机械加工表面质量1.ppt

1、第八章 机械加工表面质量Qualities of Machined Surface,本章提要 机械加工表面质量决定了机器的使用性能和延长使用寿命。 机械加工表面质量是以机械零件的加工表面和表面层作为分析和研究对象的。 本章旨在研究零件表面层在加工中的变化和发生变化的机理，掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量的影响规律，运用这些规律来控制加工中的各种影响因素，以满足表面质量的要求。,8.1 机械加工后的表面质量 Influence of the machined surface qualities on part performances,8.2 机械加工后的表面粗糙度 Surface roug

2、hness of the machined surface layer,8.3 机械加工后的表面层物理机械性能 Physical and mechanical properties of the machined surface layer,8.4 控制加工表面质量的工艺途径 Technical approach of controlling the machined surface quality,8.5 机械加工过程中的振动问题 Vibration and chatter（振颤） in machining operations,8.1 机械加工后的表面质量,8.1.1 表面质量的含义,表面

3、质量是指机器零件加工后表面层的状态。表面质量的主要内容面两部分：,（1）表面层的几何形状 表面粗糙度：是指表面微观几何形状误差，其波高与波长的比值在L1H140的范围内。,表面波度：是介于加工精度（宏观几何形状误差L3/H31000）和表面粗糙度之间的一种带有周期性的几何形状误差，其波高与波长的比值在40L2H21000的范围。如图8l所示。,图8.1 表面几何形状 观看动画,（2）表面层的物理机械性能,表面层冷作硬化（简称冷硬）：零件在机械加工中表面层金属产生强烈的冷态塑性变形后，引起的强度和硬度都有所提高的现象。 表面层金相组织的变化：由于切削热引起工件表面温升过高，表面层金属发生金相组织

4、变化的现象。 表面层残余应力是由于加工过程中切削变形和切削热的影响，工件表面层产生残余应力。,8.1.2 表面质量对零件使用性能的影响,8.1.2.1 对零件耐磨性的影响 在摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件已经确定的情况下，零件的表面质量对耐磨性能起决定性的作用，如图8-2所示。 p217,图8-2表面粗糙度与初期磨损的关系 观看动画,从润滑磨损分析 表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般说表面粗糙度值愈小，其耐磨性愈好。 接触面的表面粗糙度有最佳值。 表面粗糙度的最佳值与零件工作情况有关，工作载荷加大时，初期磨损量增大，表面粗糙度最佳值也加大。 表面粗糙度太大和太小都不耐磨！,表面粗糙度

5、对耐磨性能的影响，还与粗糙度的轮廓形状及纹路方向有关。 表面层的冷硬可显著地减少零件的磨损。 但如果表面硬化过度，零件心部和表面层硬度差过大，会发生表面层剥落现象，使磨损加剧。 表面层产生金相组织变化时，由于改变了基体材料原来的硬度，因而也直接影响其耐磨性。,8.1.2.2 对零件疲劳强度的影响,在周期性的交变载荷作用下，零件表面微观不平与表面的缺陷一样都会产生应力集中现象，而且表面粗糙度值越大，即凹陷越深和越尖，应力集中越严重，越容易形成和扩展疲劳裂纹而造成零件的疲劳损坏。 零件表面的冷硬层能够阻碍裂纹的扩大和新裂纹的出现，冷硬可以提高零件的疲劳强度。但冷硬层过深或过硬则容易产生裂纹，反而会

6、降低疲劳强度。所以冷硬要适当。 表面层的内应力对疲劳强度的影响很大。 表面层残余的压应力能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹扩展，而残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹而降低疲劳强度。,8.1.2.3 对零件抗腐蚀性能的影响,零件表面粗糙度值越大，潮湿空气和腐蚀介质越容易堆积在零件表面四处而发生化学腐蚀，或在凸峰间产生电化学作用而引起电化学腐蚀，故抗腐蚀性能越差。 表面冷硬和金相组织变化都会产生内应力。零件在应力状态下工作时，会产生应力腐蚀，若有裂纹，则更增加了应力腐蚀的敏感性。因此表面内应力会降低零件的抗腐蚀性能。 8.1.2.4 对零件的其它影响 表面质量对零件的配合质量、密封性

