1、1,任何機械加工所得到的零件表面實際上都不是完全理想的表面，實踐表明，機械零件的破壞一般總是從表面層開始的。這說明零件的表面質量是至關重要的它對產品的質量有很大影響。 研究加工表面質量的目的，就是要掌握機械加工的各種工藝因素對加工表面質量影響的規(guī)律，以便應用這些規(guī)律控制加工過程最終達到提高加工表面質量、提高產品使用性能的目的。,第四章 機械加工表面質量,2,4、1 加工表面質量對使用性能的影響,一、加工表面質量的概念,3,1、表面的幾何形狀誤差,表面粗糙度：加工表面的微觀幾何誤差，波長與波高比值小于50。 表面波度：加工表面不平度波長與波高比值在501000的幾何形狀誤差 紋理方向：表面刀紋的

2、方向 傷痕：加工表面?zhèn)€別位置出現的缺陷,4,2、表層金屬的力學物理性能和化學性能。,表面層金屬的冷作硬化 表面層的殘余應力 表面層金相組織的變化,5,二、表面質量對零件使用性能的影響,1表面質量對零件耐磨性的影響,（1）表面粗糙度對零件耐磨性的影響 表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如圖所示。,6,表面粗糙度太大，接觸表面的實際壓強增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、擠裂、切斷，故磨損加??； 表面粗糙度太小，也會導致磨損加劇。因為表面太光滑，存不住潤滑油，接觸面間不易形成油膜，容易造成干摩擦而加劇磨損。 表面粗糙度的最佳值與機器零件的工作情況有關，載荷加大時，磨損曲線向上、向右移動，最佳表面粗糙度值也隨

3、之右移。,7,（2）表面層的冷作硬化對零件耐磨性的影響,加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因為它使磨擦副表面層金屬的顯微硬度提高，塑性降低，減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和塑性變形。 并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。這是因為過分的冷作硬化，將引起金屬組織過度“疏松”，在相對運動中可能會產生金屬剝落，在接觸面間形成小顆粒，使零件加速磨損。,8,2表面質量對零件疲勞強度的影響,（1）表面粗糙度對零件疲勞強度的影響 表面粗糙度越大，抗疲勞破壞的能力越差。 對承受交變載荷零件的疲勞強度影響很大。在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應力集中，產生疲勞裂紋。 表面粗糙度值越小，表面

4、缺陷越少，工件耐疲勞性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的紋痕越深，紋底半徑越小，其抗疲勞破壞的能力越差。,9,（2）表面層冷作硬化與殘余應力對零件疲勞強度的影響 適度的表面層冷作硬化能提高零件的疲勞強度。 殘余應力有拉應力和壓應力之分，殘余拉應力容易使已加工表面產生裂紋并使其擴展而降低疲勞強度。 殘余壓應力則能夠部分地抵消工作載荷施加的拉應力，延緩疲勞裂紋的擴展，從而提高零件的疲勞強度。,10,（1）表面粗糙度對零件配合精度的影響 表面粗糙度較大，則降低了配合精度。 （2）表面殘余應力對零件工作精度的影響 表面層有較大的殘余應力，就會影響它們精度的穩(wěn)定性。,3.表面質量對零件工作精度的影響,1

5、1,4表面質量對零件耐腐蝕性能的影響,（1）表面粗糙度對零件耐腐蝕性能的影響 零件表面越粗糙，越容易積聚腐蝕性物質，凹谷越深，滲透與腐蝕作用越強烈。 因此減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能。 （2）表面殘余應力對零件耐腐蝕性能的影響 零件表面殘余壓應力使零件表面緊密，腐蝕性物質不易進入，可增強零件的耐腐蝕性，而表面殘余拉應力則降低零件耐腐蝕性。 表面質量對零件使用性能還有其它方面的影響：如減小表面粗糙度可提高零件的接觸剛度、密封性和測量精度；對滑動零件，可降低其摩擦系數，從而減少發(fā)熱和功率損失。,12,表面質量對零件使用性能的影響小結：,13,4、2 影響加工表面粗糙度的工藝因素及其

