第四章 机械加工表面质量.ppt

1、第四章 机械加工表面质量,4-1 概 述 评价零件是否合格的质量指标除机械加工精度外，还有机械加工表面质量。机械加工表面质量是指零件经过机械加工后的表面层状态。,一 机械加工表面质量的含义 机械加工表面质量又称为表面完整性。,1表面层的几何形状特征 加工后表面形状，总是以“峰”、“谷”的形式偏离其理想光滑表面。按偏离程度有宏观和微观之分，表面层的几何形状特征如图4-1所示。,图4-1 形状误差、表面粗糙度及波度示意图,波距：峰与峰或谷与谷间的距离，以L表示；波高：峰与谷间的高度，以H 表示。 L/H1000时，属于宏观几何形状误差； L/H50时，属于微观形状误差，称作表面粗糙度； L/H=5

2、01000时，称作表面波度；, 表面粗糙度： 它是指加工表面上较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特征，其评定参数主要有轮廓算术平均偏差Ra或轮廓微观不平度十点平均高度Rz； 表面波度：它是介于宏观形状误差与微观表面粗糙度之间的周期性形状误差。 表面加工纹理 它是指表面切削加工刀纹的形状和方向。图4-2给出了各种纹理方向及其符号标注。 伤痕 它是指在加工表面个别位置上出现的缺陷，如砂眼、气孔、裂痕、划痕等，它们大多随机分布。,图4-2 各种纹理方向及其符号标注,2表面层的物理力学性能 （1）表面冷硬程度和深度 由于加工中受到挤压使表面的显微硬度增加，这种现象称 为冷作硬化或冷硬现象。硬化程度N：

3、,（2）表面层的金相组织变化 切削区温度升高到金相组织变化的临界点时，工件表面层就会产生金相组织变化，如图4-3所示。,（3）零件表面层残余应力 由于加工过程中，切削层金属在力与热的作用下，而产生残余应力。,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 零件的耐磨性是零件的一项重要性能指标，当摩擦副的材料、润滑条件和加工精度确定之后，零件的表面质量对耐磨性将起着关键性的作用。,图4-4 磨损过程的基本规律 图4-5 表面粗糙度与初期磨损量的关系,（1）表面粗糙度对耐磨性的影响 表面粗糙度对摩擦副的影响，不是表面粗糙度值越小越耐磨，在一定工作条件下，摩擦副表面总是存在一个最佳

4、表面粗糙度值，表面粗糙度Ra值约为0.320.25m较好。 （2）表面纹理方向对耐磨性的影响 表面纹理方向影响金属表面的实际接触面积和润滑液的存留情况。,（3）表面层的加工硬化对耐磨性的影响 由于加工硬化提高了表面层的强度，减少了表面进一步塑性变形和咬焊的可能。,2表面质量对零件疲劳强度的影响 表面粗糙度对承受交变载荷的零件的疲劳强度影响很大。,3表面质量对零件耐腐蚀性能的影响 表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响很大。零件表面粗糙度越大，在波谷处越容易积聚腐蚀性介质而使零件发生化学腐蚀和电化学腐蚀。,4表面质量对零件间配合性质的影响 相配零件间的配合性质是由过盈量或间隙量来决定的。,5表面质量对

5、零件其他性能的影响 表面质量对零件的使用性能还有一些其他影响。,(1) 待加工表面工件上有待切除的表面。 (2) 已加工表面经刀具切削后产生的新表面。 (3) 过渡表面(或称切削表面) 切削刃正在切削的表面。它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面。,各种切削加工的工件表面,补充刀具方面知识：,二、刀具角度,1.刀具的构成,金属切削刀具的种类很多，其形状、结构各不相同，但是它们的基本功用都是在切削过程中，用刀刃从工件毛坯上切下多余的金属。在结构上它们都具有共同的特征，尤其是它们的切削部分。,由工作部分和非工作部分构成。,车刀的工作部分比较简单，只由切削部分构成，非工作部分就是车刀的柄部(或刀杆

6、)。,不论刀具结构如何复杂，就其单刀齿切削部分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变而来，本节以外圆车刀为例来介绍其几何参数。,刀 面,前刀面 切屑流过的表面，以A表示。,主后刀面 与工件上过渡表面相对的表面，以A表示。,副后刀面 与工件上已加工表面相对的表面，以A表示。,切削刃,主切削刃 前刀面与主后刀面的交线，记为S。 它承担主要的切削工作。,副切削刃 前刀面与副后刀面的交线，记为S。 它协同主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。,刀 尖,三个刀面在空间的交点，也可理解为主、副切削刃二条刀刃汇交的一小段切削刃。,在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性，一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡

