第14-15讲第四章-机械加工表面质量

1、第四章 机械加工表面质量机械制造工艺学1 4-4机械加工工过程中中的振动动 4-3影响表面面层力学学物理性性能的工工艺因素素4-2影响表面面粗糙度度的工艺艺因素4-1加工表面面质量对对使用性性能的影影响主要内容容2任何机械械加工所所得到的的零件表表面实实际上都都不是完完全理想想的表面面，实践践表明，机械零件件的破坏坏一般般总是从从表面层层开始的的。这说明明零件的的表面质量量是至关关重要的的它对对产品的的质量有有很大影影响。研究加工工表面质质量的目的，就是要要掌握机机械加工工的各种种工艺因因素对加加工表面面质量影响的规规律，以便应应用这些些规律控控制加工工过程最终达达到提高高加工表表面质量量、提

2、高产品品使用性性能的目的。第四章机机械加工工表面质质量34-1加工表面面质量对对使用性性能的影响一、加工工表面质质量的概概念加工表面质量表面物理理力学性性能的变变化表面微观观几何形形状特征征表面粗糙度表面波度表面层冷作硬化表面层残余应力表面层金相组织的变化表面波度纹理方向伤痕4 a）波度 b）表面粗糙度 零件加工表面的粗糙度与波度RZHRZ1、表面的的几何形形状误差差表面粗糙糙度：加工表表面的微微观几何何误差，波长与与波高比比值小于50（微观几何形状状误差：Ra-表面轮廓廓算术平平均偏差差；Rz-微观不平平点高度度）。表面波度度：加工表表面不平平度波长长与波高高比值在在501000的几何形形状

3、误差（宏观几何形状状误差：圆度误误差、圆圆柱度误误差)纹理方向向：表面刀刀纹的方向（图4-2）伤痕：加工表表面个别别位置出出现的缺缺陷一、加工工表面质质量的概概念5几何形状状误差刀纹方向向一、加工工表面质质量的概概念62、表层金金属的力力学物理理性能和和化学性性能。表面层金金属的冷冷作硬化（一般加加工：0.050.30mm滚压加工工：几个个毫米）表面层的的残余应力切削力和和切削热热综合作用用下，表表面层金金属晶格格会发生生不同程程度的塑形变形形或产生生金相组组织的变变化，使表层层金属产产生残余余应力。表面层金金相组织织的变化切削热引起一、加工工表面质质量的概概念7二、表面面质量对对零件使使用性

4、能能的影响响1表面质质量对零零件耐磨磨性的影影响（1）表面粗粗糙度对对零件耐耐磨性的的影响表面粗糙糙度太大大和太小小都不耐耐磨。如图所所示。8表面粗糙糙度太大大，接触表表面的实实际压强强增大，粗糙不不平的凸凸峰相互互咬合、挤裂、切断，故磨损加加剧；表面粗糙糙度太小小，也会导导致磨损加剧剧。因为表表面太光光滑，存存不住润润滑油，接触面面间不易易形成油油膜，容容易造成干摩摩擦而加剧磨磨损；表面粗糙糙度太小小，接触面面间容易易发生分子粘接接，机械械咬合作作用增大大。表面粗糙糙度的最最佳值与机器零零件的工工作情况况有关，载荷加加大时，磨损曲曲线向上上、向右右移动，最佳表表面粗糙糙度值也也随之右右移。二

5、、表面面质量对对零件使使用性能能的影响响9（2）纹理对对耐磨性性的影响响纹理（有效接接触面积积，润滑滑液的存存留）圆弧状，凹坑状状耐磨性好好；尖峰状耐磨性差差。刀纹方向向与运动动方向相相同耐磨性好好；垂直时耐磨性差差。二、表面面质量对对零件使使用性能能的影响响10（3）表面层的的冷作硬硬化对零零件耐磨磨性的影影响加工表面面的冷作硬化化，一般般能提高高零件的的耐磨性性。因为它它使摩擦擦副表面面层金属属的显微微硬度提提高，塑塑性降低低，减少少了摩擦擦副接触触部分的的弹性变变形和塑塑性变形形。并非冷作作硬化程程度越高高，耐磨磨性就越越高。这是因因为过分分的冷作作硬化，将引起起金属组组织过度度“疏松”

