1、第三章 機械加工表面質量,主講人：,第三章 機械加工表面質量 第一節(jié) 概述 零件的機械加工質量不僅指加工精度，而且包括加工表面質量。 表面質量是指零件加工后的表面層狀態(tài) 表面質量影響零件的工作性能、可靠性、壽命 機械加工后的零件表面實際上不是理想的光滑表面，它存在著不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂紋等表面缺陷。雖然只有極薄的一層（幾微米幾十微米），但都錯綜復雜地影響著機械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蝕性和疲勞強度等，從而影響產品的使用性能和壽命，因此必須加以足夠的重視。,一、機械加工表面質量的含義,第一節(jié) 概述,1.表面粗糙度： 表面的微觀幾何形狀誤差。波距之間的微小表面波紋，由刀具的形狀

2、及振動和塑變引起。評定的參數有輪廓的算術平均偏差Ra和輪廓微觀不平度十點平均高度Rz。,2.表面波度： 波距在之間的表面波紋，由低頻振動引起的周期性形狀誤差。,（一）表面層的幾何形狀特征,第一節(jié) 概述,第一節(jié) 概述,（二）表面層物理機械性能 物理力學性能主要指的是下面三方面： 表面層加工硬化（冷作硬化) 機加工時，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，這種現象稱加工硬化，又稱冷作硬化。 表面層金相組織的變化 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。磨削加工時，

3、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、產生內應力、甚至出現微觀裂紋。這種現象稱為磨削燒傷。 表面層殘余應力,第一節(jié) 概述,表面粗糙度太大和太小都不耐磨。 粗糙度太大，接觸面的實際壓強增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、擠裂、切斷，故磨損加?。?粗糙度太小，也導致磨損加劇。因表面太光滑，存不住潤滑油，接觸面間不易形成油膜，容易發(fā)生分子粘結而加劇磨損。 就零件的耐磨性而言：表面粗糙度Ra的值在0.80.2um之間。表面粗糙度Ra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之右移。,二.表面質量對零件使用性能的

4、影響 1.表面質量對零件耐磨性的影響,第一節(jié) 概述,第一節(jié) 概述,表面質量對零件疲勞強度的影響 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，表面缺陷越少，工件耐疲勞性越好；反之，越差。 適度的表面層冷作硬化能阻礙表面層疲勞裂紋的出現，從而提高疲勞強度。但冷硬程度過大，表層金屬變脆，反而易產生裂紋。 表面層殘余應力 表面層殘余壓應力能延緩疲勞裂紋的擴展，從而提高零件的疲勞強度。表面層殘余拉應力易使已加工表面產生裂紋并使其擴展而降低疲勞強度. 3.零件表面質量對零件耐腐蝕性能的影響 零件耐腐蝕性能很大程度上取決于零件的表面質量。表面越粗糙，凹谷越深，越易

5、積聚腐蝕性物質，滲透與腐蝕作用越強烈而產生腐蝕。 零件表面層的殘余壓應力使零件表面緊密，腐蝕性物質不易進入，可增強耐腐蝕性;而表面殘余拉應力則降低零件耐腐蝕性。,第一節(jié) 概述,4.零件表面質量對配合性質及其它性能的影響 在間隙配合中，表面粗糙度使配合件表面的凸峰被擠平而增大了配合間隙，降低配合精度；過盈配合中，使配合件之間的有效過盈量減小甚至消失，影響配合的可靠性。 過盈配合中，表面過于硬化，可造成表層金屬與內部金屬脫離，影響配合性質和精度； 表面殘余應力過大，引起零件變形，改變零件幾何尺寸，影響配合精度和性質。 5.表面質量對其他性能影響 減小表面粗糙度可以提高密封性能，提高工件的接觸剛度，

