第14-15讲 第四章-机械加工表面质量

第四章机械加工表面质量机械制造工艺学2§4-4

机械加工过程中的振动§4-3

影响表面层力学物理性能的工艺因素§4-2影响表面粗糙度的工艺因素§4-1加工表面质量对使用性能的影响主要内容3

任何机械加工所得到的零件表面．实际上都不是完全理想的表面，实践表明，机械零件的破坏．一般总是从表面层开始的。这说明零件的表面质量是至关重要的．它对产品的质量有很大影响。研究加工表面质量的目的，就是要掌握机械加工的各种工艺因素对加工表面质量影响的规律，以便应用这些规律控制加工过程．最终达到提高加工表面质量、提高产品使用性能的目的。第四章机械加工表面质量4§4-1加工表面质量对使用性能的影响一、加工表面质量的概念加工表面质量表面物理力学性能的变化表面微观几何形状特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5

a）波度b）表面粗糙度

零件加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ

1、表面的几何形状误差

表面粗糙度：加工表面的微观几何误差，波长与波高比值小于50（微观几何形状误差：Ra---表面轮廓算术平均偏差；Rz---微观不平点高度）。表面波度：加工表面不平度波长与波高比值在50~1000的几何形状误差（宏观几何形状误差：圆度误差、圆柱度误差)纹理方向：表面刀纹的方向（图4-2）伤痕：加工表面个别位置出现的缺陷一、加工表面质量的概念6几何形状误差>刀纹方向一、加工表面质量的概念7

2、表层金属的力学物理性能和化学性能。表面层金属的冷作硬化（一般加工：0.05~0.30mm滚压加工：几个毫米）表面层的残余应力切削力和切削热综合作用下，表面层金属晶格会发生不同程度的塑形变形或产生金相组织的变化，使表层金属产生残余应力。表面层金相组织的变化切削热引起

一、加工表面质量的概念8二、表面质量对零件使用性能的影响1．表面质量对零件耐磨性的影响（1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响

表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如图所示。9表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易造成干摩擦而加剧磨损；表面粗糙度太小，接触面间容易发生分子粘接，机械咬合作用增大。表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。二、表面质量对零件使用性能的影响10（2）纹理对耐磨性的影响纹理（有效接触面积，润滑液的存留）

圆弧状，凹坑状耐磨性好；尖峰状耐磨性差。刀纹方向与运动方向相同耐磨性好；垂直时耐磨性差。二、表面质量对零件使用性能的影响11（3）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因为它使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。

并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。二、表面质量对零件使用性能的影响122．表面质量对零件疲劳强度的影响（1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响

表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。二、表面质量对零件使用性能的影响13（2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响

适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。残余应力有拉应力和压应力之分，残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度。

残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。二、表面质量对零件使用性能的影响143．表面质量对零件耐腐蚀性能的影响（1）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。（2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。二、表面质量对零件使用性能的影响15（1）表面粗糙度对零件配合精度的影响

表面粗糙度较大，则降低了配合精度。（2）表面残余应力对零件工作精度的影响表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：如减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。4.表面质量对零件配合质量的影响二、表面质量对零件使用性能的影响16表面质量对零件使用性能的影响小结：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17§4-2影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施一、切削加工表面粗糙度

切削加工后表面粗糙度的值主要取决于切削残留面积的高度，影响残留面积高度的因素有：刀尖圆弧半径rε，主偏角kr、副偏角kr′，进给量f。如图所示1、刀尖的几何因素的影响18.图:理论表面粗糙度

一、切削加工表面粗糙度19.

如右上图所示，由国家标准规定的表面粗糙度定义，轮廓的算术平均偏差：

阴影部分面积/测量长度同理，如右下图所示，取测量长度为f的一段工件廓，则理论表面粗糙度为：

阴影部分面积/测量长度=一、切削加工表面粗糙度20.

而三角形底边长度

即：则

而工件外圆的轮廓的算术平均偏差（理论表面粗糙度）为：

重要结论：刀具的几何形状影响工件的表面粗糙度。生产中，一般应减小f和来提高表面粗糙度。一、切削加工表面粗糙度21直线刃车刀（a）圆弧刃车刀（b）切削残留面积的高度：一、切削加工表面粗糙度222、物理因素的影响（1）工件材料的影响韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。材料金相组织：对同样的材料，金相组织越粗大，加工表面粗糙度大，故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。脆性材料：加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。一、切削加工表面粗糙度23（2）切削速度的影响

加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响随切削速度的变化而变化（对积屑瘤和鳞刺的影响）积屑瘤和鳞刺对表面粗糙度的影响较大。鳞刺：工件表面上微小的鱼鳞状倒刺。鳞刺的生成机理：在中低速切削塑性金属材料且较大时，刀－屑之间由于冷焊而产生粘结现象，切屑在前刀面上流动时周期性地受阻而瞬时停留，切屑代替前刀面推挤切削层，造成已加工表面上出现拉应力而导裂，生成鳞刺。一、切削加工表面粗糙度24加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小：选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度。切削速度对脆性材料的影响不大。一、切削加工表面粗糙度25（3）进给量的影响

