机械制造工艺与装备 课件 第4章-机械加工表面质量

机械制造工艺与装备

第四章-机械加工表面质量(1)MACHINEDSURFACEQUALITY

4.1概述

机械加工表面质量的含义

表面层的几何形状特征表面层的物理力学性能的变化表面质量对零件使用性能的影响《机械制造工艺与装备》

机械加工表面质量的含义评价零件的质量指标除机械加工精度外，还包括机械加工表面质量表面质量是指零件加工后的表面层状态表面质量影响零件的工作性能、可靠性、寿命表面层的几何形状特征表面粗糙度加工表面微观几何形状误差。轮廓算数平均偏差Ra表面粗糙度高度波高表面粗糙度宽度波距表面波度介于宏观几何误差与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差表面加工纹理表面切削加工刀纹的形状和方向伤痕加工表面个别位置出现的缺陷表面层的物理力学性能的变化物理力学性能表面层的加工冷作硬化（包括硬化程度和深度两个指标）

一般机加工时，硬化层深度0.05~0.3mm；而滚压加工，硬化层深度可达几毫米。表面层金相组织变化

一般机加工时，切削热会引起表层金属的金相组

织变化；而磨削淬火钢时，磨削热会引起淬火钢马氏体分解，或者出现回火组织。表面层残余应力

切削力和切削热综合作用，使表层金属产生残余应力。表面层的物理力学性能的变化金相组织化学性质晶间腐蚀和选择性浸蚀表面脆化（氢脆）相变再结晶过时效表面质量对零件使用性能的影响耐磨性两零件作相对运动时，接触的凸峰处产生弹性变形、塑性变形、剪切等现象，即产生磨损；磨损达到一定程度，接触面积增大，金属分子间的亲和力使表面咬焊；表面轮廓形状、加工纹路以及金相组织变化、冷作硬化层等也影响耐磨零件表面层材料的冷作硬化，能提高表面层的硬度，增强表面层的接触刚度，减少摩擦表面间发生弹性和塑性变形的可能性，使金属间咬合的现象减少，因而增强耐磨性适度的残留压应力一般使零件表面结构紧密，有助于提高耐磨性表面质量对零件使用性能的影响疲劳强度表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷引起应力集中而产生疲劳损坏；表面残余压应力和冷作硬化能提高疲劳强度（故有专门的表面强化工艺：喷丸、滚压）；但硬化过度会降低金属组织的稳定性，使表层金属脆化而脱落或产生裂纹，致使磨损加剧抗腐蚀性能零件表面粗糙的凹谷处容易积聚腐蚀性介质而发生化学腐蚀或电化学腐蚀；在应力状态下，特别是在拉应力状态下工作，容易出现裂纹，引起晶间破坏，产生应力腐蚀表面质量对零件使用性能的影响配合性质相配零件的配合关系是利用间隙量和过盈量来表示的，由于较大表面粗糙度的存在，会使得配合间隙增大或有效过盈量降低，影响配合精度和配合性质。动配合件的磨损会改变原来的配合性质，影响动配合的稳定性；粗糙的静配合的实际过盈量比预定的小，造成静配合的可靠性差其他性能零件的表面质量还将对零件的密封性能、零件的接触刚度、运动的灵活性和发热损失、原有精度等产生影响4.1

概述小结

1、机械加工表面质量的含义（1）表面层的几何形状特征（2）表面层的物理力学性能的变化2、表面质量对零件使用性能的影响

产品的工作性能、可靠性、寿命在很大程度上取决于主要零件的表面质量，质量就是生命，要牢固树立质量意识。主讲教师：感谢您们的观看Thankyouforwatching主讲教师：机械制造工艺与装备

