《机械制造技术》第23课 分析工件加工表面粗糙度的影响因素

PAGE8PAGE8PAGE7PAGE7

课题分析工件加工表面粗糙度的影响因素——机械加工表面质量课时2课时（90min）教学目标知识技能目标：（1）掌握机械加工表面质量的概念及其影响因素（2）掌握提高机械加工表面质量的方法（3）能够初步解决一般的机械加工质量问题思政育人目标：培育崇实尚业、刻苦钻研的工匠精神教学重难点教学重点：加工表面的几何形状特征，表面质量对零件使用性能的影响，影响加工表面几何形状特征的因素，提高加工表面质量的方法教学难点：表面质量对零件使用性能的影响，影响加工表面几何形状特征的因素教学方法启发式、讲授法、案例分析法、讨论法、总结法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学设计→考勤（2min）→教学过程主要教学内容及步骤设计意图课前任务【教师】上传预习资料，发布预习任务，和学生负责人取得联系，让其提醒同学通过文旌课堂APP或其他学习软件，完成课前任务查找机械加工表面质量的相关资料，思考机械加工表面质量的定义及内容，通过发起的线上任务，分析讨论为何要对机械加工表面质量进行学习。【学生】完成课前任务通过课前任务，培养学生独立收集资料的能力，初步建立机械加工表面质量的概念，锻炼其观察、分析、总结的能力考勤

（2min）【教师】使用文旌课堂APP进行签到【学生】按照老师要求签到培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况互动导入

（3min）【教师】展示“配气机构”图片（详见教材），讲述“任务引入”案例（详见教材），并提出问题表面质量包含哪些内容，有哪些影响因素，机械加工中又该如何对其进行保证和提高呢？【学生】聆听、思考、回答通过设置疑问的方式，引导学生主动思考，激发学生的学习兴趣传授新知（50min）【教师】通过学生的回答，引出本节课知识点，讲解机械加工表面质量的相关知识一、机械加工表面质量概述经过机械加工的零件，其加工表面总会存在一定的微观几何形状偏差，且表面层的物理及力学性能也会发生变化。因此，机械加工表面质量包括加工表面的几何形状误差和表面层金属的力学及物理性能。1、加工表面的几何形状特征加工表面的几何形状特征主要包括表面粗糙度、表面波纹度、纹理方向和表面缺陷四个方面。【多媒体】展示“表面粗糙度和表面波纹度”的图片（详见教材）1）表面粗糙度表面粗糙度是指加工表面上小范围平面的几何不平度。表面粗糙度主要由切削刀具的形状及切削过程中的塑性变形和振动等造成。2）表面波纹度表面波纹度是指加工表面上较小范围平面的几何不平度。表面波纹度主要由切削刀具的低频振动和位移造成。3）纹理方向纹理方向是指加工表面的刀纹方向，取决于表面形成过程中所采用的加工方法。4）表面缺陷表面缺陷是指在加工、储存或使用期间，零件表面上形成的不规则单元体，如砂眼、气孔和裂纹等。2、加工表面表面层的物理及力学性能☞【教师】展示“加工表面表面层的物理及力学性能”的图片（详见教材），提问：“加工表面表面层的物理及力学性能主要包括哪些方面？”并随机抽取学生回答问题☞【学生】聆听、思考、回答问题☞【教师】总结学生的回答，详细讲解加工表面表面层的物理及力学性能相关知识加工表面表面层的物理及力学性能主要包括表面层金相组织变化、表面层冷作硬化和表面层残余应力三方面。1）表面层金相组织变化机械加工过程中，在切削热的作用下零件表面层温度逐渐升高。当温度超过材料的相变临界点时，表面层的金相组织就会沿深度方向发生变化，形成吸附层和压缩层。