机械制造工程学 第六章 机械加工表面质量- 2015

第六章机械加工表面质量第一节概述掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高产品性能的目的。实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量。研究机械加工表面质量的目的机械产品的失效形式因设计不周而导致强度不够；磨损、腐蚀和疲劳破坏。少数多数1、机械加工表面质量的含义1．表面的几何特征2．表面层物理力学、化学性能(1)表面粗糙度(2)表面波度(3)纹理方向(1)表面层加工硬化(冷作硬化)。(2)表面层金相组织变化。(3)表面层产生残余应力。第一节概述1）表面的几何形状特征加工后表面形状，总是以“峰”、“谷”的形式偏离其理想光滑表面。按偏离程度有宏观和微观之分。波距：峰与峰或谷与谷间的距离，以L表示；波高：峰与谷间的高度，以H表示。波距与波高L/H>1000时，属于宏观几何形状误差；L/H<50时，属于微观形状误差，称作表面粗糙度；L/H=50～1000时，称作表面波度；主要是由机械加工过程中工艺系统低频振动所引起。第一节概述纹理方向是指表面刀纹的方向，取决于表面形成所采用的机械加工方法。一般运动副或密封件对纹理方向有要求。伤痕是指在加工表面个别位置出现的缺陷，如沙眼、气孔、裂痕等。第一节概述2)表面层物理力学、化学性能表示方法(1)表面金属层的冷作硬化指工件在加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形，使工件加工表面层的强度和硬度都有所提高的现象。冷硬层深度h硬化程度N硬化程度：其中：H——加工后表面层的显微硬度H0——材料原有的显微硬度第一节概述(2)表面层金相组织变化(3)表面层产生残余应力指的是加工中，由于切削热的作用引起表层金属金相组织发生变化的现象。如磨削时常发生的磨削烧伤，大大降低表面层的物理机械性能。指的是加工中，由于切削变形和切削热的作用，工件表层及其基体材料的交界处产生相互平衡的弹性应力的现象。残余应力超过材料强度极限就会产生表面裂纹。第一节概述二、加工表面质量对机器零件使用性能的影晌1．表面质量对零件耐磨性的影响第一阶段初期磨损阶段第二阶段正常磨损阶段第三阶段急剧磨损阶段零件的磨损可分为三个阶段不是表面粗糙度值越小越耐磨，在一定工作条件下，摩擦副表面总是存在一个最佳表面粗糙度值，表面粗糙度Ra值约为0.32～1.25μm较好。表面粗糙度对摩擦副的影响第一节概述重裁情况下，由于压强、分子亲和力和润滑液的储存等因素的变化，其规律与上述有所不同。表面纹理方向对耐磨性的影响表面纹理方向影响金属表面的实际接触面积和润滑液的存留情况。轻载时，两表面的纹理方向与相对运动方向一致时，磨损最小；当两表面纹理方向与相对运动方向垂直时，磨损最大。过度的加工硬化会使金属组织疏松，甚至出现疲劳裂纹和产生剥落现象，从而使耐磨性下降。表面层的加工硬化对耐磨性的影响由于加工硬化提高了表面层的强度，减少了表面进一步塑性变形和咬焊的可能。一般能提高耐磨性0.5～1倍。第一节概述2）表面质量对零件疲劳强度的影响在交变载荷作用下，零件表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷员易形成应力集中，并发展成疲劳裂纹，导致零件疲劳破坏。因此，对于重要零件表面如连杆、曲轴等，应进行光整加工，减小表面粗糙度值，提高其疲劳强度。适当的加工硬化能阻碍已有裂纹的继续扩大和新裂纹的产生，有助于提高疲劳强度。但加工硬化程度过大，反而易产生裂纹，故加工硬化程度应控制在一定范围内。拉应力加剧疲劳裂纹的产生和扩展；残余压应力，能延缓疲劳裂纹的产生、扩展，而使零件疲劳强度提高。表面残余应力对疲劳强度的影响影响极大表面粗糙度的影响表面层的加工硬化对疲劳强度影响第一节概述3）表面质量对零件耐腐蚀性的影响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；表面粗糙度的影响表面粗糙度值越大，越容易积聚腐蚀性物质；波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度表面残余应力对零件耐腐蚀性影响拉应力则降低耐腐蚀性第一节概述4)表面质量对配合性质的影响表面残余应力会引起零件变形，使零件形状和尺寸发生变化，因此对配合性质有一定的影响。相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。表面粗糙度的影响对间隙配合而言，表面粗糙度值太大，会使配合表面很快磨损而增大配合间隙，改变配合性质，降低配合精度。