6、降低運動零件的摩擦系數，從而減少發(fā)熱和功率損耗，減少設備的噪聲。,第一節(jié) 概述,第二節(jié) 影響機械加工表面粗糙度的因素,影響機械加工表面質量的主要因素大致可歸納為幾何因素、物理因素和加工中工藝系統(tǒng)的振動等。 一.影響機械加工表面粗糙度的幾何因素 切削加工中，刀具相對于工件作進給運動時，在被加工表面上殘留的面積越大所獲得的表面越粗糙。 用單刃刀切削工件時，殘留面積與下列因素有關：,幾何因素,進給量f 刀尖圓弧半徑r0 主偏角kr、副偏角kr,第二節(jié) 影響機械加工表面粗糙度的因素,b,由上面公式可知：減小進給量f，減小主、副偏角，增大刀尖圓角半徑，都能減小殘留面積的高度H，也就減小了零件的表面粗糙度

7、。 進給量f對表面粗糙度影響較大，當f值較低時，雖有利于表面粗糙度的減小，但生產率也成比例地降低，切過小的進給量將造成薄層切削，易引起振動使表面粗糙度增大。 增大刀尖圓角半徑有利于表面粗糙度的減小，但同時會引起吃刀抗力Fy的增加，從而加大工藝系統(tǒng)的振動使表面粗糙度增大。 減小主、副偏角均有利于表面粗糙度的減小，但在精加工時，它們對表面粗糙度的影響較小。 前角對表面粗糙度沒有直接影響，但適當增大前角，刀尖易于切入工件，塑性變形小，有利于減小表面粗糙度。,第二節(jié) 影響機械加工表面粗糙度的因素,切削速度對韌性材料表面粗糙度的影響,第二節(jié) 影響機械加工表面粗糙度的因素,第二節(jié) 影響機械加工表面粗糙度的

8、因素,二、影響機械加工表面粗糙度的物理因素 1.切削力和摩擦力的影響 切削過程中，刀具的刃口圓角及后刀面對工件的擠壓和摩擦，使金屬材料發(fā)生塑性變形，引起已有的殘留面積扭歪和溝紋加深。 加工脆性材料時，切屑成碎粒狀，加工表面往往出現微粒崩碎痕跡，留下許多麻點，使表面顯得粗糙。 2.積屑瘤的影響 當切削塑性材料時，切屑上的小顆粒會粘附在 前刀面的刀尖處，形成硬度很高的積屑瘤。積屑瘤 代替前刀面和切削刃進行切削。切屑與積屑瘤之間 的摩擦力大于積屑瘤與前刀面的冷焊強度，或受到 沖擊、振動時，積屑瘤脫落，以后又逐漸生成新的 積屑瘤。 積屑瘤的生成長大脫落將嚴重影響零件 表面粗糙度。,第二節(jié) 影響機械加工

9、表面粗糙度的因素,鱗刺形成過程各階段示意圖,3.鱗刺的影響 切削過程中，由于切屑在前刀面上的摩擦和冷焊作用，使切屑在前刀面上產生周期停留，擠壓剛加工過的表面，嚴重時表面出現撕裂現象，在表面形成鱗刺，使表面粗糙不平。 從上述方面來看，要減小表面粗糙度，需要減少切削力引起的塑性變形，還要避免產生積屑瘤和鱗刺。 采取的工藝措施：選擇不易產生積屑瘤和鱗刺的切削速度；改善材料的切削性能；正確選擇切削液等。,三、影響磨削加工表面粗糙度的因素 磨削加工的特點 磨削過程比金屬切削刀具的切削過程要復雜得多 磨粒在砂輪表面的高度不一致，整個砂輪的滑擦作用、刻劃作用、切削作用同時產生。 砂輪的磨削速度高 磨削溫度高

