机械加工表面质量

1、机械制造基础机械制造基础第第7章章本次课目的本次课目的 明白表面质量的含义及其对零件使用性明白表面质量的含义及其对零件使用性能的影响能的影响 能写出控制表面质量的工艺途径和工艺能写出控制表面质量的工艺途径和工艺措施措施措施措施 能区分振动种类并能说出其相应的抑制能区分振动种类并能说出其相应的抑制振动的措施振动的措施6.2.1 6.2.1 基本概念基本概念1.1.机械加工表面机械加工表面质量的含义质量的含义 评价零件的质量指标除机械加工精评价零件的质量指标除机械加工精度外，还包括机械加工表面质量度外，还包括机械加工表面质量表面质量是指零件加工后的表面层状态表面质量是指零件加工后的表面层状态表面质

2、量影响零件的工作性能、可靠性、寿命表面质量影响零件的工作性能、可靠性、寿命表面微观几何形状误差表面微观几何形状误差表面切削加工刀表面切削加工刀纹的形状和方向纹的形状和方向介于宏观几何误差与介于宏观几何误差与表面粗糙度之间的周表面粗糙度之间的周期性几何形状误差期性几何形状误差加工表面个别位置出现的缺陷加工表面个别位置出现的缺陷表面层加工硬化表面层加工硬化（冷作硬化）（冷作硬化）表面层产生残余应力表面层产生残余应力表面层金相组织变化表面层金相组织变化2 2、加工表面质量对零件、加工表面质量对零件使用性能的影响使用性能的影响 表面粗糙度：表面粗糙度：表面冷作硬化：表面冷作硬化：有最佳有最佳Ra =

3、0.80.4Ra = 0.80.4%10000HHHNN N适当适当耐磨性耐磨性N N太严重太严重表层组织疏松、剥落表层组织疏松、剥落耐磨性耐磨性有最佳有最佳N N表面纹理方向：表面纹理方向：轻载：两表面文理与相对运动方向一致轻载：两表面文理与相对运动方向一致磨损最小磨损最小重载：未必重载：未必粗糙度粗糙度RaRa应力集中严重应力集中严重-1-1适当的适当的NN阻止裂纹扩大阻止裂纹扩大-1-1残余压应力残余压应力-1-1残余拉应力残余拉应力+ +-1-1粗糙度粗糙度RaRa易存腐蚀液体易存腐蚀液体耐蚀性耐蚀性冷作硬化冷作硬化耐蚀性耐蚀性残余压应力残余压应力表面致密表面致密耐蚀性耐蚀性残余拉应力

4、残余拉应力+ +表面显微裂纹表面显微裂纹耐蚀性耐蚀性粗糙度粗糙度RaRa密封性能密封性能接触刚度接触刚度运动的灵活性运动的灵活性发热损失发热损失粗糙度粗糙度Ra Ra 冷作硬化冷作硬化表层金属剥落表层金属剥落配合性配合性质和精度破坏质和精度破坏残余应力残余应力零件变形零件变形影响配合性影响配合性质和精度质和精度) (rrkctgctgkfH+=028rfH6.2.26.2.2加工表面几何特征的形成加工表面几何特征的形成及其影响因素及其影响因素尖刀切削时尖刀切削时圆角刀切削时圆角刀切削时切削力和摩擦力切削力和摩擦力塑性变形过程中形成的积屑瘤塑性变形过程中形成的积屑瘤切削过程中工件表面上形成鳞刺切

5、削过程中工件表面上形成鳞刺在加工过程中，工艺系统有时在加工过程中，工艺系统有时会发生振动会发生振动切切削削加加工工刀具参数刀具参数工件材料性能工件材料性能磨磨削削加加工工切削用量切削用量磨削用量磨削用量砂轮参数砂轮参数工件材料性能工件材料性能切削液切削液磨削液磨削液影响切削加工表面影响切削加工表面粗糙度的因素粗糙度的因素刀具几何形状刀具几何形状刀具材料、刃磨质量刀具材料、刃磨质量切削用量切削用量工件材料工件材料残留面积 Ra前角 Ra后角摩擦Ra刃倾角会影响实际工作前角 v Raf Raap对Ra影响不大，太小会打滑，划伤已加工表面材料塑性 Ra同样材料晶粒组织大 Ra，常用正火、调质处理刀具

