机械加工质量分析

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1、第13章 机械加工质量分析 13章： 机械加工表面质量 第13章 机械加工质量分析 13.1 表面质量对零件使用性能的影响1. 表面质量对耐磨性的影响 零件的使用寿命往往取决于零件的耐磨性，当相互摩擦的表面磨损到一定程度时，就会丧失应有的精度或性能而报废。零件的耐磨性主要与摩擦副的材料和润滑条件有关， 在这些条件都确定的情况下，零件的表面质量就起决定性的作用。 第13章 机械加工质量分析 （1） 表面粗糙度的影响。当两个零件的表面互相 接触时， 实际只是在一些凸峰顶部接触，因此实际 接触面积是名义接触面积的一部分，据统计，车削、 铣削和铰孔的实际接触面积只占理论接触面积的15 20，即使精磨后

2、也只占3050。 要求增加 实际接触面积中最有效的是研磨， 它可达理论接触 面积的9095。由于接触面积小，当零件上有了 作用力后，凸峰处的单位面积压力大，超过材料的屈 服极限时，就会产生塑性变形；当接触表面间产生相 对运动时，就可能产生凸峰部分折断或接触面的塑性 滑移而迅速磨损。即使在有润滑的情况下，若接触点 处单位面积压力过大， 超过了润滑油存在的临界值 ， 油膜被破坏，也会形成干摩擦。 第13章 机械加工质量分析 表面粗糙度对摩擦面的磨损影响极大，但并不是 粗糙度越低越耐磨。如图13-5所示的两条曲线是实验 所得的不同表面粗糙度对初期磨损的影响曲线。从曲 线可见，存在着某个最佳点， 这一

3、点所对应的粗糙 度是零件最耐磨的粗糙度， 具有这样粗糙度的零件 的初期磨损量最小。 如摩擦载荷加重或润滑等条件恶化时，磨损曲线 向上向右移动，最佳粗糙度也随之右移。在一定工作 条件下，如果粗糙度过高，实际压强增大，粗糙不平 的凸峰互相啮合、挤裂和切断加剧，磨损也就加剧。 粗糙度过低也会导致磨损加剧，因为表面太光滑，存 储润滑油的能力很差。第13章 机械加工质量分析 图13-5 初期磨损量与表面粗糙度 1轻载荷 2重载荷 第13章 机械加工质量分析 所以，要求我们根据工作时的摩擦条件， 确定 零件合理的粗糙度。一对摩擦副在一定的工作条件下 通常有一最佳粗糙度，过大或过小的粗糙度均会引起 工作时的

4、严重磨损。 另外，表面粗糙度的轮廓形状及加工纹路方向对 耐磨性有显著的影响，因为表面轮廓形状及加工纹路 方向能影响实际的接触面积和润滑油的存留情况。 实验证明，相对运动方向和粗糙度波纹方向相互平行 时，磨损较小，这是因为在运动方向上不易受另一表 面波纹度阻碍，当相对运动方向和粗糙度波纹方向相 互垂直时就会增加磨损。 第13章 机械加工质量分析 （2） 表面层的物理机械性能变化对耐磨性的影 响。 冷作硬化能提高零件表面的耐磨性。例如 Q235钢在冷拔加工后硬度提高1545，各磨损 实验中测得的磨损量约可减少2030。 金相组织变化对耐磨性的影响。表面层产生 金相组织变化时由于改变了基体材料原来的

5、硬度， 因而直接影响耐磨性。 第13章 机械加工质量分析 2. 表面质量对疲劳强度的影响 金属零件由于疲劳而破坏是从表面层开始的，故 表面层的粗糙度对零件的疲劳强度影响很大。在交变 载荷下，零件表面的波纹促使应力集中而形成疲劳裂 纹。表面越粗糙，波纹的凹纹部分越深。底部半径越 小，应力集中越严重， 疲劳强度也就越低。由于应 力集中，首先在凹纹的根部产生疲劳裂纹， 然后裂 纹逐渐扩大和加深，导致零件的断裂。实验表明，对 于承受交变载荷的零件，减少表面粗糙度可以使疲劳 强度提高3040。越是优质钢，晶粒越小，组织 越细密，其影响越明显。 第13章 机械加工质量分析 另外，加工纹路方向对疲劳强度的影

