北信科机械制造技术基础课件第11章 机械加工表面质量

第十一章机械加工表面质量目录第一节表面质量的含义及其对零件使用性能的影响第二节表面粗糙度及其影响因素第三节提高机械加工表面质量的方法第四节振动对表面质量的影响及其控制第一节表面质量的含义及其对零件使用性能的影响一、表面质量的含义

表面的几何特征：表面粗糙度表面波度表面加工纹理和伤痕表面层力学物理性能：表面层加工硬化表面层金相组织的变化表面层残余应力一、表面质量的含义

一、表面质量的含义

1、表面粗糙度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。我国表面粗糙度的现行标准为：GB/T131-93。(推荐性国家标准)表面粗糙度等级用轮廓算术平均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz或轮廓最大高度Ry的数值大小表示。推荐优先采用Ra。一、表面质量的含义

2.表面波度形状误差与表面粗糙度之间的周期性形状误差。它主要是由机械加工过程中工艺系统低频振动造成的，如图2所示，波长与波高(L2/H2)的比值一般为50～1000。表面波度有磨削表面波度标准（JB/Z168—81），尚无国家标准。一、表面质量的含义

3.纹理方向

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一般对运动副或密封件要求纹理方向一、表面质量的含义

二、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。1、表面粗糙度对零件耐磨性的影响表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。表面粗糙度值越小，其耐磨性越好。但是表面粗糙度值太小，因接触面容易发生分子粘接，且润滑液不易储存，磨损反而增加。零件的耐磨性而言，最佳表面粗糙度Ra的值在0.8μm～0.2μm之间为宜。二、加工表面的物理力学性能的变化

（一）表面质量对零件耐磨性的影响2、刀纹方向对零件耐磨性的影响轻载时，摩擦副表面纹理方向与相对运动方向一致时，磨损最小。重载时，由于压强、分子亲和力和储存润滑油等因素的变化，摩擦副的两个表面纹理相垂直、且运动方向平行与下表面的纹路方向时，磨损最小。而两个表面纹理方向均与运动方向一致时易发生咬合，故磨损量反而最大。二、加工表面的物理力学性能的变化

（一）表面质量对零件耐磨性的影响3、冷作硬化对零件耐磨性的影响

表面层的加工硬化使零件的表面层硬度提高，从而表面层处的弹性和塑性变形减小，磨损减少，使零件的耐磨性提高。但硬化过度时，会使零件的表面层金属变脆，磨损会加剧，甚至出现剥落现象，所以零件的表面硬化层必须控制在一定范围内。二、加工表面的物理力学性能的变化

（一）表面质量对零件耐磨性的影响3、冷作硬化对零件耐磨性的影响

二、加工表面的物理力学性能的变化

（一）表面质量对零件耐磨性的影响（二）表面质量对零件耐疲劳性的影响

表面粗糙度对零件耐疲劳性的影响:零件在交变载荷的作用下，其表面微观不平的凹谷处和表面层的缺陷处容易引起应力集中而产生疲劳裂纹，造成零件的疲劳破坏。表面层的残余应力对零件疲劳强度的影响当表面层为残余压应力时，能延缓疲劳裂纹的扩展，提高零件的疲劳强度；当表面层为残余拉应力时，容易使零件表面产生裂纹而降低其疲劳强度。加工硬化对零件的疲劳强度的影响:表面层的加工硬化可以在零件表面形成一个冷硬层，因而能阻碍表面层疲劳裂纹的出现，从而使零件疲劳强度提高。但零件表面层冷硬程度过大，反而易于产生裂纹，故零件的冷硬程度与硬化深度应控制在一定范围之内。二、加工表面的物理力学性能的变化

（三）表面质量对零件耐腐蚀性的影响

减小零件表面粗糙度值，可以提高零件的耐腐蚀性能。零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。二、加工表面的物理力学性能的变化

（四）表面质量对零件配合精度的影响

相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。在间隙配合中，如果零件的配合表面粗糙，则会使配合件很快磨损而增大配合间隙，改变配合性质，降低配合精度；在过盈配合中，如果零件的配合表面粗糙，则装配后配合表面的凸峰被挤平，配合件间的有效过盈量减小，降低配合件间联接强度，影响了配合的可靠性。因此对有配合要求的表面，必须规定较小的表面粗糙度值。二、加工表面的物理力学性能的变化

三、表面完整性的概念表面形貌它主要是用来描述加工后零件表面的几何特征，包括表面粗糙度、表面波度和纹理等。表面缺陷它是指加工表面上出现的宏观裂纹、伤痕和腐蚀现象等，对零件的使用有很大影响。微观组织与表面层的冶金化学特性：微观裂纹。微观组织变化，包括晶粒大小和形状、析出物和再结晶等的变化。晶间腐蚀和化学成分的优先溶解。对于氢氧等元素的化学吸收作用所引起的脆性等。表面层物理力学性能