7、刃。,其他各类刀具，如刨刀、钻头、铣刀等，都可以看成是车刀的演变和组合。,2. 刀具标注角度,刀具要从工件上切下金属，必须具有一定的角度，也正是由于切削角度才决定了刀具切削部分各表面的空间位置。要确定和测量刀具角度，必须引入一个空间坐标参考系。,工作坐标系-动态参考系-工作角度 它是确定刀具切削运动中角度的基准。 标注坐标系-静态参考系标注角度 它是刀具设计计算、绘图标注、刃磨测量角度时基准。它是在假定条件下的工作角度。,(1)假定运动条件：给出刀具假定主运动方向和假定进给方向，而不考虑进给运动的大小。 (2)假定安装条件：刀具安装基准面垂直于主运动方向，刀杆的中心线与进给运动方向垂直，刀具刀

8、尖高与工件中心轴线等高。,确定刀具标注角度参考系时做的二个假定,基面r 通过主切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。,切削平面s 通过主切削刃上选定点，与主切削刃相切，且垂直于该点基面的平面。,正交平面o 通过主切削刃上选定点，垂直于基面和切削平面的平面。,刀具标注角度的参考系平面,正交平面参考系Pr-Ps-Po 最常用的刀具标注角度参考系,法平面n 通过主切削刃上选定点，垂直于切削刃的平面。,法平面参考系Pr-Ps-Pn,假定工作平面f、Pp Pf：通过主切削刃上选定点，平行于假定进给运动方向，并垂直于该点基面的平面。 Pp：通过切削刃上选定点同时垂直于Pr和Pf的平面。,假定工作平

9、面参考系Pr-Pf-Pp,刀具标注角度,1）基面中测量的刀具角度,主偏角r 主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角 主偏角一般为正值。,副偏角r 副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。 副偏角一般为正值。,主切削刃和副切削刃之间的过渡刃参数将改变刀尖的几何形状,用刀尖圆弧半径r描述，当r=0时为尖角过渡，r0时为圆角过渡，直线过渡时用 和b参数描述。,刀尖角r 主、副切削刃在基面上的投影之间的夹角，它是派生角度。 r180-(r r) r是标注角度是否正确的验证公式之一。,刀具标注角度,2）切削平面中测量的刀具角度,刃倾角有正负之分： 当主切削刃呈水平时，s0； 刀尖为主切刃上最高

10、点时，s0； 刀尖为主切刃上最低点时，s0。,刃倾角s主切削刃与基面间的夹角。,刀具标注角度,3）正交平面中测量的刀具角度,前角o 在正交平面内测量的前刀面与基面间的夹角。 根据前刀面和基面的相对位置不同分别规定正前角、零度前角和负前角。,后角o 在正交平面内测量的主后刀面与切削平面的夹角。 后角一般为正值。,刀具标注角度,4-2 影响表面质量的工艺因素及其控制,一、影响表面粗糙度的因素及降低表面粗糙度的工艺措施 （一）影响切削加工表面粗糙度的因素 在切削加工的表面粗糙度主要取决于切削残留面积的高度，并与切削表面塑性变形及积屑瘤的的产生有关。 1. 影响切削残留面积高度的因素,车削、刨削加工时

11、，残留面积的计算高度如图4-6。使用直线切削刃切削残留面积高度H为,图4-6 车削、刨削时残留面积的高度,使用圆弧切削刃切削残留面积高度H为,2.影响切削表面积屑瘤和鳞刺的因素 加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响较大。切削速度对表面粗糙度的影响如图4-7所示，切削塑性材料时， 切削速度很低或很高，不易产生积屑瘤；切削速度愈高，切削中的切屑、加工表面的塑性变形程度也就愈小。,图4-7 切削速度v对粗糙度的影响,（二）磨削加工对表面粗糙度的影响 磨削机理与切削机理不同，因而对表面粗糙度的影响也不相同。磨削精度高，通常作为终加工工序。磨削加工采用的工具是砂轮。,1、形成因素 (1) 几何原因

12、 1）切削用量对表面粗糙度的影响 砂轮的速度，单位时间内的磨削量，粗糙度；工件的速度，单位时间内的磨削量，粗糙度；砂轮纵向进给速度，每部位重复磨削次数，粗糙度。,2）砂轮的粒度和砂轮的修整对表面粗糙度的影响 砂轮的粒度包括磨粒的大小、磨粒间的距离。砂轮的粒度号，参与磨削的磨粒，粗糙度；修整砂轮时，纵向进给量对表面粗糙度的影响甚大；纵向进给量，砂轮表面的等高性越好，粗糙度。,由磨削机理知，砂轮磨料的粒度越细，在单位时间内，通过工件单位面积上的磨粒数越多，在工件表面上的磨痕就越细密，表面粗糙度值也就越小。,图4-8 砂轮粒度对粗糙度的影响,（2）金属表面层的塑性变形 砂轮转速，切削速度，工件材料来