6、材料强度 Ra刃磨质量 Ra冷却、润滑 Ra减小切削表面粗糙减小切削表面粗糙度的工艺措施度的工艺措施适当增大前角、后角适当增大前角、后角增大刀尖圆弧半径增大刀尖圆弧半径减小主、副偏角减小主、副偏角减小材料塑性减小材料塑性（采取正（采取正火、调质等方法）火、调质等方法）细化材料晶粒细化材料晶粒（热处理热处理）合理选择切削速度，避开积屑合理选择切削速度，避开积屑瘤、鳞刺产生的切削速度区瘤、鳞刺产生的切削速度区适当减少进给量适当减少进给量切削深度不宜过小切削深度不宜过小乳化液、硫化油、植物油等乳化液、硫化油、植物油等性能各有不同，应合理选用性能各有不同，应合理选用常用的有：常用的有：研磨、珩磨、研磨

7、、珩磨、超精加工等超精加工等主运动和进给运动主运动和进给运动系统的精度要高系统的精度要高系统的刚度和抗振性好系统的刚度和抗振性好受力变形和热变形要小受力变形和热变形要小磨削表面质量磨削表面质量磨削精度高，通常作为终加工工序磨削精度高，通常作为终加工工序磨削过程比切削复杂，一般滑擦、磨削过程比切削复杂，一般滑擦、刻划、切削作用是同时进行的刻划、切削作用是同时进行的磨削速度高，通常磨削速度高，通常v砂砂=4050m/s，目前甚至高达目前甚至高达v砂砂=80200m/s磨削温度高，磨削点附近的瞬时温度可磨削温度高，磨削点附近的瞬时温度可高达高达8001000，会引起烧伤和裂纹，会引起烧伤和裂纹径向切

8、削力大，会引起机床发生振动和弹性变形径向切削力大，会引起机床发生振动和弹性变形砂轮线速度砂轮线速度粗糙度值粗糙度值工件线速度工件线速度粗糙度值粗糙度值纵向进给量纵向进给量粗糙度值粗糙度值光磨次数越多，光磨次数越多，粗糙度值越小粗糙度值越小应合理使用切削液应合理使用切削液砂轮的粒度砂轮的粒度砂轮的硬度砂轮的硬度砂轮的修整砂轮的修整硬度、塑性、导热性等影响较大硬度、塑性、导热性等影响较大工件材料太软、太硬、太工件材料太软、太硬、太韧都不容易减小粗糙度韧都不容易减小粗糙度影响磨削加工表面影响磨削加工表面粗糙度的因素粗糙度的因素粒度粒度Ra 金刚石笔锋利金刚石笔锋利，修正导程、，修正导程、径向进给量径

9、向进给量 Ra磨粒等高性磨粒等高性Ra硬度硬度钝化磨粒脱落钝化磨粒脱落 Ra硬度硬度磨粒脱落磨粒脱落Ra硬度合适、自励性好硬度合适、自励性好Ra太硬、太软、韧性、导热性差 Ra砂轮粒度砂轮粒度工件材料性质工件材料性质砂轮修正砂轮修正磨削用量磨削用量砂轮硬度砂轮硬度砂轮砂轮V Raap、工件、工件V 塑变塑变 Ra粗磨粗磨ap生产率生产率精磨精磨ap Ra(ap=0光磨光磨) 1 1、表面层的残余应力、表面层的残余应力当切削过程中表面层组织发生形状当切削过程中表面层组织发生形状变化和组织变化时，在表面层及其变化和组织变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平与基体材料的交界处会产生互相平

10、衡的弹性应力，称为表面残余应力衡的弹性应力，称为表面残余应力冷塑性变形冷塑性变形（切削力的作用切削力的作用）热塑性变形热塑性变形（切削热的作用切削热的作用）+ +金相组织变化金相组织变化（切削高温作用下，引起表面层金属发生相变切削高温作用下，引起表面层金属发生相变）V V大大V V小小时时+通常是上述三种原因综合作用的结果通常是上述三种原因综合作用的结果2 2、表面层的加工硬化、表面层的加工硬化切削切削（含磨削）（含磨削）过程中，刀具前面迫使过程中，刀具前面迫使金属受到挤压而产生塑性变形，使晶体金属受到挤压而产生塑性变形，使晶体间产生剪切滑移，晶格严重扭曲，并使间产生剪切滑移，晶格严重扭曲，并

