《机械制造工艺与夹具》-第6章 机械加工表面质量

第一节概述一、基本概念加工表面质量是指机械加工后表面层的几何结构和受加工过程影响，使表面层金属材料与基体材料性质不一致而产生变化的状况。它与机械加工精度同是机械加工质量的组成。零件表面质量表面粗糙度表面波度表面物理力学性能的变化表面微观几何形状特征表面层冷作硬化表面层残余应力表面层金相组织的变化加工表面质量的内容：二、表面质量对使用性能的影响1．表面质量对耐磨性的影响零件的耐磨性主要与摩擦副的材料、润滑条件及表面质量等因素有关，但在前两个条件已经确定的情况下，零件的表面质量就起决定性的作用。磨损过程的基本规律相互摩擦的表面在一定的工作条件下通常有一最佳粗糙度，重载荷、轻载荷时表面粗糙度与初期磨损量间的关系：2．表面质量对疲劳强度的影响——表面层残余应力对疲劳强度影响显著。——表面的加工硬化层能提高零件的疲劳强度——表面加工纹理和伤痕过深时容易产生应力集中，从而减低疲劳强度3．表面质量对抗腐蚀性能的影响当零件在潮湿的空气中或在有腐蚀性的介质中工作时，常会发生化学腐蚀或电化学腐蚀，化学腐蚀是由于在粗糙表面的凹谷处容易积聚腐蚀性介质而发生化学反应。电化学腐蚀是由于两个不同金属材料的零件表面相接触时，在表面的粗糙度顶峰间产生电化学作用而被腐蚀掉。因此零件表面粗糙度值小，可以提高其抗腐蚀性能力。4．表面质量对配合质量的影响零件的配合关系是用过盈量或间隙量来表示的。间隙配合关系的零件表面如果太粗糙，初期磨损量就大，工作时间一长其配合间隙就会增大一、切削加工中影响表面粗糙度的因素1．几何因素第二节影响加工表面粗糙度的因素及其改善措施2．物理因素切削加工后表面粗糙度的实际轮廊形状一般都与纯几何因素所形成的理想轮廓有较大的差别，这是由于存在着与被加工材料的性质及切削机理有关的物理因素的缘故。在切削过程中刀具的刃口圆角及后面的挤压与摩擦，使金属材料发生塑性变形，造成理想残留面积挤歪或沟纹加深，因而增大了表面粗糙度。3．降低表面粗糙度值的工艺措施（1）切削速度vc

