机械加工表面质量(PPT 74页).ppt

1、第三章表面质量,第一节表面质量的基本概念第二节影响表面粗糙度的因素第三节影响表面物理机械性能的因素第四节机械加工中的振动第五节控制表面质量的工艺途径,第一节表面质量的基本概念,一、概述机械加工方法所获得的零件表面，实际上都不是理想的光滑表面。随着加工方法和加工条件的不同，表面上总是残留下不同程度的粗糙度、表面层残余应力（内应力）、表面层冷作硬化以及表面层金相组织的变化等缺陷。产品的工作性能，尤其是可靠性、耐久性等在很大程度上取决于零件的表面质量。机器的损坏除少数属设计不当或使用不当外，大多数是由于磨损、腐蚀和疲劳所致。,零件表面质量,表面质量的含义（内容）,1表面粗糙度与波度,L/H1000称

2、为宏观几何形状误差；L/H=501000，称为波纹度；L/H50，称为微观几何形状误差，亦称表面粗糙度。,一、概述,（1）表面粗糙度：表面的微观几何形状误差；（2）波度：介于宏观几何形状误差与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差。,Ra-在取样长度L内轮廓偏距绝对值的算术平均值。Rz-在取样长度内5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最大的轮廓谷深的平均值之和。Ry-在取样长度L内轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离。,2表面层材料的物理力学性能(1)表面层的冷作硬化机械加工过程中表面层金属产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加，塑性减小，统称

3、为冷作硬化。(2)表面层残余应力机械加工过程中由于切削变形和切削热等因素的作用在工件表面层材料中产生的内应力，称为表面层残余应力。(3)表面层金相组织变化机械加工过程中，在工件的加工区域，温度会急剧升高，当温度升高到超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织变化。,一、概述,表面完整性,随着科学技术的发展，对产品的使用性能要求越来越高，一些重要零件需在高温、高压、高速的条件下工作，表面层的任何缺陷直接影响零件的工作性能，因此在研究表面质量的领域中提出了“表面完整性”的概念，主要有：,二、表面质量对零件使用性能的影响,1、表面质量对零件耐磨性的影响2、表面质量对零件疲劳强度的影响3、表

4、面质量对零件配合精度的影响4、表面质量对零件耐腐蚀性能的影响5、其他影响,二、表面质量对零件使用性能的影响,1、表面质量对零件耐磨性的影响（1）零件磨损的形成：零件相对运动时，相互接触的凸峰处就会产生弹性变形、塑性变形及剪切等现象，产生了表面的磨损。（2）影响零件耐磨性的因素主要有：摩擦副的材料、润滑条件、零件的表面质量（3）零件的磨损过程分为：图3-2,图3-2磨损过程的基本规律图,（4）表面质量对零件耐磨性的影响,（1）表面粗糙度在交变载荷作用下，零件表面的粗糙度、划痕和裂纹等缺陷容易引起应力集中，产生和发展成疲劳裂纹，造成疲劳破坏。试验表明：承受交变载荷的零件，减小表面粗糙度可提高疲劳强

5、度30-40%；加工纹路对疲劳强度的影响更大，若刀痕与受力方向垂直，则疲劳强度降低。材料晶粒越细，质地越致密，应力集中越明显，表面粗糙度对疲劳强度影响也越严重。一般而言，钢件对应力集中敏感程度大，铸铁件则相反。,2、表面质量对零件疲劳强度的影响,（2）表面层的残余应力表层的残余压应力能部分抵消工件载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，故可提高疲劳强度；反之拉应力加剧疲劳裂纹产生，降低疲劳强度。（3）表面层的冷作硬化冷作硬化层能阻止已有裂纹的扩展和防止新的裂纹产生，故可提高疲劳强度。但若过硬，则使表层过脆，易产生裂纹降低疲劳强度。,2、表面质量对零件疲劳强度的影响,3、表面质量对零件配合精度的影

6、响,（1）表面粗糙度对间隙配合的零件表面影响若表面粗糙度过大，初期磨损量就大，配合间隙增大，甚至改变原有的配合性质，特别是对于尺寸小、精度要求高的零件。（2）表面粗糙度对过盈配合的零件表面影响若表面粗糙度过大，装配时配合表面的凸峰受挤压，使实际过盈量比预定的小，影响配合的可靠性。（3）表面的残余应力对零件配合精度的影响残余应力经过一段时间后会引起工件变形，影响工件的尺寸和形状精度，势必影响配合零件的配合性质。（4）表面的加工硬化对零件配合精度的影响若硬化严重，将可能造成表层金属与内部金属脱离，破坏配合的性质和精度。,4、表面质量对零件耐腐蚀性能的影响,零件在潮湿空气或腐蚀性的介质中工作时会发生

