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1、,第四章 机械加工表面质量,4.1 概述 4.2 加工表面粗糙度及其改进措施 4.3 表面层物理力学性质变化及其改善措施 4.4 机械加工中的振动,4.1 概述,上一章我们研究了机械加工精度，这一章讨论表面质量。,任何一种机械加工方法得到的零件表面，都不是理想表面。实践证明：机械零件的损坏，绝大多数是从零件的表面开始的，例如产生磨损或表面裂纹等，这说明零件表面的质量至关重要。,研究加工表面质量的目的：,掌握各种加工因素对表面质量的影响规律和控制方法，应用这些规律来控制加工过程，达到提高表面质量的目的。,4.1.1 加工表面质量的内容,包括表面层几何形状误差和表面层物理力学性能。,1 ) 表面层
2、几何形状误差，有表面粗糙度和加工纹理方向。,（1）表面粗糙度,表面粗糙度是加工表面的微观几何形状误差，用不平度平均高度 Ra 来评介，单位是微米。数值越大说明零件表面越粗糙。,（2）加工纹理方向,加工纹理方向是刀纹加工方向，取决于加工方法和设备精度。,哪一种加工纹理最好？最平整？（c）（e）和（f）最好。,( 3 ) 伤痕,伤痕是指表面上出现的砂眼、气孔和裂纹等。,3）表面层物理力学性能,工件在加工过程中受到切削力和切削热的作用，使得表面层 金属的物理力学性能发生变化，主要表现在以下面几个方面：,（1）表面层冷作硬化,表面层冷作硬化是指表面层金属在切削力或切削热的作用下，表面层金属的显微硬度比
3、材料心部的金属硬度高。,衡量冷作硬化的指标有两个：硬化程度和硬化深度。,（2）表面层金相组织变化,由于磨削热的作用使得表面层金属的金相组织发生变化。,例如: 磨削淬火钢，在磨削热的作用下使表面层的马氏体组织分解，产生回火组织等。,（3）表面层残余应力,在切削力或切削热的作用下，表面层金属发生塑性变形或金相组织变化时会使表面层金属组织内部产生残余应力的现象。,残余应力有 残余拉应力 和残余压应力两种。,4.1.2 零件表面质量对使用性能的影响,1）对耐磨性能的影响,（1）表面粗糙度的影响,零件加工后表面存在着微观不平度，即表面粗糙度。 两个零件表面相互接触时，实际的接触面积只是名义接触面积的很小
4、一部分。表面层越粗糙，实际接触面积越小。,当两个接触表面做相对运动时，开始接触面积小，压强大。在接触点处先产生弹性变形、然后是塑性变形直至剪切，这样接触表面的凸峰会很快磨掉，磨掉的金属微粒混在润滑油里，会加速初期的磨损，表现为零件的初期磨损量很大。( 举一例 ),随着磨损增加，接触面积逐渐增加，压强逐渐减少，磨损以较慢的速度进行，这时进入正常磨损期。,正常磨损期之后，由于有效接触面积越来越大，零件间的分子结合力增加，表面间的机械咬合作用增大，润滑油减少，使零件产生急剧磨损，很快进入快速磨损阶段 ( 画一图表示 )。,表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。表面粗糙度数值越小，耐磨性越好。但粗糙度数
5、值过小，接触面易发生粘接，润滑油不容易储存，反而容易磨损。 因此，当摩擦材料、接触压力大小和润滑条件情况一定时，表面粗糙度有一个最佳值。在最佳值附近，磨损量最小。因此零件设计时，应根据使用条件给定零件表面粗糙度最合适的数值。,（2） 冷作硬化的影响,零件表面产生冷作硬化会使耐磨性提高。 这是因为冷作硬化使表面层的显微组织硬度提高，减少了塑性变形，因此可以减少磨损。 但是冷作硬化程度太高，又会使耐磨性降低。这是因为过度的冷作硬化会使表面层产生疏松，反而使金属产生容易产生剥落，使耐磨性下降。,2）表面质量对疲劳强度的影响,（1）表面粗糙度的影响,表面粗糙度对疲劳强度的影响很大。 在交变载荷下，零件
