1、1,第5章 機械加工表面質(zhì)量,2,5.1 概述,盡管零件的表面層很薄(0.050.15mm)，但其質(zhì)量對機器零件的使用性能有著極大的影響，許多零件的破壞都是由表面缺陷開始的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對零件的使用性能和可靠性提出了更高的要求，機械零件在極端條件下工作的幾率增加，尤其是工作在高溫、高壓、高速、高應(yīng)力條件下的機械零件，表面層的任何缺陷都會加速零件的失效，因此，必須重視機械加工表面質(zhì)量。,3,5.1.1 機械加工表面質(zhì)量的含義,零件的表面質(zhì)量是機械加工質(zhì)量的重要組成部分，它包括以下兩方面的內(nèi)容，即機械加工后零件表面層的微觀幾何結(jié)構(gòu)及表層金屬材料性質(zhì)發(fā)生變化的情況。,4,5.1.1.1加工表

2、面的幾何形狀特征,(1） 表面粗糙度。即表面的微觀不平度，是已加工表面的微觀幾何形狀誤差。 (2） 表面波度。它是介于形狀誤差L1/H11000和表面粗糙度(L3/H350)之間的周期性形狀誤差，主要是由加工過程中工藝系統(tǒng)低頻振動所引起的。,5,5.1.1.2加工表面層的物理力學(xué)性能,（1） 加工表面層因塑性變形產(chǎn)生的冷作硬化； （2） 加工表面層因切削熱或磨削熱引起的金相組織變化； （3） 加工表面層因力或熱的作用產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。,6,5.1.2 機械加工表面質(zhì)量對零件使用性能的影響,在機械零件的機械加工中，加工表面產(chǎn)生的表面微觀幾何形狀誤差和表面層物理、力學(xué)性能的變化，雖然只發(fā)生在很薄的表

3、面層，但長期的實踐證明它們都影響機器零件的使用性能，從而進一步影響機器產(chǎn)品的使用性能和使用壽命。,7,5.1.2.1表面質(zhì)量對零件耐磨性的影響,零件的耐磨性就是零件的工作表面抵抗磨損的能力，零件的磨損量越小，達(dá)到相同磨損量的時間越長，耐磨性越好。 零件的耐磨性不僅與摩擦副的材料和潤滑情況有關(guān)，而且與相互運動的兩個零件表面質(zhì)量有關(guān)。其中表面粗糙度對摩擦副的初期磨損影響很大，但也不是表面粗糙度值越小越耐磨。,8,5.1.2.2表面質(zhì)量對零件疲勞強度的影響,表面層殘留應(yīng)力對疲勞強度影響很大。如表面層產(chǎn)生的是殘留壓應(yīng)力，則能使疲勞裂紋產(chǎn)生聚合作用，阻止和延緩疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴大，提高耐疲勞性。若表面層

4、產(chǎn)生的是殘留拉應(yīng)力，則容易使零件在交變載荷的作用下產(chǎn)生裂紋，從而大大降低零件的耐疲勞強度。,9,5.1.2.3表面質(zhì)量對零件耐腐蝕性的影響,當(dāng)機器零件在潮濕的空氣中或在有腐蝕性的介質(zhì)中工作時，常常會產(chǎn)生與介質(zhì)直接接觸表面的化學(xué)腐蝕或電化學(xué)腐蝕。由于加工表面粗糙度的凹谷處容易積聚腐蝕性介質(zhì)，腐蝕性介質(zhì)與零件表面材料產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，叫做化學(xué)腐蝕。由于兩個不同金屬材料的零件表面相互接觸時，在表面粗糙度的頂峰間產(chǎn)生電化學(xué)作用而被腐蝕，叫做電化學(xué)腐蝕。,10,5.1.2.4表面質(zhì)量對零件之間配合性質(zhì)的影響,對于兩個相互配合的零件，不論是間隙配合、過渡配合、還是過盈配合，如果加工表面太粗糙，則必然要影響到

