第六章機械加工表面質量

第6章機械加工表面質量本章要點振動對表面質量的影響及其控制

機械加工表面質量的概念

控制加工表面質量的途徑

表面粗糙度及其影響因素

機械加工后表面物理機械性能的變化1機械制造技術基礎

第6章機械加工表面質量QualitiesofMachinedSurface6.1

概述IntroductiontotheQualitiesof

MachinedSurface26.1概述

尺寸精度形狀精度位置精度表面粗糙度波度紋理方向傷痕（劃痕、裂紋、砂眼等）加工精度表面質量表面幾何形狀精度表面缺陷層表層加工硬化表層金相組織變化表層殘余應力加工質量圖6-1-0加工質量包含的內容36.1概述

6.1機械加工表面質量的含義

機械加工表面質量：是指經(jīng)過機械加工后，在零件以加工表面深度為幾微米至幾百微米的表面層產(chǎn)生的物理機械性能的變化以及表面層的微觀幾何形狀誤差，即機械加工表面質量主要包括表面層微觀幾何形狀和表面層物理機械性能。1、表面層幾何形狀誤差主要包括表面粗糙度和波度兩部分。表面粗糙度是指表面的微觀幾何形狀誤差，是切削運動后刀刃在被加工表面形成的峰谷不平的痕跡。波度是指介于宏觀幾何形狀誤差和表面粗糙度之間的周期性幾何形狀誤差，由加工過程中工藝系統(tǒng)的振動引起。46.1概述

2、表面層物理機械性能（1）表面層硬化在機械加工過程中，工件表面層金屬會產(chǎn)生強烈的塑性變形，使表面層的硬度的提高。這種現(xiàn)象稱為表面冷作硬化。（2）表面層殘余應力在加工過程中，由于切削變形和切削熱的影響，加工表面層會產(chǎn)生殘余應力。（3）表面層金相組織變化主要包括晶粒大小和形狀、析出物和再結晶等的變化。（4）表面層內其他物理機械性能的變化包括極限強度、疲勞強度、導熱性等的變化。56.1概述----表面質量對零件使用性能的影響

6.1.2表面質量對使用性能的影響Ra（μm）初始磨損量重載荷輕載荷圖6-1表面粗糙度與初始磨損量1、耐磨性1）表面粗糙度對初期磨損量的影響在一定條件下，摩擦副表面會有一個最佳粗糙度，表面粗糙度過大或過小都會使起始磨損量增大。66.1概述----表面質量對零件使用性能的影響

2、表面粗糙度紋路對耐磨性影響表面冷作硬化提高了表面層的硬度，有利于提高耐磨性。但過度的冷作硬化會使表面產(chǎn)生疲勞裂紋和剝落，反而降低耐磨性。輕載條件下，摩擦副兩個表面紋路方向與相對運動方向一致時磨損量最小。重載條件下，由于壓強、分子親和力和儲存潤滑油等因素的變化，摩擦副兩個表面的紋路方向相垂直，且運動方向與下表面紋路方向平行時最小。3、表面層物理機械性能對耐磨性影響76.1概述----表面質量對零件使用性能的影響

2、耐疲勞性在交變載荷作用下，零件的應力集中區(qū)容易產(chǎn)生疲勞裂紋，導致疲勞損壞。（1）表面粗糙度過大會大大降低零件的耐疲勞強度；（2）表面層殘余應力對疲勞強度的影響極大。表面拉應力會導致耐疲勞強度的顯著下降，產(chǎn)生疲勞裂紋，表面壓應力可提高零件的耐疲勞強度。（3）適度的冷作硬化使表面層金屬得到強化，可以減小由交變載荷引起的交變變形的幅值，阻礙疲勞裂紋的擴展，提高零件的耐疲勞強度。86.1概述----表面質量對零件使用性能的影響

3、耐腐蝕性（1）在粗糙表面的凹谷處容易積聚腐蝕性介質而發(fā)生化學腐蝕；在粗糙表面的凸峰容易產(chǎn)生電化學作用而引起電化學腐蝕。（2）零件在應力狀態(tài)下工作時，會產(chǎn)生應力腐蝕，加速腐蝕作用。4、配合質量對于間隙配合表面，如果表面粗糙度過大，起始磨損就比較嚴重，會導致配合間隙增大，配合精度降低。對于過盈配合表面，裝配時表面粗糙度較大部分的凸峰會被擠平，使實際的配合過盈減少，降低配合表面的結合強度。9機械制造技術基礎