6、，在相相对运动动中可能能会产生生金属剥落，在接触触面间形成小小颗粒，使零件件加速磨磨损。二、表面面质量对对零件使使用性能能的影响响112表面质质量对零零件疲劳劳强度的的影响（1）表面粗粗糙度对对零件疲疲劳强度度的影响响表面粗糙糙度越大大，抗疲疲劳破坏坏的能力力越差。对承受交交变载荷荷零件的的疲劳强强度影响响很大。在交变变载荷作作用下，表面粗粗糙度的的凹谷部位位容易引引起应力力集中，产生疲疲劳裂纹纹。表面粗糙糙度值越越小，表表面缺陷陷越少，工件耐耐疲劳性性越好；反之，加工表表面越粗粗糙，表表面的纹纹痕越深深，纹底底半径越越小，其其抗疲劳劳破坏的的能力越越差。二、表面面质量对对零件使使用性能能的影

7、响响12（2）表面层层冷作硬硬化与残残余应力力对零件件疲劳强强度的影影响适度的表面层冷冷作硬化化能提高高零件的的疲劳强强度。残余应力力有拉应应力和压压应力之之分，残余拉应应力容易使已已加工表表面产生生裂纹并并使其扩扩展而降低疲劳劳强度。残余压应应力则能够部分地抵抵消工作作载荷施加的拉拉应力，延缓疲疲劳裂纹纹的扩展展，从而而提高零件件的疲劳劳强度。二、表面面质量对对零件使使用性能能的影响响133表面质质量对零零件耐腐腐蚀性能能的影响响（1）表面粗粗糙度对对零件耐耐腐蚀性性能的影影响零件表面面越粗糙糙，越容容易积聚聚腐蚀性性物质，凹谷越越深，渗渗透与腐腐蚀作用用越强烈烈。因此减小零件件表面粗粗糙度

8、，可以提提高零件件的耐腐腐蚀性能能。（2）表面残残余应力力对零件件耐腐蚀蚀性能的的影响零件表面残余余压应力力使零件件表面紧紧密，腐蚀性性物质不不易进入入，可增强零零件的耐耐腐蚀性性，而表面面残余拉拉应力则则降低零零件耐腐腐蚀性。二、表面面质量对对零件使使用性能能的影响响14（1）表面粗粗糙度对对零件配配合精度度的影响响表面粗糙度度较大，则降低低了配合合精度。（2）表面残残余应力力对零件件工作精精度的影影响表面层有较大的残残余应力力，就会会影响它它们精度度的稳定定性。表面质量量对零件件使用性性能还有有其它方面面的影响：如减小小表面粗粗糙度可可提高零零件的接触刚度度、密封封性和测测量精度度；对滑动

9、动零件，可降低低其摩擦擦系数，从而减少发热热和功率率损失。4.表面质量量对零件配合质质量的影响二、表面面质量对对零件使使用性能能的影响响15表面质量量对零件件使用性性能的影影响小结：零件表面质量粗糙度太大、太小都不耐磨适度冷硬能提高耐磨性对疲劳强度的影响对耐磨性影响对耐腐蚀性能的影响对工作精度的影响适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度粗糙度越大、配合精度降低残余应力越大，加工精度降低粗糙度越大，耐腐蚀性越差压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性164-2影响加工工表面粗粗糙度的的工艺因因素及其其改善措施一、切削削加工表表面粗糙糙度切削加工工后表面面粗糙度度的值主主要取决决于切削削残留面面积

10、的高高度，影影响残留留面积高高度的因因素有：刀尖圆弧弧半径r，主偏角kr、副偏角角kr，进给量量f。如图所所示1、刀尖的的几何因因素的影影响17.图:理论表面面粗糙度度一、切削削加工表表面粗糙糙度18.如右上图图所示，由国家家标准规规定的表面粗糙糙度定义义，轮廓的算算术平均均偏差：阴影部分分面积/测量长度度同理，如如右下图图所示，取测量量长度为为f的一段工工件廓，则理论表面面粗糙度度为：阴影部分分面积/测量长度度=一、切削削加工表表面粗糙糙度19.而三角形形底边长长度 即：则 而工件外圆圆的轮廓廓的算术术平均偏偏差（理理论表面面粗糙度度）为：重要结论论：刀具具的几何何形状影影响工件件的表面面粗