7、化学腐蚀或电化学腐蚀。化学腐蚀由于在粗糙表面的凹谷处容易集聚腐蚀性的介质所造成。电化学腐蚀由于两种不同金属材料接触时，在表面微小凸峰间会产生微电离作用，造成零件腐蚀。由此可见：（1）提高零件的表面粗糙度可以提高零件的耐腐蚀性能；（2）表面层的残余压应力有利于阻碍表面裂纹的产生和扩展，提高零件的抗腐蚀能力，反之拉应力降低耐腐蚀性；（3）一定程度的硬化，可减小裂纹，有利于提高耐腐蚀性。,5、其他影响,对密封性的影响一般而言，减小表面粗糙度，可提高零、部件的密封性能；对接触刚度的影响减小表面粗糙度，提高零部件的接触刚度。对抗冲击性的影响工件表面层的冷作硬化可降低其抗冲击的能力。,金属与周围介质发生氧

8、化作用而引起的腐蚀叫做化学腐蚀；金属和电解质溶液接触时，由于微电池和大电池作用而发生的腐蚀叫做电化学腐蚀。化学腐蚀时没有电流产生，电化学腐蚀时，介质与金属的作用的总反应分成两个在相当程度上独立地进行的过程（阳极过程与阴极过程）。在大多数实际情况下，电化学腐蚀常常以阳极和阴极过程在不同地区局部地进行为特征。主要的钢铁的腐蚀是电化学腐蚀钢铁在潮湿空气里，其表面因吸附作用而覆盖一层极薄的水膜、水微弱电离产生少量H+和OH-，同时由于空气中CO2的溶解，水里H+增多;这样表面就形成了一层电解质溶液薄膜，它跟钢铁里的铁和杂质或碳就形成了无数微小原电池,表面粗糙度值耐磨性，但有一定限度,1.对耐磨性影响,

9、表面粗糙度值耐疲劳性适当硬化可提高耐疲劳性表面压应力有利于提高耐疲劳性,表面粗糙度值耐蚀性表面压应力：有利于提高耐蚀性,表面粗糙度值配合质量,2.对零件疲劳强度的影响,3.对零件抗耐蚀性能的影响,4.对零件配合性质的影响,纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好适当硬化可提高耐磨性,小结,第二节影响表面粗糙度的因素,一、切削加工中影响表面粗糙度的因素1、刀具的几何形状（1）残留面积的概念图3-5残留面积越大，已加工表面越粗糙。残留面积形状完全取决于刀具的几何形状。尖刀切削时:带圆角半径的刀切削时:（2）改善可通过减小刀具的主偏角、副偏角及增大刀尖的圆弧半径来减小残余面积。,2、工件材料的性质,3、切

10、削用量,（1）切削速度v如图示，一般情况，v越大，加工表面塑性变形越小，粗糙度越小。但对塑性材料，中低速易产生积屑瘤或鳞刺，粗糙度变大。例如：铰孔时，用手动铰刀或高速机动铰削。（2）背吃刀量一般情况，切深对表面粗糙度无影响。但背吃刀量过小，工件将在刀尖圆弧下挤压过去，刀刃易打转，形成附加的塑性变形，使表面粗糙。例如：精加工时，切深过小，表面粗糙度反而变大。,加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响,（3）进给量减小进给量可减小残留面积的高度，可减小表面粗糙度。（4）切削液切削液能减小切屑、工件与刀具间的摩擦，降低切削温度，减小切削中的塑性变形，并抑制积屑瘤或鳞刺，故可减小表面粗糙度。若在切削液

11、中加入硫、磷、氯等效果更加。（5）工艺系统中的振动振动引起工件与刀具之间的相对位置发生变化，致使表面粗糙度变大。,3、切削用量,影响切削加工表面粗糙度的因素,刀具几何形状,刀具材料、刃磨质量,切削用量,工件材料,影响切削加工表面粗糙度的因素,二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素,1、磨削加工与切削的不同点（1）几何因素砂轮的磨削刃形状与分布很不均匀、不规则，且随着工作表面的修正和磨粒磨耗不断改变，工件的加工表面是砂轮微刃切削刻划出无数沟槽形成的。单位面积上刻痕越多，深度越均匀，表面粗糙度越小。磨粒大多为负前角，单位切削力大，温度高。（2）物理因素工作时，磨削过程常分为：滑擦、刻划和切削三个阶段。