6、改善措施,一、切削加工表面粗糙度,切削加工后表面粗糙度的值主要取決于切削殘留面積的高度，影響殘留面積高度的因素有：刀尖圓弧半徑r，主偏角kr、副偏角kr，進給量f。如圖所示,1、刀尖的幾何因素的影響,14,.,圖: 理論表面粗糙度,15,.,如右上圖所示，由國家標準規(guī)定的表面粗糙度定義， 輪廓的算術平均偏差： 陰影部分面積 / 測量長度 同理，如右下圖所示，取測量長度為f的一段工件廓，則 理論表面粗糙度為： 陰影部分面積 / 測量長度=,16,.,而三角形底邊長度 即： 則 而工件外圓的輪廓的算術平均偏差（理論表面粗糙度）為：,重要結論：刀具的幾何形狀影響工件的表面粗糙度。生產中，一般應減小

7、f 和 來提高表面粗糙度。,17,直線刃車刀（a）,圓弧刃車刀（b）,切削殘留面積的高度：,18,2、物理因素的影響,（1）工件材料的影響,韌性材料： 工件材料韌性愈好，金屬塑性變形愈大，加工表面愈粗糙。 材料金相組織： 對同樣的材料，金相組織越粗大，加工表面粗糙度大，故對中碳鋼和低碳鋼材料的工件，為改善切削性能，減小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或調質處理。 脆性材料： 加工脆性材料時，其切削呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點，使表面粗糙。,19,（2）切削速度的影響,加工塑性材料時，切削速度對表面粗糙度的影響隨切削速度的變化而變化（對積屑瘤和鱗刺的影響） 積屑瘤和鱗

8、刺對表面粗糙度的影響較大。,鱗刺：工件表面上微小的魚鱗狀倒刺。,鱗刺的生成機理：在中低速切削塑性金屬材料且 較大時，刀屑之間由于冷焊而產生粘結現象，切屑在前刀面上流動時周期性地受阻而瞬時停留，切屑代替前刀面推擠切削層，造成已加工表面上出現拉應力而導裂，生成鱗刺。,20,加工塑性材料時切削速度對表面粗糙度的影響,切削速度越高，塑性變形越不充分，表面粗糙度值越?。?選擇低速寬刀精切和高速精切，可以得到較小的表面粗糙度。 切削速度對脆性材料的影響不大。,21,（3）進給量的影響,減小進給量 f 固然可以減小表面粗糙度值，但進給量過小，表面粗糙度會有增大的趨勢，效率降低。,（4）其它因素的影響,此外，

9、合理使用冷卻潤滑液，適當增大刀具的前角，提高刀具的刃磨質量等，均能有效地減小表面粗糙度值。,22,4、3 影響表面層力學物理性能的工藝因素及其改進措施,一. 加工表面層的冷作硬化,機械加工時，工件表面層金屬受到切削力的作用產生強烈的塑性變形，使晶格扭曲，晶粒間產生剪切滑移，晶粒被拉長、纖維化甚至碎化，從而使表面層的強度和硬度增加，這種現象稱為加工硬化，又稱冷作硬化和強化。,1、定義,23,2、影響表面冷作硬化的因素,以切削加工為例：, 切削用量影響,f切削力塑變冷硬,切削速度影響復雜：（力與熱綜合作用結果）,一方面：切削速度v塑變 冷硬 另一方面：切削熱作用時間短， 使冷硬程度有所增加 切削深

10、度影響不大,24, 工件材料,材料塑性，冷硬傾向, 刀具幾何形狀的影響,切削刃鈍圓半徑r，冷硬程度（其他幾 何參數影響不明顯） 刀具磨損影響顯著（力和熱互相作用）,25,二 表層金屬的金相組織的變化,1.表面層金相組織變化與磨削燒傷的產生,切削加工中，由于切削熱的作用，在工件的加工區(qū)及其鄰近區(qū)域產生了一定的溫升。產生磨削燒傷現象。 磨削燒傷： 磨削加工時，表面層有很高的溫度，當溫度達到相變臨界點時，表層金屬就發(fā)生金相組織變化，強度和硬度降低、產生殘余應力、甚至出現微觀裂紋。同時出現彩色氧化膜 這種現象稱為磨削燒傷。 淬火鋼在磨削時，由于磨削條件不同，產生的磨削燒傷有三種形式。,26,2. 磨削