精品在线开放课程第四章-机械加工表面质量(2)MACHINEDSURFACEQUALITY4.2表面粗糙度的影响因素及其改善措施

影响切削加工表面粗糙度的因素减小切削加工表面粗糙度的工艺措施《机械制造工艺与装备》

影响切削加工表面粗糙度的因素几何因素刀尖圆弧半径rε主偏角kr、副偏角kr′进给量f尖刀切削时圆角刀切削时物理因素被加工材料性能

韧性较大的塑性材料，易黏刀，造成Ra增大；脆性材料则相反，加工后的Ra较小。例如塑性材料，加工过程中易形成积屑瘤，切削过程中在工件表面上形成鳞刺。切削机理刀具刃口圆角及后刀面的挤压和摩擦造成材料的塑性变形，理论残留断面歪曲，即Ra增大。动态因素在加工过程中，工艺系统有时会发生振动振动的出现会使加工表面出现波纹，增大加工表面的粗糙度，强烈的振动还会使切削无法继续下去振动影响切削加工表面粗糙度的因素合理选择刀具几何参数及刀具材料适当增大前角、后角、刃倾角增大刀尖圆弧半径减小主、副偏角改善材料切削性能减小材料塑性（采取正火、调质等方法）细化材料晶粒（热处理）工艺因素及减小切削加工表面粗糙度的工艺措施合理选择切削用量合理选择切削速度，避开积屑瘤、鳞刺产生的切削速度区减少进给量切削深度（背吃刀量）不宜过小正确使用切削液乳化液、硫化油、植物油等性能各有不同，应合理选用工艺因素及减小切削加工表面粗糙度的工艺措施加工塑性材料时采用辅助加工方法常用的有：研磨、珩磨、超精加工等（在后面章节进一步展开）提高工艺系统的刚度和精度主运动和进给运动系统的精度要高系统的刚度和抗振性好受力变形和热变形要小减小切削加工表面粗糙度的其他工艺措施4.2表面粗糙度的影响因素及其改善措施（切削加工）小结

1、影响切削加工表面粗糙度的因素（1）几何因素（2）物理因素（3）动态因素2、减小切削加工表面粗糙度的工艺措施

应尽可能降低表面粗糙度，合理选择改进措施，提高产品表面质量，延长产品使用寿命。主讲教师：感谢您们的观看Thankyouforwatching主讲教师：机械制造工艺与装备

精品在线开放课程第四章-机械加工表面质量(2)-2MACHINEDSURFACEQUALITY4.2表面粗糙度的影响因素及其改善措施

影响磨削加工表面粗糙度的因素《机械制造工艺与装备》

影响磨削加工表面粗糙度的因素1.砂轮(1)砂轮粒度砂轮粒度细,则单位面积上的磨粒数多,因此加工表面上的刻痕细密均匀,表面粗糙度值小。当然此时相应的背吃刀量也要小,否则可能会堵死砂轮,产生烧伤。(2)砂轮硬度砂轮硬度指磨粒从砂轮上脱落的难易程度,它的选择与工件材料、加工要求有关。砂轮硬度过硬,则磨粒钝化后仍不脱落,过软则太易脱落,这两种情况都会减弱磨粒的切削作用,难以得到较小的表面粗糙度值。影响磨削加工表面粗糙度的因素1.砂轮(3)砂轮的组织砂轮的组织指磨粒、结合剂和气孔的比例关系。紧密组织能获得高精度和小的表面粗糙度值。疏松组织不易堵塞,适合加工较软的材料。。(4)砂轮的材料砂轮的材料是指磨料。选择磨料时,要综合考虑加工质量和成本。如金刚石砂轮可得到极小的表面粗糙度值,但加工成本比较高。影响磨削加工表面粗糙度的因素1.砂轮(5)砂轮修整砂轮修整对磨削表面粗糙度影响很大,通过修整可以使砂轮具有正确的几何形状和锋利的微刃。砂轮的修整质量与所用修整工具、修整砂轮纵向进给量等有密切关系。以单颗粒金刚石笔为修整工具,并取很小的纵向进给量修整出的砂轮,可以获得很小的表面粗糙度值。(6)砂轮旋转质量的平衡砂轮旋转质量的平衡对磨削表面粗糙度也有影响。影响磨削加工表面粗糙度的因素2.磨削用量砂轮速度与工件速度

