第三章 机械加工表面质量(工艺学)

第三章机械加工表面质量本章要点概述

影响加工表面质量的工艺因素提高机械加工表面质量的工艺方法机械加工过程中的振动2/25/20241第一节表面质量的概念表面质量的含义：加工表面的几何形状特征：表面粗糙度指加工表面的微观几何形状误差。波长与波高(L3/H3)的比值小于50。表面粗糙度的现行标准为：GB/T131-93。表示方法：Ra、Rz、Ry。表面波度介于形状误差与表面粗糙度之间的周期性形状误差。波长与波高(L2/H2)的比值一般为：50~1000。纹理方向指表面刀纹的方向。它取决于表面形成所采用的机械加工方法。2/25/20242表面质量的含义：加工表面的物理力学性能的变化：表面层因塑性变形引起的加工硬化（冷作硬化）；表面层因力或热的作用产生的残余应力；表面层因切削热或磨削热的作用引起的金相组织变化；第一节表面质量的概念最外层生成有氧化膜或其它化合物，并吸收、渗进了气体、液体和固体的粒子。+－2/25/20243表面质量对零件使用性能的影响对零件耐磨性的影响：表面粗糙度对耐磨性的影响刀纹方向对耐磨性的影响冷作硬化对耐磨性的影响残余应力对耐磨性的影响对零件耐疲劳性的影响：表面粗糙度对耐疲劳性的影响残余应力对耐疲劳性的影响冷作硬化对耐疲劳性的影响表面为压应力时，耐疲劳性好。冷作硬化程度↗→耐疲劳性↗表面纹理对耐磨性的影响表面纹理的形状,一般来说，圆弧状、凹坑状表面纹理的耐磨性好；尖峰状的表面纹理由于摩擦副接触面压强大，耐磨性较差。

轻载时，表面的纹理方向均与运动方向相间时，耐磨性较好；纹理方向均与运动方向相垂直时，耐磨性最差。冷作硬化对耐磨性的影响一般都能使耐磨性有所提高。原因是硬度高，塑性低，减少了作用表面的弹性和塑性变形，故减少了磨损。但硬度过渡时，表面层金属变脆，磨损反而加剧。表面为压应力时，使表面紧密耐磨性高。2/25/20244表面质量对零件使用性能的影响对零件耐腐蚀性的影响：Ra值↗耐腐蚀性↙表面压应力表面致密耐腐蚀性↗对零件配合精度的影响：实验研究表明：零件尺寸大于50mm时，推荐：Ra=(0.1~0.15)T零件尺寸在18~50mm时，推荐：Ra=(0.15~0.20)T零件尺寸小于18mm时，推荐：Ra=(0.20~0.25)T一定的精度应有相应的表面粗糙度！一定的尺寸公差要有相应的表面粗糙度！2/25/20245第二节影响加工表面质量的工艺因素切削加工中影响表面粗糙度的因素几何因素：考虑刀尖圆弧角：Ra值↗加工时，有塑性变形发生。使实际表面比理论表面更粗糙。2/25/20246切削加工中影响表面粗糙度的因素物理因素：切削速度：脆性材料v↗→Ra↙工件材料性质：刀具几何形状、材料：前角↗Ra值↙冷却润滑：工艺系统的振动：一般韧性较大的塑性材料，加工后表面粗糙度值较大。而脆性材料加工后易得到较小的表面粗糙度值。对于同样材料，其晶粒组织越粗大，加工表面粗糙度值越大。切削塑性材料时，切削速度影响最大：v=20～50m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差。2/25/20247