12、大多磨粒在加工表面只是挤压而过，并未切削，多次挤压反复出现塑性变形。同时，磨削热也加剧塑性变形，致使表面粗糙度变大。(3)砂轮的磨削速度高常引起被磨表面烧伤、工件变形和产生裂纹；径向切削力大，引起工艺系统弹性变形和振动。,2、磨削时影响表面粗糙度的因素如下磨削用量的影响（1）砂轮速度速度越大，单位时间通过磨削区的磨粒数和单位体积上的磨削次数越大，有利于减小表面粗糙度。同时，磨削表面的塑性变形也来不及传播，材料也来不及变形，表面粗糙度越小。（2）磨削深度深度越小，工件塑性变形越小，表面粗糙度越小。（3）工件速度工件速度越低，每一刃口切削厚度越小，塑性变形越小，表面粗糙度越小。但速度过低，工件与砂

13、轮接触时间过长，会有烧伤的可能。（4）光磨次数通常磨削时，开始用较大切深提高生产率，最后用小切深或无进给磨削（光磨），提高表面粗糙度。,其他影响（1）砂轮硬度和工件材料良好的“自励性”即磨粒磨钝后能及时脱落，露出新的磨粒，能磨出光滑的表面，且能防止磨削烧伤。工件材料韧性越好，塑性变形越大，则表面粗糙度越大。（2）砂轮材料可分为氧化物、碳化物和高硬磨料。一般刚类零件用刚玉砂轮磨削，铸铁、硬质合金用碳化物砂轮磨削，金刚石砂轮可获得极小的表面粗糙度，但成本较高。（3）冷却润滑液能减小磨削热，减小塑性变形，防止磨削烧伤，减小表面粗糙度。（4）砂轮的粒度粒度越细，单位面积磨粒越多，加工表面刻痕越密，表面

14、粗糙度越小。（5）砂轮的修整修整的导程和切深越小，修出的砂轮越光滑，磨削刃等高性越好，表面粗糙度就越小。,2、磨削时影响表面粗糙度的因素,影响磨削加工表面粗糙度的因素,影响磨削加工表面粗糙度的因素,砂轮粒度,工件材料性质,砂轮修正,磨削用量,砂轮硬度,第三节影响表面物理力学性能的因素,机械加工中，工件由于受切削力、切削热的作用，其表面层的物理力学性能会产生很大的变化，造成与基体材料的性能的差异，这些差异主要表现为表面层的金相组织和显微镜硬度的变化和表面层中出现的残余应力。,一、加工表面的冷作硬化,1、定义加工表面的冷作硬化是由于切削力的作用而产生塑性变形，加工表面层晶格间剪切滑移，晶格严重扭曲

15、、拉长、纤维化及破碎，引起表面层的强度和硬度都得到提高的一种现象。2、表达方式其中N硬化程度H表面层的显微硬度h冷硬层深度,距表面深度,h,显微硬度,H,0H,3、表面层冷作硬化的取决因素产生塑性变形的力、变形速度及变形时的温度（1）切削力越大，塑性变形越大，硬化程度越大；（2）变形速度快，塑性变形不充分，硬化程度小；（3）变形时的温度不仅影响塑性变形程度，还会影响变形后金相组织的恢复。,4、影响表面层冷作硬化的主要因素（）刀具减小前角、增大刃口圆角和后刀面的磨损量，冷硬层的深度和硬度都会增大。（2）切削用量影响较大的因素是切削速度和进给量。当切削速度大时刀具与工件的接触时间短，挤压时间短，塑

16、性变形小，同时切削速度使温度升高有助于冷硬的恢复，硬化程度也小；进给量增大时，切削力增大，塑性变形增大，硬化现象增大。（3）工件材料硬度越小，塑性越大，切削后的硬化现象就越严重。,小结,刀具几何形状的影响,切削用量的影响,工件材料性能的影响,二、加工表面的金相组织变化1、磨削烧伤现象切削加工时，加工所消耗的能量绝大部分转化为热能，使工件表面温度升高。对一般切削加工，切削热大部分被切屑带走，加工表面温度较低，影响不严重。但对于磨削加工，切削区的温度可达1000C，约70%以上的热量传给工件，使工件表面层金相组织发生变化。此时，将会产生极大的表面残余拉应力，甚至裂纹，这就是磨削烧伤现象。2、烧伤色

