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1、3 机械加工表面质量零件的加工质量：加工精度、表面质量表面质量的重要性：配合质量、零件的破坏从表 面开始目的：掌握机械加工过程中各种工艺因素对加工 表面质量的影响的规律，应用这些规律控制加工 过程，最终达到提高加工表面质量、提高产品使 用性能的目的。1、表面质量及其对零件使用性能的影响2、影响表面粗糙度的工艺因素3、影响表面层物理力学性能的因素4、工艺系统的振动内容3.1 加工表面质量及其 对零件使用性能的影响一、加工表面质量的概念表面几何形状误差、表面层金属物理力学性能 和化学性能(一)表面几何形状误差表面粗糙度、波度、纹理方向、伤痕形成：力、热综合作用的结果1、冷作硬化：硬化程度和深度两个
2、指标一般情况深度：0.050.3 滚压加工：数mm2、表面层金属的金相组织：切削热导致金相变化磨削淬火钢：马氏体分解、或出现回火组织3、残余应力(二)表面层金属物理力学性能和化学性能（ 三)表面质量对零件使用性能的影响 耐磨性3、冷作硬化：提高耐磨性：0.51倍一般情况：表面显微硬度提高、塑性降低，减少摩 擦副接触部分的弹性变形和塑性变形，减少咬焊1、粗糙度2、表面纹理：有效接触面 积、润滑液的存留圆弧状、凹坑状表面纹理耐 磨性好，尖峰状差运动副中：纹理方向与运动 方向相同，耐磨性好；垂直 ，差1、表面粗糙度：对承受交变载荷的零件疲劳强度影 响大：曲轴、连杆：光整加工2、表面层力学性质：冷作硬
3、化：提高疲劳强度、阻止疲劳裂纹生长 ，产生拉、压应力：拉应力：降低耐疲劳强度压应力：提高耐疲劳强度表面质量对疲劳强度的影响对耐蚀性的影响粗糙度：增加与腐蚀性物质的接触面积力学性能：压应力：阻止裂纹扩大，增强 耐磨性对配合质量的影响:表面粗糙度表面质量对零件使用性能的影响（续）二、表面完整性Integrity对产品的使用性能要求越来越高。重要零件：在高温、高速、高压等条件下工作时， 表面层上任何缺陷不仅直接影响零件的工作性能， 也会引起应力集中、应力腐蚀现象，加速零件的失 效。对零件的表面质量提出新的概念表面完整性。1、表面形貌：描述加工后零件表面的几何特征：表 面粗糙度、波度、纹理2、表面缺陷
4、：加工表面出现的宏观裂纹、伤痕、腐 蚀等；对零件的使用有很大影响3、微观组织与表面层的冶金化学特性： （1）微观裂纹 （2）微观组织变化：晶粒形状、大小、析 出物和再结晶的的变化； （3）晶向腐蚀和化学成分的优先溶解； （4）对于氢、氧等元素的化学吸收作用所 引起的脆性；表面完整性Integrity(续)4、表面层物理力学性能：表面层硬化深 度的程度、表面层残余应力的大小和方向 分布； 5、表面层的其他工程技术属性： 摩擦特性、光的反射率、导电、导磁特性 等。更强调表面层内的特性表面完整性Integrity(续)3.2 影响加工表面粗糙度的工艺因素 和改善措施两种：几何因素、物理因素一、切削加
5、工尖刃切削： 圆弧刃切削：车削、刨削时的残留高度：进给量、主副偏角 、刀尖圆弧半径切削速度的影响：塑性材料:V为2050m/min时，表面粗糙度最大，易 出现积屑瘤、鳞刺等；超过100m/min后，粗糙度下降 ，并稳定脆性材料：切削速度对粗 糙度影响不大应合理选择切削液、适当 增加刀具前角、提高刀具 刃磨质量切削加工时物理因素的影响：塑性变形1、表面粗糙度的形成：1）几何原因：加工表面由砂轮上大量磨粒刻划出 单位面积上的刻痕越多（即通过单位面积上的磨粒 数越多)，且刻痕深度均匀，粗糙度低。2）塑性变形：磨粒为负前角在磨削时对表面产 生挤压作用而出现塑性变形，磨削高温进一步增加 塑性变形，增大表
6、面粗糙度3）加工时的振动：振动是主要因素，后文讲述二、磨削加工1）砂轮：粒度、硬度、砂轮的修整2)工件材料3）加工条件2、磨削中影响表面粗糙度的因素 及改善措施筛分法。大于50m, 筛网在每英寸长度上 的网眼数显微镜分析法。小于 50m, 用显微镜测量7大级14小级:超软,软,中软,中,中硬, 硬,超硬粒度细：单位面积上磨粒越多刻痕越细表面 粗糙度越小太细：易堵塞、降低磨削作用、产生波纹和烧 伤（粒度号越大粒越细:磨粒刚刚能通过筛网的网 号来表示）硬度磨粒受磨削力作用后从砂轮上脱落的难易程 度太硬：不易脱落、磨钝后受到强烈的摩擦和挤压 、增加塑变粗糙度变大、烧伤太软：易脱落、磨削作用减弱粗糙度