6、表面粗糙度的凹谷部位容易产生应力集中，产生疲劳裂纹。 表面粗糙度的数值越小，表面缺陷层越浅，因此零件的耐疲劳性能越好。反之，耐疲劳性能就越差。,（2） 表面层产生冷作硬化的影响,冷作硬化对提高零件的耐疲劳强度有好处。,（3）表面层残余应力对疲劳强度的影响,残余应力包括有残余拉应力和残余压应力。 残余压应力会部分地减少表面层金属所受的外力，使疲劳强度增大。而残余拉应力的作用正好相反。（不好）,疲劳强度还和金属材料有关。钢材表现比较明显，而铸铁、有色金属对应力集中的敏感性就比较差。,3）表面层质量对耐腐蚀性能的影响,（1）表面粗糙度的影响,表面粗糙度的数值越大，大气中的气体和液体对表面层接触的面积
7、增大，腐蚀物质容易沉淀在凹坑中，使耐腐蚀性能下降。,（2）表面层残余应力的影响,表面层残余压应力能够阻止表面层裂纹的增大，有利于提高零件的耐腐蚀性能。,4）表面层粗糙度对零件配合性质的影响,表面层粗糙度的数值太高，会影响到配合表面的配合性质。 对间隙配合，表面层粗糙度数值太高，会使初期磨损量增大。,对过盈配合，表面粗糙度值越大，两配合面的凸峰越容易被挤平，使实际过盈量减少，使过盈程度降低。,4.2 影响加工表面粗糙度的工艺因素,影响加工表面粗糙度的工艺因素主要有 几何因素和 物理因素两个方面。加工方法不同，对表面粗糙度的影响因素也不同。,4.2.1 切削加工表面粗糙度,切削加工表面粗糙度的数值
8、主要取决于切削残留面积高度 H。,影响切削残留面积高度 H 的主要因素，对于刀具有：,a、刀尖圆弧半径 r、 b、主偏角kr、 c、副偏角kr、 d、进给量 f 等,当用外圆尖刀车削工件时，残留面积高度的计算公式为： H = f /（tgkr+ tgkr）,当用带有圆弧的刨刀刨削工件时，残留面积高度的计算式为： H = f 2/ 8r,从上面公式可以看出：进给量和刀尖圆弧半径对加工表面粗糙度的影响很大。进给量f，刀尖圆弧半径r，对减少表面粗糙度的数值有好处。,切削加工后表面粗糙度的实际数值都比纯几何因素计算出来的数值大，这是为什么（切削过程中还有塑性变形的缘故）？ 塑性金属材料加工时表面粗糙度
9、随切削速度的影响如图。,切削速度在每分种2050米时，表面粗糙度的数值最大。 这是因为在这段切削速度范围内容易产生积削瘤，使加工表面粗糙度变差。 切削速度小于20米/分或超过100米/分时，粗糙度数值下降。 这是因为在这两段切削速度内积削瘤较不易生成。 因此，在精加工时宜采用较高的切削速度，或用宽刃刀具精加工时采用较低的切削速度都可以减少表面粗糙度的数值。,加工脆性金属材料时，切削速度对表面粗糙度数值的影响不大。这是因为脆性金属切削时塑性变形比较小的缘故。,金相组织的晶粒，表面粗糙度的数值。粗加工后常对钢材进行调质处理，目的就是为了获得均匀细致的晶粒组织。,采用合适的切削液，或增大刀具前角，都
10、可以减小切削力。,提高刀具的刃磨质量，使刀具切削表面粗糙度的数值比工件小一级（啥意思），都可以使工件表面表面粗糙度的数值下降。,4.2.2 磨削加工表面粗糙度,磨削加工表面粗糙度也是由几何因素和表面层金属塑性变形决定的，但磨削过程比切削过程要复杂得多。,1）几何因素的影响,砂轮表面是由无数细小磨粒组成，磨削表面由砂轮表面无数磨粒刻划出。如从几何因素考虑：砂轮表面单位面积上的砂粒越多，砂粒越细，等高性越好，磨削表面的粗糙度数值就越小。？,（1） 磨削用量的影响,磨削用量对表面粗糙度的影响从图中可以看出：, 砂轮线速度，工件塑性变形 ，工件表面粗糙度数值 。 工件速度 ，工件塑性变形 ，工件表面粗
11、糙度数值 。 磨削深度 ，工件塑性变形 ，被磨表面粗糙度数值 。 砂轮纵向进给速度 ，工件磨削表面被砂轮重复磨削的面积，表面粗糙度数值。,（2）砂轮号数、砂轮粒度和砂轮修整质量的影响, 砂轮号数 ，砂轮粒度 ，参加磨削的磨粒 ，工件表面粗糙度的数值 。, 修整砂轮时纵向速度 ，砂轮表面的等高性 ，工件磨削表面粗糙度的数值越小。,2）表面层金属组织塑性变形对表面粗糙度的影响,砂轮表面的磨削线速度一般为35米/秒，比切削速度要高得多。磨粒多数为负前角，磨削比压比切削大很多，磨削区温度有时会高达900度。因此磨削未淬火钢材时比磨削淬硬材料的塑性变形大，因此未淬火钢材表面粗糙度的数值会大很多。,3）砂