吸附层：由表面层金属发生化学反应后形成的氧化膜或其他化合物，并吸收渗进一些气态、液态和固态的粒子后而形成，其厚度一般不超过。压缩层：是指在加工过程中由切削力造成的表面塑性变形区，其厚度约为几十至几百微米。压缩层中的纤维层由零件材料与刀具之间的摩擦力造成。2）表面层冷作硬化机械加工过程中，由于切削力的作用，工件表面层金属会产生强烈的塑性变形，使晶体产生滑移、扭曲，晶粒被拉长、呈纤维状甚至发生破碎，从而使表面层的强度和硬度升高，塑性降低，这种现象称为表面层冷作硬化，又称为表面层加工硬化。表面层冷作硬化用硬化层深度和硬化度两个指标来衡量。一般情况下，硬化层深度可达0.05～0.3mm；硬化程度的计算公式为：式中：——加工后表面层的显微硬度（HV）；——加工前表面层的显微硬度（HV）。【点拨】教师补充知识点机械加工中，由于切削热的作用，工件表面层的温度会升高，当温度升高到一定程度时，会使已硬化的金属恢复到正常状态。因此，表面层冷作硬化实际上是硬化和恢复综合作用的结果。3）表面层残余应力机械加工过程中，由于切削力和切削热的综合作用，表面层金属会发生塑性变形或金相组织变化，从而产生残余应力。二、机械加工表面质量对零件使用性能的影响☞【教师】提问：“零件的使用性能有哪些？”，并随机抽取学生回答问题☞【学生】聆听、思考、回答☞【教师】根据学生的回答，引出机械加工表面质量对零件使用性能的影响机械加工表面质量对零件的使用寿命和可靠性有重要影响，主要体现在耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性和配合精度等方面。1、机械加工表面质量对零件耐磨性的影响零件工作表面的耐磨性不仅与摩擦副的材料和润滑情况有关，还与两个相对运动零件的机械加工表面质量有关。其中，机械加工表面质量中的表面粗糙度、表面纹理、表面冷作硬化和表面层金相组织变化，对零件的耐磨性影响较大。1）表面粗糙度零件的表面粗糙度过大或过小都会降低其耐磨性。其中，表面粗糙度过大，会使零件摩擦的实际面积减小，单位应力增大，在接触点的凸峰处产生弹性变形、塑性变形和剪切破坏，从而使零件磨损加剧；表面粗糙度过小，接触面间容易发生分子黏结，且润滑液不易附着在表面，也会导致零件磨损严重。因此，在一定工作条件下，通常存在一个最佳的表面粗糙度，使零件的耐磨性最好。【知识链接】初期磨损量与表面粗糙度的关系实验证明，摩擦副的初期磨损量与其表面粗糙度有很大关系。在一定条件下，摩擦副存在一个初期磨损量最小的表面粗糙度，称为最佳表面粗糙度。……详见教材2）表面纹理表面纹理对零件的耐磨性也有一定影响，这是因为表面纹理的形状和方向能影响实际的接触面积与润滑油的存留。一般情况下，圆弧状、凹坑状的表面纹理耐磨性好；尖峰状的表面纹理由于摩擦副接触面压强大，因此耐磨性较差。……详见教材3）表面冷作硬化表面冷作硬化可以提高表面金属层的显微硬度，减小接触面间的弹性变形和塑性变形，从而提高零件的耐磨性。……详见教材4）表面层金相组织变化表面层金相组织产生变化时，会改变表面层的硬度，从而影响零件的耐磨性。2、机械加工表面质量对零件耐疲劳性的影响耐疲劳性是指零件抵抗疲劳破坏的能力。机械加工表面的几何形状误差和表面层金属的力学及物理性能都会影响零件的耐疲劳性。1）加工表面的几何形状特征加工表面的几何形状特征中，表面粗糙度对零件的耐疲劳性影响最大。2）表面层的物理及力学性能表面层的物理及力学性能中，表面残余应力对零件耐疲劳性的影响最大。……详见教材3、机械加工表面质量对零件耐蚀性的影响耐蚀性是指材料抵抗周围介质对其腐蚀破坏的能力。