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1、第九章 机械加工表面质量 概 述 掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高产品性能的目的。 实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量。 研究机械加工表面质量的目的 机械产品的失效形式 因设计不周而导致强度不够； 磨损、腐蚀和疲劳破坏。 少数 多数 9.1 机械加工表面质量对零件使用性能的影响 一、机械加工表面质量的含义 1表面的几何特征 2表面层物理力学、化学性能 (1)表面粗糙度 (2)表面波度 (3)纹理方向 (1)表面层加工硬化 (冷作硬化
2、 )。 (2)表面层金相组织变化。 (3)表面层产生残余应力。 1、表面的几何形状特征 加工后表面形状，总是以“峰”、“谷”的形式偏离其理想光滑表面。按偏离程度有宏观和微观 之分。 波距：峰与峰或谷与谷间的距离， 以 L表示； 波高：峰与谷间的高度，以 H 表示。 波距与波高 L/H1000时，属于宏观几何形状误差； L/H50时，属于微观形状误差，称作表面粗糙度； L/H=50 1000时，称作表面波度； 主要是由机械加工过程中工艺系统低频振动所引起。 纹理方向 是指表面刀纹的方向，取决于表面形成所采用的机械加工方法。一般 运动副或密封件 对纹理方向有要求。 伤痕 是指在加工表面个别位置出现
3、的缺陷，如沙眼、气孔、裂痕等。 2、表面层物理力学、化学性能 表示方法 (1)表面金属层的冷作硬化 指工件在加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形，使工件加工表面层的强度和硬度都有所提高的现象。 冷硬层深度 h 硬化程度 N 硬化程度： %1 000 HHN其中： H 加工后表面层的显微硬度 H0 材料原有的显微硬度 (2)表面层金相组织变化 (3)表面层产生残余应力 指的是加工中， 由于切削热的作用引起表层金属金相组织发生变化的现象。 如磨削时常发生的磨削烧伤，大大降低表面层的物理机械性能。 指的是加工中， 由于切削变形和切削热的作用，工件表层及其基体材料的交界处产生相互平衡的弹性应力的现
4、象 。 残余应力超过材料强度极限就会产生表面裂纹。 二、加工表面质量对机器零件使用性能的影晌 1表面质量对零件耐磨性的影响 第一阶段 初期磨损阶段 第二阶段 正常磨损阶段 第三阶段 急剧磨损阶段 零件的磨损可分为三个阶段 不是表面粗糙度值越小越耐磨，在一定工作条件下，摩擦副表面总是存在一个最佳表面粗糙度值，表面粗糙度 Ra值约为 0.32 0.25m较好。 表面粗糙度对摩擦副的影响 重裁情况下 ，由于压强、分子亲和力和润滑液的储存等因素的变化，其规律与上述有所不同。 表面纹理方向对耐磨性的影响 表面纹理方向影响金属表面的 实际接触面积 和 润滑液的存留情况 。 轻载时 ，两表面的纹理方向与相对
5、运动方向一致时，磨损最小；当两表面纹理方向与相对运动方向垂直时，磨损最大。 过度的加工硬化会使金属组织疏松，甚至出现疲劳裂纹和产生剥落现象，从而使耐磨性下降。 表面层的加工硬化对耐磨性的影响 由于加工硬化提高了表面层的强度，减少了表面进一步塑性变形和咬焊的可能。一般能提高耐磨性 0.5 1倍。 一般地，加工精度要求 ，加工成本 ，生产效率 。 2表面质量对零件疲劳强度的影响 在交变载荷作用下，零件表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷员易形成应力集中，并发展成疲劳裂纹，导致零件疲劳破坏。因此，对于重要零件表面如连杆、曲轴等，应进行光整加工，减小表面粗糙度值，提高其疲劳强度。 适当的加工硬化能阻碍已有裂纹