（2）进给量f

（3）背吃刀量ap

（4）工件材料性质（5）刀具的几何形状（6）刀具的材料（7）刀具的刃磨质量（8）切削液4．工艺系统的振动工艺系统的频率振动，一般在工件的已加工表面上产生波度，而工艺系统的高频振动会对已加工表面的粗糙度产生影响，通常已加工表面上会显示出高频振动纹理。因此，要防止在加工中出现高频振动。二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素及改善的工艺措施在磨削过程中由于磨粒大多具有很大的负前角，所以产生了比切削加工大得多的塑性变形。磨粒磨削时金属材料沿着磨粒侧面流动，形成沟槽的隆起现象，因而增大了表面粗糙度，磨削热使表面金属软化，易于塑性变形，进一步增大了表面粗糙度。1．砂轮的影响（1）砂轮材料钢类零件用刚玉类砂轮磨削可得到较小的表面粗糙度值。铸铁、硬质合金等用碳化物砂轮较理想，用金刚石磨料磨削可以得到极小的表面粗糙度值，但砂轮价格较高。（2）砂轮的硬度硬度值应大小适宜，半钝化期越长越好。砂轮太硬，磨粒钝化后不易脱落，使加工表面受到强烈摩擦和挤压作用，塑性变形程度增大，表面粗糙度增大，还回引起烧伤现象。砂轮太软时，磨粒容易脱落，磨削作用减弱常会产生磨损不均匀现象，使磨削表面的粗糙度值增大。通常选用中软砂轮。（3）砂轮的粒度砂轮的粒度愈细，则砂轮单位面积上的磨粒数愈多，因而在工件上的刻痕也愈细密，所以表面粗糙度愈小。但磨粒过细时，砂轮易堵塞，磨削性能下降，已加工表面粗糙度反而增大，同时还会引起磨削烧伤。（4）砂轮的修整用金刚石修整砂轮相当于在砂轮上车出一道螺纹，修整导程和切深小，修出的砂轮就愈是光滑，磨削刃的等高性也愈好，因而磨出的工件表面粗糙度也就愈小。修整用的金刚石是否锋利影响也很大。2．磨削用量的影响（1）砂轮速度提高砂轮速度可以增加在工件单位面积上的刻痕数，并且高速度下塑性变形的传播速度小于磨削速度，材料来不及变形，从而使加工表面的塑性变形和沟槽两侧塑性隆起的残留量变小，表面粗糙度可以显著减低。（2）工件线速度在其他条件不变的情况下，提高工件的线速度，磨粒单位时间内加工表面上的刻痕数减小，因而将增大磨削表面上的粗糙度值。（3）磨削深度增大磨削深度，磨削力和磨削温度都会增大，磨削表面的塑性变形大，从而增大表面粗糙度。为了提高磨削效率，通常在磨削过程中开始采用较大的磨削切深，而在最后采用小切深或“无火花”磨削，以使磨削表面的粗糙度值减小。3．工件材料的影响工件材料太硬，砂轮易磨钝，故磨削表面粗糙度值大。而工件材料硬度太软，砂轮易堵塞，磨削热较高，磨削后的表面粗糙度值也大。第三节影响加工表面物理力学性能的因素及其改善措施一、加工表面层的冷作硬化1．冷作硬化现象切削（磨削）过程中由于切削力的作用，表面层产生塑性变形，金属材料晶体间产生剪切滑移，晶格扭曲，并产生晶粒的拉长、破碎和纤维化，引起材料的强化，材料的强度和硬度提高，塑性减低，这就是冷作硬化现象2．衡量指标表面层的硬化程度决定于产生塑性变形的力、变形速度以及变形时的温度。力愈大，塑性变形愈大，因而硬化程度愈大。变形速度愈大，塑性变形愈不充分，硬化程度也就减少。变形时的温度不仅影响塑性变形程度，还会影响变形后的金相组织的回复。表面层的硬化程度主要以冷硬层的深度h、表面层的显微硬度H以及硬化程度N表示。

3．影响冷作硬化的主要因素（1）切削用量的影响力如图6-11所示，切削用量中进给量和切削速度对加工硬化的影响较大。增大进给量，切削力随之增大，表层金属的塑性变形程度增大，加工硬化程度增大；增大切削速度，刀具对工件的作用时间减少，塑性变形的扩展深度减小，故而硬化层深度减小。另外，增大切削速度会使切削区温度升高，有利于减少加工硬化。（2）刀具几何形状的影响刀刃钝圆半径对加工硬化影响最大。实验证明，已加工表面的显微硬度随着刀刃钝圆半径的加大而增大，这是因为径向切削分力会随着刀刃钝圆半径的增大而增大，使得表层金属的塑性变形程度加剧，导致加工硬化增大。此外，刀具磨损会使得后刀面与工件间的摩擦加剧，表层的塑性变形增加，导致表面冷作硬化加大。（3）加工材料性能的影响工件的硬度越低、塑性越好，加工时塑性变形越大，冷作硬化越严重。二、表面层的金相组织变化1．金相组织变化与磨削烧伤的产生（1）淬火烧伤磨削时，如果工件表面层温度超过相变临界温度Ad时，则马氏体转变为奥氏体。若此时有充分的冷却液，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，里层因为冷却较慢为硬度较低的回火组织（索氏体或屈氏体）。（2）回火烧伤磨削时，如果工件表面层温度超过马氏体转变温度，而未超过相变临界温度，则表面层原来的回火马氏体组织将产生回火现象，转变成硬度较低的过回火组织。（3）退火烧伤磨削时，如果工件表面层温度超过相变临界温度Ad，则马氏体转变为奥氏体。如果此时没有采用冷却液，表层金属在空气中冷却缓慢而形成退火组织，工件表面硬度和强度急剧下降，产生退火烧伤。三、表面层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就会产生互相平衡的弹性应力，这种应力就是表面层的残余应力。1．表面层残余应力的产生原因（1）冷态塑性变形引起（2）热态塑性变形引起（3）金相组织变化引起2．表面残余应力与磨削裂纹（1）提高冷却效果1）采用高压大流量冷却，这样不但能增强冷却作用，而且还可对砂轮表面进行冲洗，使其空隙不易被切屑堵塞。使用时注意机床带有防护罩，防止冷却液飞溅。2）高速磨削时，为减轻高速旋转的砂轮表面的高压附着气流的作用，可以加装空气挡板，以使冷却液能顺利地喷注到磨削区。3）采用内冷却，砂轮是多孔隙能渗水的。冷却液引到砂轮中孔后，经过砂轮内部4的孔隙，靠离心力的作用，从砂轮四周的边缘甩出，从而使冷却液可以直接进入磨削区，起到有效的冷却作用。4）采用浸油砂轮。（2）合理选择磨削用量1）工件径向进给量