表面质量中的表面粗糙度和残余应力对零件的耐蚀性影响较大。1）表面粗糙度零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。表面粗糙度较大时，降低零件的耐蚀性；反之，表面粗糙度值较小时，则会提高零件的耐蚀性。【多媒体】展示“粗糙表面腐蚀过程的示意图”的图片（详见教材）2）残余应力表面层的残余压应力可使零件表面组织致密，腐蚀性物质不易侵入，有利于提高零件的耐蚀性；而表面层的残余拉应力则会降低零件的耐蚀性。……详见教材4、机械加工表面质量对零件配合精度的影响机械加工表面质量中的表面粗糙度对零件配合精度有很大的影响。如果表面粗糙度太大，对于间隙配合表面，其初期磨损量就大，工作一段时间后配合间隙就会增大，从而改变原有配合性质，影响间隙配合的稳定性；对于过盈配合表面，轴在压入孔内时表面粗糙度的部分凸峰会挤平，而使实际过盈量比预定的小，影响过盈配合的可靠性；对于过渡配合表面，则兼有以上两种配合的影响。因此，对有配合精度要求的表面都应规定较小的表面粗糙度值。三、影响加工表面质量的因素分析1、影响加工表面几何形状特征的因素表面粗糙度是构成加工表面几何特征的基本单元。下面就从切削加工和磨削加工这两种不同的加工方式来分析影响加工表面粗糙度的工艺因素。1）影响切削加工表面粗糙度的因素影响切削加工表面粗糙度的主要因素有几何因素、物理因素和机械加工振动三个方面。其中，机械加工振动将在下一节课进行详细讲解。（1）几何因素。【多媒体】展示“切削残留面积高度的影响因素”的图片（详见教材）切削加工中，由于刀具切削刃的形状和进给量等几何因素的影响，加工余量不可能完全切除，而会在加工表面上留下一定的残留面积。切削残留面积高度决定了表面粗糙度值的大小。切削残留面积高度的影响因素主要包括切削加工的进给量、主偏角、副偏角和刀尖圆弧半径等。☞【教师】提问：“分别计算车刀刀剑圆弧半径、时，切削残留面积高度的值”，安排学生分组讨论并派代表回答问题☞【学生】聆听、分组、思考、讨论、回答问题☞【教师】总结学生的回答当车刀刀尖圆弧半径时，由几何关系可计算出切削残留面积高度为：当车刀刀尖圆弧半径时，切削残留面积高度为：……详见教材（2）物理因素。切削加工中，刀具对工件的挤压与摩擦，使加工表面发生塑性变形，造成原有切削残留面积扭曲，或使其原有沟纹加深，从而增大加工表面粗糙度。……详见教材【点拨】教师补充知识点鳞刺是指在一定切削条件下，在加工表面上出现的鳞片状、有裂口的毛刺。鳞刺对加工表面的粗糙度影响很大，是获得较小粗糙度的一大障碍。对同样的金属材料，其金相组织越粗大，切削加工后的表面粗糙度越大。因此，精加工前对工件进行调质等处理，可得到均匀细密的组织和较高的硬度，从而减小加工表面粗糙度。2）影响磨削加工表面粗糙度的因素磨削加工与切削加工有许多不同之处。在磨削过程中，磨粒在工件表面上切削、刻划和滑擦出无数微细的沟槽，且沟槽两边伴随着塑性隆起。每单位面积的刻划越多，刻痕的等高性越好，隆起量越小，则磨削加工的表面粗糙度越小。影响磨削加工表面粗糙度的因素主要包括磨削用量、砂轮和工件材料等。（1）磨削用量砂轮速度：提高砂轮速度可以增加工件单位面积上的刻痕数，且高速磨削时工件表面的塑性变形不充分，可减小沟槽两侧的隆起量，有利于减小加工表面粗糙度。工件线速度：在其他条件不变的情况下，提高工件线速度，会减少磨粒单位时间内在工件表面上的刻痕数，从而增大加工表面粗糙度。磨削深度：增大磨削深度，会使磨削力增大，磨削温度升高，表面的塑性变形增大，从而使加工表面粗糙度增大。（2）砂轮砂轮的粒度：砂轮的粒度应适宜。