磨削加工后的表面粗糙度正像切削加工时表面粗糙度的形成过程一样，磨削加工表面粗糙度的形成也是由几何因素和表面层金属的塑性变形(物理因素)决定的，但磨削过程要比切削过程复杂得多。（一）几何因素的影响磨削表面是由砂轮上大量的磨粒刻划出的无数极细的沟槽形成的。单纯从几何因素考虑，可以认为在单位面积上刻痕越多，即通过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。（二）物理因素的影响——表面层金属的塑性变形砂轮的磨削速度远比一般切削加工的速度高得多，且磨粒大多为负前角，磨削比压大，磨削区温度很高，工件表层温度有时可达900℃，工件表层金属容易产生相变而烧伤。因此，磨削过程的塑性变形要比一般切削过程大得多。磨削加工中影响表面粗糙度的因素2/25/20248磨削加工中影响表面粗糙度的因素磨削用量砂轮的特性粒度：粒度号↗Ra值↙砂轮的硬度：硬度↗难脱落Ra值↗硬度↙易脱落不易保持形状精度↙砂轮的修整：冷却影响磨削表面层金属塑性变形的因素，往往是影响表面粗糙度的决定因素。2/25/20249机械加工中，金属被加工表面层受切削力的作用产生塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生滑移剪切，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，引起表面层的强度和硬度都提高的现象，称加工硬化（冷作硬化）。金属冷作硬化的结果，使金属处于高能位不稳定状态，只要一有条件。金属的冷硬结构就会本能地向比较稳定的结构转化，这现象统称弱化。切削热将使冷硬现象得到恢复（减轻）。影响表面层物理、力学性能变化的因素表面层的加工硬化评定指标：表面层的显微硬度HV硬化层深度h硬化程度N影响因素：刀具切削用量工件材料前角减少，刃口圆角和后刀面磨损量增大时，径向切削分力也增大，塑性形变增大，冷作层深度和硬度也随之增大。切削速度影响复杂（切削力与切削热综合作用结果）某些加工条件下，切削速度增大，塑性变形减少，有减小冷硬程度的趋势，但切削热在工件表面层上的作用时间也缩短了，又有使冷硬程度增加的趋势。因此最终冷硬程度增加。另一些加工条件下，切削速度增大，塑性变形减少，硬化层深度和硬度降低。工件硬度愈小，塑性愈大的材料，冷作硬化愈严重。图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进给速度增大，切削力增大，塑性变形加剧，硬化现象增大。很小进给速度出现相反的现象。切削深度影响不大.2/25/202410磨削速度↑→冷硬程度↓（弱化作用增大）工件转速↑→冷硬程度↑纵向进给量影响复杂磨削深度↑→冷硬程度↑◆磨削用量◆砂轮砂轮粒度↑→冷硬程度↓砂轮硬度、组织影响不显著◆工件材料材料塑性↑→冷硬倾向↑材料导热性↑→冷硬倾向↑磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削磨削加工中影响表面冷作硬化的因素

影响表面层物理、力学性能变化的因素2/25/202411影响表面层物理、力学性能变化的因素表面层的金相变化加工中产生θ℃达到相变温度产生相变烧伤的形式：退火烧伤回火烧伤淬火烧伤工件表面温度超过相变温度AC3，但无冷却液，工件表面被退火。工件干磨时易发生这种烧伤。工件表面温度未达到相变温度AC3，但超过马氏体的转变温度，工件表层组织为回火屈氏体或索氏体。工件表面温度超过相变温度AC3，冷却充分，工件表面被二次淬火。但淬透层很薄，其下层仍为回火屈氏体或索氏体。表层金属就会发生金相组织变化，从而使表面层强度和硬度降低，产生残余应力，甚至出现微观裂纹，表面呈现氧化膜颜色。这种现象被称为磨削烧伤。2/25/202412表面层的金相变化影响磨削烧伤的因素：磨削用量aP↗工件表层温度↗↗烧伤↗↗V砂轮↗工件表层温度↗烧伤↗f↗工件表层温度↙烧伤↙V工件↗工件表层温度↗热源作用时间↙烧伤↙工件材料砂轮特性冷却工件材料硬度高、强度高、韧性和密度大都会使磨削区温度升高，容易产生磨削烧伤。采用粗粒度砂轮、较软的砂轮可避免磨削烧伤发生。2/25/202413影响表面层物理、力学性能变化的因素表面层的残余应力冷态塑性变形热态塑性变形局部金相组织变化在切削力的作用下，已加工面受后刀面的挤压，使晶格扭曲，表层金属比容积增大，体积膨胀，而内层金属又阻止其伸长。故加工后表面层残余应力为压应力(-)，里层为拉应力(+)。在切削热的作用下，已加工面产生热膨胀，此时表层产生热压应力。加工后，表层已产生的热塑性变形收缩受到内层金属的阻碍。故加工后表面层残余应力为拉应力(+)，里层为压应力(-)。不同的金相组织有不同的密度，如ρM=7.75g/cm3ρA=7.96g/cm3、ρP=7.78g/cm3、ρF=7.88g/cm3当金相组织变化时，由于密度不同，体积会发生变化。如果表层金属膨胀则残余应力为压应力(-)，反之，如果表层金属体积缩小则产生残余拉应力(+)。例如：淬火钢表面回火，表层金属由马氏体转变成屈氏体或索氏体，密度由7.75变为7.78g/cm3

表层材料形状变化、体积变化、金相组织变化时，将在表层材料与基体间产生相互平衡的残余应力。2/25/202414金属熔化温度金属高塑性温度标准室温切削中（升温热膨胀时）切削结束后冷却收缩室温下切削热产生残余拉应力的示意图没有残余应力的完全塑性状态受热膨胀产生压应力不完全塑性状态影响表面层物理、力学性能变化的因素2/25/202415

v↑→残余应力↑（热应力起主导作用）◆切削用量

f对残余应力的影响工件：45，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液残余应力(Gpa)0.2000.200100200300400距离表面深度(μm)

f=0.40mm/r

f

=0.25mm/r

f=0.12mm/r

f↑→残余应力↑切削深度影响不显著

vc

对残余应力的影响γ0=5°,α0==5°,κr=75°,rε=0.8mm,工件：45切削条件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200距离表面深度(μm)残余应力(Gpa)-0.2000.20vc