13、不及变形，塑性变形，粗糙度；工件转速，工件材料塑性变形，粗糙度；切削深度，工件材料塑性变形，粗糙度,增加工件速度、切削深度和进给量时，将使磨削表面塑性变形程度加剧，而增大表面粗糙度。其影响关系如下图4-9所示：,图4-9 磨削用量与表面粗糙度的关系,二、减小表面粗糙度的工艺措施 （一）车削加工 在精加工时，应选择较小的f、较小的主偏角kr和副偏角kr、较大的刀尖圆弧半径r。 加工塑性材料时，采用较高的切削速度可防止积屑瘤的产生，减小表面粗糙度。 根据工件材料、加工要求，合理选择刀具材料，有利于减小表面粗糙度。 适当的增大刀具前角和刃倾角，提高刀具的刃磨质量，降低刀具前、后刀面的表面粗糙度均能降

14、低工件加工表面的粗糙度。 对工件材料进行适当的热处理可减小表面粗糙度。 选择合适的切削液，减小切削过程中的界面摩擦，降低切削区温度，减小切削变形，抑制鳞刺和积屑瘤的产生，可以大大减小表面粗糙度。,（二）磨削加工 (1)与磨削砂轮有关的因素 主要是砂轮的粒度、硬度以及对砂轮的修整等。 砂轮的粒度要适度。如图4-10所示。,图4-10 砂轮粒度与表面粗糙度的关系,(2)与工件材质有关的因素 包括材料的硬度、塑性、导热性等。 (3)与加工条件有关的因素 包括磨削用量、冷却条件及工艺系统的精度与抗振性等,三、影响表面物理力学性能的工艺因素 （一）表面层加工硬化 1.加工硬化的产生及衡量指标 机械加工过

15、程中，工件表层金属在切削力的作用下产生强烈的塑性变形，金属的晶格扭曲，晶粒被拉长、纤维化甚至破碎而引起表层金属的强度和硬度增加，塑性降低，这种现象称为加工硬化（或冷作硬化）。,评定加工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（m）； 硬化程度N,2. 影响切削加工表面冷作硬化的因素 切削用量的影响 增大进给量时，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，表层金属的显微硬度将随之增大。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。, 刀具几何形状的影响 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 加工材

16、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。,3. 影响磨削加工表面冷作硬化的因素 工件材料 磨削加工中，工件材料主要从塑性和导热性两个方面影响表面冷作硬化。 砂轮的影响 砂轮的粒度越大，每颗磨粒的载荷越小，冷硬程度也越小。 磨削用量的影响 磨削深度增大，磨削力随之增大，磨削过程的塑性变形加剧，表面冷硬倾向增加。,（二）表面层残余应力 产生表面残余应力的原因主要有： 1.冷态塑性变形引起的残余应力 2. 热态塑性变形引起的残余应力 3.金相组织变化引起的残余应力,4、磨削表面层的残余应力磨削裂纹问题 磨削加工比切削加工的表面残余应力更为复杂。一方面，磨粒切削刃为

17、负前角，法向切削力一般为切向切削力的23倍，磨粒对加工表面的作用引起冷塑性变形，产生压应力；另一方面，磨削温度高，磨削热量很大，容易引起热塑性变形，表面出现拉应力。,4-11 磨削裂纹,（三）表层金属金相组织的变化 1金相组织变化的原因 机械加工过程中产生的切削热会使得工件的加工表面产生剧烈的温升，当温度超过工件材料金相组织变化的临界温度时，将发生金相组织转变。 磨削淬火钢时表面层产生的烧伤 磨削淬火钢时极易发生磨削烧伤，磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有：, 回火烧伤 磨削区温度超过马氏体转变温度而未超过相变温度，则工件表面原来的马氏作组织将产生回火现象，转化成硬度降低的回火组织索氏体或屈氏体。

18、 淬火烧伤 磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，由于冷却液的急冷作用，表层会出现二次淬火马氏体，硬度较原来的回火马氏体高，而它的下层则因为冷却缓慢成为硬度降低的回火组织。 退火烧伤 不用冷却液进行干磨削时，磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，因工件冷却缓慢则表层硬度急剧下降，这时工件表层被退火。,2.影响磨削加工时金相组织变化的因素 (1) 工件材料 低碳钢不会发生相变。高合金钢传热性特别差，在冷却不充分时易出现磨削烧伤。未淬火钢磨削时间短时不会发生相变。淬火钢极易相变。 (2) 磨削温度、温度梯度及冷却速度等对金相组织变化的影响,图4-12磨削高碳钢淬火时表面硬度分布,3磨削