17、工件表面会出现瞬时高温条件下的不同颜色（黄、褐、紫、青）的氧化膜，即烧伤色。不同的烧伤色可以表明工件表面层受到了不同温度和不同烧伤程度的影响。,回火烧伤:磨削区温度超过马氏体转变温度(中碳钢250300),而未超过相变临界温度(碳钢约为720),马氏体变成索氏体或屈氏体。淬火烧伤:磨削区温度超过相变温度,又有冷却液作用,表面最外层出现二次淬火马氏体(硬度更高),次表层为回火组织。退火烧伤:磨削区温度超过相变温度,无冷却液作用，干磨时很容易出现。三种烧伤中，退火烧伤最严重。,二、加工表面的金相组织变化,3、减小表面层烧伤的具体措施影响磨削烧伤的主要因素是磨削区的温度，因此可通过降低表面层的温度减

18、轻表面层的烧伤。具体措施如下：（1）合理选择砂轮针对不同材料选择不同材料的砂轮，一般选择粒度小、自励性强的砂轮。（2）增大磨削刃间距可使工件与砂轮间断接触，减小热损伤程度。如图3-12，利用开槽砂轮，不仅可使零件表面无损伤，还可提高砂轮的耐用度十倍以上。（3）正确选择磨削用量降低砂轮速度、减小磨削切深、增大工件纵向进给量。但降低砂轮速度影响生产率，可通过提高砂轮速度的同时，提高工件的速度。如图3-13所示。（4）提高冷却效果1）使用内冷却砂轮，如图3-14；2)采用高压大流量冷却；3）加装空气挡板，如图3-15。,图开槽砂轮a）槽均匀分布b）槽均匀分布,图内冷却装置1锥形盖2通道孔3砂轮中心孔

19、4有径向小孔的薄壁套,三、加工表面的残余应力,其产生原因有以下几个方面：1、冷塑性变形的影响切削力作用下，已加工表面产生强烈的塑性变形，表面体积发生变化，此时基体仍处于弹性变形状态。当切削力去除后，基体金属趋于复原，但已产生塑性变形的表层恢复不到原状，在表面层产生残余压应力，里层产生拉应力。2、热塑性变形的影响切削加工中，表面层温度较高，产生热膨胀，基体温度较低，表层产生压应力，里层产生拉应力。切削加工结束后，表层温度下降快，里层慢，表层受里层阻止产生拉应力，里层产生压应力。温度越高，热塑性变形越大，表层残余拉应力越大，有时出现磨削裂纹。,3、金相组织变化的影响切削时高温产生相变，由于不同的金

20、相组织有不同的比重，使表层体积发生变化。当表层体积膨胀时，受基体限制，产生压应力。反之，产生拉应力。例如：以淬火钢磨削为例，淬火钢基体组织为马氏体，磨削后，表面层回火转变成托式体或索式体，密度增大而体积减小。总之，加工后表层的残余应力是三个方面的综合结果。在一定条件下，其中一种或两种原因起主导作用。如切削热不高时，以冷塑变为主，此时产生残余压应力。而磨削时，相变和热塑变占主导，表层产生残余拉应力。,第四节机械加工中的振动,切削加工中，工艺系统常会产生振动，使工艺系统的各种成形运动受到干扰和破坏，它不仅严重地恶化加工表面质量，缩短刀具和机床的工作寿命，降低生产效率，而且还发出刺耳的噪声，影响工人

21、健康。随着生产的不断发展，对加工后零件的表面要求愈来愈高。如精密加工和超精密加工已要求达到0.5和0.1微米。表面不允许出现波纹。金属加工中的振动主要有三种类型：自由振动、强迫振动和自激振动。,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,第四节机械加工中的振动,机械加工中振动的种类及其主要特点,机械加工振动,当系统受到初始干扰力激励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。由于总存在阻尼，自由振动将逐渐衰减。(占5%),系统在周期性激振力(干扰力)持续作用下产生的振动，称为强迫振动。