对过盈配合而言，装配时配合表面的波峰被挤平，减小实际过盈量，降低了连接强度，影响了配合的可靠性。表面残余应力的影响第一节概述刀尖圆弧半径主偏角副偏角进给量一、切削加工表面粗糙度的形成和影响因素几何因素刀刃和工件相对运动轨迹物理因素与被加工材料性质及

切削机理有关的因素1）切削加工表面粗糙度的几何因素切削残留面积的高度和刀刃刃磨质量塑性变形，摩擦、积屑瘤、工艺系统的高频振动第二节影响表面质量的因素2）切削加工表面粗糙度的物理因素第二节影响表面质量的因素为了降低因物理因素引起的粗糙度过大，故应采用合理的工艺参数：

①工件材料性能的影响塑性材料冲击韧度↑，表面粗糙度↑；脆性材料的加工表面粗糙度比较接近理论表面粗糙度值。一般，调质或正火处理，以得到均匀细密的晶粒组织和较高的硬度，以改善切削性能。②刀具切削角度、材料和刃磨质量的影响前角γ0↑，塑性变形↓，表面粗糙度↓。γ0为负值时，塑性变形↑，表面粗糙度↑。过小的后角α0将增大摩擦，刃倾角λ0又将改变刀具的实际前角故都会影响加工表面的表面粗糙度。刃具材料和刀磨质景对产生积屑瘤和鳞刺等现象影响很大。故也将影响加工表面粗糙度。第二节影响表面质量的因素③切削用量的影响1)切削速度υ

切削塑性材料时，在一定的速度范围内（20~80m/min)易产生积屑瘤和鳞刺。当切削速度超过80m/min时，积屑瘤和鳞刺都不易产生。因此工件表面粗糙度值较小。加工硬脆材料时，切削速度对表面粗糙度影响甚微。因为在此种情况下不产生积屑瘤。2)进给量ƒ减小进给量ƒ可减小粗糙度值，并且还可减小切削时的塑性变形，但有时ƒ过小会增加刀具与工件表面的挤压次数，使塑性变形增大，反而加大表面粗糙度值。3)背吃刀量αp一般来说αp对表面粗糙度影响不大，但在精密加工中却对表面粗糙度有影响。过小的αp将使切削刃圆弧对加工表面产生强烈的挤压和摩擦，引起附加的塑性变形，增大了表面粗糙度值。几何原因塑性变形机械加工振动(主要因素)二、磨削过程中表面粗糙度的形成1、形成因素磨削用量砂轮的粒度和砂轮的修整情况第一类是与磨削砂轮有关的因素第二类是与工件材质有关的因素第三类是与加工条件有关的因素影响表面粗糙度的因素第二节影响表面质量的因素二、磨削过程中表面粗糙度的形成(1)几何原因——与磨削砂轮有关的因素1）磨削用量对表面粗糙度的影响砂轮的速度↑，单位时间内的磨削量↑，粗糙度↓；工件的速度↑，单位面积内的磨削量↓，粗糙度↑；砂轮纵向进给速度↑，每部位重复磨削次数↑，粗糙度↓。第二节影响表面质量的因素2）砂轮的粒度和砂轮的修整对表面粗糙度的影响砂轮的粒度磨粒的大小磨粒间的距离砂轮的粒度号↑，参与磨削的磨粒↑，粗糙度↓