5、它們的實際配合性質(zhì)。對于間隙配合，如果表面粗糙，相對運動的表面初期磨損量大，致使間隙增大，降低配合精度；對于過盈配合，表面輪廓峰頂在裝配時易被擠平，實際有效過盈減小，致使連接強度降低，從而影響到配合性質(zhì)的穩(wěn)定性。,11,5.2 影響加工表面粗糙度的因素及其改善措施,5.2.1 切削加工中影響表面粗糙度的因 機械加工中，表面粗糙度的主要影響因素可歸納為三個方面：一是刀刃和工件相對運動軌跡所形成的殘留面積幾何因素；二是加工過程中在工件表面產(chǎn)生的塑性變形、積屑瘤、鱗刺和振動等物理因素；三是與加工工藝相關(guān)的工藝因素。,12,5.2.2 降低切削加工表面粗糙度的工藝措施,5.2.2.1選擇合理的切削用量

6、 (1）切削速度 。 (2）進給量f。 (3）切削深度 。,13,5.2.1.2選擇合理的刀具幾何參數(shù),（1) 增大刃傾角 對降低表面粗糙度有利。 （2）減小刀具的主偏角 和副偏角 及增大刀尖圓弧半徑 ，可減小切削殘留面積，使其表面粗糙度值減小。 （3）增大刀具的前角使刀具易于切入工件，塑性變形小，有利于減小表面粗糙度值。,14,5.2.1.3改善工件材料的性能,工件材料的韌性和塑性越大，切削加工后表面粗糙度的值越大，例如低碳鋼加工后比中碳鋼表面粗糙度值大。采用熱處理工藝改善工件材料的性能，降低其韌性和塑性，是減小其表面粗糙度值的有效措施。例如，鐵素體韌性好，通過熱處理將鐵素體轉(zhuǎn)化為馬氏體，就

7、可以降低加工后的表面粗糙度。,15,5.2.1.4選擇合適的切削液,切削液的冷卻和潤滑作用對減小加工表面的粗糙度值有利，其中更直接的是潤滑作用。當(dāng)切削液中含有表面活性物質(zhì)如硫、氯等化合物時，潤滑性能增強，能使切削去金屬材料的塑性變形程度下降，從而減小了加工表面的粗糙度值。,16,5.2.1.5選擇合適的刀具材料,不同的刀具材料，由于化學(xué)成分的不同，在加工時刀面硬度及刀面粗糙度的保持性，刀具材料與被加工材料金屬分子的親合程度，以及刀具前后刀面與切削和加工表面間的摩擦因數(shù)等均有所不同。,17,5.2.1.6防止或減小工藝系統(tǒng)振動,工藝系統(tǒng)的低頻振動，一般在工件的加工表面上產(chǎn)生表面波紋，而工藝系統(tǒng)的

8、高頻振動將對加工的表面粗糙度值產(chǎn)生影響。為降低加工的表面粗糙度，則必須采取相應(yīng)措施以防止加工過程中高頻振動的產(chǎn)生。,18,5.2.3 磨削加工后的表面粗糙度,5.2.3.1磨削時表面粗糙度的形成 (1）幾何因素 磨削加工是由砂輪上不規(guī)則分布的、幾何角度不同、切削效果不同的大量磨粒進行的，磨削過程要比金屬刀具切削過程復(fù)雜，有自身的特點。 (2）物理因素 引起磨削表面粗糙度的物理因素即表面層金屬的塑性變形。在磨削加工中，由于磨粒不規(guī)則，磨粒上的切削刃有較大的負(fù)前角和較大的刃口圓弧半徑，磨刃很不鋒利，磨削速度很高，磨削比壓大，磨削溫度高，使工件表面產(chǎn)生較大的塑性變形，增大了表面粗糙度值。,19,5.