第6章機械加工表面質量6.2

影響加工表面粗糙度的工藝因素TechnologicalFactorsInfluencingRoughness106.2.1切削加工表面粗糙度影響因素

圖6-5車削時殘留面積的高度直線刃車刀（圖6-5a）圓弧刃車刀（圖6-5b）影響因素：fκrRmaxvfⅠⅡrεb）RmaxⅠⅡfa）vf切削殘留面積11切削速度影響最大：vc=10～50m/min范圍，易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，表面粗糙度最差（圖6-6-0）。其他影響因素：刀具幾何角度、刃磨質量，切削液等圖6-6-0切削45鋼時切削速度與粗糙度關系100120vc（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（μm）481216202428收縮系數(shù)Ks1.52.02.53.0積屑瘤高度

h（μm）

0200400600hKsRz6.2.1切削加工表面粗糙度影響因素

切削表面塑性變形和積屑瘤12所謂鱗刺是指已加工表面出現(xiàn)的鱗片狀毛刺。在較低的切削速度下，用高速鋼、硬質合金或陶瓷刀具切削一些塑性金屬時，都有可能出現(xiàn)鱗刺，對表面粗糙度有嚴重影響。6.2.1切削加工表面粗糙度影響因素

13降低表面粗糙度的主要措施是減少加工時塑性變形，避免產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺。主要影響因素有切削速度、被加工材料的性質、刀具幾何形狀等。（1）切削速度的影響根據(jù)實驗知道，切削速度越高，切削過程中切屑和加工表面的塑性變形程度越小，表面粗糙度越小。積屑瘤和鱗刺都是在速度不高的切削速度范圍內產(chǎn)生，采用較高的切削速度有利于防止積屑瘤和鱗刺的產(chǎn)生。（2）被加工材料性質的影響韌性越大的塑性材料，加工后表面粗糙度越差；脆性材料加工后表面粗糙度比較接近理想表面粗糙度。晶粒組織越粗大，加工后表面粗糙度越大。常在切削加工前對材料進行調質處理，以得到均勻細密的晶粒組織和適當?shù)挠捕取?.2.1切削加工表面粗糙度影響因素

14（3）刀具幾何形狀、材料、刃磨質量的影響刀具前角增大，塑性變形程度減小，表面粗糙度降低。前角為負值時，塑性變形增大，表面粗糙度增大。后角過小會增大摩擦，影響加工表面粗糙度。刀具材料與刃磨質量對積屑瘤、鱗刺等現(xiàn)象影響很大。6.2.1切削加工表面粗糙度影響因素

156.2.2磨削加工后的表面粗糙度（1）砂輪粒度砂輪粒度越細，即砂輪單位面積上的磨粒數(shù)越多，在工件上刻痕越密而細，表面粗糙度越低。（2）砂輪修整修整導程和切深越小，修出的砂輪越光滑，磨削刃的等高性越好，磨出的工件表面粗糙度越好。（3）砂輪速度提高砂輪速度，可以增加工件單位面積上的刻痕，降低因塑性變形而造成的隆起，顯著降低表面粗糙度。（4）磨削切深與工件速度增大磨削切深和工件速度會增加塑性變形的程度，從而增大表面粗糙度。6.2.1切削加工表面粗糙度影響因素