；砂轮的粒度号越大，磨粒和磨粒间离越小修整砂轮时，纵向进给量对表面粗糙度的影响甚大；纵向进给量↓，砂轮表面的等高性越好，粗糙度↓；第二节影响表面质量的因素

砂轮太硬，磨粒磨损后不易脱落，使工件表面受到强烈的摩擦和挤压，增加了塑性变形，表面粗糙度值增大，同时还容易引起烧伤；砂轮太软，磨粒易脱落，磨削作用减弱，也会增大表面粗糙度值。主要是砂轮的粒度、硬度以及对砂轮的修整等。

砂轮的粒度越细，则砂轮单位面积上的磨粒数越多，磨削表面的刻痕越细，表面粗糙度值越小；但较度过细，砂轮易堵塞，使表面组糙度值增大，同时还易产生波纹和引起烧伤。砂轮的粒度要适度砂轮硬度要合适砂轮的硬度是指磨粒受磨削力后从砂轮上脱落的难易程度。第二节影响表面质量的因素越小，修出的微刃越多，等高性越好，粗糙度值低。砂轮的修整质量修整工具修整砂轮的纵向进给量砂轮的修整质量

砂轮的修整是用金刚石除去砂轮外层己钝化的磨粒，使磨粒切削刃锋利，降低磨削表面的表面粗糙度值。与这两者有密切关系组织紧密的砂轮用于成形磨削和精密磨削，可获得高精度和小的表面粗糙度值；组织疏松的砂轮不易堵塞，适用于磨削韧性大而硬度不高的材料或热敏性材料(如磁钢，不锈钢、射热钢等)。一般用途的砂轮为中等组织。砂轮的组织

第二节影响表面质量的因素工件材料太软：铝、铜合金等软材料易堵塞砂轮，比较难磨。塑性大、导热性差的耐热合金易使砂粒早期崩落，导致磨削表面粗糙度值增大。工件材料太硬：磨粒易钝化，钝化的磨粒不能及时脱落，工件表面受到强烈的摩擦和挤压作用，塑性变形加剧，使表面粗糙度值增大；(2)与工件材质有关的因素

包括材料的硬度、塑性、导热性等。对表面粗糙度有显著影响第二节影响表面质量的因素(3)与加工条件有关的因素包括磨削用量、冷却条件及工艺系统的精度与抗振性等。第二节影响表面质量的因素三、影响零件表面层物理力学性能的因素

加工表面除受力变形外，还受到机械加工中产生的切削热的影响。切削热在一定条件下会使金属在塑性变形中产生回复现象，使金属失去加工硬化中所得到的物理力学性能，这种现象称为弱化。一、表面层的加工硬化1．加工硬化的产生硬化弱化

机械加工过程中，工件表面后金属受切削力作用，产生强烈的塑性变形、使金属的晶格扭曲，晶粒被拉长、纤维化甚至破碎而引起的表面层的强度和硬度增加，塑性降低，物理性能（如密度、导电性、导热性等）也有所变化。这种现象称为加工硬化，又称作冷作硬化或强化。

因此，金属在加工过程中最后的加工硬化，取决于硬化速度与弱化速度的比率。第二节影响表面质量的因素1)表面层的显微硬度H2)硬化层深度h3)硬化程度N2．加工硬化的衡量指标H0——金属内部的显微硬度

磨削时，磨削深度和纵向进给速度↑，磨削力↑，塑性变形加剧，表面冷硬趋向↑。4．影响加工硬化的因素1)切削力↑，塑性变形↑，硬化程度和硬化层深度↑。如：切削时进给量↑

，切削力↑

，塑性变形程度↑

，硬化程度↑；

刀具的刃口圆角和后刀面的磨损量增大，塑性变形↑，冷硬层深度和硬化程度随之↑。第二节影响表面质量的因素2)切削温度↑，弱化作用↑，冷硬作用↓。如：切削速度增大，会使切削温度升高，有利于软化；

磨削时提高磨削速度和纵向进给速度，有时会使磨削区产生较大热量而使冷硬减弱。被加工材料的硬度低、塑性好，则切削时塑性变形越大，冷硬现象就越严重。例如：碳钢，含碳量↑，强度↑，塑性↓，硬化↓；第二节影响表面质量的因素