7、变大应选择合适硬度：中软砂轮1）砂轮：粒度、硬度砂轮修整：修整工具、纵向进给量修整的目的：除去钝化颗粒、使磨粒切削刃锋利 、获得切削微刃、使磨粒等高性好工具：金刚石砂轮修整工件材料的硬度、塑性、导热性：对粗糙度影响显著铝、铜：堵塞砂轮；耐热合金：使砂粒早期崩落2）工件材料加工条件：切削用量、冷却条件、工艺系统刚度、 抗振性v砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒 数越多，表面粗糙度值就越小。v工件转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，表 面粗糙度值增大。v砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面 将被重叠切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙 度值就越小。v冷却：降低磨削区温度、减少烧伤、冲去
8、砂粒和 切屑3）加工条件3.3 影响表层金属物理力学性能的工艺因素表面层受热和力的作用：导致物理力学性能发生变化本节内容：表面物理力学 性能影响金相组织变化 因素影响显微硬度因素影响残余应力因素塑变引起的冷硬 金相组织变化引起 的硬度变化冷塑性变形 热塑性变形 金相组织变化切削热工艺措施一 表面层加工硬化1、加工硬化的产生及衡量指标工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑 性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被 拉长、纤维化甚至碎化，使表面层的强度和硬度增加 ，塑性降低，物理性能（密度、导电性、导热性）也 有所变化，-加工硬化，又称冷作硬化和强化。软化：切削热使金属在塑性变形中产生回
9、复现象， 使金属失去加工硬化所得到的物理力学性能硬化和软化在加工过程中同时存在。最后的性能取 决于两者的比率。加工硬化指标1）显微硬度：HV；2）硬化层深度：h0；3）硬化程度：HV0工件原表面层的显微硬度T3-1 刀具几何形状的影响切削刃 r、前角、后面磨损量VB表层金属的塑变加剧冷硬切削用量的影响切削速度v塑变冷硬f切削力塑变冷硬工件材料性能的影响 材料塑性冷硬3、加工硬化测量：HV、h 2、影响加工硬化的因素二 表面层残余应力三种:冷态塑变、热态塑变、金相组织变化1） 冷态塑变:在切削力作用下，被加工工 件表面受到挤压与摩擦，表层金属体积增大 ，产生伸长塑变，基体仍处于弹性变形状态 ，表
10、层塑变受到与其相连的里层金属的阻止 。表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力 。1、表面层残余应力产生原因切削热-表层热膨胀，基体温度低，表层产生压应力 ，基体产生压应力。切削过程结束，已产生塑变的表 层由于温度降低冷缩，但受到基体的限制，最终表面 表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力。tp:完全塑性， 无应力tn:室温2） 热态塑变金相组织变化：切削时产生高温，导 致表层金相组织变化。比容大的组织比 容小的组织体积收缩，产生拉应力，反 之，产生压应力。（密度小，比容大）密度：马氏体 7.75mg/cm3 奥氏体 7.96 珠光体 7.78 铁素体 7.883） 金相组织变化淬火钢：原组