砂轮速度vs高,则每个磨粒在单位时间内去除的切屑少,切削力减小,热影响区较浅,单位面积的划痕多,塑性变形速度可能跟不上磨削速度,因而表面粗糙度值小。

高时生产率也高、故目前高速磨削发展很快。左图示为砂轮速度对工件表面粗糙度影响的实验结果。

工件速度vw

对表面粗糙度的影响与

相反,高时会使表面粗糙度值变大。右图为工件速度对表面粗糙度的影响。

影响磨削加工表面粗糙度的因素2.磨削用量轴向进给量轴向进给量f小,则单位时间内加工的长度短,故表面粗糙度值小。背吃刀量背吃刀量ap

对表面粗糙度影响相当大。ap减小,将减小工件材料的塑性变形,从而减小表面粗糙度值,但同时也会降低生产率。为此,在磨削过程中可以先采用较大的ap,然后采用较小的ap,最后进行几次只有轴向进给、没有横向进给的空走刀。图为磨削深度（背吃刀量）对表面粗糙度的影响。影响磨削加工表面粗糙度的因素其他

工件材料的性质、切削液的选择和使用等对磨削表面粗糙度也有明显影响。对于磨削加工来说，由于磨削温度很高，热因素的影响往往占主导地位,因此必须采取切实可行的措施,将磨削液送入磨削区。

主讲教师：感谢您们的观看Thankyouforwatching主讲教师：机械制造工艺与装备精品在线开放课程第四章-机械加工表面质量（4）MACHINEDSURFACEQUALITY表面层的加工硬化、表面残余应力《机械制造工艺与装备》

表面层的加工硬化表面冷作硬化现象切削（含磨削）过程中，刀具前面迫使金属受到挤压而产生塑性变形，使晶体间产生剪切滑移，晶格严重扭曲，并使晶粒拉长、破碎和纤维化，引起材料强化、硬度提高，这就是冷作硬化现象。表面层的加工硬化表面层硬化后的金属性质的具体特点为晶体形状改变（拉长、破碎）晶体方向改变（塑变后形成纤维化）变形抵抗力增加（产生冷作硬化）决定表面层硬化程度的因素导电、导磁、导热性亦有变化表面层产生残余应力产生塑性变形的力塑性变形的速度塑性变形时的温度影响加工冷作硬化的因素切削用量切削速度低速时，塑性变形大，冷硬大速度增加，冷硬减少；但速度超过100m/min时，冷硬又增加进给量进给量增大，塑性变形增大，冷硬增加进给量太小，刀具挤压作用增大，冷硬增加影响加工冷作硬化的因素刀具刀具的刃口圆角大和后刀面的磨损严重以及前刀面的粗糙度高，都将使得刀具对工件表面层金属的挤压和摩擦作用增加，因而冷硬程度和深度都增加工件材料工件材料硬度越低，切削时塑性变形越大，冷硬现象越严重表面层的残余应力定义当切削过程中表面层组织发生形状变化和组织变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性应力，称为表面残余应力。表面层的残余应力分类零件整个尺寸范围内平衡的残余应力晶粒范围内平衡的残余应力晶胞间平衡的残余应力产生原因冷塑性变形（切削力的作用）热塑性变形（切削热的作用）金相组织变化（切削高温作用下，引起表面层金属发生相变）通常是上述三种原因综合作用的结果主讲教师：感谢您们的观看Thankyouforwatching主讲教师：机械制造工艺与装备精品在线开放课程第四章-机械加工表面质量（5）MACHINEDSURFACEQUALITY表面层金相组织变化-磨削烧伤问题《机械制造工艺与装备》