12、轮的影响,主要是粒度、硬度和砂轮材料几个方面：, 砂轮粒度，工件表面粗糙度的数值，但散热性不好， 砂轮表面易堵塞，工件表面易烧伤，砂轮粒度一般选 80120号。, 砂轮硬度越，磨钝的砂粒难于从砂轮表面脱落，工件表面粗糙度数值越。硬度过，砂轮形状难于保持。因此宜选用中等硬度（Z）的砂轮。, 砂轮材料的影响： 氧化铝材料砂轮宜于磨削钢材； 碳化硅材料砂轮宜于磨削铸铁； 金刚石材料磨轮宜于磨削硬质合金。, 工件材料的性质：,工件材料硬度不宜过高或过低，一般以钢材淬火后最好。,在磨削时加入合适冷却液，也有助于工件表面粗糙度的提高。,这节课介绍了以下内容：,1表面层几何形状误差和物理力学性能包括哪几方面
13、的内容？ 2表面粗糙度对耐磨性有什么影响？为什么在一定条件下有一个最佳表面 粗糙度？ 3冷作硬化对耐磨性的影响怎样？是否冷作硬化程度越高，耐磨性越好？ 4表面粗糙度和表面层残余应力对疲劳强度的影响是怎样的？ 5为什么表面层粗糙度对零件的配合性质有影响？ 6刀尖圆弧半径 r、主偏角 kr、副偏角 kr和进给量 f 的大小对工件表 面粗糙度的数值是怎样影响的？ 7砂轮粒度和砂轮修整质量对工件表面粗糙度的数值是怎样影响的？ 8磨削速度、工件速度、纵向进给量对表面粗糙度的数值是怎样影响的？,4.3 表面层金属的物理力学性能变化,工件在加工过程中，受到切削力和切削热的作用，使工件表面层的金属物理力学性能
14、发生变化。这种变化使工件表面层和基体金属组织的物理力学性质不同。这种差异主要表现在：,表面层冷作硬化,表面层残余应力,金相组织变化,4.3.1 表面层金属冷作硬化,1） 产生的原因,金属表面层在加工过程中会产生塑性变形，使表面层金属的硬度增加，称为冷作硬化。表面层金属产生冷作硬化后会减少表层金属的塑性，增大金属变形的抗力。,金属表面层产生冷作硬化，会使表层金属处在一种不稳定的状态。如果受到各种热的作用，表层金属的冷硬结构就会向比较稳定的结构转化。使金属的塑性变形产生的冷硬现象得到恢复。 金属表层的冷硬现象由表层金属冷硬化和热回复程度决定。,评定冷作硬化的指标有三项：, 表面层硬化显微硬度HV
15、硬化层深度； 硬化程度N N=HV-Hvo/Hvo 式中：HVo为金属内部原来的硬度,2）切削加工的影响因素,（1）切削用量的影响,主要影响因素是进给量的大小。 进给量大小对冷作硬化的影响如图：当进给量大于0.4mm/r，表面层冷作硬化程度。这是因为：随着进给量，切削力也，冷硬程度随之随之。但是当进给量为0.050.10时，表层层金属的冷硬。,（2）刀具几何参数的影响,主要影响因素：刀具的刃口圆弧半径和刀具后刀面的磨损。,刃口圆弧半径，冷作硬化。 这是因为刃口圆弧半径，径向切削分力也随之，表面层金属塑性变形，冷硬。,刀具后刀面磨损后，后刀面和工件被加工表面的摩擦，导致表面冷作硬化。但当后刀面磨
16、损到一定程度，摩擦热，弱化程度，冷硬现象。,进给量的大小对冷作硬化的影响类似一个 “澡盆曲线”。 因此精加工时，进给量不宜取得过大或过小。这是因为当进给量时，刀具圆角半径和工件被加工表面的接触增加，使工件的冷硬程度。,（3）工件材料的影响,工件材料塑性，冷硬现象。钢中含碳量，冷硬程度。,有色金属熔点，容易弱化， 冷作硬化（厦顺铝箔为例）,3）磨削加工的影响因素,主要影响因素有：,工件材料、 磨削深度、 纵向进给速度、 工件速度、 砂轮速度， 砂轮粒度等。,（1）工件材料导热性，热量不易集中，冷硬程度。,（2）磨削用量的影响,磨削深度，磨削力，塑性变形，冷硬程度。,纵向进给速度，切削厚度，磨削力，塑性变形，冷硬程度。,工件速度，砂轮作用时间，弱化作用，冷硬程度。,砂轮速度，切削厚度，磨削力，变形，冷硬程度。,砂轮粒