减小进给量f固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势，效率降低。（4）其它因素的影响

此外，合理使用冷却润滑液，适当增大刀具的前角，提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。一、切削加工表面粗糙度261.几何因素

单位面积上刻痕越多，即单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。（1）磨削用量对表面粗糙度的影响V砂轮增大----Ra小

纵向进给量小----Ra小V工件增大-----Ra大（2）砂轮粒度和砂轮修整对表面粗糙度的影响磨粒粒度号大（磨粒细）-----Ra小磨粒间距小-------Ra小二、磨削加工后的表面粗糙度272、物理因素对Ra的影响热多---塑变增加----晶粒拉长、裂纹、堆积（1）磨削用量V砂轮增大-----塑变小---------Ra小V工件增大-----塑变增大-------Ra大磨深增大-----塑变增大-------Ra大二、磨削加工后的表面粗糙度282.砂轮的选择粒度大------Ra小（46—60号）砂轮硬度----硬度大，磨粒不易脱落，自锐性差，塑变大砂轮组织——磨粒、结合剂、气孔的比例砂轮材料氧化物（刚玉）----磨削钢类件碳化物（碳化硅，碳化硼）----铸铁，硬质合金高硬（人造金刚石，立方氮化硼）---极小Ra二、磨削加工后的表面粗糙度29§4-3影响表面层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

机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化和强化。1、定义302、影响表面冷作硬化的因素

以切削加工为例：⑴切削用量影响

f↑→切削力↑→塑变↑→冷硬↑切削速度影响复杂：（力与热综合作用结果）

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v↑→塑变↓→冷硬↓

另一方面：切削热作用时间短，使冷硬程度有所增加

切削深度影响不大

一.加工表面层的冷作硬化3100.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v

=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)刀具后刀面磨损对冷硬影响⑶工件材料

材料塑性↑，冷硬倾向↑⑵刀具几何形状的影响

切削刃钝圆半径rε↑，冷硬程度↑（其他几何参数影响不明显）刀具磨损影响显著（力和热互相作用）一.加工表面层的冷作硬化32二.表层金属的金相组织的变化

1.表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生

切削加工中，由于切削热的作用，在工件的加工区及其邻近区域产生了一定的温升。产生磨削烧伤现象。

磨削烧伤：磨削加工时，表面层有很高的温度，当温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组织变化，强度和硬度降低、产生残余应力、甚至出现微观裂纹。同时出现彩色氧化膜这种现象称为磨削烧伤。淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的磨削烧伤有三种形式。332.磨削烧伤的三种形式

淬火烧伤：磨削时工件表面温度超过相变临界温度（碳钢为720）时，则马氏体转变为奥氏体。在冷却液作用下，工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极薄，表面层总的硬度是降低的，这种现象称为淬火烧伤。二.表层金属的金相组织的变化

34回火烧伤

磨削时，如果工件表面层温度只是超过原来的回火温度，则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象而转变为硬度较低的回火组织（索氏体或托氏体），这种现象称为回火烧伤。退火烧伤磨削时，当工件表面层温度超过相变临界温度时，则马氏体转变为奥氏体。若此时无冷却液，表层金属空气冷却比较缓慢而形成退火组织。硬度和强度均大幅度下降。这种现象称为退火烧伤。二.表层金属的金相组织的变化

353.影响磨削烧伤的因素及改善途径1）砂轮与工件材料（1)磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃口锋利↑→磨削力↓→磨削区的温度↓（2)磨削导热性差的材料(耐热钢、轴承钢、不锈钢)↓→磨削烧伤↑（3)应合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织→磨削烧伤↓二.表层金属的金相组织的变化

362）磨削用量（1）砂轮转速↑→

磨削烧伤↓（2）径向进给量ap↑→

磨削烧伤↑（3）

轴向进给量fa↑→磨削烧伤↓（4）工件速度vw↑→磨削烧伤↓3）改善冷却条件采用内冷却法→磨削烧伤↓

内冷却装置

1－锥形盖2－通道孔3—中心孔4－有径向小孔的薄壁套4）开槽砂轮二.表层金属的金相组织的变化

37三.表层金属的残余应力

机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层的残余应力。1、表面层金属产生残余应力的原因工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑性变形，基体仍处于弹性变形状态。切削后，表层产生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力。1）冷态塑性变形382）热态塑性变形表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图三.表层金属的残余应力

39

工件表面在切削热的作用下，产生热膨胀，此时基体温度较低，因此表面层热膨胀受基体的限制产生压应力；当表面层的热膨胀程度超过材料的弹性变形范围时，会产生热塑性变形。当切削结束，表层温度下降到与基体温度一致时，因为表面层已产生热塑性变形而不能弹性恢复，表面层收缩时受弹性变形基体的限制产生了残余拉应力，里层产生压应力。三.表层金属的残余应力

403）表面层金相组织变化磨削淬火钢时，工件表层金属温度极高，表层金属出现回火或退火，工件表层金属的金相组织发生变化（马氏体向奥氏体或回火马氏体转化），相变的金属体积收缩，但受到未相变的内层金属的牵制，故工件表面产生残余拉应力。三.表层金属的残余应力