11、织马氏体 屈氏体或索氏体（接近珠光体 ）密度增大，体积减小 残余拉应力如果表面温度超过Ac3（相变温度），冷却又充 分，表层又将成为马氏体（一薄层二次淬火层） 体积膨胀，残余压应力磨削回火淬火钢加工中金相组织变化表面层残余应力 磨削：热的作用冷态塑性变形热态塑性变形 三者综合作用结果金相组织变化2、影响表面层残余应力及磨削裂纹的因素精细磨：温度低、冷态塑变为主；产生浅而小的残 余压应力精磨：热塑变为主，产生残余拉应力重磨：表面极浅的残余压应力，接着是较深而大的 残余拉应力：表面产生二次淬火层，下层为回火组 织（回火屈氏体、索氏体）磨削裂纹的产生与工件材料和热处理规范有关：高 碳钢易产生裂纹磨削
12、中的残余应力磨削裂纹的产生与工件材料 和热处理规范有关：高碳钢易产生裂纹;淬火钢晶界脆弱，渗碳、渗 氮钢受温度影响，易在临界 面上析出脆性碳化物和氮化 物，磨削时易产生裂纹。磨削裂纹三 表面层金相组织的变化与磨削烧伤高温使金属发生相变：一般切削，温度不足以产 生相变磨削：可能发生相变磨削热使工件表面层金相组织发生变化，使表面 层的硬度和强度下降，产生残余应力甚至产生显 微裂纹：磨削烧伤磨削烧伤会严重影响零件的使用性能。1 原因磨削烧伤颜色发生磨削烧伤后，由于表面氧化层厚度的不同， 会产生不同的颜色：黄、褐、紫、青。 判断方法虽然将颜色磨去，但不能完全去除烧伤层，会留 下隐患。500 700 9
13、00 青紫褐黄3种磨削烧伤1）回火烧伤：马氏体转变温度 Ac3 + 充分冷却(急冷)马氏体 二次淬火马氏体：硬度高于回火 马氏体(薄)，下层为硬度较低的回 火屈氏体或索氏体，总的硬度降低3）退火烧伤：表层温度 Ac3 + 慢冷马氏体 奥氏体：退火 - 硬度急剧下降对磨削热的处理：* 尽可能减少磨削热；* 改善冷 却条件1）合理选择磨削用量：外圆磨：ap Vs 烧伤工件f 烧伤(砂轮与工件表面接触时间减少，热作用时间减少 ) Vw 温度 热源作用时间减少）烧伤实践证明： 同时 Vs Vw ：避免烧伤2 改善措施2）工件材料：轴承钢、耐热钢、不锈钢易烧伤硬度 强度 韧性增加 导热性好磨削热量增加散
14、热好 3）砂轮太硬：烧伤；砂轮结合剂 ：采用具有一定弹性的材料 ，如树脂橡胶等。一般：粗砂轮，不易产生烧 伤2 改善措施（续）3）冷却：切削液的冷却形式 冷却液流量（大流量）、冷却结构2 改善措施（续）四 提高表面层物理力学性能的措施工件表面残余拉应力好还是压应力好？（一）零件的破坏形式和最终工序的选择 （二）表面强化工艺零件破坏形式：1、疲劳破坏：交变载荷表面层局部产生微观裂 纹，在拉应力作用下，使原生裂纹扩大，导致零件 破坏最终工序：能在加工表面产生残余压应力2、滑动磨损：滑动摩擦、粘结、扩散、化学磨损 等的综合作用。滑动磨损使表面承受压应力，当超 过许用应力时，发生磨损。最终工序：产生残
15、余拉应力。3、滚动磨损：表层下h处的拉应力对引起滚动磨损 起决定作用。最终工序：产生残余压应力（一）零件的破坏形式和最终工序的选择表面质量尤其是表面层的物理力学性能，对零 件的使用性能及寿命影响很大。如果最终工序不能保证零件表面获得预期的表 面质量要求，须在工艺过程中增设表面强化工艺。表面强化工艺通过冷加工方法使表面层金属发 生冷态塑变，以降低表面粗糙度、提高表面硬度， 并在表面层产生残余压应力。方法：化学热处理、电镀和表面机械强化等。表面机械强化：喷丸强化、滚压加工、液体磨料强 化等（二）表面强化工艺0.44mm钢珠高速打击被加工零 件表面：产生冷硬层、残余压应 力、提高零件疲劳强度珠丸：铸
16、铁、钢、砂石压缩空气喷丸、机械离心式喷丸 ：3550m/s（子弹300）适用：形状复杂零件：齿轮、连 杆、曲轴、板弹簧、螺旋弹簧等硬化层深度：0.7 Ra：E-: 振动加强；反之，衰减维持振动的条件3产生自激振动的条件在背向力Fy作用下，刀具作切入、切出运动 （振动）。单自由度机械加工振动模型：设工件系统为 绝对刚体，振动系统与刀架相连，且只在y方向 作单自由度振动。单自由度机械加工振动模型分析刀具切入，其运动方向与背向力方向相反，作 负功；即振动系统要消耗能量W振入；刀具切出，其运动方向与背向力方向相同，作 正功；即振动系统要吸收能量W振出；刀架振动系统同时 受F弹的作用。y越大 ，F弹也越大，当Fy=F弹时，