11、使晶粒拉长、破碎和纤维化，引起材料强晶粒拉长、破碎和纤维化，引起材料强化、硬度提高，这就是冷作硬化现象化、硬度提高，这就是冷作硬化现象表面冷作表面冷作硬化现象硬化现象HVHV-HVN0评定指标：评定指标：表面层的显微硬度表面层的显微硬度H H；硬化层深度硬化层深度h h；硬化程度硬化程度N N：%100HH-HN00表面层表面层硬化后硬化后的金属的金属性质的性质的具体特具体特点为点为晶体形状改变晶体形状改变（拉长、破碎）（拉长、破碎）晶体方向改变晶体方向改变（塑变后形成纤维化）（塑变后形成纤维化）变形抵抗力增加变形抵抗力增加（产生冷作硬化）（产生冷作硬化）导电、导磁、导热性亦有变化导电、导磁、

12、导热性亦有变化表面层产生残余应力表面层产生残余应力决定表决定表面层硬面层硬化程度化程度的因素的因素产生塑性变形的力产生塑性变形的力塑性变形的速度塑性变形的速度塑性变形时的温度塑性变形时的温度影响表面层加工影响表面层加工硬化的因素硬化的因素切削切削速度速度进给量进给量低速时，塑性变形大，冷硬大低速时，塑性变形大，冷硬大速度增加，冷硬减少；但速度速度增加，冷硬减少；但速度超过超过100m/min时，冷硬又增加时，冷硬又增加进给量增大，塑性变进给量增大，塑性变形增大，冷硬增加形增大，冷硬增加进给量太小，刀具挤压进给量太小，刀具挤压作用增大，冷硬增加作用增大，冷硬增加刀具的刃口圆角大和后刀面的磨刀具的

13、刃口圆角大和后刀面的磨损严重以及前刀面的粗糙度高，损严重以及前刀面的粗糙度高，都将使得刀具对工件表面层金属都将使得刀具对工件表面层金属的挤压和摩擦作用增加，因而冷的挤压和摩擦作用增加，因而冷硬程度和深度都增加硬程度和深度都增加工件材料硬度越低，切削时塑工件材料硬度越低，切削时塑性变形越大，冷硬现象越严重性变形越大，冷硬现象越严重切削力切削力冷作硬化冷作硬化切削热切削热冷作硬化冷作硬化利用淬过火的滚压工具对工件表面施利用淬过火的滚压工具对工件表面施加压力，使其产生塑性变形，金属表加压力，使其产生塑性变形，金属表面晶格产生畸变，面晶格产生畸变，硬度增加，并使表硬度增加，并使表面冷和产生残余（压）应

14、力，面冷和产生残余（压）应力，从而提从而提高零件的承载能力和疲劳强度高零件的承载能力和疲劳强度典型滚压加工典型滚压加工外圆滚压工具外圆滚压工具利用金刚石挤压，压光利用金刚石挤压，压光后后Ra可达可达0.4 0.02m利用大量的珠丸（利用大量的珠丸（0.42的铸铁、的铸铁、砂石或钢丸）高速打击已加工表面，砂石或钢丸）高速打击已加工表面，使表面产生冷硬层和残余（压）应力，使表面产生冷硬层和残余（压）应力，从而提高零件的疲劳强度从而提高零件的疲劳强度利用液体和磨料的混合物高速喷利用液体和磨料的混合物高速喷射到已加工表面，射到已加工表面，以强化工件表以强化工件表面，提高工件的耐磨性、抗蚀性面，提高工件

15、的耐磨性、抗蚀性和抗疲劳强度和抗疲劳强度液体磨料喷液体磨料喷射加工原理射加工原理在工具和工件之间接一脉冲在工具和工件之间接一脉冲电源，使工具和工件之间不电源，使工具和工件之间不断产生火花放电，使零件表断产生火花放电，使零件表面产生物理化学变化，从而面产生物理化学变化，从而强化表面，改善其表面性能强化表面，改善其表面性能 当激光束照射到金属表面时，当激光束照射到金属表面时，其能量被吸收并转化为热，其能量被吸收并转化为热，由于激光转化为热的速率是由于激光转化为热的速率是金属材料传导率的数倍乃至金属材料传导率的数倍乃至数十倍，材料表面所获得的数十倍，材料表面所获得的热量还来不及向基体扩散，热量还来不

