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1、1 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 本章要点本章要点 影响表面粗糙度的工艺因素影响表面粗糙度的工艺因素 影响力学性能的工艺因素影响力学性能的工艺因素 控制加工表面质量的途径控制加工表面质量的途径 机械加工中的振动及控制机械加工中的振动及控制 1 本章提要 机械加工表面质量决定了机器的使用性能和延长使用 寿命。机械加工表面质量是以机械零件的加工表面和表面 层作为分析和研究的对象。 本章旨在研究零件表面层在加工中的变化和发生变化 的机理，掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量的影响 规律，运用这些规律来控制加工中的各种影响因素，以满 足表面质量的要求。 2 3 机械制造工艺学机械制
2、造工艺学 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 5.15.1 概述概述 任何机械加工方法所得到的零件表面，实际上都不是完全 理想的表面。实践证明，机器零件的破坏，一般都从表层开始 ，这从一定程度上表明零件的表面质量对产品质量影响很大。 产品工作性能的可靠性、耐久性，很大程度上取决于其主 要零件的表面质量。机器零件使用性能的耐磨性、疲劳强度、 耐蚀性等，除与材料本身的性能和热处理有关外，主要取决于 加工后的表面质量。随着产品性能的不断提高，一些重要零件 必须在高应力、高速、高温等极端条件下工作，因其工作表面 作用有最大应力并直接受外界介质的腐蚀，表面层的任何缺陷 都可能引起应力集中、
3、应力腐蚀等现象而导致零件的损坏，于 是表面质量问题也会变得突出和复杂。 5.1.1机械加工表面质质量含义义 5.1 概述 4 研究表面质量的目的，是要掌握机械加工中各种工艺 因素对表面质量的作用及影响规律，以便应用这些规律控 制加工过程，最终提高零件的表面质量和产品使用性能。 机械加工表面质量的研究内容包括加工表面几何形状 特征和表面层物理、机械性能的变化。 5.1.1 机械加工表面质质量含义义 5.1 概述 5 零件表面质量 表面粗糙度 表面波度 表面物理力学 性能的变化 表面微观几 何形状特征 表面层冷作硬化 表面层残余应力 表面层金相组织的变化 6 5.1.1 5.1.1 机械加工表面质
4、量含义机械加工表面质量含义 表面粗糙度：是指表面微观几何形状误差，其波长与波高的比 值在L1/H140的范围内，波距0.020.10.100.500.251.25 0.12.00.5010.00.84.0 2.010.010.050.02.512.5 10.080.0503208.040.0 1、表面层的几何形状 12 5.1.1 5.1.1 机械加工表面质量含义机械加工表面质量含义 1) 表面层冷作硬化(简称冷硬)：在机械加工中，零件表面层 产生强烈的冷态塑性变形后，引起的强度和硬度都有所提高 的现象。一般情况下表面硬化层的深度可达0.05 0.30mm 。 2) 表面层金相组织的变化：机械
5、加工过程中，由于切削热或 磨削热的作用引起工件表面温升过高，表面层金属的金相组 织发生变化的现象。 3) 表面层残余应力：是由于加工过程中切削变形和切削热的 影响，工件表面层产生残余应力。 2、表面层的物理机械性能 13 5.1.1 5.1.1 机械加工表面质量含义机械加工表面质量含义 吸附层 8nm 基体材料 纤维层 压缩区 几十几百微米 热影响区 显微硬度 残余应力 加工变质层示意图 14 吸附层：氧化膜或其他化 合物，并吸收、渗进了气 体、液体和固体的粒子。 压缩区：塑性变形区。 纤维层：加工材料与刀具 间的摩擦力造成。 切削热也会使表面层产生 相变及晶粒大小变化。 机械加工过程中，在工
6、件的加工区域，温度会急剧升高， 当温度升高到超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发 生金相组织变化。如磨削淬火钢件时，常会出现回火烧伤、退 火烧伤等金相组织变化，将严重影响零件的使用件能。 表面层金相组织变化 1、 表面质量对耐磨性的影响 耐磨性主要取决于摩擦副的材料及润滑条件，并与零件的 表面质量有关。 零件磨损三个阶段：初期磨损阶段；正常磨损阶段；剧烈 磨损阶段 5.1.2 机械加工表面质质量对对机器产产品使用性能和使用寿命的影响 5.1 概述 摩擦副的磨损过程 15 （1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响 v 表面粗糙度太大和太小都不耐磨 l表面粗糙度太大，接触表面的实际压 强增大，粗糙
7、不平的凸峰相互咬合、挤 裂、切断，故磨损加剧； l表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧 。因为表面太光滑，存不住润滑油，接 触面间不易形成油膜，容易发生分子粘 结而加剧磨损。 1、 表面质量对耐磨性的影响 5.1.2 机械加工表面质质量对对机器产产品使用性能和使用寿命的影响 5.1 概述 16 （1）表面粗糙度对零件耐磨性 的影响 v 表面粗糙度的最佳值与机器零 件的工作情况有关，载荷加大时 ，磨损曲线向上、向右移动，最 佳表面粗糙度值也随之右移。 1、 表面质量对耐磨性的影响 5.1.2 机械加工表面质质量对对机器产产品使用性能和使用寿命的影响 5.1 概述 17 （2）表面层的冷作硬化对零件耐
8、磨性的影响 l 加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因为 它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少 了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。 1、 表面质量对耐磨性的影响 5.1.2 表面质质量对对机器产产品使用性能和使用寿命的影响 18 冷硬程度 磨损量 T7A钢冷硬程度与耐 磨性关系 并非冷作硬化程度越高，耐磨性 就越高。这是因为过分的冷作硬 化，将引起金属组织过度“疏松” ，在相对运动中可能会产生金属 剥落，在接触面间形成小颗粒， 使零件加速磨损。 （1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。 对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载