7、能及摩擦系数都有很大的影响。 零件表面层状态对其使用性能也有如此大的影响 。,机械制造技术基础,机械加工质量分析与控制 Analysis and Control of Machining Quality,切削加工表面粗糙度影响因素,图4-60 车削时残留面积的高度,直线刃车刀（图4-60a）,（4-31）,圆弧刃车刀（图4-60b）,（4-32）,影响因素：,切削速度影响最大：v = 1050m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差（图5-53） 。,其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等,切削加工表面粗糙度影响因素,砂轮速度v，Ra 工件速度vw，Ra 砂轮纵向进给f，Ra

8、 磨削深度ap，Ra ,磨削加工表面粗糙度影响因素,光磨次数，Ra,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 ,磨削加工表面粗糙度影响因素,工件材料 冷却润滑液等,机械制造技术基础,机械加工质量分析与控制 Analysis and Control of Machining Quality,影响表面冷作硬化的因素,切削加工,f，冷硬程度(图4-64), 切削用量影响, 刀具影响,刀尖圆弧半径 r，冷硬程度 其他几何参数影响不明显 后刀面磨损影响显著（图4-65）, 工件材料,材料塑性，冷硬倾向,切

9、削速度影响复杂（力与热综合作用结果） 切削深度影响不大,磨削速度冷硬程度（弱化作用加强） 工件转速冷硬程度 纵向进给量影响复杂,磨削深度冷硬程度（图4-66）, 磨削用量, 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,影响表面冷作硬化的因素,影响层金属残余应力的因素,v残余应力（热应力起主导作用，图4-67）, 切削用量, 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,仅讨论切削加工,f残余应力（图4-68）,切削深度影响不显著,磨削烧伤与磨削裂纹,合理选择砂轮 合理选择磨削用

10、量 改善冷却条件,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,磨削烧伤,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,图4-69 带空气挡板冷却喷嘴,8.2 机械加工后的表面粗糙度,821 切削加工后的表面粗糙度 切削加工时表面粗糙度的形成，大致可归纳为三方面的原因：几何因素、物理因素和工艺系统的振动。,（1） 几何因素 形成粗糙度的几何因素是由刀具相对于工件作进给运动时在加工表面上遗留下来的切削层残留面积 ； （2） 物理因素 （3）切削用量、冷却润滑液

11、和刀具材料等因素的影响 。,（2） 物理因素,由图8.6可知，切削加工后表面的实际粗糙度与理论粗糙度有比较大的差别。 主要是与被加工材料的性能及切削机理有关的物理因素的影响。切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工件挤压与摩擦而产生塑性变形。韧性越好的材料塑性变形就越大，且容易出现积屑瘤与鳞刺，使粗糙度严重恶化。,图8.6 塑性材料加工后的表面实际 轮廓和理论轮廓 观看动画,8.2.2 磨削加工后的表面粗糙度,影响磨削后表面粗糙度的因素也可归纳为三方面： （1）与磨削过程和砂轮结构有关的几何因素，砂轮上磨粒的微刃形状和分布对于磨削后的表面粗糙度是有影响的。 （2）与磨削过程和被加工材料塑性变形有关

12、的物理因素，大多数磨粒只有滑擦、耕犁作用。磨削量是经过很多后继磨粒的多次挤压因疲劳而断裂、脱落，所以加工表面的塑性变形很大，表面粗糙度值就大。 （3）工艺系统的振动因素 为了降低表面粗糙度值，应考虑以下主要影响因素： 砂轮的粒度、砂轮的修整、砂轮速度、工件速度、径向进给量、轴向进给量。,8.3 机械加工后的表面层物理机械性能,8.3.1 机械加工后表面层的冷作硬化,8.3.1.1 冷作硬化产生的原因 （1）切削或磨削加工时，表面层金属由于塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格发生拉长、扭曲和破碎而得到强化。 冷作硬化的特点是：变形抵抗力提高（屈服点提高），塑性降低（相对延伸率降低）。 冷硬的指标通

13、常用冷硬层的深度h、表面层的显微硬度H以及硬化程度N来表示（图88），其中N=H/H0，H0为原来的显微硬度。,图8.8 切削加工后表面层的冷硬 观看动画,（2）表面层冷作硬化的程度的影响因素,表面层冷作硬化的程度决定于产生塑性变形的力、变形速度及变形时的温度。力越大，塑性变形越大，则硬化程度越大；速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度越小；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程度。切削加工时表面层的硬化可能有两种情况：完全强化和不完全强化 。 机械加工时表面层的冷作硬化就是强化作用和回复作用的综合结果。切削温度越高、高温持续时间越长、强化程度越大，则回复作用也就越强