10、 磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多數是負前角，單位切削力大，故切削溫度高，易引起表面燒傷、工件變形和產生裂紋。 磨削時砂輪的線速度高 參與切削的磨粒多，單位時間內切除的金屬量大。徑向切削力大，引起機床工作系統(tǒng)發(fā)生彈性變形和振動。,第二節(jié) 影響機械加工表面粗糙度的因素,影響磨削加工表面粗糙度的因素 1.磨削用量的影響 砂輪速度 隨著砂輪線速度的增加，同一時間參與切削的磨粒數增加，每顆磨粒切去的金屬厚度減少，殘留面積減少，且高速磨削可以減少材料的塑性變形，減小表面粗糙度。 工件速度 其他條件不變時，隨工件線速度的降低，每顆磨粒每次切去的厚度減少，殘留面積也小，因而粗糙度減小。但工件線速度過

11、低，工件與砂輪接觸時間長，傳到工件上的熱量增多，反而增大表面粗糙度，甚至使表面燒傷，通常取工件線速度等于砂輪線速度的1/60左右。 磨削深度和光磨次數 磨削深度增加，磨削力合磨削溫度都增加，塑性變形大，表面粗糙度值增大。一般是開始采用較大磨削深度，后采用較小的磨削深度，最后進行光磨。光磨次數增加，可減小粗糙度。,第二節(jié) 影響機械加工表面粗糙度的因素,2.砂輪的影響 砂輪的粒度 粒度越細，粗糙度數值小。磨粒太細，砂輪易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，若導熱情況不好，還會燒傷工件表面。常用的砂輪粒度為80#以內。 砂輪的硬度 砂輪選得太軟，磨粒易脫落，易于保持砂輪的鋒利，但難于保證砂輪的等高性，使

12、表面粗糙度值增大。砂輪太硬，磨損了的磨粒不易脫落，造成表面溫度升高，塑性變形加大，使表面粗糙度增大； 砂輪的修整 及時修整砂輪有利于獲得鋒利和等高的微刃，獲得好的表面粗糙度。 砂輪的材料（即磨料） 砂輪磨料分：氧化物類（剛玉類）、碳化物類（碳化硅、碳化硼）、高硬磨料類（人造金剛石、立方碳化硼）。 鋼類零件用剛玉砂輪；鑄鐵、硬質合金等工件材料用碳化物砂輪；,第二節(jié) 影響機械加工表面粗糙度的因素,3.被加工材料的影響 太硬易使磨粒磨鈍 Ra ； 太軟容易堵塞砂輪Ra ； 韌性太大，熱導率差會使磨粒早期崩落Ra 。,第二節(jié) 影響機械加工表面粗糙度的因素,一. 表面殘余應力,1. 冷塑性變形的影響,2

13、.熱塑性變形的影響,3.金相組織變化的影響,機械加工后工件表面層的內應力是冷態(tài)塑性變形、熱態(tài)塑性變形和金相組織變化的綜合結果。切削加工時起主要作用的是冷態(tài)塑性變形，表面層常產生內壓應力。磨削加工時起主要作用的是熱態(tài)塑性變形或金相組織變化引起的體積變化，表面層常產生內拉應力。,第三節(jié) 影響表面物理力學性能的工藝因素,二、表面層加工硬化,工件材料的影響,材料塑性冷硬,切削用量的影響,切削速度v塑變冷硬 f切削力塑變冷硬,刀具形狀的影響,切削刃 r、前角、后面 磨損量VB表層金屬的 塑變加劇冷硬,第三節(jié) 影響表面物理力學性能的工藝因素,淬火燒傷,回火燒傷,退火燒傷,工件表面溫度超過臨界溫度Ac3時，

14、馬氏體 轉變?yōu)閵W氏體。若有冷卻液作用，工件最外層 金屬出現二次淬火馬氏體。其硬度比原來的 回火馬氏體高，但脆，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， 表層總硬度降低,若工件表面層溫度超過原來的回火溫度， 則表層的回火馬氏體組織將產生回火現象 而轉變?yōu)橛捕容^低的回火索氏體或屈氏體,表面層溫度超過臨界溫度Ac3時，馬氏體 轉變?yōu)閵W氏體。若無冷卻液，表層金屬 緩慢空冷形成退火組織。 硬度和強度均大幅度下降。,三、表面層金相組織變化與磨削燒傷,第三節(jié) 影響表面物理力學性能的工藝因素,第四節(jié) 機械加工中的振動,一、強迫振動（磨削加工） （一）產生強迫振動的原因 內部振源：從地基或來自