11、糙度度。生产产中，一一般应减减小f和来提高表面面粗糙度度。一、切削削加工表表面粗糙糙度20直线刃车车刀（a）圆弧刃车车刀（b）切削残留留面积的的高度：一、切削削加工表表面粗糙糙度212、物理因因素的影影响（1）工件材材料的影影响韧性材料料：工件材料料韧性愈好好，金属塑塑性变形形愈大，加工表表面愈粗糙。材料金相相组织：对同样的的材料，金相组织织越粗大大，加工工表面粗粗糙度大大，故对中碳钢钢和低碳碳钢材料料的工件件，为改善善切削性性能，减减小表面面粗糙度度，常在在粗加工或或精加工工前安排排正火或或调质处处理。脆性材料料：加工脆性性材料时时，其切切削呈碎碎粒状，由于切切屑的崩崩碎而在在加工表表面留下

12、下许多麻麻点，使表面粗粗糙。一、切削削加工表表面粗糙糙度22（2）切削速速度的影影响加工塑性性材料时时，切削削速度对对表面粗粗糙度的的影响随随切削速速度的变变化而变变化（对对积屑瘤瘤和鳞刺刺的影响响）积屑瘤和和鳞刺对对表面粗粗糙度的的影响较较大。鳞刺：工件表表面上微微小的鱼鱼鳞状倒倒刺。鳞刺的生生成机理理：在中低速速切削塑塑性金属属材料且且较较大时，刀屑之之间由于冷焊焊而产生粘结结现象，切屑在在前刀面面上流动动时周期性地地受阻而而瞬时停停留，切屑代代替前刀刀面推挤挤切削层层，造成成已加工工表面上上出现拉应应力而导导裂，生成鳞鳞刺。一、切削削加工表表面粗糙糙度23加工塑性性材料时时切削速速度对表

13、表面粗糙糙度的影影响切削速度度越高，塑性变变形越不不充分，表面粗粗糙度值值越小：选择低速宽刀刀精切和和高速精精切，可以得得到较小的表面粗粗糙度。切削速度度对脆性性材料的的影响不不大。一、切削削加工表表面粗糙糙度24（3）进给量量的影响响减小进给给量f固然可以以减小表表面粗糙糙度值，但进给给量过小小，表面面粗糙度度会有增增大的趋趋势，效效率降低。（4）其它因因素的影影响此外，合合理使用用冷却润滑滑液，适当增大刀具的前角，提高刀刀具的刃磨质量量等，均能能有效地地减小表表面粗糙糙度值。一、切削削加工表表面粗糙糙度251.几何因素素单位面积积上刻痕越多多，即单位位面积的的磨粒数数越多，刻痕的的等高性性

14、越好，则磨削表面面的粗糙糙度值越越小。（1）磨削用用量对表表面粗糙糙度的影影响V砂轮增大-Ra小纵向进给给量小-Ra小V工件增大-Ra大（2）砂轮粒粒度和砂砂轮修整整对表面面粗糙度度的影响响磨粒粒度度号大（磨粒细细）-Ra小磨粒间距距小-Ra小二、磨削削加工后后的表面面粗糙度度262、物理因因素对Ra的影响热多-塑变增加加-晶粒拉长长、裂纹纹、堆积积（1）磨削用用量V砂轮增大-塑变小-Ra小V工件增大-塑变增大大-Ra大磨深增大大-塑变增大大-Ra大二、磨削削加工后后的表面面粗糙度度272.砂轮的选选择粒度大-Ra小（4660号）砂轮硬度度-硬度大，磨粒不不易脱落落，自锐锐性差，塑变大大砂轮组