2）工件轴向进给量

3）当工件速度增大时，磨削区表面温度会增高，但此时热源作用时间减短，因而可减轻烧伤。（3）正确选择砂轮磨削时砂轮表面上大部分磨粒只是与加工表面摩擦而不是切削，加工表面上的金属是在大量磨粒的反复挤压多次而呈疲劳后才剥落。（4）工件材料对磨削区温度的影响主要取决于它的硬度、强度、韧性和导热系数。第四节机械加工中的振动及其控制措施1．强迫振动产生的原因1）高速回转零件质量的不平衡和往复运动部件的换向冲击：如电动机转子、皮带轮、联轴节、砂轮、齿轮等回转件不平衡产生惯性力以及往复运动部件的惯性力都会引起强迫振动。2）机床传动件的制造误差和缺陷：如齿轮的齿距误差引起传递运动的不均匀，滚动轴承精度不高、皮带厚度不均匀或接头不良以及液压系统中的冲击现象等均能引起振动。3）切削过程中的冲击：多刃多齿刀具的制造误差、断续切削及工件材料的硬度不均、加工余量不均等均会引起切削过程的不平稳而产生振动。2．强迫振动的特点1）强迫振动是由周期性干扰力引起的，不会被阻尼衰减掉，振动本身并不能引起干扰力变化。2）强迫振动的频率总与外界干扰力的频率相同，与系统的固有频率无关。3）强迫振动振幅的大小与干扰力、系统刚度及阻尼系数有关：干扰力越大，系统刚度和阻尼系数越小，则振幅越大。当干扰力的频率与系统的固有频率相近或相等时，振幅达最大值。即出现“共振”现象。3．消除或减小强迫振动的途径1）消振、隔振与减振：消除强迫振动的最有效办法就是找出振源并消除之。如不能消除，可采用隔振措施。如用隔振地基或隔振装置将需要防振的机床或部件与振源之间分开，从而达到减小振源危害的目的。还可采用各种消振减振装置。2）减小激振力：减小激振力即可有效地减小振幅，使振动减弱或消失。3）调节振源频率：在选择转速时，尽可能使引起强迫振动的振源的频率远离机床加工系统薄弱模态的固有频率。4）提高工艺系统的刚度和增大阻尼：提高工艺系统刚度，可有效的改善工艺系统的抗振性和稳定性。增大工艺系统的阻尼，将增强工艺系统对激振能量的消耗作用，能够有效地防止和消除振动。二．自激振动及其控制1．自激振动及其特征自激振动系统框图自激振动系统的能量关系2．自激振动产生机理（1）再生颤振学说（2）振型耦合学说3．消除或减小自激振动的途径（1）合理选择切削用量切削速度vc与振幅的关系进给量f与振幅的关系（2）合理选用刀具的几何参数：刀具的几何参数中，对振动影响最大的是主偏角kr和前角γo。kr越小，切削宽度越宽，因此越易产生振动。前角γo越大切削力越小，振幅也越小。后角αo尽可能取小些，但不能太小，以免刀具后刀面与加工表面之间发生摩擦。通常在刀具的主后刀面上磨出一段副倒棱（消振棱），能起到很好的消振作用。（3）提高工艺系统的抗振性：提高工艺系统的刚度，特别是提高工艺系统薄弱环节的刚度，可有效提高切削加工的稳定性。提高零、部件结合面间的接触刚度、对滚动轴承预紧、加工细长轴时采用中心架或跟刀架等措施，都可提高工艺系统刚度。此外，合理安排机床部件的固有频率，增大阻尼和提高机床装配质量等都可以显著提高机床的抗振性能。（4）合理布置低刚度主轴的方位：根据振型耦合学说，加工系统的稳定性受各振型刚度比及其组合的影响。改变这些关系，就可提高抗振性，抑制自激振动。如图6-23所示，削扁镗杆具有两个相互垂直具有不同的刚度的振型模态，通过实验调整刀头在镗杆上的方位，即可找到切削稳定性较高的最佳方位角α(加工表面法线方向与镗杆削边垂线的夹角)。从