智能制造工艺基础课件：机械加工表面质量

智能制造工

艺机械加工质量分析和控制知识点(参考教材)6.1

机械加工精度与原始误差6.2

加工误差的统计分析方法6.3

机械加工表面质量6.3.1

机械加工表面质量概述6.3.2

表面质量对零件使用性能的影响6.3.3

影响表面粗糙度的因素6.3.4

表面层物理力学性能的影响因素6.3.5

提高表面质量的加工方法6.4

机械加工质量的智能检测和控制方法机械加工质量分析和控制2024/12/19

26.3.1机械加工表面质量概述(1)

加工表面的一般描述a)表面纹理b)表面粗糙度与波度2024/12/19

3

表面层因塑性变形引起的冷作硬化

表面层因切削热引起的金相组织的变化

表面层中产生的残余应力

表面粗糙度－微观几何形状误差

波度－周期性几何形状误差表面的几何形状特征表面层的物理力学性能变化(2)

加工表面质量的主要内容6.3.1机械加工表面质量概述机械加工表面质量2024/12/19

4(1)

表面质量对零件耐磨性的影响粗糙度方面

粗糙度过大或过小都会引起工作时的迅速磨损，一定工作条件下通常存在一个最佳表面粗糙度。

表面粗糙度值过大实际接触面积↓单位应力↑↑峰部之间产生塑性变形、弹性变形和剪切破坏，

引起严重磨损。

表面粗糙度值过小润滑油不易储存接触面之间容易发生分子粘接，磨损反而增加。6.3.2机械加工表面质量概述2024/12/19

5

但过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，反而使耐磨性下降。

加工表面的冷作硬化使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，故一般可使耐磨性提高(1)

表面质量对零件耐磨性的影响冷作硬化方面6.3.2机械加工表面质量概述2024/12/196

如刀痕与受力方向垂直，则疲劳强度将显著降低

残余压应力则可阻碍疲劳裂纹的产生与发展，提高零件的疲劳强度

残余拉应力时则正好相反，疲劳强度下降

适度的冷作硬化并伴有残余压应力时可提高疲劳强度

冷硬过度或伴有残余拉应力导致疲劳强度下降

粗糙度对疲劳强度的影响最大。表面愈粗糙，则在交变载荷作用下，凹谷部位应力集中现象愈严重，容易引起疲劳裂纹，造成疲劳破坏表面粗糙度加工纹理方向表面残余应力冷作硬化(2)

表面质量对零件疲劳强度的影响6.3.2机械加工表面质量概述2024/12/19

7(3)

表面质量对零件耐腐蚀的影响

零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。

表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多，抗蚀性就愈差。

表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐磨性；

残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。6.3.2机械加工表面质量概述2024/12/19

8

对于间隙配合，粗糙度值大会使磨损加大，间隙增大，破坏了要求的配合性质。

对于过盈配合，装配过程中一部分表面凸峰被挤平，实际过盈量减小，降低了配合件间的连接强度。间隙配合过盈配合表面质量对配合质量的影响(4)

表面质量对配合质量的影响6.3.2机械加工表面质量概述2024/12/19

9(5)

其他影响•对没有密封件的液压油缸、滑阀来说，降低粗糙度可以减少泄漏，提高其密封性能•较低的表面粗糙度可使零件具有较高的接触刚度;对于滑动零件，降低粗糙度能使摩擦系数降低、运动灵活性提高，并减少发热和功率损失•表面层的残余应力会使零件在使用过程中继续变形，失去原来的精度、降低机器的工作质量等6.3.2机械加工表面质量概述2024/12/19

10

影响因素：刀尖圆弧半径rε

,主偏角kr

,副偏角k′r

,进给量f

切削残留面积

直线刃车刀(a)

圆弧刃车刀(b)a

)

车削时残留面积的高度2024/12/19

f

ctg

κr

+ctg

κ′r

f

2

8⋅

r(1)

切削加工影响表面粗糙度的因素6.3.3影响表面粗糙度的因素(4-31)(4-32)fκrf==来源:天津大学课件Ⅱ

Ⅰb)κ′rHHκ

rvfvfr

εRRⅡmaxmax11ⅠεRzKsh切削加工影响表面粗糙度的因素

切削表面塑性变形和积屑瘤

切削速度影响最大：v=10~50m/min范围，易产v

(m/min)切削45钢时切削速度与粗糙度关系

其他影响因素：

刀具几何角度、刃磨质量，切削液等．2024/12/196.3.3影响表面粗糙度的因素生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差。02040608010012014060040020003.02.52.01.5积屑瘤高度h

(μm)282420161284表面粗糙z

(μm)(1)收缩系

s12(1)

切削加工影响表面粗糙度的因素工件材料的性质

切削加工后表面粗糙度的实际轮廓与纯几何因素所形成的理论轮廓有差异的原因主要是由于切削过程塑性变形的影响。加工塑性材料时由刀具对金属的挤压产生了塑性变形，加之刀具

迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。加工脆性材料时其切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。6.3.3影响表面粗糙度的因素2024/12/19