11、燒傷的三種形式,淬火燒傷：,磨削時工件表面溫度超過相變臨界溫度（碳鋼為720）時，則馬氏體轉變?yōu)閵W氏體。在冷卻液作用下，工件最外層金屬會出現二次淬火馬氏體組織。其硬度比原來的回火馬氏體高，但很薄，其下為硬度較低的回火索氏體和屈氏體。由于二次淬火層極薄，表面層總的硬度是降低的，這種現象稱為淬火燒傷。,27,回火燒傷,磨削時，如果工件表面層溫度只是超過原來的回火溫度，則表層原來的回火馬氏體組織將產生回火現象而轉變?yōu)橛捕容^低的回火組織（索氏體或屈氏體），這種現象稱為回火燒傷,退火燒傷,磨削時，當工件表面層溫度超過相變臨界溫度時，則馬氏體轉變?yōu)閵W氏體。若此時無冷卻液，表層金屬空氣冷卻比較緩慢而形成退火

12、組織。硬度和強度均大幅度下降。這種現象稱為退火燒傷。,28,3.影響磨削燒傷的因素及改善途徑,1）砂輪與工件材料,（1)磨削時，砂輪表面上磨粒的切削刃口鋒利磨削力磨削區(qū)的溫度 （2)磨削導熱性差的材料(耐熱鋼、軸承鋼、不銹鋼)磨削燒傷 （3)應合理選擇砂輪的硬度、結合劑和組織磨削燒傷,29,2）磨削用量,（1）砂輪轉速 磨削燒傷 （2）徑向進給量ap 磨削燒傷 （3）軸向進給量fa磨削燒傷 （4）工件速度vw磨削燒傷,3）改善冷卻條件,采用內冷卻法磨削燒傷,內冷卻裝置 1錐形蓋 2通道孔 3中心孔 4有徑向小孔的薄壁套,30,三 、 表層金屬的殘余應力,機械加工中工件表面層組織發(fā)生變化時，在表

13、面層及其與基體材料的交界處會產生互相平衡的彈性力。這種應力即為表面層的殘余應力。,1、表面層金屬產生殘余應力的原因,工件表面受到擠壓與摩擦，表層產生伸長塑性變形，基體仍處于彈性變形狀態(tài)。切削后，表層產生殘余壓應力，而在里層產生殘余拉伸應力。,1） 冷態(tài)塑性變形,31,2）熱態(tài)塑性變形,表層產生殘余拉應力，里層產生產生殘余壓應力,切削熱在表層金屬產生殘余拉應力的示意圖,32,工件表面在切削熱的作用下，產生熱膨脹，此時基體溫度較低，因此表面層熱膨脹受基體的限制產生壓應力； 當表面層的熱膨脹程度超過材料的彈性變形范圍時，會產生熱塑性變形。當切削結束，表層溫度下降到與基體溫度一致時，因為表面層已產生熱

14、塑性變形而不能彈性恢復，表面層收縮時受彈性變形基體的限制產生了殘余拉應力，里層產生壓應力。,33,3） 表面層金相組織變化,磨削淬火鋼時，工件表層金屬溫度極高，表層金屬出現回火或退火，工件表層金屬的金相組織發(fā)生變化（馬氏體向奧氏體或回火馬氏體轉化），相變的金屬體積收縮，但受到未相變的內層金屬的牽制，故工件表面產生殘余拉應力。,34,2、由于刀具鈍圓刃切削時的金屬塑性變形所產生的殘余應力的機理。,如上右圖所示，具有鈍圓刃的刀具切削工件時，有一厚度為的薄層金屬無法被鈍圓刃切離工件而被強烈擠壓成為已加工表面。,35,機理：工件已加工表面的表層金屬受刀具鈍圓刃的強烈擠壓和摩擦， 產生嚴重塑性變形而不能彈性恢復，當內層金屬彈性恢復時受到表層金屬的牽制，故工件表層金屬產生產生殘余拉應力。,36,四、表面強化工藝,表面強化工藝是指通過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，并在表面層產生殘余壓應力的表面強化工藝。 常見的冷壓加工方法有：噴丸強化，滾壓加工等，,37,利用大量快速運動珠丸打擊工件表面, 使工件表面產生冷硬層和壓應力, 疲勞強度,1、噴丸強化,用于強化形狀復雜或不宜用其它方法強化的工件，例如板彈簧、螺旋彈簧、齒輪、焊縫等,珠丸可以是鑄鐵的，也可以是切成小段的鋼絲（使用一段時