它主要包括表面层硬化深度和程度、表面层残余应力的大小、方向及分布情况等。表层其他工程技术特性这种特性主要有摩擦特性、光的反射率、导电性和导磁性等。第二节表面粗糙度及其影响因素

1、几何因素

一、切削加工中影响表面粗糙度的因素生产中，若使用的机床精度高和材料的切削加工性好，选用合理的刀具几何形状、切削用量和在刀具刃磨质量高、工艺系统刚性足够情况下，加工后表面实际粗糙度接近理论粗糙度。这样减小表面粗糙度数值、提高加工表面质量的措施，主要是减小残留面积的高度Ry。1、几何因素

一、切削加工中影响表面粗糙度的因素多数情况下是在已加工表面的残留面积上叠加着一些不规则的金属生成物、粘附物或刻痕。形成它们的原因有积屑瘤、鳞刺、振动、摩擦、切削刃不平整、切屑划伤等。积屑瘤的生成、长大和脱落将严重影响工件表面粗糙度。2、物理因素一、切削加工中影响表面粗糙度的因素2、物理因素一、切削加工中影响表面粗糙度的因素2、物理因素一、切削加工中影响表面粗糙度的因素从物理因素看，要降低表面粗糙度主要应采取措施:减少加工时的塑性变形，避免产生积屑瘤和鳞刺对此起主要作用的影响因素有切削速度、被加工材料的性质及刀具的几何形状、材料和刃磨质量。2、物理因素一、切削加工中影响表面粗糙度的因素2、物理因素一、切削加工中影响表面粗糙度的因素二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素

二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素

振动对表面质量的影响

二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素

强迫振动的特点强迫振动的稳态过程是谐振动，只要干扰力存在，振动不会被阻尼衰减掉，去除了干扰力，振动停止。强迫振动的频率等于干扰力的频率。阻尼愈小，振幅愈大，谐波响应轨迹的范围大。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。二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素

自激振动

机械加工过程中，由振动过程本身引起某种切削力的周期性变化，又由这个周期性变化的切削力反过来加强和维持振动，使振动系统补充了由阻尼作用消耗的能量，这种类型的振动被称为自激振动。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，常常是影响加工表面质量和限制机床生产率提高的主要障碍。磨削过程中，砂轮磨钝以后产生的振动也往往是自激振动。

二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素

自激振动的特点

自激振动是一种不衰减的振动。自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率，也就是说，由振动系统本身的参数所决定，这是与强迫振动的显著差别。自激振动能否产生以及振幅的大小，决定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。自激振动的形成和持续，是由于过程本身产生的激振和反馈作用，所以若停止切削（或磨削）过程，即使机床仍继续空运转，自激振动也就停止了。这也是与强迫振动的区别之处，所以可以通过切削（或磨削）试验来研究工艺系统或机床的自激振动。同时，也可以通过改变对切削（或磨削）过程有影响的工艺参数（如切削或磨削用量）来控制切削（或磨削）过程，从而限制自激振动的产生。二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素

振动对表面质量的影响二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素

振动对表面质量的影响二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素

振动对表面质量的影响二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素

振动对表面质量的影响二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素

减少振动的措施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提高工件安装时的刚性使用消振器装置二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素

1.表面层的加工硬化

三、影响表面层物理、力学性能变化的因素

机械加工中，工件表面层金属受切削力的作用，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增加，塑性降低，物理性能（如密度、导电性、导热性等）也有所变化，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化或强化。1.加工硬化三、影响表面层物理、力学性能变化的因素

加工硬化的评定指标表面层的显微硬度HV0硬化层深度h硬化程度N三、影响表面层物理、力学性能变化的因素

影响加工硬化的因素切削力:切削力愈大，塑性变形愈大，硬化程度愈大，硬化层深度也愈大。刀具:刀具的刃口圆角和后刀面的磨损量越大，冷作硬化程度也越大。切削用量:当进给量f、背吃刀量ap增加，都会起增大切削力的作用，使加工硬化严重。工件材料:工件材料的硬度越低，塑性越大时，冷作硬化程度也越大。三、影响表面层物理、力学性能变化的因素

2.表面层的金相变化与磨削烧伤在磨削加工时，磨粒的切削、刻划和滑擦作用，以及大多数磨粒的负前角切削和很高的磨削速度，会使得加工表面层有很高的温度，当温升达到相变临界点时，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。这种现象被称为磨削烧伤。三、影响表面层物理、力学性能变化的因素