6、的继续扩大和新裂纹的产生，有助于提高疲劳强度。但加工硬化程度过大，反而易产生裂纹，故加工硬化程度应控制在一定范围内。 拉应力加剧疲劳裂纹的产生和扩展； 残余压应力，能延缓疲劳裂纹的产生、扩展，而使零件疲劳强度提高。 表面残余应力对疲劳强度的影响 影响极大 表面粗糙度的影响 表面层的加工硬化对疲劳强度影响 3表面质量对零件耐腐蚀性的影响 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； 表面粗糙度的影响 表面粗糙度值越大，越容易积聚腐蚀性物质； 波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。 零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度 表面残余应力对零件耐腐蚀性影响 拉应力则降低耐腐蚀性
7、4表面质量对配合性质的影响 表面残余应力会引起零件变形，使零件形状和尺寸发生变化，因此对配合性质有一定的影响。 相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。 表面粗糙度的影响 对间隙配合而言，表面粗糙度值太大，会使配合表面很快磨损而增大配合间隙，改变配合性质，降低配合精度。 对过盈配合而言，装配时配合表面的波峰被挤平，减小实际过盈量，降低了连接强度，影响了配合的可靠性。 表面残余应力的影响 刀尖圆弧半径 主偏角 副偏角 进给量 9.2 影响表面粗糙度的工艺因素及其改善措施 表面粗糙度的形成和影响因素 几何因素 物理因素 两方面 一、切削加工表面粗糙度 切削残留面积的高度 金相组织 金相组织
8、越大，粗糙度也越大； 切削液的选用及刀具刃磨质量 图 p233 几何原因 塑性变形 机械加工振动 二、磨削过程中表面粗糙度的形成 1、形成因素 切削用量 砂轮的粒度和砂轮的修整情况 (1) 几何原因 1）切削用量对表面粗糙度的影响 砂轮的速度 ，单位时间内的磨削量 ，粗糙度 ； 工件的速度 ，单位时间内的磨削量 ，粗糙度 ； 砂轮纵向进给速度 ，每部位重复磨削次数 ，粗糙度 。 2）砂轮的粒度和砂轮的修整对表面粗糙度的影响 砂轮的粒度 磨粒的大小 磨粒间的距离 砂轮的粒度号 ，参与磨削的磨粒 ，粗糙度 ； 砂轮的粒度号越大，磨粒和磨粒间离越小 修整砂轮时，纵向进给量对表面粗糙度的影响甚大； 纵
9、向进给量 ，砂轮表面的等高性越好 ，粗糙度 ； （ 2）金属表面层的塑性变形 在磨削过程中，由于磨粒大多具有很大的负前角，很不锋利，所以大多数磨粒在磨削时只是对表面产生 挤压作用 而使表面出现塑性变形，磨削时的高温更加剧了塑性变形，增大了表面粗糙度值。 砂轮转速 ，切削速度 ，工件材料来不及变形，塑性变形 ，粗糙度 ； 工件转速 ，工件材料塑性变形 ，粗糙度 ； 切削深度 ，工件材料塑性变形 ，粗糙度 ； 合理选用砂轮和切削液 ，有利于减少塑性变形 ，精度粗糙度 ； 另外： 对磨削表面粗糙度来说，振动是主要影响因素。振动产生的原因很多，将在后面讲述。 3加工时的振动 二、影响表面粗糙度的因素及