15、织织磨粒、结结合剂、气孔的的比例砂轮材料料氧化物（刚玉）-磨削钢类类件碳化物（碳化硅硅，碳化化硼）-铸铁，硬硬质合金金高硬（人人造金刚刚石，立立方氮化化硼）-极小Ra二、磨削削加工后后的表面面粗糙度度284-3影响表面层层力学物物理性能能的工艺艺因素及其改进措施一.加工表面面层的冷冷作硬化化机械加工工时，工件表面面层金属属受到切削削力的作作用产生强烈烈的塑性性变形，使晶格扭曲曲，晶粒粒间产生生剪切滑滑移，晶晶粒被拉拉长、纤纤维化甚甚至碎化化，从而使表表面层的的强度和和硬度增增加，这种现现象称为加工工硬化，又称冷冷作硬化化和强化化。1、定义292、影响表面面冷作硬硬化的因因素以切削加加工为例例：

16、切削用量量影响f切削力塑变变冷冷硬切削速度度影响复复杂：（力与热综综合作用用结果） 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)100(m/min )50(m/min)100200300400工件材料：45一方面：切削速度度v塑变冷硬另一方面面：切削热作作用时间间短，使冷硬程程度有所所增加切削深度度影响不大一.加工表面面层的冷冷作硬化化3000.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v = 40(m/min) f = 0.120.2(mm/z)刀具后刀面磨损对冷

17、硬影响工件材料料材料塑性性，冷冷硬倾向向刀具几何何形状的的影响切削刃钝钝圆半径径r，冷硬程程度（其他几几何参数影影响不明明显）刀具磨损损影响显显著（力和热热互相作作用）一.加工表面面层的冷冷作硬化化31二.表层金属属的金相相组织的的变化1.表面层金金相组织织变化与与磨削烧烧伤的产产生切削加工工中，由由于切削削热的作作用，在在工件的的加工区区及其邻邻近区域域产生了了一定的的温升。产生磨磨削烧伤伤现象。磨削烧伤伤：磨削加工工时，表表面层有有很高的的温度，当温度达达到相变变临界点点时，表表层金属属就发生生金相组组织变化化，强度度和硬度度降低、产生残余余应力、甚至出出现微观观裂纹。同时出出现彩色色氧化

18、膜膜这种现象象称为磨削削烧伤。淬火钢在在磨削时时，由于于磨削条条件不同同，产生生的磨削削烧伤有有三种形形式。322.磨削烧伤伤的三种种形式淬火烧伤伤：磨削时工工件表面面温度超超过相变变临界温温度（碳碳钢为720）时，则则马氏体体转变为为奥氏体体。在冷却液液作用下下，工件件最外层层金属会会出现二二次淬火火马氏体体组织。其硬度度比原来来的回火火马氏体体高，但很薄，其下为为硬度较较低的回回火索氏氏体和屈屈氏体。由于二次淬火火层极薄薄，表面层总总的硬度度是降低低的，这种现现象称为为淬火烧烧伤。二.表层金属属的金相相组织的的变化33回火烧伤伤磨削时，如果工件表面面层温度度只是超超过原来来的回火火温度，则

19、表层层原来的的回火马马氏体组组织将产生回回火现象象而转变为为硬度较较低的回回火组织织（索氏氏体或托氏体），这这种现象象称为回回火烧伤。退火烧伤伤磨削时，当工件表表面层温温度超过过相变临临界温度度时，则马马氏体转转变为奥奥氏体。若此时无无冷却液液，表层金金属空气冷却却比较缓慢慢而形成退火火组织。硬度和和强度均均大幅度度下降。这种现现象称为为退火烧烧伤。二.表层金属属的金相相组织的的变化343.影响磨削削烧伤的的因素及及改善途途径1）砂轮与与工件材材料（1)磨削时，砂轮表表面上磨磨粒的切切削刃口口锋利磨削削力磨削区区的温度度（2)磨削导热热性差的的材料(耐热钢、轴承钢钢、不锈锈钢)磨削烧伤伤（3)

20、应合理选选择砂轮轮的硬度度、结合合剂和组组织磨削烧烧伤二.表层金属属的金相相组织的的变化352）磨削用用量（1）砂轮转转速磨削烧伤（2）径向进进给量ap磨削烧伤伤（3）轴向向进给量量fa磨削烧伤伤（4）工件速速度vw磨削烧伤伤3）改善冷冷却条件件采用内冷冷却法磨削烧烧伤内冷却装装置1锥形盖盖2通道孔孔3中心孔4有径向向小孔的的薄壁套套4）开槽砂砂轮二.表层金属属的金相相组织的的变化36三.表层金属属的残余余应力机械加工中中工件表面面层组织织发生变变化时，在表面面层及其其与基体体材料的的交界处处会产生生互相平平衡的弹弹性力。这种应应力即为为表面层层的残余余应力。1、表面层层金属产产生残余余应力的