9、2.3.2影響磨削表面粗糙度的因素及其控制措施,(1）砂輪粒度的影響 (2）砂輪硬度的影響 (3） 砂輪修整質(zhì)量的影響 (4）磨削用量的影響,20,5.2.4 光整加工對表面粗糙度的影響,研磨、珩磨、拋光等方法都是用磨料進行精密加工的方法，關(guān)系到零件的最終表面質(zhì)量。這些方法通常只降低表面粗糙度，提高尺寸精度，因為加工時工具通常由加工表面本身導(dǎo)向，與零件的定位基準(zhǔn)無關(guān)，所以一般不能提高加工表面的形狀和位置精度，稱為光整加工。,21,5.2.4.1研磨,研磨是一種最常用的光整加工和精密加工方法。在采用精密的定型研磨工具的情況下，可以達(dá)到很高的尺寸精度和形狀精度，表面粗糙度可達(dá)Rz0.04Rz0.4

10、，多用于精密零件、精密量塊和精密量規(guī)等的最終加工。,22,5.2.4.2珩磨,珩磨加工也是常用的光整加工中的一種工藝方法，它不僅可以降低加工表面的粗糙度，而且在一定的條件下還可以提高工件的尺寸及形狀精度。在珩磨加工過程的開始時，珩磨頭或珩磨輪與工件接觸面積小，單位面積壓力大，而且珩磨頭或珩磨輪上的磨粒有自勵性，因此切削作用強烈。然而，隨著工件加工表面上的凸峰被逐漸磨平、壓強逐漸下降，磨粒的切削作用也逐漸趨于停止。珩磨加工主要用于內(nèi)孔表面，也可以對外圓或齒形表面進行加工。珩磨加工后的表面粗糙度一般為Rz0.4Rz3.2，在一定條件下還可達(dá)到Rz0.1以下。,23,5.2.4.3拋光,機械拋光所用

11、的研具常用帆布、毛氈等做成，它們可對平面、外圓、溝槽進行拋光。 液體拋光是將含有磨料的磨削液經(jīng)噴嘴用68個大氣壓高速噴向已加工表面。,24,5.3 影響加工表面層物理力學(xué)性能的因素及改善措施,5.3.1 表面層的冷作硬化 5.3.1.1冷作硬化的產(chǎn)生及評定指標(biāo) 評定冷作硬化的程度用以下三項指標(biāo)： （1）表面層金屬的顯微硬度HV; （2）硬化層深度h(m)； （3）硬化程度N。,25,5.3.1.2影響切削加工表面冷作硬化的因素,(1）刀具幾何形狀的影響 刀具的刃口圓角和后刀面的磨損量增大，塑性變形增大，冷硬層深度和硬化程度也隨之增大。 (2）切削用量的影響 在切削用量中，進給量和切削速度對冷作

12、硬化的影響最大。切削時進給量增大，切削力增大，則塑性變形程度增大，硬化程度增大。 (3）加工材料的影響 被加工材料的硬度低、塑性好，則切削時塑性變形越大，冷硬現(xiàn)象就越嚴(yán)重。,26,5.3.1.3影響磨削加工表面冷作硬化的因素,(1）加工材料的影響 分析加工材料性能對磨削表面冷作硬化的影響，應(yīng)從材料的塑性和導(dǎo)熱性兩個方面進行。塑性好的材料，磨削時塑性變形大，表面冷作硬化趨勢大；導(dǎo)熱好的材料，熱量不容易集中在工件表面，工件表面軟化趨勢小。 (2）磨削用量的影響 磨削時加大磨削深度，都會使磨削力增大，從而使塑性變形加劇，表面冷硬趨向增大。 (3）砂輪粒度的影響 砂輪的粒度越大，每顆磨粒的載荷越小，冷

13、硬程度越小。,27,5.3.2 表面層的殘余應(yīng)力,5.3.2.1表面層殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因 外部載荷去除后，工件表面層及其與基體材料的交界處仍殘存的互相平衡的應(yīng)力稱為表面層殘余應(yīng)力。表面層殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，有以下三種原因。 （1） 冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力 （2）熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng) （3） 金相組織變化引起的殘余應(yīng)力,28,5.3.2.2影響表面層殘余應(yīng)力及磨削裂紋的因素,由前述可知，機械加工后表面層的殘余應(yīng)力，是由冷態(tài)塑性變形、熱態(tài)塑性變形和金相組織變化這三方面原因引起的綜合結(jié)果。在一定條件下，其中某一種或兩種原因可能起主導(dǎo)作用。磨削時起主導(dǎo)作用的是“熱”。,29,5.3.3 表面層金相