15、工藝系統(tǒng)內部； 外部振源：來自工藝系統(tǒng)之外； （二）強迫振動的特性分析 1.強迫振動的頻率等于激振力的頻率，與系統(tǒng)固有的頻率無關。 2.強迫振動的穩(wěn)態(tài)過程是簡諧振動，只要有激振力存在，振 動系統(tǒng)就不會被阻尼衰減掉。 3.強迫振動的振幅取決于振源激振力P，頻率比和阻尼比D。 4.強迫振動的位移總是滯后于激振力。 （三）減少強迫振動的途徑 1.減少激振力； 2.避免激振力的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近，防止共振； 3.采取隔振措施。 4.采用消振措施。,第四節(jié) 機械加工中的振動,二、自激振動（切削加工） 由系統(tǒng)本身引起的交變力作用而產生的振動。 （一）自激振動的特征 1.不衰減的振動； 2.自激振動的

16、頻率等于或接近系統(tǒng)的固有頻率； 3.是否產生及振幅的大小取決于其在每一周期內，輸入的能量是否大于消耗的能量，與輸入的能力有關。 （二）自激振動的學說 （三）減少自激振動的基本途徑 1.合理選擇切削用量； 2.合理選擇刀具的幾何參數； 3.提高工藝系統(tǒng)的抗振性。,第五節(jié) 控制表面質量的工藝途徑,提高加工表面質量的加工方法有兩大類： A：低效率、高成本的工藝措施，尋求各工藝參數的最佳組合，以降低表面粗糙度； B：著重改善表面的物理力學性能，提高工件的表面質量。 一、減少表面粗糙度的加工方法 （一）超精密切削和低粗糙度磨削 主要是在機床上下功夫 1.超精密切削切除0.1um的金屬層；走刀量小、切削速

17、度高，刀具鋒利、耐用，被加工工件表面質量高。 2.小粗糙度磨削加工可替代光整加工，設備精度高，磨削用量選擇合理，尋求各參數的最佳組合，進行過程控制。,第五節(jié) 控制表面質量的工藝途徑,（二）采用超精加工、珩磨、研磨、拋光等方法作為最終工序加工 1.珩磨：提高尺寸、形狀精度、表面粗糙度，不能改變位置精度。 （1）珩磨頭的結構： （2）珩磨的機理： 珩磨頭的旋轉運動和往復運動的合成運動在工件表面上產生了交叉而又不重復的網紋式磨粒軌跡。 （3）珩磨的工藝參數： 常用磨料：碳化硅、剛玉、金剛石。粘合劑：人造樹脂（有彈性、壽命長，高壓下仍能保持切削性能。） （4）注意問題：需精細加工后，不能提高位置精度，

18、需冷卻潤滑。,第五節(jié) 控制表面質量的工藝途徑,2.研磨：提高尺寸、形狀精度、表面粗糙度，不能改變位置精度。 （1）研磨的機理：研具在一定壓力作用下與加工表面作復雜的相對運動。磨粒和研磨劑起機械切削和物理化學作用，研具和工件之間相互對照、糾正、切削，使尺寸和形狀精度都達到很高的程度。 （2）研磨的工藝參數：壓強取10-40，相對滑動速度10-50，磨料粒度：200#-600#。磨具材料：鑄鐵、銅、鋁、塑料、硬木。研磨液：煤油或機油+2。5%的硬脂酸或油酸。 3.超精加工：即精研，用細粒度磨塊進行磨削的光整加工方法。 超精加工，工件旋轉且往復，砂條在一定的壓力下斷左右擺動。 超精加工切削液是煤油和錠子油的混合液。 4.光整加工：