对于磨削加工来说，由于单位面积上产生的切削热比一般切削方法要大几十倍，易使工件表面层的金相组织发生变化，从而使表面层的硬度和强度下降，产生残余应力甚至引起显微裂纹。这种现象称为磨削烧伤。

二．表面层金相组织变化

机械加工过积中，在工件的加工区及其邻近的区域，温度会急剧升高，当温度超过工件材料金相组织变化的临界点，就会发生金相组织变化。对于一般切削加工而言，温度还不会上升到如此程度。磨削烧伤将严重地影响零件的使用性能。第二节影响表面质量的因素

1)如果工件表面层温度未超过相变温度。(一般中碳钢为720℃，但超过马氏体的转变温度(一般中碳钢为300℃)，这时马氏体将转变为硬度较低的回火屈氏体或索氏体，这叫回火烧伤。

2)当工件表面层温度超过相变温度，如果这时有充分的切削液，则表面层将急冷形成二次淬火马氏体，硬度比回火马氏体高，但很薄，只有几微米厚。其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体，导致表面层总的硬度降低，这称为淬火烧伤。

3)当工件表面层温度超过相变温度，则马氏体转变为奥氏体、如果这时无切削液，则表面硬度急剧下降，工件表层被退火，这种现象称为退火烧伤。磨削时很容易产生这种现象。

磨淬火钢时，在工件表面层上形成的瞬时高温将使表面金属产生以下三种金相组织变化：第二节影响表面质量的因素影响磨削烧伤的因素及其改善措施尽可能减少磨削热的产生；改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤可有两个途径：(1)合理选择磨削用量(2)工件材料(3)砂轮的选择(4)冷却条件改善措施第二节影响表面质量的因素

磨削深度↓，工件纵向进给量和工件速度↑，砂轮与工件表面接触时间相对↓，因而热的作用时间↓，磨削烧伤↓

。

为减轻烧伤而同时又保持高的生产率、一般选用较大的工件速度和较小的磨削深度。同时，为了弥补因增大工件速度而造成表面粗糙度值增大的缺陷，可以提高砂轮速度。(1)合理选择磨削用量但：磨削深度↓，生产率↓；工件纵向进给量和工件速度↑，表面粗糙度值↑。实践证明，同时提高砂轮速度和工件速度，可以避免烧伤。解决办法：第二节影响表面质量的因素(2)工件材料

工件材料对磨削区温度的影响主要取决于它的硬度、强度、韧性和热导性。硬度、强度越高，韧性越大，磨削热量越多；导热性差的材料，如耐热钢、轴承钢、不锈钢等。在磨削时易产生烧伤

软砂轮较好，对于硬度太高的砂轮，钝化砂粒不易脱落，容易产生烧伤。(3)砂轮的选择一般来说，选用粗粒度砂轮磨削，不容易产生烧伤。

砂轮结合剂最好采用具有一定弹性的材料，如树脂、橡胶等。第二节影响表面质量的因素采用切削液带走磨削区的热量可以避免烧伤。(4)冷却条件磨削时，一般冷却效果较差，由于高速旋转的砂轮表面上产生强大气流层，实际上没有多少切削液能进入磨削区。增加切削液的流量和压力采用特殊喷嘴采用多孔性砂轮比较有效的冷却方法将切削液大量地喷注在已经离开磨削区的工件表面上。第二节影响表面质量的因素

三、表面层的残余应力(1)冷态塑性变形引起的残余应力(2)热态塑性变形引起的残余应力(3)金相组织变化引起的残余应力l、表面层残余应力及其产生的原因

表面层残余应力

外部载荷去除后，工件表面层及其与基体材料的交界处仍残存的互相平衡的应力。表面层残余应力产生的原因(4)冷态塑性变形后比容积增大引起的残余应力第二节影响表面质量的因素(1)冷态塑性变形引起的残余应力

表层的冷态塑性变形主要发生在Py的方向(刀具是副前角),表层金属被压薄的,按一般变形的规律,压薄后的金属,其另外两个角度(长度、宽度）比如要增大，由于基体金属的限制，结果产生压应力—磨削

表层金属的冷态塑性变形与切削方