41

2、由于刀具钝圆刃切削时的金属塑性变形所产生的残余应力的机理。

如上右图所示，具有钝圆刃的刀具切削工件时，有一厚度为Δ的薄层金属无法被钝圆刃切离工件而被强烈挤压成为已加工表面。三.表层金属的残余应力

42

机理：工件已加工表面的表层金属受刀具钝圆刃的强烈挤压和摩擦，产生严重塑性变形而不能弹性恢复，当内层金属弹性恢复时受到表层金属的牵制，故工件表层金属产生产生残余拉应力。三.表层金属的残余应力

43四.表面强化工艺

表面强化工艺是指通过冷压加工方法使表面层金属发生冷态塑性变形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面层产生残余压应力的表面强化工艺。常见的冷压加工方法有：喷丸强化，滚压加工等。44利用大量快速运动珠丸打击工件表面,使工件表面产生冷硬层和压应力,疲劳强度↑。1、喷丸强化用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，例如板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、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是铸铁的，也可以是切成小段的钢丝（使用一段时间后，自然变成球状）。对于铝质工件，为避免表面残留铁质微粒而引起电解腐蚀，宜采用铝丸或玻璃丸。珠丸的直径一般为0.2~4mm，对于尺寸较小、表面粗糙度值较小的工件，采用直径较小的珠丸。452、滚压加工利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态挤压金属表面，将凸起部分下压下，凹下部分上凸，修正工件表面的微观几何形状,形成压缩残余应力，提高耐疲劳强度。滚压加工可以加工外圆、孔、平面及成型表面，通常在普通车床、转塔车床或自动车床上进行滚压加工原理图4647第四节机械加工过程中的振动振动振痕（刀具与工件相对位移）——表面质量，影响使用性能工艺系统受动态交变载荷——刀具加剧磨损、崩刃、机床连接特性破坏噪声——危害操作者的身体健康主要有强迫振动和自激振动48强迫振动——由于外界周期性干扰力的作用而引起的振动（影响精密加工质量、生产率的关键问题）。1.强迫振动产生的原因

机内振源机床旋转件的不平衡机床传动机构的缺陷往复运动部件的惯性力切削过程中的冲击等机外振源地基传给机床（隔振地基）

一、机械加工过程中的强迫振动492.强迫振动的特征（频率特征、幅频相应特征）频率特征振动频率与干扰力的频率相同或是干扰力的整数倍幅频影响特征干扰力的幅值大，强迫振动幅值大。工艺系统的动态特性如干扰力的频率远离工艺系统各阶模态的固有频率，振动幅值很小（强迫振动响应将处于机床动态响应的衰减区）如干扰力的频率接近工艺系统某一固有频率时，振动幅值明显增大如干扰力的频率与工艺系统某一固有频率相同，共振（阻尼小，振幅十分大）一、机械加工过程中的强迫振动50减小强迫振动幅值改变运动参数改变工艺系统的结构一、机械加工过程中的强迫振动511.概述定义（自激振动；颤振）由系统内部激发反馈产生的周期性振动自激振动系统二、机械加工中的自激振动52自激振动特征无外力干扰自激振动频率接近与系统固有频率自激振动不因阻尼而衰减二、机械加工中的自激振动532.产生自激振动的条件（工艺系统存在自激振动的条件）自激振动实例（单自由度机械加工振动模型）

刀架振出：切削力对振动系统作功，振动系统则从切削过程中吸收一部分能量（W振出=W12345），储存在系统中刀架的振入：在弹性恢复力作用下，振动系统对切削过程作功，振动系统消耗能W振入=W54621二、机械加工中的自激振动54当W振出>W振入时，切削力Fy对振动系统作功大于振动系统对切削过程作功，加工系统有持续的自激振动产生，加工系统处于不稳定状态。W振出=W振入+W摩阻，加工系统有稳幅自激振动产生W振出>W振入+W摩阻，加工统系将出现振幅递增的自激振动W振出<W振入+W摩阻，加工系统将出现振幅递减的自激振动产生自激振动的条件（在位移点Yi点）：

F振出yi>F振入yi二、机械加工中的自激振动55二、机械加工中的自激振动561.再生原理

再生型颤振由于切削厚度变化效应引起的自激振动再生型颤振产生的条件本次切削振纹与前次振纹的同步程度（相位差）三、自激振动的激振机理572.振型耦合原理（多自由度系统）例如：一个二自由度振动系统，如因偶然干扰使刀架系统产生角频率为ω的振动，刀架将沿两X1、X2两刚度主轴同时振动运动方程:y=Aysinωtz=Azsin(ωt+φ)式中Ay---y向振幅

Az---z向振幅

φ---z向相对于y向在主振频率ω上的相位差。φ不同，刀尖振动轨迹不同三、自激振动的激振机理58如果：φ是某值时，刀尖振动轨迹为沿椭圆曲线顺时针方向。刀具：振入运动A→C→B，切削厚度较薄切削力小。振出运动B→D→A，切削厚度较大，切削力大。W振出>W振入振动系统在各主振模态间互相耦合，互相关联而产生的自激振动，称振型耦合型颤振。三、自激振