16、及向基体扩散，就使得表面迅速达到相变温就使得表面迅速达到相变温度以上；当激光束移开被处度以上；当激光束移开被处理表面的瞬间，表面热量很理表面的瞬间，表面热量很快被扩散传至基体，即自激快被扩散传至基体，即自激冷却产生冷却产生淬火效应淬火效应 激光激光强化强化的的工艺工艺特点特点热影响区小，表面变形极小热影响区小，表面变形极小 一般不受工件形状及部位一般不受工件形状及部位的限制，适应性较强的限制，适应性较强 加热与冷却均在正常空气中进行，不用加热与冷却均在正常空气中进行，不用淬火介质，工件表面清洁，操作简便淬火介质，工件表面清洁，操作简便 淬硬淬硬层组织细密，具有较高的硬层组织细密，具有较高的硬度

17、（达度（达800HV），），强度、韧性、强度、韧性、耐磨性及耐腐蚀性耐磨性及耐腐蚀性也较高也较高 表面硬化表面硬化层较浅，通常为层较浅，通常为0.31.1mm 设备费用高，应用受到一定限制设备费用高，应用受到一定限制 磨削磨削过程过程中的中的烧伤烧伤问题问题磨削过程中，由于磨削温度很高，磨削过程中，由于磨削温度很高，而且磨削热有而且磨削热有6080%传给工件，传给工件，当磨削温度超过相变临界点时，则当磨削温度超过相变临界点时，则会引起工件表面的金相组织发生变会引起工件表面的金相组织发生变化，此时表面层的显微硬度也相应化，此时表面层的显微硬度也相应发生变化，这种现象称为磨削烧伤发生变化，这种现象

18、称为磨削烧伤磨削烧伤磨削烧伤的类型的类型磨削淬火钢时，会产磨削淬火钢时，会产生三种金相组织变化生三种金相组织变化磨削温度超过相变温磨削温度超过相变温度度Ac3，未予冷却时，未予冷却时磨削温度超过相变温磨削温度超过相变温度度Ac3，充分冷却时，充分冷却时磨削温度低于相变温度磨削温度低于相变温度Ac3，但超过，但超过350时时磨削后，磨削后，表面常出表面常出现黄、褐、现黄、褐、紫、青等紫、青等烧伤色，烧伤色，这是工件这是工件在瞬时高在瞬时高温下产生温下产生的氧化膜的氧化膜颜色，相颜色，相当于回火当于回火时的颜色时的颜色影响烧伤影响烧伤的因素的因素磨削深度增加，烧伤增加磨削深度增加，烧伤增加纵向进给

19、量增加，烧伤减少纵向进给量增加，烧伤减少工件转速增大，发热量增工件转速增大，发热量增大，但接触时间缩短大，但接触时间缩短冷却、散热条件越差，冷却、散热条件越差，越易发生烧伤越易发生烧伤材料强度高，耗功多，发材料强度高，耗功多，发热量大，易烧伤热量大，易烧伤材料硬度高，磨削热量多，易烧伤材料硬度高，磨削热量多，易烧伤材料过软，易堵塞砂轮而产生烧伤材料过软，易堵塞砂轮而产生烧伤材料韧性好，磨削力大，材料韧性好，磨削力大，发热量大，易烧伤发热量大，易烧伤材料导热性能差，易烧伤材料导热性能差，易烧伤砂轮硬度太高，自砺砂轮硬度太高，自砺性差，易发生烧伤性差，易发生烧伤树脂结合剂比陶瓷结树脂结合剂比陶瓷结

20、合剂容易产生烧伤合剂容易产生烧伤橡胶结合剂比树脂结橡胶结合剂比树脂结合剂更易产生烧伤合剂更易产生烧伤砂轮粒度越细，越容易发生烧伤砂轮粒度越细，越容易发生烧伤避免避免烧伤烧伤的的途径途径设法减少磨削热量的产生、加速热设法减少磨削热量的产生、加速热量的传出，采取强有力冷却方式量的传出，采取强有力冷却方式合理选择磨削用量，合理选择磨削用量，适当提高工件的转速适当提高工件的转速考虑工件材料的硬度、塑考虑工件材料的硬度、塑性、韧性、热导率的影响性、韧性、热导率的影响合理选择砂轮的硬度和粒度合理选择砂轮的硬度和粒度带有空气挡板的带有空气挡板的切削液喷嘴切削液喷嘴内冷却砂轮结构内冷却砂轮结构防止磨削烧伤和裂

