉6001500碳钢淬硬碳钢淬硬外压内拉外压内拉400750钢珠滚压钢件钢珠滚压钢件外压内拉外压内拉700800喷丸强化钢件喷丸强化钢件外压内拉外压内拉10001200渗碳淬火渗碳淬火外压内拉外压内拉10001100镀铬镀铬外拉内压外拉内压400镀铜镀铜外拉内压外拉内压200

24、500/minm各种加工方法在工件表面残余的内应力各种加工方法在工件表面残余的内应力2022-4-1424第三节第三节采用光整加工方法降低表面粗糙度采用光整加工方法降低表面粗糙度表面强化工艺改善物理力学性能表面强化工艺改善物理力学性能渗氮、渗碳等化学热处理渗氮、渗碳等化学热处理激光表面处理技术激光表面处理技术机械强化工艺：机械强化工艺：滚压加工；滚压加工；喷丸强化；喷丸强化；液体磨料强化；液体磨料强化；2022-4-1425图4-71 滚压加工原理图图4-70 珠丸挤压引起残余应力 压缩拉伸塑性变形区域第三节第三节2022-4-1426v 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

25、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2022-4-1427v 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

26、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干扰力一个角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。 2022-4-1428图4-73 自激振动系统能量关系A B C能量EQEE0振幅电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)图4-72 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） 2022-4-1429切削过程，由于偶然干扰，使加工系统产生振动并在加工表面上留下振纹。第二次走刀时，刀具将在有振纹的表面上切削，使切削厚度发生变化，导致切削力周期性地变化，产生自激振动 图4-74 再生自激振动原理图f切入 切出y0ya）b）y0y切入 切出fc）fy0y切入 切出d）切入 切出fy0ya）b）c）系统无