14、。,8.3.1.2 影响冷作硬化的主要因素, 刀具 刀具的切削刃口圆角和后刀面的磨损量对于冷硬层有很大的影响，此两值增大时，冷硬层深度和硬度也随之增大。前角减少时，冷硬也增大。 被加工材料 被加工材料硬度愈低、塑性愈大，切削后的冷硬现象愈严重。, 切削用量,切削速度增大时，刀具与工件接触时间短，塑性变形程度减少，同时会使温度增高，有助于冷硬的回复，所以硬化层深度和硬度都有所减少。进给量增大时，切削力增大，塑性变形程度也增大，因此硬化现象增大。 但在进给量较小时，由于刀具的刀口圆角在加工表面单位长度上的挤压次数增多，因此硬化倾向也会增大。径向进给量增大时，冷硬层深度也有所增大，但其影响程度不显著

15、。,8.3.2 机械加工后表面层金相组织的变化,832l 金相组织变化的原因 (1) 磨削加工时: 切削力比其它加工方法大数十倍，切削速度也特别高,由于砂轮导热性差、切屑数量少，磨削过程中能量转化的热大部分都传给了工件。 磨削时，在很短的时间内磨削区温度可上升到4001000，甚至更高。这样大的加热速度，促使加工表面局部形成瞬时热聚集现象，有很高温升和很大的温度梯度，出现金相组织的变化，强度和硬度下降，产生残余应力，甚至引起裂纹，这就是磨削烧伤现象。,(2) 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以下三种： 回火烧伤 磨削区温度超过马氏体转变

16、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。 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人组织。 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，马氏体转变为奥氏作，因工件冷却缓慢测表层硬度急剧下降，这时工件表层被退火。,表面颜色与烧伤之间的关系： 黑 青 淡青 米黄 淡黄,8.3.2.2 影响磨削加工时金相组织变化的因素,影响磨削加工时金相组织变化的因素有工件材料、磨削温度、温度梯度及冷却速度等。

17、(1)工件材料 工件材料为低碳钢时不会发生相变。 高合金钢如轴承钢、高速钢、镍铬钢等传热性特别差，在冷却不充分时易出现磨削烧伤。 未淬火钢为扩散度低的珠光体，磨削时间短时不会发生金相组织的变化。 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8.9 磨削高碳钢淬火时表面硬度分布 观看动画,磨削温度、温度梯度、冷却速度等对金相组织变化的影响可以从图8.9得到说明。 图8.9所示，为高碳淬火钢在不同磨削条件下出现的表面层硬度分布情况 。,表面显微硬度,表面深度,8.3.3 机械加工后表面层的残余应力,8.3.3.1 残余应力产生的原因 !,在机械加工中，工件表面

18、层金属相对基体金属发生形状、体积的变化或金相组织变化时，工件表面层中将残留相互平衡的残余应力。 产生表面层残余应力的原因： （1）冷态塑性变形 机械加工时，表层金属产生强烈的塑性变形。沿切削速度方向表面产生拉伸变形，晶粒被拉长，金属密度会下降，即比容增大，而里层材料则阻碍这种变形，因而： 在表面层产生残余压应力，在里层则产生残余拉应力。,（2）热态塑性变形,机械加工时，切削或磨削热使工件表面局部温升过高，引起高温塑性变形 ,使得工件在冷却后从内到外分别产生拉应力、压应力、和拉应力。 （3）金相组织变化 切削时产生高温，由于不同的金相组织有不同的比容，表面层金相变化的结果将造成体积的变化。表面层体积膨胀时，因为受到基体的限制，产生了压应力。反之，表面层体积缩小时，则产生拉应力。 实际机械加工后的表面层残余应力及其分布，是上述三方面因素综合作用的结果，在一定条件下，其中某一或二种因素可能起主导作用。,8.3.3.2 磨削裂纹的产生 !,磨削加工中热态塑性变形和金相组织变化的影响较大，故大多数磨削零件的表面层往往有残余拉应力。 当残余拉应力超过材料的强度极限时，零件表面就会出现裂