表面层金相组织变化磨削过程中的烧伤问题磨削过程中，由于磨削温度很高，而且磨削热有60~80%传给工件，当磨削温度超过相变临界点时，则会引起工件表面的金相组织发生变化，此时表面层的显微硬度也相应发生变化，这种现象称为磨削烧伤磨削烧伤的类型磨削淬火钢时，会产生三种金相组织变化退火烧伤磨削温度超过相变温度Ac3，未予冷却时淬火烧伤磨削温度超过相变温度Ac3，充分冷却时回火烧伤磨削温度低于相变温度Ac3，但超过350℃时磨削后，表面常出现黄、褐、紫、青等烧伤色，这是工件在瞬时高温下产生的氧化膜颜色，相当于回火时的颜色“观色法”对钢件来说，随烧伤的加强，颜色一般呈现白、黄（400-500℃）、褐、紫（800~900℃）、兰(青)的变化。影响烧伤的因素砂轮选择砂轮硬度太高，自砺性差，易发生烧伤树脂结合剂比陶瓷结合剂容易产生烧伤橡胶结合剂比树脂结合剂更易产生烧伤砂轮粒度越细，越容易发生烧伤影响烧伤的因素磨削用量磨削深度增加，烧伤增加纵向进给量增加，烧伤减少工件转速增大，发热量增大，但接触时间缩短冷却条件冷却、散热条件越差，越易发生烧伤影响烧伤的因素工件材料材料硬度高，磨削热量多，易烧伤材料过软，易堵塞砂轮而产生烧伤材料强度高，耗功多，发热量大，易烧伤材料韧性好，磨削力大，发热量大，易烧伤材料导热性能差，易烧伤避免烧伤的途径设法减少磨削热量的产生、加速热量的传出，采取强有力冷却方式合理选择磨削用量，适当提高工件的转速考虑工件材料的硬度、塑性、韧性、热导率的影响合理选择砂轮的硬度和粒度避免烧伤的途径砂轮表面速度很高，围绕砂轮的表面上始终带有一层空气膜，有碍于切削液渗透到切削区域。图中这种克服砂轮上产生空气膜的方法是靠近喷嘴安装一块挡板以阻断空气流，这样可在砂轮与工件的交接面之间形成部分真空而吸入磨削液。带有空气挡板的切削液喷嘴内冷却砂轮结构主讲教师：感谢您们的观看Thankyouforwatching主讲教师：机械制造工艺与装备精品在线开放课程第四章-机械加工表面质量(6)MACHINEDSURFACEQUALITY4.4机械加工振动对表面质量的影响及其控制