磨削烧伤2.表面层的金相变化与磨削烧伤三、影响表面层物理、力学性能变化的因素

磨削烧伤的形式退火烧伤

在磨削时，如果工件表面层温度超过相变临界温度Ac3，则马氏体转变为奥氏体，如果此时无冷却液，表层金属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织。硬度和强度均大幅度下降。这种现象称为退火烧伤。工件干磨时易发生这种烧伤回火烧伤

磨削时，工件表面温度未达到相变温度（一般中碳钢为7200C），但超过马氏体的转变温度（一般中碳钢为3000C），这时马氏体组织将转变为硬度较低的回火屈氏体或索氏体，此现象称为回火烧伤。淬火烧伤

磨削时，如果工件表面层温度超过相变临界温度时，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，但很薄，只有几个微米厚；其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极强，表面层总的硬度是降低的，这种现象被称为淬火烧伤。2.表面层的金相变化与磨削烧伤三、影响表面层物理、力学性能变化的因素

影响磨削烧伤的因素

磨削用量工件材料砂轮特性冷却2.表面层的金相变化与磨削烧伤三、影响表面层物理、力学性能变化的因素

加工表面层的残余应力

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。这种应力即为表面层的残余应力。表面残余应力的产生，有以下三种原因冷态塑性变形热态塑性变形局部金相组织变化三、影响表面层物理、力学性能变化的因素

3.加工表面层的残余应力冷态塑性变形在切削力的作用下，已加工表面受到强烈的塑性变形，表面层金属体积发生变化，此时里层金属受到切削力的影响，处于弹性变形的状态下。切削力去除后，里层金属趋向复原，但受到已产生塑性变形的表面层的限制，回复不到原状，因而在表面层产生残余应力。一般说来，表面层在切削时受刀具后刀面的挤压和摩擦影响较大，其作用使表面层产生伸长塑性变形，表面积趋向增大，但受到里层的限制，产生了残余压应力，里层则产生残余拉应力与其相平衡。

3.加工表面层的残余应力三、影响表面层物理、力学性能变化的因素

热态塑性变形表面层在切削热的作用下产生热膨胀，此时基体温度较低，因此表面层热膨胀受基体的限制产生热压缩应力。当表面层的温度超过材料的弹性变形范围时，就会产生热塑性变形（在压应力作用下材料相对缩短）。当切削过程结束，温度下降至与基体温度一致时，因为表面层已产生热塑性变形，但受到基体的限制产生了残余拉应力，里层则产生了压应力。3.加工表面层的残余应力三、影响表面层物理、力学性能变化的因素

局部金相组织变化切削或磨削过程中，若工件被加工表面温度高于材料的相变温度，则会引起表面层的金相组织变化。不同的金相组织有不同的密度，如马氏体密度ρM＝7.75/cm3，奥氏体密度ρA＝7.96/cm3，珠光体密度ρP＝7.78/cm3，铁素体密度ρF＝7.88/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(+)。三、影响表面层物理、力学性能变化的因素

3.加工表面层的残余应力淬火钢磨削以淬火钢磨削为例淬火钢原来的组织是马氏体，磨削加工后，表层可能产生回火，马氏体变为接近珠光体的屈氏体或索氏体，密度增大而体积减小，工件表面层产生残余拉应力。如果工件表面温度超过Ac3，冷却又充分，则工件表层将又成为马氏体，体积膨胀，产生残余压应力。三、影响表面层物理、力学性能变化的因素

局部金相组织变化在切削加工中，如果切削热不高，表面层中没有产生热塑性变形，而是以冷塑性变形为主，此时表面层中将产生残余压应力。切削热较高以致在表面层中产生热塑性变形时，由热塑性变形产生的拉应力将与冷塑性变形产生的压应力相互抵消掉一部分。当冷塑性变形占主导地位时，表面层产生残余压应力；当热塑性变形占主导地位时，表面层产生残余拉应力。磨削时一般因磨削热较高，常以相变和热塑性变形产生的拉应力为主，所以表面层常带有残余拉应力。三、影响表面层物理、力学性能变化的因素

3.加工表面层的残余应力三、影响表面层物理、力学性能变化的因素

3.加工表面层的残余应力三类磨削条件下产生的表面层残余应力

精细磨削，产生浅而小的残余压应力，因为这时温度影响很小，更没有金相组织变化，主要是冷态塑性变形的影响起作用；精磨（中等磨削）时，表面产生极浅的残余拉应力，这是因为热塑性变形起了主导作用的结果；粗磨（重磨削）时，表面产生极浅的残余压应力，接着就是较深且较大的残余拉应力，这说明表面产生了一薄层二次淬火