21、纹的关键防止磨削烧伤和裂纹的关键减少发热减少发热加强散热加强散热磨削磨削过程过程中残中残余应余应力的力的产生产生磨粒切削刃为负前角，法向切削力一般磨粒切削刃为负前角，法向切削力一般为切向切削力的为切向切削力的23倍，磨粒对加工表倍，磨粒对加工表面作用，引起冷塑性变形，产生压应力面作用，引起冷塑性变形，产生压应力磨削温度高，易引起热塑性变形，磨削温度高，易引起热塑性变形，表面出现拉应力表面出现拉应力磨削时，残余应力可能超过材料的磨削时，残余应力可能超过材料的强度极限，零件会产生裂纹，有的强度极限，零件会产生裂纹，有的在外表层，有的在内层下在外表层，有的在内层下磨削磨削裂纹裂纹产生产生的的原因原因

22、磨削深度和纵向走刀量磨削深度和纵向走刀量大，则塑性变形大，切大，则塑性变形大，切削温度高，拉应力过大，削温度高，拉应力过大，可能产生裂纹可能产生裂纹含碳量高者易裂纹含碳量高者易裂纹与淬火方式、速度与淬火方式、速度及操作方法有关及操作方法有关消除消除和减和减少磨少磨削裂削裂纹的纹的措施措施合理选材合理选材正确制订热处理工艺正确制订热处理工艺合理选择砂轮合理选择砂轮逐渐减小切除量逐渐减小切除量改善散热条件，加强冷却效果，改善散热条件，加强冷却效果，设法降低切削热设法降低切削热6.2.4 6.2.4 机械加工振动机械加工振动机械加工过程中，工艺系统有时机械加工过程中，工艺系统有时会发生振动，即在刀具

23、的切削刃会发生振动，即在刀具的切削刃与工件上正在切削的表面之间，与工件上正在切削的表面之间，除了名义上的切削运动之外，还除了名义上的切削运动之外，还会出现一种周期性的相对运动会出现一种周期性的相对运动机械机械振动振动破坏破坏正常正常切削切削运动运动的的表现表现使成形运动受到干扰，使加工表面使成形运动受到干扰，使加工表面出现振纹，恶化加工表面质量出现振纹，恶化加工表面质量引起崩刃，引起机床、夹具松动，引起崩刃，引起机床、夹具松动，缩短刀具及机床、夹具的使用寿命缩短刀具及机床、夹具的使用寿命限制切削用量的提高，降低生产效限制切削用量的提高，降低生产效率，甚至使切削加工无法继续进行率，甚至使切削加工

24、无法继续进行发出的噪声会污染环境，发出的噪声会污染环境，有害工人的身心健康有害工人的身心健康受迫受迫振动振动自激自激振动振动自由自由振动振动在外界周期性变化的干扰力在外界周期性变化的干扰力作用下产生的振动作用下产生的振动切削过程本身引起切削过程本身引起切削力周期性变化切削力周期性变化而产生的振动而产生的振动由于切削力突然变化或其它由于切削力突然变化或其它外界偶然原因引起的振动外界偶然原因引起的振动机械加工过程中主要是机械加工过程中主要是强迫振动和自激振动强迫振动和自激振动机机床床刀刀具具工工件件多刀、多刃、刃高误差、多刀、多刃、刃高误差、断续切削引起的冲击断续切削引起的冲击断续表面、表面余量不

25、均或硬度不一断续表面、表面余量不均或硬度不一传动零件制造精度不高传动零件制造精度不高主轴与轴承间隙过大主轴与轴承间隙过大往复机构的转向和冲击往复机构的转向和冲击皮带接头太粗皮带接头太粗某些零件缺陷、回转件不平衡某些零件缺陷、回转件不平衡地地基基干扰力：干扰力：F F（t t）=F=F0 0 sint sint 振动：振动：x x（t t）=Asin(t=Asin(t)2220)2()1 (DAA静位移KFA00频率比0系统固有频率mK0阻尼比0rrm2rKDr-r-阻尼系数阻尼系数m-m-振动系统的质量振动系统的质量r r0 0-临界阻尼系数临界阻尼系数1 1）排除振源）排除振源2 2）隔振）隔振3 3）避开共振区）避开共振区4 4）提高系统抗振性）提高系统抗振性当系统受到外界当系统受到外界或本身某些偶然或本身某些偶然的瞬时干扰力作的瞬时干扰力作用而触发的振动用而触发的振动由振动过