表面质量与加工精度

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1、第三讲：机械加工表面质量,零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包括加工表面质量。 机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命。,一、 概 述,零件表面质量,表面质量的含义（内容）,表面质量对零件使用性能的影响,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,残余应力越大，工作精

2、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,（1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响 表面粗糙度太大和太小都不耐磨。太大，接触表面的实际压强增大，凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；太小，存不住润滑油。 表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关。,二、表面质量对零件使用性能的影响,表面粗糙度与初期磨损量的关系,（2）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响,加工表面的冷作硬化，通常能提高零件的耐磨性。 冷作硬化使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，减少变形. 并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。 因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松”，导致金属剥落和形成小颗粒。

3、,连杆小头拉应力 径向压应力,（1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，缺陷多，抗疲劳破坏的能力差。特别是承受交变载荷的零件，凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。,（2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响 适度的表面层冷作硬化能提高零件的抗疲劳强度。 残余拉应力使加工表面产生裂纹并扩展而降低疲劳强度 残余压应力能部分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。,3.表面质量对零件工作精度的影响 （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

4、响 表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。,4表面质量对零件耐腐蚀性能的影响,（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。 （2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响 残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性。 残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。,三、 影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制,（一）切削加工表面粗糙度形成的原因,1、几何因素,刀尖圆弧半径r 主偏角kr、副偏角kr 进给量f,车削、刨削时残留面积高度,进给量f、刀具主偏角K、副偏角K、刀尖角半径r都直接影响表面粗糙度。,（2）切削速度

5、的影响,加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞刺的影响）见如图所示。 此外，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。,（4）其它因素的影响,此外，合理使用冷却润滑液，适当增大刀具的前角，提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值，还要考虑加工过程中的塑性变形与积屑瘤现象。,（3）进给量的影响,减小进给量f可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势。,韧性材料：韧性愈好，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，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。 脆性材料：加工时，切

6、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。,（1）工件材料的影响,2、物理力学因素,加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响,切削用量中以进给量f影响最大，f，Ra；切削速度V次之，V40m/min后V，Ra。,f0.15mm时 f Rz f0.15mm时 f Rz f0.02mm时 f Rz ,影响切削加工表面粗糙度的因素,刀具几何形状,刀具材料、刃磨质量,切削用量,工件材料,影响切削加工表面粗糙度的因素（小结）,（二）磨削加工表面粗糙度,1、 磨削中影响粗糙度的几何因素,工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的刻痕形成的。,磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨粒越细，

7、刃口的等高性越好。则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越细密均匀，表面粗糙度值就越小。,（1）砂轮的磨粒,一般磨料的粒度用粒度号表示， 每英寸长度上的网眼个数为粒度号，例80#，60# 微粉用最大颗粒的最大尺寸的微米数表示，例W28、W14。,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。 工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影响相反。工件的转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，因此表面粗糙度值增大。 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。,（3）磨削用量,（2）砂轮修整,使砂轮具有正确的

8、几何形状，也使砂轮工作表面形成排列整齐而又锐利的微刃（图）。,砂轮上的磨粒,超硬磨料(人造金刚石、立方氮化棚和陶瓷)对砂轮进行磨削，是精密和超精密磨削的主要方法。经过修整后的砂轮，其磨粒具有很高的微刃性、等高性和自锐性，能切除极薄的被加工工件材料，甚至是在工件晶粒内进行，可以对各种高硬度、高脆性材料(如硬质合金、陶瓷、玻璃等)和高温合金材料进行精密及超精密加工。,修整砂轮时，金刚石笔的纵向进给量越小，砂轮表面磨粒的等高性越好。,2、 磨削中影响粗糙度的物理因素,磨削速度高，且磨粒大多数是负前角，切削刃又不锐利，磨粒在磨削过程中对被加工表面挤压，没有切削。加工表面出现沟槽与隆起，磨削高温加剧了塑

9、性变形。,（1）磨削用量,砂轮的转速 材料塑性变形 表面粗糙度值 磨削深度、工件速度 塑性变形 表面粗糙度 为提高磨削效率，通常在开始磨削时采用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表面粗糙度值。,（2）工件材料,太硬易使磨粒磨钝 Ra ； 太软容易堵塞砂轮Ra ； 韧性太大，热导率差会使磨粒早期崩落Ra 。,3 砂轮五大要素,粒度越细，磨削的表面粗糙度值越小。但磨粒太细时，砂轮易被磨屑堵塞，使加工表面塑性变形增大，,硬度是指磨粒在磨削力的作用下从砂轮上脱落的难易程度。砂轮太硬，磨粒不易脱落，磨钝了的磨粒不能及时被新磨粒替代，砂轮太软，磨粒易脱落，磨削作用减弱

10、。,砂轮磨料主要有：氧化物(刚玉)砂轮适用于磨削钢类零件；碳化物(碳化硅、碳化棚)砂轮适于磨削铸铁、硬质合金等材料。,组织是指磨粒、结合剂和气孔的比例关系。紧密组织中的磨粒比例大，气孔小，在成形磨削和精密磨削时，能获得高精度和较小的表面粗糙度值。疏松组织的砂轮不易堵塞，适于磨削软金属、非金属软材料和热敏性材料(不锈钢、耐热钢等)，可获得较小的表面粗糙度值。,将磨料粘结在一起，给砂轮以强度和形状的材料被称为结合剂，主要有陶瓷结合剂、树脂结合剂、橡胶结合剂、金属结合剂。,影响磨削加工表面粗糙度的因素,影响磨削加工表面粗糙度的因素（小结）,砂轮粒度,工件材料性质,砂轮修正,磨削用量,砂轮硬度,四、