机械振动现象及分类概述

强迫振动及其控制自激振动及其控制《机械制造工艺与装备》

机械振动现象及分类概述机械振动现象机械加工过程中，工艺系统有时会发生振动，即在刀具的切削刃与工件上正在切削的表面之间，除了名义上的切削运动之外，还会出现一种周期性的相对运动机械振动现象及分类概述机械振动类型强迫振动在外界周期性变化的干扰力（激振力）持续作用下，系统被迫产生的振动自激振动切削过程本身引起切削力周期性变化而产生的振动自由振动由于切削力突然变化或其它外界偶然原因引起的振动机械加工过程中主要是强迫振动和自激振动强迫振动及其控制产生原因机床传动零件制造精度不高主轴与轴承间隙过大往复机构的转向和冲击皮带接头太粗某些零件缺陷刀具多刀、多刃、刃高误差、断续切削引起的冲击工件断续表面、表面余量不均或硬度不一强迫振动及其控制强迫振动特点强迫振动的稳态过程是谐振，只要干扰力存在，振动就不会被阻尼衰减掉，去除干扰力，振动就停止频率等于干扰力的频率增加阻尼，能有效地减小振幅在共振区，较小的频率变化会引起较大的振幅和相位角的变化消除回转零件的不平衡提高机床传动件的制造精度强迫振动及其控制减小激振力消除强迫振动的途径合理安排固有频率，避开共振区调节振源频率提高系统刚度，增加阻尼提高工艺系统的抗振性改进机床传动结构，进行消振与隔振，去除干扰力，振动就停止减振与隔振自激振动及其控制产生机理当系统受到外界或本身某些偶然的瞬时干扰力作用而触发的振动由振动过程本身的某种原因使得切削力产生周期性变化，又由这个周期性变化的动态力反过来加强和维持振动切削过程中产生的自激振动是频率较高的强烈振动，通常又称为颤振自激振动及其控制自激振动特点是一种不衰减的振动其频率等于或接近于系统的固有频率能否产生以及振幅的大小，取决于每一振动周期内系统所获得的能量与所消耗的能量的对比情况其形成和持续均由于过程本身产生的激振和反馈作用自激振动及其控制消除自激振动的途径合理选择与切削过程有关的参数合理选择切削用量合理选择刀具的几何参数提高工艺系统本身的抗振性能提高机床的抗振性提高刀具的抗振性提高工件安装时的刚性使用消振器装置防振车刀（倒棱）薄壁封砂床身自激振动及其控制车床上用冲击消振器镗杆上用冲击消振器自激振动及其控制液体阻尼器干摩擦阻尼器自激振动及其控制机械加工振动对表面质量的影响及其控制小结

1、机械振动现象及分类概述2、强迫振动及其控制3、自激振动及其控制

应尽可能提高机床抗振性能，消除强迫振动和自激振动的途径，提高产品表面质量，延长产品使用寿命。主讲教师：感谢您们的观看Thankyouforwatching主讲教师：机械制造工艺与装备精品在线开放课程第四章-机械加工表面质量(7)MACHINEDSURFACEQUALITY

4.5控制表面质量的工艺途径降低表面粗糙度的加工方法改善表面物理力学性能的加工方法零件表面处理技术《机械制造工艺与装备》

控制表面质量的工艺途径概述提高加工表面质量的加工方法合理采取各种工艺措施，寻求各工艺参数的最佳组合，以降低表面粗糙度着重改善表面的物理力学性能，提高工件的表面质量降低表面粗糙度的加工方法主要在机床上下功夫超精密切削加工小粗糙度磨削加工采用超精加工、研磨、珩磨、抛光等方法作为终工序加工改善表面物理力学性能的加工方法滚压加工利用淬过火的滚压工具对工件表面施加压力，使其产生塑性变形，金属表面晶格产生畸变，硬度增加，并使表面冷硬和产生残余（压）应力，从而提高零件的承载能力和疲劳强度典型滚压加工改善表面物理力学性能的加工方法金刚石压光利用金刚石挤压，压光后Ra可达0.4~0.02μm金刚石压光1-工件2-压光头3-心轴改善表面物理力学性能的加工方法喷丸强化利用大量的珠丸（φ0.4~φ2的铸铁、砂石或钢丸）高速打击已加工表面，使表面产生冷硬层和残余（压）应力，从而提高零件的疲劳强度液体磨料强化利用液体和磨料的混合物高速喷射到已加工表面，以强化工件表面，提高工件的耐磨性、抗蚀性和抗疲劳强度液体磨料喷射加工原理零件表面处理技术表面电火花强化在工具和工件之间接一脉冲电源，使工具和工件之间不断产生火花放电，使零件表面产生物理化学变化，从而强化表面，改善其表面性能零件表面处理技术电火花强化的工艺特点硬化层厚度约为0.01~0.08mm当采用硬质合金作工具材料时，硬度可达1100~1400HV或更高当使用铬锰合金、钨铬钴合金、硬质合金工具硬化45钢时，其耐磨性可提高2~2.5倍用石墨作工具强化45钢，其耐腐蚀性提高90%；用WC、CrMn作工具强化不锈钢，耐腐蚀性提高3~5倍疲劳强度能提高2倍左右零件表面处理技术表面激光强化当激