机械制造工艺学第15讲课件

第五章机械加工表面质量§5-3§5-4概述表面粗糙度及其降低的工艺措施表面层物理、力学性能及其改善的工艺措施机械加工中的振动及其控制措施内容提纲§5-2§5-1第五章机械加工表面质量§5-1概述一、表面质量的含义零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包括加工表面质量。机械加工表面质量决定了机器的使用性能和使用寿命。机械加工表面质量是以机械零件的加工表面和表面层作为分析和研究对象的。机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（几微米——几十微米），但都错综复杂地影响着机械零件的耐磨性、抗腐蚀性、配合质量和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须引起足够的重视。第五章机械加工表面质量表面粗糙度波纹度纹理方向表面缺陷（划痕、裂纹、砂眼等）表面质量的内容表面微观几何形状特征表层物理力学性能变化表层加工冷作硬化表层金相组织变化表层残余应力第五章机械加工表面质量表面质量的内容☞表面粗糙度：是指表面微观几何形状误差，其波长与波高的比值在L/H＜50的范围内，波距<1mm。表面波度：是介于加工精度（宏观几何形状误差L/H≥1000）和表面粗糙度间的一种带有周期性的几何形状误差，其波长与波高的比值在50＜L/H＜1000的范围，波距=1~10mm纹理方向：纹理方向是指表面刀纹的方向，它取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法。表面缺陷：是加工表面上一些个别位置上出现的缺陷。例如：砂眼、气孔、裂痕等。☞表面微观几何形状特征第五章机械加工表面质量a）波纹度b）表面粗糙度

零件加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ1)表面层冷作硬化(简称冷硬)：在机械加工中,零件表面层产生强烈的冷态塑性变形后,引起的强度和硬度都有所提高的现象。一般情况下表面硬化层的深度可达0.05～0.30mm。2)表面层金相组织的变化：机械加工过程中，由于切削热或磨削热的作用引起工件表面温升过高，表面层金属的金相组织发生变化的现象。3)表面层残余应力：是由于加工过程中切削变形和切削热的影响，工件表面层产生的残余应力。☞表层物理力学性能变化第五章机械加工表面质量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粗糙度越大，疲劳强度越差。适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度。粗糙度越大、工作精度降低。残余应力越大，工作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。总结：1）表面粗糙度对零件的密封和摩擦性能的影响很大。降

低粗糙度到一定值是保证良好密封、防止泄漏、降摩

减摩、提高效率和节能降耗的有效途径；2）表面粗糙度对机械产品的精度、寿命等起重要作用。

零件设计时，确定表面粗糙度要求时，应考虑其使用

及工艺方法的可行性和经济性；3）图纸上一般不规定零件表层的物理机械性能，当达到

表面粗糙度要求时，表层物理机械性能也能满足。重

要机械零件（如在高速、重载荷下工作，要求零件有

较高的疲劳强度和耐磨性的零件）才作规定；4）零件精度等级与表面粗糙度值两者应协调一致。

☞注

第五章机械加工表面质量

表面粗糙度及其降低的工艺措施第五章机械加工表面质量三、表面质量的研究内容

零件表层物理、力学性能及其改善的工艺措施

机械加工中的振动及其控制

加工过程中存在塑性变形等。物理因素影响一般比较复杂，与加工表面形成过程有关，如积屑瘤、鳞刺和振动等。2.物理因素第五章机械加工表面质量1）工件材料的影响（1）塑性材料：塑性、韧性愈好，塑性变形愈大，加工

表面愈粗糙。中碳钢和低碳钢的工件，为改善切削性能

，减小表面粗糙度，粗或精加工前正火或调质处理。（2）脆性材料：切屑的崩碎性，加工表面粗糙。2）切削速度的影响

加工塑性材料，切削速度对表面粗糙度的影响（对积屑

瘤的影响）见如下图所示。切削速度越高，塑性变形越

不充分，表面粗糙度值越小。低速宽刀和高速精切，表面粗糙度值小。3.工艺因素与改进措施第五章机械加工表面质量

切削速度影响最大：v=10～50m/min范围内，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差。切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（μm）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度