=213m/minvc

=86m/minvc

=7.7m/min影响表面金属残余应力的工艺因素影响表面层物理、力学性能变化的因素2/25/2024162/25/202417◆刀具前角+→－，残余拉应力↓刀具磨损↑→残余应力↑◆工件材料材料塑性↑→残余应力↑铸铁等脆性材料易产生残余压应力影响表面金属残余应力的工艺因素影响表面层物理、力学性能变化的因素2/25/2024182/25/2024192/25/2024202/25/202421◆磨削用量的影响背吃刀量ap、砂轮速度vs

工件的转速vw和进给f1◆工件材料强度↑、导热性↓、塑性↓→残余拉应力↑影响磨削残余应力的工艺素因

热变形和塑性变形对残余应力影响很大热因素起主导作用→残余拉应力塑性变形起主导作用→残余压应力淬火烧伤时，金相组织变化起主导作用→残余压应力ap对残余应力的影响磨削工业铁和T8的残余应力2/25/202422工件最终工序加工方法的选择加工方法残余应力符号

/MPa应力层深度h/mm车削一般外拉内压

外压内拉200～800刀具磨损1000一般外拉内压0.05～0.1高速、负前角时0.65磨削一般外压内拉200～10000.05～0.30铣削外压内拉600～1500碳钢淬硬外压内拉400～750钢珠滚压钢件外压内拉700～800喷丸强化钢件外压内拉1000～1200渗碳淬火外压内拉1000～1100镀铬外拉内压400镀铜外拉内压200各种加工方法在工件表面残余的内应力2/25/202423第三节提高机械加工表面质量的工艺方法采用光整加工方法降低表面粗糙度表面强化工艺改善物理力学性能渗氮、渗碳等化学热处理激光表面处理技术机械强化工艺：滚压加工；喷丸强化；液体磨料强化；2/25/202424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（图4-71）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（图4-70）喷丸强化图4-71滚压加工原理图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、焊缝等滚压加工图4-70珠丸挤压引起残余应力

压缩拉伸塑性变形区域第三节提高机械加工表面质量的工艺方法2/25/202425机械加工过程中振动的危害影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度影响生产效率加速刀具磨损，易引起崩刃影响机床、夹具的使用寿命产生噪声污染，危害操作者健康工艺系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。

由于系统中总存在由阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。机械加工过程中振动的类型自由振动自由振动强迫振动自激振动

第四节机械加工过程中的振动2/25/202426强迫振动产生原因由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起强迫振动振源：机外＋机内。机外振源均通过地基把振动传给机床。机内：

1）回转零部件质量的不平衡

2）机床传动件的制造误差和缺陷

3）切削过程中的冲击

频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数

幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振

相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个φ角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。强迫振动的特征

第四节机械加工过程中的振动2/25/202427自激振动的概念在没有周期性外力作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动自激振动过程可用传递函数概念说明（图4-72）自激振动是一种不衰减振动自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率自激振动能否产生及振幅的大小取决于振动系统在每一个周期内获得和消耗的能量对比情况（图4-73）。图4-73自激振动系统能量关系ABC能量EQE－E＋0振幅电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)图4-72自激振动闭环系统机床振动系统（弹性环节）调节系统（切削过程）自激振动的特征

第四节机械加工过程中的振动2/25/202428◆再生机理：切削过程，由于偶然干扰，使加工系统产生振动并在加工表面上留下振纹。第二次走刀时，刀具将在有振纹的表面上切削，使切削厚度发生变化，导致切削力周期性地变化，产生自激振动自激振动机理图4-74再生自激振动原理图f切入切出y0ya）b）φy0y切入切出fc）φfy0y切入切出d）切入切出fy0yφ◆产生条件（图4-74）：a）b）c）系统无能量获得；d）y滞后于y0，即0＞φ＞-π

，此时切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出时切削力所作正功（获得能量）大于切入时所作负功，系统有能量获得，产生自激振动

第四节机械加工过程中的振动2/25/202429◆振型耦合机理：将车床刀架简化为两自由度振动系统，等效质量m用相互垂直的等效刚度分别为k1、k2两组弹簧支撑（设x1为低刚度主轴，图4-75）图4-75车床刀架振型耦合模型Fmabcdx1x1x2x2βk2k1α1α2X◆自激振动的产生：①k1=k2，x1与x2无相位差,轨迹为直线，无能量输入②k1＞k2，x1超前x2

，轨迹d→c→b→a为一椭圆，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的大，系统无能量输入③k1＜k2，x1滞后于x2

，轨迹为一顺时针方向椭圆，即：a→b→c→d。此时，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的小，有能量获得，振动能够维持。

第四节机械加工过程中的振动2/25/202430减小机内干扰力的幅值调整振源的频率，一般要求：◆调整振动系统小刚度主轴的位置（图4-76）消除或减弱产生强迫振动的条件式中f和fn分别为振源频率和系统固有频率隔振βx2x2x1x1x