6、响更大，如 果刀痕与受力方向垂直，则疲劳强度显著降低。 表面残余应力的大小和方向与疲劳强度也有很大 关系。 表面的残余压缩应力能够部分地抵消工作载 荷的拉应力， 延缓疲劳裂纹的扩展，因而提高零件 的疲劳强度，而残余拉伸应力容易使已加工表面产生 裂纹，因而降低疲劳强度。 表面的冷作硬化层能提高零件的疲劳强度。因 为硬化层能阻碍已有裂纹的扩大和新的疲劳裂纹的产 生，故可大大降低外部缺陷和表面粗糙度的影响。 第13章 机械加工质量分析 3. 表面质量对零件抗蚀性能的影响 零件表面的加工粗糙度对其抗蚀性亦有较大的影 响。 零件在潮湿的空气或腐蚀介质中工作时，常发 生化学腐蚀和电化学腐蚀。表面愈粗糙，侵

7、蚀物质愈 易积聚在表面的凹陷处， 就愈容易腐蚀。 零件在应力状态工作时，会产生应力腐蚀，加速 腐蚀作用。但是若零件表面层存在压缩应力时，则能 将表面的微小裂纹空洞封闭，使零件的抗蚀能力增强 。表面的挤压、滚压作用能达到这个目的。 裂纹增加应力腐蚀的敏感性。 冷作硬化或金相组织变化也常会降低抗蚀能力。 第13章 机械加工质量分析 4. 表面质量对配合质量的影响 对于相配零件，无论是间隙配合、过渡配合还是 过盈配合， 如果表面加工得粗糙，则必然要影响到 它们的实际配合性质。 机器运转时，对间隙配合来说，配合表面将不断 磨损， 磨损是从初期开始的，即要经过一个所谓的 “跑合”阶段才进入正常的工作状态

8、。如果表面粗糙 度太大，初期磨损量就大， 间隙就会增大，以致改 变原来的配合性质，影响间隙配合的稳定性， 很可 能机器刚经过“跑合”阶段就已漏气、漏油或晃动而 不能正常工作。所以对间隙配合，特别是在间隙要求 很小、 很精密的情况下，必须保证有较低的表面粗 糙度。 第13章 机械加工质量分析 对于过盈配合来说，轴在压入孔内时表面粗糙度 的部分凸峰会挤平，而使实际过盈量比预定小， 影 响过盈配合的可靠性。按测量所得的配合件尺寸经计 算求得的过盈量与装配后的实际过盈量相比，由于粗 糙度的影响，常常是不一致的。因为过盈量是轴和孔 的直径之差，而轴和孔的直径在测量时都要受到粗糙 度Rz的影响。对于孔来说

9、，应在测得的直径尺寸上加 一个Rz才是真正影响过盈配合松紧程度的有效尺寸， 而轴则必须减去一个Rz才是真正的有效尺寸。 第13章 机械加工质量分析 但是实验的结果又说明，如果粗糙度太高，即使 作了补偿计算，并按此加工取得了规定的过盈量，其 过盈配合的强度与具有同样有效过盈量的低粗糙度的 配合零件的过盈配合相比， 还是低很多的。也就是说 ，即使实际有效过盈量符合要求，加工表面粗糙度还 是对过盈配合性质影响很大的。 过渡配合兼有上述两种配合的问题。 所以，对有配合要求的表面都要求较低的粗糙度 值。此外， 表面对零件的使用性能还有一些其它的影 响， 如密封性能、 接触刚度等。 第13章 机械加工质量

10、分析 13.2 影响切削加工表面粗糙度的工艺因素及改善措 施1. 表面粗糙度的形成用金属切削工具加工工件时，表面粗糙度形成的 主要原因可归纳为以下三个方面： （1）与刀具几何角度有关的因素几何原因。 在切削条件下，刀具相对工件作进给运动时，在加工 表面上遗留下来的切削层残留面积（见图13-8），若 只考虑几何的因素，则该残留面积的高度就是表面粗 糙度。其值的大小受刀尖圆弧半径r、 主偏角r 、副偏角r和进给量f的影响。 第13章 机械加工质量分析 图13-8 切削层残留面积第13章 机械加工质量分析 （2） 与被加工材料性质和切削机理有关的因素 物理原因。 切削加工后表面的实际粗糙度与理论 粗

11、糙度有较大差别，这是由于在实际切削时，刀具和 工件之间产生的切削力、摩擦力使表面层金属产生塑 性变形，以及积屑瘤和鳞刺等都会使粗糙度值增大。 （3） 其它原因。 如切削加工条件的变化，工艺 系统的振动等。 第13章 机械加工质量分析 2. 减少表面粗糙度的措施(1） 选择适当的刀具几何参数。切削时，由于 刀具和工件的相对运动及刀具几何形状的关系，有一 小部分金属未被切下来而残留在已加工表面上，称为 残留面积，其高度直接影响已加工表面的横向粗糙度 ，如图7-29所示。理论上的残留面积高度Ry可以根据 刀具的主偏角r、副偏角r 、刀尖圆弧半径r 和进给量f按几何关系计算出来。 减小刀具的主偏角r和