11、影响表面层物理力学性能的 主要因素及其控制,影响表面层物理力学性能的主要因素,表面物理力学性能,1 影响表面层加工硬化的因素,刀具几何形状的影响,切削用量的影响,工件材料性能的影响,磨削过程中，当工件表面层产生的残余应力超过工件材料的强度极限 时，工件表面就会产生裂纹。磨削裂纹常与烧伤同时出现。,切削加工往往是冷态塑性变形，表面层常产生残余压缩应力。磨削加 工通常是热态塑性变形或金相组织变化引起的体积变化，表面层常产生残 余拉伸应力。,2. 表面层残余应力,1） 冷态塑变,2） 热态塑变,3） 金相组织变化,磨削烧伤：磨削加工时，表面层有很高的温度，当温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组

12、织变化，强度和硬度降低、产生残余应力、甚至出现微观裂纹。这种现象称为磨削烧伤。 淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的磨削烧伤有三种形式。,3 表面层金相组织变化与磨削烧伤,磨削烧伤的三种形式,淬火烧伤,回火烧伤,退火烧伤,磨削用量,砂轮与工件材料,改善冷却条件,1）砂轮转速 磨削烧伤 2）径向进给量fp 磨削烧伤 3） 轴向进给量fa磨削烧伤 4）工件速度vw 磨削烧伤,1)磨削时，磨粒的切削刃口锋利 磨削力磨削区的温度 2)材料的磨削导热性 (耐热钢、轴承 钢、不锈钢) 磨削烧伤 3)应合理选择砂轮的硬度、结合剂和 组织磨削烧伤,采用内冷却法 磨削烧伤 图,4.影响磨削烧伤的因素及改善途

13、径,采用开槽砂轮,间断磨削受热磨削烧伤,内冷却装置 1锥形盖 2通道孔 3砂轮中心孔 4有径向小孔的薄壁套,开槽砂轮 a） 槽均匀分布 b）槽均匀分布,形成压应力的方法 既然压应力可提高疲劳强度，怎样才能使工件表面产生压应力呢?常用的方法有滚压、喷丸、高频淬火、滲碳、渗氮、氰化等。,滚压:图6-9所示为外圆滚压工具，图a为刚性滚压工具，用于刚性较好的工件；图b为弹性滚压工具，用于刚性较差的工件。滚压深度一般0.030.1mm，滚压次数不超过3次。 滚轮可用W18Cr4V、硬质合金等材料制成。硬度要求HRC60-64以上，也可用滚珠轴承代替。,喷丸强化是利用压缩空气或离心力将大量快速运动的珠丸（

14、直径0.040.84mm）打击被加工工件表面，使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力，可显著提高零件的疲劳强度。一般把喷丸处理作为最后工序，对于精度要求高的工件也可安排小余量精磨。 珠丸可是铸铁的，也可是切成小段的钢丝（使用一段时间后，自然变成球状）。对于铝质工件，为避免表面残留铁质微粒而引起电解腐蚀，宜采用铝丸或玻璃丸。珠丸的直径一般为0.24mm。 此法用于强化形状复杂的工件，如板弹簧、螺旋弹簧、连杆、齿轮、焊缝等。经喷丸加工后的表面，硬化层深度可达0.7mm，零件表面粗糙度值可由Ra52.5m 减小到Ra0.630.32m ，可几倍甚至几十倍地提高零件的使用寿命。,陶瓷喷丸,喷丸强化,六 机

15、械加工中的振动,振动会在工件加工表面出现振纹，降低了工件的加工精度和表面质量； 振动会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨损； 振动使机床连接部分松动，影响运动副的工作性能，并导致机床丧失精度； 强烈的振动及伴随而来的噪声，还会污染环境，危害操作者的身心健康。为减小加工过程中的振动，有时不得不降低切削用量，使机械加工生产率降低。,（一）、机械加工中的振动现象,1、振动对机械加工的影响,2机械加工中振动的种类及其主要特点,机械加工振动,当系统受到初始干扰力激励破 坏了其平衡状态后，系统仅靠 弹性恢复力来维持的振动称为 自由振动。由于存在阻尼， 自由振动将逐渐衰减，如图 所示。(占5%),系统

16、在周期性激振力(干扰力)持 续作用下产生的振动，称为强迫 振动。激振力存在振动系统就不 会被阻尼衰减掉。（占35%),在没有周期性干扰力作用的情 况下，由振动系统本身产生的 交变力所激发和维持的振动， 称为自激振动。切削过程中产 生的自激振动也称为颤振。 (占65%),例如： 外部振源：冲床、锻锤、粉碎机、空压机、振源动造型机、落砂机、飞机、载重汽车、火车、天车等。 高速旋转部件不平衡：主轴、卡盘、电机、工夹具系统、齿轮、皮带轮、万向节、液压系统等。 不连续切削产生交变负荷：刀齿不连续、加工表面不连续。,(1)强迫振动是在外界周期性干扰力的作用下产生的，但振动本身并不能引起干扰力的变化； (2)不管振动系统本身的固有频率如何，强迫振动的频率总是与外界干扰力的频率相同或是它的整数倍； (3)强迫振动的振幅大小在很大程度上取决于干扰力的频率与系统固有频率的比值。当这一比值等于或接近于1时，振幅将达到最大值，这种现象通常称为“共振”； (4)强迫振动的振幅大小还与干扰力、系统刚度及其阻尼系数有关。干扰力越大，刚度及阻尼系数越小，则振幅越大。,