13粗粒度砂轮(WA60KV)

砂轮速度vt，Ra

↓

工件速度vw

t，Ra

t

砂轮纵向进给ft，Ra

t

磨削深度ap

t，Ra

t0

10

2030光磨次数光磨次数-Ra关系(2)

磨削加工影响表面粗糙度的因素6.3.3影响表面粗糙度的因素磨削用量影响vw

=40(m/min)

f=2.36(m/min)

ap

=0.01(mm)v=50(m/s)

f=2.36(m/min)

ap

=0.01(mm)v(m/s)，vw(m/min)a

)0.0

0.0

ap(mm)34磨削用量对表面粗糙度的影响细粒度砂轮(WA/GCW14KB)

光磨次数t，Ra

↓0.80.60.40.2000.060.040.0230405060Ra(μm)Ra(μm)Ra(μm)0.020.012024/12/19b)0.51.0140(2)

磨削加工影响表面粗糙度的因素

砂轮影响

砂轮粒度↑，Ra↓；但要适量

砂轮硬度适中，Ra↓；常取中软

砂轮组织适中，Ra

↓；常取中等组织

采用超硬砂轮材料，Ra

↓

砂轮精细修整，Ra

↓

其他影响因素

工件材料

冷却润滑液等6.3.3影响表面粗糙度的因素2024/12/19

15(1)

表面层的冷作硬化•冷作硬化的产生：

机械加工时，工件表层金属产生严重的塑形变形，金属晶体产生剪切滑移，晶格扭曲，使金属表层的强度、硬度提高，塑性下降，这就形成了冷作硬化。•表面层冷作硬化的衡量指标：

衡量工件表面层冷作硬化的指标有下列三项:表面层的显微硬度HV硬化层深度h;硬化程度N。6.3.4表面层物理力学性能的影响因素2024/12/19

16•(1)

表面层的冷作硬化(切削加工)◆切削用量影响

f↑，冷硬程度↑(右图)

切削速度影响复杂(力与热综合作用结果)

切削深度影响不大◆刀具影响

rε

t

，冷硬程度t

其他几何参数影响不明显

后刀面磨损影响显著(右图)◆工件材料

材料塑性t

，冷硬倾向t2024/12/1934026018010000.20.40.60.8

1.工4550钢，v=4/min)f=~0.2(/z)磨损宽度VB(mm)后刀面磨损对冷硬影响17影响表面冷作硬化的因素6.3.4表面层物理力学性能的影响因素00.20.40.6

0.8f(mm/r)

f

和v

对冷硬的影响400300200100v=170(m/min)来源:天津大学课件100(m/min

)135(m/min)50(m/min)硬度(HV)硬度(HV)件材料：0(m0.12mm0•(1)

表面层的冷作硬化(磨削加工)◆磨削用量

磨削深度↑→冷硬程度↑(如图)

磨削速度t→冷硬程度↓(弱化作用加强)

工件转速t→冷硬程度t

纵向进给量影响复杂◆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↑普通磨削高速磨削影响表面冷作硬化的因素6.3.4表面层物理力学性能的影响因素2024/12/19

185004504003503000磨削深度对冷硬的影响0.50

0.75ap(mm)硬度(HV)0.25(2)

加工表面金相组织变化磨削烧伤与磨削裂纹

磨削烧伤工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜

磨削裂纹磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现

合理选择砂轮

合理选择磨削用量

改善冷却条件带空气挡板冷却喷嘴6.3.4表面层物理力学性能的影响因素

磨削烧伤与磨削裂纹的控制2024/12/19

19冷却液气流wdvv(2)

加工表面金相组织变化改善磨削烧伤的途径

改善磨削烧伤的途径：

正确选择砂轮

合理选择磨削用量

改善冷却条件内冷却装置

2—通导孔3—砂轮中心腔

6.3.4表面层物理力学性能的影响因素2024/12/19

204—有径向小孔的薄壁套211—锥形盖43

切削深度影响不显著

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2024/12/19(3)

加工表面的残余应力和磨削裂纹影响层金属残余应力的因素

切削用量

v↑→残余应力↑(热应力起主导作用，上图)vvc

=213m/minvc=86m/minc

=7.7m/minf=0.40mf=0./rf=0.12mm/r0100200300

400距离表面深度(μm)f

对残余应力的影响工件：45，切削条件：vc=86m/min，=2mm，不加切削液pa6.3.4表面层物理力学性能的影响因素残余应力(Gpa)rε=0.8mm工件：45切削液0.2000.20vc

对残余应力的影响

γ0=5°,α0==5°,κr=75°,

f↑→残余应力↑(下图)切削条件：=0.3mm,f=0.05mm/r,不加pa0.200-0.20150200距离表面深度(μm)残余应力(Gpa)0

50m/r25mm10021tmtptn123O

距表面的深度b)Ob+c)Ob+d)O6.3.4表面层物理力学性能的影响因素(3)

加工表面的残余应力和磨削裂纹由于切削热在表层金属产生残余拉应力的分析图2024/12/19

22表面层残余应力123距表面的深度a)b+t

C