h（μm）0200400600hKsRz第五章机械加工表面质量6）刀具的影响（1）刀具的几何形状及刃磨质量①减小刀具的主偏角、副偏角，增大刀尖圆弧半径均

能有效地降低表面粗糙度值；②适当增大刀具前角，刀具轻松切入，减少切屑塑性

变形，可降低粗糙度值。前角不能太大，否则刀刃有

嵌入倾向，会增大表面粗糙度值；③前角一定，增大后角，钝圆半径减小，刀刃磨钝后

，后刀面与已加工表面产生摩擦和挤压，有利于减小

的粗糙度值。刀具后角不能太大，否则刀刃强度下降

，易产生切削振动，对表面粗糙度不利。第五章机械加工表面质量（2）刀具的材料化学成分不同，刀具与被加工材料分子亲合程度、摩

擦系数等均不同。相同切削条件下，用硬质合金加工

的表面粗糙度要比用高速钢好，金刚石刀具加工比用

硬质合金好，金刚石刀具主要用于有色金属及合金件

的镜面加工，其原因在于：

①金刚石硬度和强度高，能在高温下保持其性能，长

时间的切削，其刀尖圆弧半径和刃口半径均能保持不

变，刃口锋利；

②金刚石系共晶结合，与其它金属材料亲合力很小，

切屑不会焊接或粘结在刀尖上(即不产生积屑瘤)；

③金刚石刀具前后刀面摩擦系数非常小，切削力及表

面金属塑性变形程度小，可降低加工表面粗糙度值。

7）其他因素：合理使用冷却润滑液等第五章机械加工表面质量影响切削加工表面粗糙度的因素刀具几何形状刀具材料、刃磨质量切削用量工件材料残留面积↓→Ra↓前角↑→Ra↓后角↑→摩擦↓→Ra↓刃倾角会影响实际工作前角v↑→Ra↓f↑→Ra↑ap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、调质处理刀具材料强度↑→Ra↓刃磨质量↑→Ra↓冷却、润滑↑→Ra↓总结：

1）砂轮速度v越高，Ra好；

2）工件速度vw越高，Ra差；

3）砂轮纵向进给f越大，Ra

差；

4）磨削深度ap越大，Ra

差。图磨削用量对表面粗糙度的影响f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)f=2.36(m/min)ap

=0.01(mm)v(m/s),vw(m/min)Ra(μm)0304050600.51.0a,b）ap(mm)00.010.40.8Ra(μm)00.20.60.020.030.04c）1.磨削用量影响光磨次数-Ra关系Ra(μm)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)5）光磨次数越多，Ra越好。第五章机械加工表面质量

1）砂轮粒度大，Ra小，应适当；

2）砂轮硬度适中，Ra小，常取中软；

3）砂轮组织适中，Ra小

，常取中等组织；

4）采用超硬砂轮材料，Ra

小；

5）砂轮精细修整，Ra小；2.砂轮影响3.其他影响因素

1）工件材料；

2）冷却润滑液等。第五章机械加工表面质量☞表面粗糙度的测量表面粗糙度的测量比较法触针法光切法干涉法第五章机械加工表面质量◆2）触针法：将触针在被测表面移动时所作的上下运动经机→电转换→放大后输出表面轮廓参数值或表面轮廓图形。

（1）接触式测量

（2）测量精度的影响因素：

触针针尖圆角半径；触针的作用力；传感信号随触针移动的非线性等因素的影响。

3）适用检测Ra=0.02~5μm。

第五章机械加工表面质量◆3）光切法：利用光切原理测量表面粗糙度的方法。

（1）Rz值是在测量长度范围内，n(n取5)个取样长度的平均值。

（2）检测精度Rz=0.5~60μm

。Zp2lrZv6Zv5Zp6Zp5Zp4Zp3Zv4Zv3Zp1Rz中线Zv1Zv2第五章机械加工表面质量一、表面层的冷作硬化☞

产生原因

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、剪切滑移、晶粒

拉长、纤维化甚至碎化，使表面层的强度和硬度增加。☞评定指标

1）表面层的显微硬度HV；

2）硬化层深度h；

3）硬化程度NN=(HV-HV0)/HV0×100％式中：HV0—工件原表面层的显微硬度。第五章机械加工表面质量☞影响表面冷作硬化的因素1.切削加工进给量增大，冷硬程度明显；◆1）切削用量影响◆2）刀具影响

刀尖半径越大，冷硬程度越明显；其他几何参数影响不明显；后刀面磨损影响显著。00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v

=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)后刀面磨损对冷硬影响◆3）工件材料

材料塑性越大，冷硬倾向越明显。切削速度影响复杂（力与热综合作用结果）；切削深度影响不大。

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第五章机械加工表面质量磨削速度越高，冷硬程度不明显（弱化作用加强）；工件转速越高，冷硬程度越明显；纵向进给量影响复杂。磨削深度越大，冷硬程度越明显；◆1）磨削用量◆2）砂轮

砂轮粒度越大，冷硬程度不明显；砂轮硬度、组织影响不显著。◆3）工件材料

材料塑性越高，冷硬倾向越明显；材料导热性越好，冷硬倾向不明显。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2.磨削加工第五章机械加工表面质量使用刀具时，应合理限制其后刀面的磨损程度；合理选择切削用量，采用较高的切削速度和较小的进给

量；加工时采用有效的冷却润滑液。合理选择刀具的几何形状，采用较大的前角和后角，并在刃磨时尽量减小其切削刃口半径；☞减少表面冷硬的措施第五章机械加工表面质量带空气挡板冷却喷嘴二、表面金属的金相组织变化

1）合理选择砂轮；

2）合理选择磨削用量；

3）改善冷却条件。

工件表层温度达到或超过材料相变温度，表层金相组织、显微硬度发生变化，伴随残余应力产生，出现彩色氧化膜。1.磨削烧伤

磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现。3.磨削烧伤与磨削裂纹的控制2.磨削裂纹第五章机械加工表面质量三、影响表层金属残余应力的因素

1）切削速度越高，残余应力越大（热应力起主导作用）。◆1.切削用量◆2.刀具1）前角越小，残余拉应力越大；2）刀具磨损严重，残余应力大。◆3.工件材料1）材料塑性越高，残余应力越大；2）铸铁等脆性材料易产生残余压应力。

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