21、的原因工件表面面受到挤挤压与摩摩擦，表层产生伸长塑性性变形，基体仍仍处于弹弹性变形形状态。切削后后，表层产生生残余压压应力，而在里里层产生生残余拉伸伸应力。1）冷态塑性性变形372）热态塑塑性变形形表层产生生残余拉拉应力，里层产生产生生残余压压应力切削热在在表层金金属产生生残余拉拉应力的的示意图图三.表层金属属的残余余应力38工件表面在切削热热的作用用下，产生热膨膨胀，此时基体体温度较较低，因此表面面层热膨膨胀受基体的限制制产生压应力；当表面层层的热膨胀程程度超过材料料的弹性性变形范范围时，会产生热塑塑性变形形。当切削削结束，表层温温度下降降到与基基体温度度一致时时，因为为表面层已已产生热热塑

22、性变变形而不不能弹性性恢复，表面层收收缩时受弹性变变形基体体的限制制产生了残残余拉应应力，里层产生生压应力力。三.表层金属属的残余余应力393） 表面面层金相相组织变变化磨削淬火火钢时，工件表表层金属属温度极极高，表表层金属属出现回回火或退退火，工工件表层层金属的的金相组组织发生生变化（马氏体体向奥氏氏体或回回火马氏氏体转化化），相变的金金属体积积收缩，但受到到未相变变的内层层金属的的牵制，故工件件表面产生残余余拉应力力。三.表层金属属的残余余应力402、由于刀具钝圆圆刃切削时的的金属塑塑性变形形所产生生的残余余应力的的机理。如上右图图所示，具有钝钝圆刃的的刀具切切削工件件时，有有一厚度度为的

23、的薄层金金属无法法被钝圆圆刃切离离工件而而被强烈烈挤压成成为已加加工表面面。三.表层金属属的残余余应力41机理：工件已加加工表面面的表层层金属受受刀具钝钝圆刃的的强烈挤挤压和摩摩擦，产产生严严重塑性性变形而而不能弹弹性恢复复，当内内层金属属弹性恢恢复时受受到表层层金属的的牵制，故工件件表层金金属产生生产生残残余拉应应力。三.表层金属属的残余余应力42四.表面强化化工艺表面强化化工艺是指通过过冷压加加工方法法使表面面层金属属发生冷冷态塑性性变形，以降低低表面粗粗糙度值值，提高高表面硬硬度，并并在表面面层产生生残余压压应力的的表面强强化工艺艺。常见的冷冷压加工工方法有有：喷丸强化化，滚压压加工等。

24、43利用大量量快速运运动珠丸丸打击工工件表面面,使工件表面面产生冷冷硬层和和压应力力,疲劳强度。1、喷丸强强化用于强化化形状复复杂或不不宜用其其它方法法强化的的工件，例如板板弹簧、螺旋弹弹簧、齿齿轮、焊焊缝等。珠丸挤压引起残余应力 压缩拉伸塑性变形区域珠丸可以以是铸铁铁的，也也可以是是切成小小段的钢钢丝（使使用一段段时间后后，自然然变成球球状）。对于铝铝质工件件，为避避免表面面残留铁铁质微粒粒而引起起电解腐腐蚀，宜宜采用铝铝丸或玻玻璃丸。珠丸的的直径一一般为0.24mm，对于尺尺寸较小小、表面面粗糙度度值较小小的工件件，采用用直径较较小的珠珠丸。442、滚压加加工利用淬硬硬和精细细研磨过过的滚