19、烧伤的改善措施,（1）合理选择磨削用量 (2）工件材料 工件材料硬度、强度越高，韧性越大，磨削时耗功越多，产生的热量越多，越易产生烧伤；导热性较差的材料，在磨削时也容易出现烧伤。 (3）砂轮的选择 硬度太高的砂轮，钝化后的磨粒不易脱落，容易产生烧伤，因此用软砂轮较好；选用粗粒度砂轮磨削，砂轮不易被磨削堵塞，可减少烧伤,图4-13目前通用的冷却方法,(4）冷却条件 为降低磨削区的温度，在磨削时广泛采用切削液冷却。,为了使切削液能喷注到工件表面上，比较有效的冷却方法通常增加切削液的流量和压力并采用特殊喷嘴，此外，还可采用多孔砂轮、内冷却砂轮和浸油砂轮，图4-14所示为一内冷却砂轮结构，,图4-14

20、 内冷却砂轮结构1锥形盖 2切削液通孔 3砂轮中心腔 4有径向小孔的薄壁套,四、表面强化工艺 表面层的物理力学性能对零件的使用性能及寿命影响很大，如果在最终工序中不能保证零件表面获得预期的表面质量要求，则应在工艺过程中增设表面强化工序来保证零件的表面质量。表面强化工艺包括化学处理、电镀和表面机械强化等几种。,喷丸是一种用压缩空气或离心力将大量直径细小的丸粒（钢丸、玻璃丸）以3550m/s的速度向零件表面喷射的方法。如图，可以用于任何复杂形状的零件。喷丸的结果在表面层产生很大的塑性变形，造成表面的冷作硬化及残余压应力。,1喷丸强化,用工具钢淬硬制成的钢滚轮或钢珠在零件上进行滚压，如图，使表层材料

21、产生塑性流动，形成新的光洁表面 。,2滚压加工,3金刚石压光 金刚石压光是一种用金刚石挤压加工表面的新工艺，国外已在精密仪器制造业中得到较广泛的应用。压光后的零件表面粗糙度可达Ra0.40.02m，耐磨性比磨削后的提高1.53倍，但比研磨后的低2040%，而生产率却比研磨高得多。金刚石压光用的机床必须是高精度机床，它要求机床刚性好、抗振性好，以免损坏金刚石。 4液体磨料强化 液体磨料强化是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、抗蚀性和疲劳强度的一种工艺方法。如图3-8所示，液体和磨料在400800Pa压力下，经过喷嘴高速喷出，射向工件表面，借磨粒的冲击作

22、用，碾压加工表面，工件表面产生塑性变形，变形层仅为几十微米。,4-3 机械加工中的振动,1机械振动现象及其对表面质量的影响 主要表现： 1）振动使工艺系统的各种成形运动受到干扰和破坏，使加工表面出现振纹，增大表面粗糙度值，恶化加工表面质量； 2）振动还可能引起刀刃崩裂，引起机床、夹具连接部分松动，缩短刀具及机床、夹具的使用寿命； 3）振动限制了切削用量的进一步提高，降低切削加工的生产效率，严重时甚至还会使切削加工无法继续进行； 4）振动所发出的噪声会污染环境，有害工人的身心健康。,机械加工过程的振动有三种基本类型： 强迫振动 强迫振动是指在外界周期性变化的干扰力作用下产生的振动。磨削加工中主要

23、会产生强迫振动。 自激振动 自激振动是指切削过程本身引起切削力周期性变化而产生的振动。切削加工中主要会产生自激振动。 自由振动 自由振动是指由于切削力突然变化或其它外界偶然原因引起的振动。,二、 机械加工中的强迫振动 （一）强迫振动概念及产生的原因,1、强迫振动特点 1）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。 2）强迫振动的频率等于干扰力的频率。 3）阻尼愈小，振幅愈大，谐波响应轨迹的范围愈大；增加阻尼，能有效地减小振幅。 4）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。,2机械加工过程中产生强迫振动的原因, 机床方面 机床中某些

24、传动零件的制造精度不高，会使机床产生不均匀运动而引起振动。, 刀具方面 多刃、多齿刀具如铣刀、拉刀和滚刀等，切削时由于刃口高度的误差或因断续切削引起的冲击，容易产生振动。, 工件方面 被切削的工件表面上有断续表面或表面余量不均、硬度不一致，都会在加工中产生振动。,（二）减少或消除强迫振动的措施,1）改进机床传动结构，进行消振与隔振,2）消除回转零件的不平衡 机床和其他机械的振动，大多数是由于回转零件的不平衡所引起，因此对于高速回转的零件要注意其平衡问题。,3）提高传动件的制造精度 传动件的制造精度会影响传动的平衡性，引起振动。,4）提高系统刚度，增加阻尼 提高机床、工件、刀具和夹具的刚度都会增加系统的抗振性。,5）合理安排固有频率，避开共振区,三、加工过程中的自激振动 （一）自激振动的概念及特点,2、自激振动的特点 1）支持振动的变动力是振动中产生的，并受到振动的控制； 2）自激振动的频率决定于系统本身