12、副偏角r ， 以 及增大刀尖圆弧半径r ， 均可减小切削层残留面 积，使表面粗糙度值减小。 第13章 机械加工质量分析 适当增大前角和后角，刀具易于切入工件， 金属塑性变形随之减小，同时切削力也明显减小， 这会有效地减轻工艺系统的振动，从而使加工表面 粗糙度值减小。 增大刃倾角s， 实际工作前角也随之增大 ，对减小表面粗糙度值有利。 第13章 机械加工质量分析 （2） 合理选择切削用量。 选择较高的切削速度v：实验表明，切削速度 越高， 切屑和被加工表面的塑性变形就越小，粗糙 度值也就越小。 一般情况下，积屑瘤和鳞刺都在较 低的速度范围内产生， 此速度范围随不同的工件材 料、刀具材料和刀具前角

13、等变化。 采用高的切削速 度常能防止积屑瘤和鳞刺的生产，可有效地减小表面 粗糙度值。图13-10表示了加工不同材料时切削速度 对表面粗糙度的影响。 第13章 机械加工质量分析 图13-10 切削速度对表面粗糙度的影响 （a） 加工塑性材料； （b）加工脆性材料 第13章 机械加工质量分析 适当减小进给量f： 进给量越大，加工表面 残留面积就越大，而且塑性变形也随之增大，这样表 面粗糙度值就会增大。 因此， 减小进给量会有效地 减小表面粗糙度值。 第13章 机械加工质量分析 （3） 改善工件材料组织性能。工件材料组织性 能对表面粗糙度的影响很大。一般来说，工件材料塑 性越大，加工后表面粗糙度值越

14、大。加工脆性材料， 表面粗糙度值比较接近理论值。对于同样的材料， 金属组织的晶粒越粗大、越不均匀，加工后表面粗糙 度值越大。因此，工件加工前采用合理的热处理工艺 改善材料组织性能， 是减小表面粗糙度值的有效途 径之一。 第13章 机械加工质量分析 （4） 合理选择刀具材料和提高刃磨质量。刀具材 料与刃磨质量对产生积屑瘤、鳞刺等影响较大， 因 而影响着表面粗糙度。如金刚石车刀对切屑的摩擦系 数较小， 在切削时不会产生积屑瘤，在同样的切削 条件下与其它刀具材料相比较， 加工后表面粗糙度 值较小。 此外，合理选择切削液，提高冷却润滑效果，常 能抑制积屑瘤、鳞刺的生成，减小塑性变形， 有利 于减小表面

15、粗糙度值。 除上述工艺措施外，还可以 从加工方法上着手， 如采用研磨、 珩磨和超精磨等 加工方法， 都能得到表面粗糙度值很小的加工表面 。 第13章 机械加工质量分析 13.3 影响磨削加工表面粗糙度的工艺因素及改进措 施（1） 提高砂轮线速度。 （2） 选择适当粒度砂轮。 （3） 精细修整砂轮工作表面。 （4） 减小磨削深度与工件线速度。 第13章 机械加工质量分析 图13-20 砂轮线速度对表面粗糙度的影响第13章 机械加工质量分析 图13-22 磨削深度对表面粗糙度的影响 第13章 机械加工质量分析 图13-23工件线速度对表面粗糙度的影响 第13章 机械加工质量分析 13.4 影响表面

16、层物理力学性能的工艺因素及改善措施 1. 表面层的加工硬化机械加工时，工件加工表面层金属受到切削力的 作用， 产生塑性变形，使晶体产生剪切滑移，晶格 被拉长、扭曲， 甚至破碎而引起材料的强化，这时 它的硬度和强度都有所提高， 这种现象称为加工硬 化（也称冷作硬化）。 另一方面， 机械加工中产生 的切削热在一定条件下会使已产生硬化的金属回复到 原来的状态， 即软化。因此，表面层最后的加工硬 化程度取决于硬化速度与软化速度的比率。 第13章 机械加工质量分析 影响表面层加工硬化的因素： （1）切削力。切削力越大，塑性变形越大，加工硬 化越严重。 因此，增大进给量f、背吃刀量ap及减小 刀具前角0和后角0， 都会增大切削力，使加工硬 化严重。 （2） 切削温度。切削温度越高，软化作用越大， 使硬化程度降低。 （3） 切削速度。当切削速度很高时，刀具与工件 接触时间很短， 被切金属变形速度很快，会使已加