16機械制造技術基礎

第6章機械加工表面質量6.3

機械加工后表面物理機械性能的變化PhysicalandMechanicalPropertiesofMachinedSurfaceLayer17加工過程中，由于受到切削力、切削熱的作用，工件表面層的物理機械性能會產(chǎn)生很大的變化。最主要的變化是表面層的金相組織變化、顯微硬度變化和表面層中的殘余應力。已加工表面顯微硬度的變化是加工塑性變形引起的冷作硬化和切削熱產(chǎn)生的金相組織變化引起的硬度變化綜合作用的效果。表面層殘余應力的產(chǎn)生是塑性變形引起的殘余應力、切削熱產(chǎn)生的熱塑性變形和金相組織變化引起的殘余應力綜合作用的效果。186.3.1加工表面的冷作硬化已加工表面顯微硬度的變化是加工塑性變形引起的冷作硬化和切削熱產(chǎn)生的金相組織變化引起的硬度變化綜合作用的效果。表面層的硬化程度主要用冷硬層深度h、表面層顯微硬度H及硬化程度N表示。硬化程度的概念如下所示：19影響冷作硬化的主要因素有：（1）刀具的影響刀具刃口圓角和刀具后刀面的磨損量對于冷硬層有很大的影響。刃口圓角和后刀面磨損量增大時，冷硬層深度和硬度增大。（2）切削用量的影響切削速度增大，硬化層深度和硬度有所減小。這一方面是由于切削速度增大使溫度升高，有助于冷硬的回復；另一方面是由于切削速度增大，刀具與工件接觸時間縮短，塑性變形程度減小。進給量f增大時，切削力增大，塑性變形增大，因此硬化現(xiàn)象增大。（3）被加工材料的影響材料硬度越小，塑性越大，切削后的冷硬現(xiàn)象越嚴重。206.3.2加工表面金相組織變化——磨削燒傷磨削時，工件表面常會因磨削溫度超過了相變臨界溫度而產(chǎn)生金相組織變化，表面層的顯微硬度會發(fā)生變化。影響金相組織變化程度的因素有：工件材料、磨削溫度、溫度梯度及冷卻速度等。6.3.3加工表面層的殘余應力切削過程中，當表面層組織發(fā)生形狀變化和組織變化時，在表面層和里層會產(chǎn)生相互平衡的彈性應力，稱為表面殘余應力。211）冷塑性變化的影響在切削力作用下，已加工表面產(chǎn)生強烈塑性變形，表面層金屬體積發(fā)生變化，此時里層金屬受到切削力的影響，處于彈性變形狀態(tài)。切削力去除后，里層金屬彈性變形趨向復原，但由于受到已發(fā)生塑性變形的表面層的限制，不能回復到原狀，因而在表面層產(chǎn)生殘余應力。一般來說，切削時表面層受刀具后刀面的擠壓和摩擦的影響較大，使表面層產(chǎn)生伸長塑性變形，但因受到里層限制而產(chǎn)生殘余壓應力，里層則產(chǎn)生與之平衡的殘余拉應力。2）熱塑性變形的影響表面層在切削熱作用下產(chǎn)生熱膨脹，而此時基體溫度較低，因此表面層因熱膨脹受基體限制而產(chǎn)生熱壓縮應力。當表面層溫升引起的變形超過材料的彈性變形極限時，會產(chǎn)生熱塑性變形。切削過程結束后，表面層溫度下降到與受到基體一致時，因為表面層已產(chǎn)生熱塑性變形，但受到基體的限制而產(chǎn)生殘余拉應力，里層則產(chǎn)生殘余壓應力。223）金相組織變化的影響切削時產(chǎn)生的高溫會引起表面層金屬發(fā)生相變。由于不同的金相組織有不同的密度，因而表面層金相組織有不同的密度，因而表面層金相組織的變化結果會引起體積的變化。表面層金屬的體積膨脹時，因受到基體的限制而產(chǎn)生殘余壓應力。反之，表面層金屬體積縮小時，則產(chǎn)生殘余拉應力。2、磨削裂紋及避免產(chǎn)生裂紋的措施若殘余應力超過材料的強度極限，零件表面就會產(chǎn)生裂紋。避免產(chǎn)生磨削裂紋的途徑在于降低磨削熱與改善散熱條件。在磨削前進行去除應力工序能有效防止磨削裂紋。23殘余拉應力、磨削裂紋、燒傷等均因于磨削熱，如何降低磨削熱并減少其影響是生產(chǎn)中的一個重要問題，主要措施有：1）提高冷卻效果（1）采用高壓大流量冷卻。不僅能增強冷卻效果，還可對砂輪表面進行沖洗，使其空隙不易被磨屑堵塞。（2）加裝空氣擋板，使冷卻液能順利噴注到磨削區(qū)。（3）采用內冷卻方式。砂輪是多孔隙能滲水的，冷卻液引入至砂輪中心孔后靠離心力作用甩出，使冷卻液可以直接冷卻磨削區(qū)，起到有效的冷卻效果。246.3.2磨削燒傷與磨削裂紋