22、强迫振动的稳态过程是谐振动，只要有激振力存在振动系统就不会被阻尼衰减掉。(占35%),在没有周期性干扰力作用的情况下，由振动系统本身产生的交变力所激发和维持的振动，称为自激振动。切削过程中产生的自激振动也称为颤振。(占65%),一、强迫振动1、定义强迫振动是工艺系统在外界周期性干扰力作用下所产生的振动。2、强迫振动产生的原因（1）内部原因1）离心惯性力引起的振动，如：电动机转子、皮带轮、砂轮等不平衡产生离心力。2）传动机构的缺陷，如往复运动换向时的冲击、轴承滚动体尺寸的不均匀等。3）切削过程中的间歇特性，如铣削加工、断续表面的加工等。,（2）外部原因1）临近设备和通道运输设备，如空气压缩机、锻

23、锤、铲车等会引起振动。2）楼板、土壤和建筑物承载结构的简谐特性，通过地基传给机床，导致振动产生。,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角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。,4、减少强迫振动的途径减小激振力对转速在600r/min以上的零件进行平衡，以减少回转零件的离心力；对齿轮传动应提高齿轮的基节和齿形精度以及安装精度，以减少或消除传动过程中冲击；对带传动，采用较完善的带接头，使其连接后的刚度和厚度变化最小。避免激振力的频

24、率与系统的固有频率接近，防止共振可更换电动机的转速或改变主轴的转速来避开共振区；用提高接触面精度、减小结合面的粗糙度、消除间隙、提高接触刚度来提高系统的刚度和固有频率；,采取隔振措施使机床的电动机与床身采用柔性联接以隔离电动机本身的振动；把液压部分与机床分开；采用液压缓冲装置以减少工作部件换向时的冲击；采用厚橡皮、木材等将机床与地基隔离，用防振沟隔开设备的基础和地面的联系，以防止周围的振源通过地面和基础传给机床。采用消振措施增加阻尼，安装消振器。,二、机械加工过程中自激振动,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。,自激振动是一种不衰减振动

25、；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。,第四节机械加工过程中的振动,三、自激振动的激振机理,由于切削厚度变化效应（简称再生效应）而引起的自激振动称为再生型切削颤振。,1再生原理,自由正交切削,再生型颤振的产生过程,再生型切削颤振产生条件,三、自激振动的激振机理,0时，W0，这表示每振动一个周期，振动系统就能从外界得到一部分能量，满足产生振动的条件，系统就将有再生型颤振产生；2时，W0，振动系统每振动一个周期，振动系统将损失一部分能量，不满足产生振动的条件，系统不会有再生型颤振产生。,再生型切削颤振产生条件,

26、a）b）c）系统无能量获得；d）y(t)滞后于y(t-T)，即0，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。,再生型切削颤振产生条件,振型耦合原理：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）,自激振动的产生：k1=k2，x1与x2无相位差,轨迹为直线，无能量输入,k1k2，x1超前x2，轨迹dcba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k1k2，x1滞后于x2，轨迹为一顺时针方向椭圆，即：abcd。此时，切入半周

27、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。,三、自激振动的激振机理,2振型耦合原理,3、抑制自激振动的途径（1）合理选择切削用量1）切削速度一般在30-70m/min范围内容易产生自激振动。2）尽量采用较大的进给量以避免自激振动。3）一般采用较小的被吃刀量会减小振动。（2）合理选择刀具的几何参数选用较大的前角、主偏角和较小后角、刀尖圆角半径可减小自激振动。（3）提高工艺系统本身的抗振性（4）采用各种减振器,第四节机械加工过程中的振动,第五节控制表面质量的工艺途径,提高加工表面质量的加工方法有两大类：低效率、高成本的工艺措施，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,1降低表面粗糙度的加工方法超精密切削和低粗糙度磨削对于超精密切削：主要是在机床和刀具上下功夫主轴和导轨选择液体静压式或空气静压式；控制主轴回转精度在0.1m范围内；机床上要有微进装置，进刀量可达0.1m；机床装在恒温室中，并有隔振措施；刀具非常锋利，能够切除0.1m的表面层；刀具应具有足够的耐磨性；刀具刃口要求极其光滑，不能有任何附着物和微观缺陷；,1降低表面粗糙度的加工方法超精密切削和低粗糙度磨削对于超精密切削：主要是在磨削用量上下功夫，但各参数之间常相互矛盾。为降低表面粗糙度，砂轮应修的细些，但易引起烧伤；为避免烧伤，常提高工件转速，又导致表