砂轮的硬度：砂轮的硬度应适宜。砂轮的修整：砂轮上切削微刃的等高性越好，磨出的工件表面粗糙度越小。（3）工件材料工件材料的硬度、塑性、韧性和导热性等对磨削加工表面粗糙度有显著的影响。……详见教材2、影响表面层物理及力学性能的因素1）影响表面层金相组织变化的因素对于一般的切削加工，切削温度一般不会达到相变临界点，表面层金属的金相组织不会发生变化。但对于磨削加工，由于磨削温度较高，很容易达到相变临界点，表面层金属的金相组织会发生变化，从而引起其硬度和强度发生变化，并产生残余应力，甚至出现裂纹，这种现象称为磨削烧伤。☞【教师】提问：“根据定义，思考影响磨削烧伤的因素有哪些？”，并随机抽取学生回答问题☞【学生】聆听、思考、回答问题☞【教师】总结学生的回答（1）磨削用量。当磨削深度增加时，磨削温度会显著升高，容易造成磨削烧伤。（2）砂轮的特性。砂轮的粒度越细，硬度越高，则磨削温度越高，磨削烧伤越严重。（3）冷却方式。采用切削液进行冷却可避免磨削烧伤，但磨削时砂轮转速较高，其表面会产生一层强气流，采用一般的冷却方式时切削液很难进入磨削区，冷却效果不理想。……详见教材【点拨】教师补充知识点内冷却法是指利用砂轮的多孔隙特点，从砂轮中心通孔将切削液注入砂轮内部进行冷却的方法。采用这种方法时，切削液注入砂轮中心腔后随砂轮转动，在离心力的作用下经砂轮内部的孔隙甩入磨削区，可达到充分冷却的目的。2）影响表面层冷作硬化的因素（1）刀具几何参数。（2）切削用量。（3）工件材料。……详见教材3）影响表面层残余应力的因素（1）冷态塑性变形。（2）热态塑性变形。（3）金相组织变化。……详见教材【点拨】教师补充知识点实际加工中，表面层残余应力是冷态塑性变形、热态塑性变形和金相组织变化三方面综合作用的结果，其大小、性质和分布规律由起主导作用的因素决定。……详见教材四、提高加工表面质量的方法机械加工表面质量主要取决于表面的最终加工方法。因此，选择正确的最终加工方法对于提高加工表面质量其至关重要。1、光整加工光整加工是指精加工后，从工件上不切除或切出极薄金属层以提高加工表面质量的方法，如研磨、珩磨、超精加工及抛光等。光整加工的生产率较低、生产成本较高。2、表面强化表面强化是指通过改变工件表面层组织结构，从而提高加工表面质量的方法，如喷丸强化、滚压加工、液体磨料强化等方法。由于表面强化方法简单、成本低，因此在生产中应用十分广泛。这里主要对几种常见的表面强化工艺进行介绍。1）喷丸强化喷丸强化是指利用压缩空气将大量的珠丸高速喷向已加工表面，使已加工表面产生冷硬层和残余压应力，以显著提高零件疲劳强度的表面强化方法。……详见教材2）滚压加工【多媒体】播放“滚压加工”的视频（详见教材），了解滚压加工的相关内容滚压加工是指利用淬硬的滚轮或滚珠对工件表面施加压力，使表面产生塑性变形的表面强化方法。……详见教材3）液体磨料强化液体磨料强化是指将高速喷出的液体磨料混合物射向工件表面，使表面产生塑性变形的表面强化方法。……详见教材【学生】聆听、理解、记忆运用多媒体课件，通过提问引导和小组讨论的方式，详细介绍机械加工表面质量的相关概念，开展课堂活动，引导学生分析影响加工表面粗糙的因素，提升学生的学习兴趣和积极性，训练学生的逻辑性思维能力和工程实际应用能力项目实践（30min）分析影响工件加工表面粗糙的因素【教师】组织学生以小组形式开展项目训练活动，描述任务并发布任务要求高速精镗45钢工件的内孔时，采用主偏角、副偏角的锋利尖刀，加工表面粗糙度要求Ra为3.2μm。（1）在不考虑工件材料塑性变形对表面粗糙度影响的条件下，计算进给量。（2）分析加工表面粗糙度Ra实际值与