圖6-16帶空氣擋板冷卻噴嘴252）磨削用量的選擇提高工件速度和減少磨削深度是有效減小殘余拉應力和消除磨削燒傷、磨削裂紋等缺陷。3）改善砂輪的磨削性能一般選用砂輪應使其在磨削過程中具有自銳能力，使磨粒不致磨損出現(xiàn)小平面，也不致產(chǎn)生粘屑堵塞現(xiàn)象。不同的磨粒在磨削不同工件材料時，各有一定的使用范圍。增大砂輪表面磨粒分布間距，可以改善散熱條件，而且工件受熱時間縮短使金相轉變來不急進行，因此能夠在很大程度上減少工件表面的熱損傷。266.4控制加工表面質量的途徑加工過程中影響表面質量的因素很多，為了獲得所要求的加工表面質量，必須對加工方法和加工參數(shù)進行控制。6.4.1控制磨削參數(shù)生產(chǎn)中比較可行的方法是通過實驗來確定磨削用量。分析磨削用量、磨削熱、磨削力與表面質量之間的相互關系，并用圖表法表示各種參數(shù)的最優(yōu)組合。采用智能磨削專家系統(tǒng)進行磨削參數(shù)的優(yōu)化組合。276.4控制加工表面質量的途徑6.4.2采用超精加工、珩磨等光整加工方法作為最終加工工序超精加工和珩磨是以一定的壓力將磨條壓在工件加工表面，并作相對運動以降低工件表面粗糙度和提高工件加工精度的工藝方法，一般用于表面粗糙度小于0.1um的表面加工。由于切削速度低、磨削壓強小，所以加工時產(chǎn)生的熱量很少，不會產(chǎn)生熱損傷，并在加工表面形成殘余壓應力。286.4控制加工表面質量的途徑6.4.3采用噴丸、滾壓等表面強化工藝對于承受高應力、交變載荷的零件，可以采用噴丸、滾壓等表面強化工藝使表面層產(chǎn)生殘余壓應力和冷作硬化，并降低表面粗糙度，消除磨削等工序產(chǎn)生的殘余拉應力，從而大大提高耐疲勞強度和抵抗應力腐蝕性能。但采用表面強化工藝應注意不要造成過度硬化，過度硬化會使表面層出現(xiàn)顯微裂紋和剝落。296.4控制加工表面質量的途徑利用淬硬和精細研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)擠壓金屬表面，將凸起部分下壓下，凹下部分上凸，修正工件表面的微觀幾何形狀，形成壓縮殘余應力，提高耐疲勞強度（圖6-19-0）利用大量快速運動珠丸打擊工件表面,使工件表面產(chǎn)生冷硬層和壓應力,↑疲勞強度（圖6-18-0）噴丸強化圖6-19-0滾壓加工原理圖滾壓加工圖6-18-0珠丸擠壓引起殘余應力

壓縮拉伸塑性變形區(qū)域30機械制造技術基礎

第6章機械加工表面質量6.5振動對表面質量的影響及其控制VibrationsinMachiningProcess316.5.1機械加工過程中的振動概述

機械加工過程中振動的危害影響加工表面粗糙度影響生產(chǎn)效率加工過程中產(chǎn)生振動，會限制切削用量的進一步提高，嚴重時使切削不能繼續(xù)進行。影響刀具耐用度。加速刀具磨損，易引起崩刃影響機床、夾具的使用壽命。切削過程中產(chǎn)生的振動會導致機床、夾具等零件連接部分松動，間隙增大，剛度和精度降低。產(chǎn)生噪聲污染，危害操作者健康機械加工過程中振動的類型自由振動強迫振動自激振動326.5.1機械加工過程中的振動概述

工藝系統(tǒng)受到初始干擾力而破壞了其平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)僅靠彈性恢復力來維持的振動稱為自由振動。

由于系統(tǒng)中總存在由阻尼，自由振動將逐漸衰弱，對加工影響不大。自由振動336.5.2機械加工過程中強迫振動1、強迫振動產(chǎn)生原因可從機床、刀具、工件三方面進行分析。機床某些零件的制造精度不高，使機床產(chǎn)生不均勻運動引起振動。機床外的振源通過地基把振動傳給機床等。刀具方面：多刃、多齒刀具（銑刀）切削時，由于刃口高度的誤差，容易產(chǎn)生振動；斷續(xù)切削刀具，切削時也很容易產(chǎn)生振動。工件方面：表面上有斷續(xù)表面或表面余量不均、硬度不均時，都會在加工過程中產(chǎn)生振動。強迫振動使指由外界周期性的干擾力支持的不衰減振動。由外界周期性的干擾力（激振力）作用引起346.5.2機械加工過程中強迫振動

頻率特征：與干擾力的頻率相同，或是干擾力頻率整倍數(shù)

幅值特征：與干擾力幅值、工藝系統(tǒng)動態(tài)特性有關。當干擾力頻率接近或等于工藝系統(tǒng)某一固有頻率時，產(chǎn)生共振

相角特征：強迫振動位移的變化在相位上滯后干擾力一個φ角，其值與系統(tǒng)的動態(tài)特性及干擾力頻率有關。強迫振動的特征消除強迫振動的途徑（1）消振與隔振（2）消除回轉零件的不平衡（3）提高傳動件的制造精度（4）提高工藝系統(tǒng)剛度（5）增大工藝系統(tǒng)的阻尼（6）調整振源的頻率356.5.3機械加工過程中自激振動自激振動的概念在沒有周期性外力作用下，由振動過程本身引起的某種切削力的周期性變化，周期性變化的切削力又反過來加強和維持振動，使振動系