25、轮轮或滚珠珠，在常常温状态态挤压金金属表面面，将凸凸起部分分下压下下，凹下下部分上上凸，修修正工件件表面的的微观几几何形状状,形成压缩缩残余应应力，提提高耐疲疲劳强度度。滚压加工工可以加加工外圆圆、孔、平面及及成型表表面，通通常在普普通车床床、转塔塔车床或或自动车车床上进进行滚压加工原理图4546第四节机机械加加工过程程中的振振动振动振痕（刀刀具与工工件相对对位移）表面质量量，影响响使用性性能工艺系统统受动态态交变载载荷刀具加剧剧磨损、崩刃、机床连连接特性性破坏噪声危害操作作者的身身体健康康主要有强强迫振动动和自激激振动47强迫振动动由于外界界周期性性干扰力力的作用用而引起起的振动动（影响响精

26、密加加工质量量、生产产率的关关键问题题）。1.强迫振动动产生的的原因机内振源源机床旋转转件的不不平衡机床传动动机构的的缺陷往复运动动部件的的惯性力力切削过程程中的冲冲击等机外振源源地基传给给机床（隔振地地基）一、机械械加工过过程中的的强迫振振动482.强迫振动动的特征征（频率率特征、幅频相相应特征征）频率特征征振动频率率与干扰扰力的频频率相同同或是干干扰力的的整数倍倍幅频影响响特征干扰力的的幅值大大，强迫迫振动幅幅值大。工艺系统统的动态态特性如干扰力力的频率率远离工工艺系统统各阶模模态的固固有频率率，振动动幅值很很小（强迫振振动响应应将处于于机床动动态响应应的衰减减区）如干扰力力的频率率接近工

27、工艺系统统某一固固有频率率时，振振动幅值值明显增增大如干扰力力的频率率与工艺艺系统某某一固有有频率相相同，共共振（阻阻尼小，振幅十十分大）一、机械械加工过过程中的的强迫振振动49减小强迫迫振动幅幅值改变运动动参数改变工艺艺系统的的结构一、机械械加工过过程中的的强迫振振动501.概述定义（自自激振动动；颤振振）由系统内内部激发发反馈产产生的周周期性振振动自激振动动系统二、机械械加工中中的自激激振动51自激振动动特征无外力干干扰自激振动动频率接接近与系系统固有有频率自激振动动不因阻阻尼而衰衰减二、机械械加工中中的自激激振动522.产生自激激振动的的条件（工艺系系统存在在自激振振动的条条件）自激振动

28、动实例（单自由由度机械械加工振振动模型型） 刀架振出出：切削力对对振动系系统作功功，振动动系统则则从切削削过程中中吸收一一部分能能量（W振出=W12345），储存存在系统统中刀架的振振入： 在弹弹性恢复复力作用用下，振振动系统统对切削削过程作作功，振振动系统统消耗能能W振入=W54621二、机械械加工中中的自激激振动53当W振出W振入时，切削削力Fy对振动系系统作功功大于振振动系统统对切削削过程作作功，加加工系统统有持续续的自激激振动产产生，加加工系统统处于不不稳定状状态。W振出=W振入+W摩阻， 加工工系统有有稳幅自自激振动动产生W振出W振入+W摩阻， 加工工统系将将出现振振幅递增增的自激激

29、振动W振出 F振入yi二、机械械加工中中的自激激振动54二、机械械加工中中的自激激振动551.再生原理理再生型颤颤振由于切削削厚度变变化效应应引起的的自激振振动再生型颤颤振产生生的条件件本次切削削振纹与与前次振振纹的同同步程度度（相位位差）三、自激激振动的的激振机机理562.振型耦合合原理（多自由由度系统统）例如：一一个二自自由度振振动系统统，如因因偶然干干扰使刀刀架系统统产生角角频率为为的振动，刀架将将沿两X1、X2两刚度主主轴同时时振动运动方程程:y=Aysintz=Azsin(t+)式中Ay-y向振幅Az-z向振幅-z向相对于于y向在主振振频率上的相位位差。不同，刀刀尖振动动轨迹不不同三、自激激振动的的激振机机理57如果：是某值时时，刀尖尖振动轨轨迹为沿沿椭圆曲曲线顺时时针方向向。刀具：振振入运动动ACB，切削厚厚度较薄薄切削力力小。振出运动动BDA，切削厚厚度较大大，切削削力大。W振出W振入振动系统统在各主主振模态态间互相相耦