14、組織變化與磨削燒傷,5.3.3.1表面層金相組織變化與磨削燒傷原因 機械加工過程中，在工件的加工區(qū)及其鄰近的區(qū)域，溫度會急劇升高，當(dāng)溫度超過工件材料金相組織變化的臨界點時，就會發(fā)生金相組織變化。對于一般切削加工而言，溫度還不會上升到如此程度。但對于磨削加工來說，由于單位面積上產(chǎn)生的切削熱比一般的切削方法要高幾十倍，易使工件表面層的金相組織發(fā)生變化，從而使表面層的硬度和強度下降，產(chǎn)生殘余應(yīng)力甚至引起顯微裂紋。這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷，它嚴(yán)重地影響了零件的使用性能。,30,5.3.3.2影響磨削燒傷的因素及其改善措施,磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷可有兩個途徑：一是盡可能減少磨削熱的產(chǎn)生，

15、二是改善冷卻條件，盡量使產(chǎn)生的熱量少傳入工件。,31,5.3.4 提高和改善零件表面層的物理力學(xué)性能的措施,5.3.4.1零件破壞形式和最終工序的選擇 零件表面層金屬的殘余應(yīng)力將直接影響機器的使用性能。一般來說，零件表面殘余應(yīng)力的數(shù)值及性質(zhì)主要取決于零件最終工序加工方法的選擇；而零件最終工序加工方法的選擇，需考慮零件的具體工作條件及零件可能產(chǎn)生的破壞形式。,32,5.3.4.2表面強化工藝,表面強化工藝包括機械強化、化學(xué)熱處理和電鍍等方法。這里重點介紹機械強化工藝。機械強化工藝采用冷壓加工方法使表面層金屬發(fā)生冷態(tài)塑性變形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。這種方法的工

16、藝簡單、成本低廉，在生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。用得最多的是噴丸強化和滾壓加工，也有采用液體磨料強化等加工方法。,33,5.4 機械加工中的振動及控制措施,5.4.1 振動對機械加工過程的影響 振動按其產(chǎn)生的原因分為三種：自由振動、受迫振動和自激振動。據(jù)統(tǒng)計，受迫振動約占30%，自激振動約占65%，自由振動所占比重則很小。自由振動往往是由于切削力的突然變化或其他外界力的沖擊等原因所引起的。這種振動一般可以迅速衰減，因此對機械加工過程的影響較小。而受迫振動和自激振動都是不能自然衰減而且危害較大的振動。,34,5.4.2 機械加工中的受迫振動,5.4.2.1受迫振動產(chǎn)生的原因 機械加工中的受迫振動，是一種

17、有工藝系統(tǒng)內(nèi)部或外部周期交變的激振力（即振源）作用下引起的震動。機械加工中引起工藝系統(tǒng)受迫振動的激振力，主要來自以下幾個方面。 （1）機床上高速回轉(zhuǎn)零件的不平衡。 （2）機床傳動系統(tǒng)中的誤差。 （3）切削過程本身的不均勻性。 （4）外部振源。,35,5.4.2.2減少受迫振動的途徑,受迫振動是由于外界周期性干擾力引起的，因此為了消除受迫振動，應(yīng)先找出振源，、然后采取適應(yīng)的措施加以控制。 （1）減小或消除振源的激振力。 （2）避免激振力的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近，以防止共振。 （3）采用隔振措施。,36,5.4.3 機械加工中的自激振動,當(dāng)系統(tǒng)受到外界或本身某些偶然瞬時的干擾力作用而觸發(fā)自由振動時，由振動過程本身的某種原因使得切削力產(chǎn)生周期性的變化，并有這個周期性變化的動態(tài)力反過來加強和維持振動，使振動系統(tǒng)補充由阻尼作用所消耗的能量，這種類型的振動稱為自激振動。切削過程中產(chǎn)生的自激振動是頻率較高的強烈振動，通常又稱為顫振。,37,5.4.3.1自激振動的特點,（1）自激振動是一種不衰減振動。振動過程本身能引起周期