9、荷作 用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂 纹。 表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好； 反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其 抗疲劳破坏的能力越差。 2、 表面质量对零件疲劳强度的影响 19 5.1.2 表面质质量对对机器产产品使用性能和使用寿命的影响 （2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响 l 适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。 l 残余应力有拉应力和压应力之分: 残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降 低疲劳强度 残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力， 延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。 2
10、、 表面质量对零件疲劳强度的影响 20 5.1.2 表面质质量对对机器产产品使用性能和使用寿命的影响 （1）表面粗糙度对零件配合精度的影响 表面粗糙度较大，则降低了配合精度。 （2）表面残余应力对零件工作精度的影响 表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性 。 3、 表面质量对零件工作精度的影响 21 5.1.2 表面质质量对对机器产产品使用性能和使用寿命的影响 （1）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响 零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深， 渗透与腐蚀作用越强烈。因此减小零件表面粗糙度，可以提高 零件的耐腐蚀性能。 （2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响 零件表面残余压应力
11、使零件表面紧密，腐蚀性物质不易 进入，可增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降低零件 耐腐蚀性。 表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：如减小 表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑 动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。 4、 表面质量对零件耐腐蚀性能的影响 22 5.1.2 表面质质量对对机器产产品使用性能和使用寿命的影响 零件表面质量 粗糙度太大、太小都不耐磨 适度冷硬能提高耐磨性 对疲劳强度 的影响 对耐磨性的 影响 对耐腐蚀性 能的影响 对工作精度 的影响 粗糙度越大，疲劳强度越差 适度冷硬、残余压应力能提高 疲劳强度 粗糙度越大、工作精度降低 残余
12、应力越大，工作精度降低 粗糙度越大，耐腐蚀性越差 压应力提高耐腐蚀性，拉应力 反之则降低耐腐蚀性 23 5.1.2 表面质质量对对机器产产品使用性能和使用寿命的影响 5.1.3 机械加工表面质质量的研究内容 为保证机器产品的使用性能和使用寿命，机械加工表 面质量的研究应包括如下内容： （1）表面粗糙度及其降低的工艺措施； （2）表面层物理、力学性能及其改善的工艺措施； （3）机械加工中的振动及其控制。 5.1 概述 24 25 机械制造工艺学机械制造工艺学 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 5.2 5.2 影响表面粗糙度的工艺参数及影响表面粗糙度的工艺参数及 其改善的工艺措施其
13、改善的工艺措施 1、 切削加工表面粗糙度的形成及影响因素 (1)几何因素刀尖圆弧半径r 主偏角kr、副偏角kr 进给量f 5.2.15.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 26 (2) 物理力学因素 1、 切削加工表面粗糙度的形成 切削加工后表面的实际轮廓与纯几何因素所形成的理 想轮廓往往差别较大。这主要是因为在加工过程中还有塑 性变形等物理因素的影响。 这些物理因素的影响一般较复杂，它与切削原理中所 叙述的加工表面的形成过程有关，如在加工过程中产生的 积屑瘤、鳞刺和振动等对加工表面粗糙度的形成均有很大 影响。 5.2.15.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 27 （2）
14、物理力学因素 1、 切削加工表面粗糙度的形成 l 被加工材料的性能塑性变形的影响 切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工件挤压与摩擦而 产生塑性变形。 l 与切削机理有关的物理因素刀瘤和鳞刺的影响 l 切削用量的影响 l 刀具材料的影响 5.2.15.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 28 刀瘤对工件表面质量的影响 切削过程中切屑底层和前刀面发生冷焊的结果。 (2) 物理力学因素 1、 切削加工表面粗糙度的形成 5.2.15.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 29 鳞刺的产生：切屑在前刀面上的摩擦和冷焊作用造成周期性的停留，代替刀 具推挤切削层，造成切削层和工件之间出现撕
15、裂现象。 鳞刺的形成：抹试阶段、导裂阶段、层积阶段、刮成阶段 (2)物理力学因素 1、 切削加工表面粗糙度的形成 5.2.15.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 30 鳞刺的产生 工件材料的影响 v 韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工 表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削 性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或 调质处理。 v 脆性材料：加工粗糙度接近理论值。加工脆性材料时，其 切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点 ，使表面粗糙增大。 (2)物理力学因素 1、 切削加工表面粗糙度的形成 5.2.15.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 31 切削速度的影响 加工塑性材料时，切削速度对表面 粗糙度的影响如图所示。积屑瘤和鳞刺 仅在低速时产生。切削速度越高，塑性 变形越不充分，表面粗糙度值越小；选 择低速宽刀精切和高速精切，可以得到 较小的表面粗糙度。 加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响 实线只考虑塑性变形的影响 虚线考虑刀瘤和鳞刺的影响 (2)物理力学因素 1、 切削加工表面粗糙度的形成 5.2.15.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 32 其它因素的影响 合理使用冷却润滑液，适当