10、其改进措施 第一类是与磨削砂轮有关的因素 第二类是与工件材质有关的因素 第三类是与加工条件有关的因素 影响表面粗糙度的因素 砂轮太硬，磨粒磨损后不易脱落，使工件表面受到强烈的摩擦和挤压，增加了塑性变形，表面粗糙度值增大，同时还容易引起烧伤； 砂轮太软，磨粒易脱落，磨削作用减弱，也会增大表面粗糙度值。 (1)与磨削砂轮有关的因素 主要是砂轮的粒度、硬度以及对砂轮的修整等。 砂轮的粒度越细，则砂轮单位面积上的磨粒数越多，磨削表面的刻痕越细，表面粗糙度值越小；但较度过细，砂轮易堵塞，使表面组糙度值增大，同时还易产生波纹和引起烧伤。 砂轮的粒度要适度 砂轮硬度要合适 砂轮的硬度是指磨粒受磨削力后从砂轮
11、上脱落的难易程度。 越小，修出的微刃越多，等高性越好，粗糙度值低。 砂轮的修整质量 修整工具 修整砂轮的纵向进给量 砂轮的修整质量 砂轮的修整是用金刚石除去砂轮外层己钝化的磨粒，使磨粒切削刃锋利，降低磨削表面的表面粗糙度值。 与这两者有密切关系 铝、铜合金等软材料易堵塞砂轮，比较难磨。 塑性大、导热性差的耐热合金易使砂粒早期崩落，导致磨削表面粗糙度值增大。 (2)与工件树质有关的因素 包括材料的硬度、塑性、导热性等。 对表面粗糙度有显著影响 (3)与加工条件有关的因素 包括磨削用量、冷却条件及工艺系统的精度与抗振性等。 除了从上述几个方面考虑采取措施外，还可从加工方法上着手改善，如用 研磨、珩
12、磨、超精加工、抛光 等。 切削液 砂轮磨削时温度高，热的作用占主导地位。采用切削液可以降低磨削区温度，减少烧伤，冲去脱落的砂粒和切屑，以免划伤工件，从而降低表面粗糙度度值。但必须选择适当的冷却方法和切削液。 减少加工表面的表面粗糙度的其它方法 9.3 影响零件表面层物理力学性能的因素及其改善措施 加工表面除受力变形外，还受到机械加工中产生的切削热的影响。切削热在一定条件下会使金属在塑性变形中产生回复现象，使金属失去加工硬化中所得到的物理力学性能，这种现象称为 软化 。 一、表面层的加工硬化 1加工硬化的产生 硬化 软化 机械加工过程中，工件表面后金属受切削力作用，产生强烈的塑性变形、使金属的晶
13、格扭曲，晶粒被拉长、纤维化甚至破碎而引起的表面层的强度和硬度增加，塑性降低，物理性能（如密度、导电性、导热性等）也有所变化。这种现象称为加工硬化，又称作 冷作硬化或强化 。 因此，金属在加工过程中最后的加工硬化，取决于硬化速度与软化速度的比率。 1)表面层的显微硬度 HV 2)硬化层深度 h0 3)硬化程度 N 2加工硬化的衡量指标 HV0 金属原来的显微硬度 磨削时，磨削深度和纵向进给速度 ，磨削力 ，塑性变形加剧，表面冷硬趋向 。 4影响加工硬化的因素 1)切削力 ，塑性变形 ，硬化程度和硬化层深度 。 如： 切削时进给量 ，切削力 ，塑性变形程度 ，硬化程度 ； 刀具的刃口圆角和后刀面的
14、磨损量增大，塑性变形 ，冷硬层深度和硬化程度随之 。 各种机械加工方法在加工钢件时表面加工硬化的情况如下表所示。 2) 切削温度 ，软化作用 ，冷硬作用 。 如： 切削速度增大，会使切削温度升高，有利于软化； 磨削时提高磨削速度和纵向进给速度，有时会使磨削区产生较大热量而使冷硬减弱。 3) 被加工材料的硬度低、塑性好，则切削时塑性变形越大，冷硬现象就越严重。 二、表面层的残余应力 (1)冷态塑性变形引起的残余应力 (2)热态塑性变形引起的残余应力 (3)金相组织变化引起的残余应力 l、表面层残余应力及其产生的原因 表面层残余应力 外部载荷去除后，工件表面层及其与基体材料的交界处仍残存的互相平衡的应力。 表面层残余应力产生的原因 (1)冷态塑性变形引起的残余应力 当刀具从被加工表面上去除金属时，由于后刀面的挤、压和摩擦作用，加大了表面层伸长的塑性变形，表面层的伸长变形受到基体金属的限制，也在表面层产生了残余压应力。 在切削力作用下，已加工表面产生强烈的塑性变形。表面层金属比容增大，体积膨胀，与它相连的里层金属的阻止其体积膨胀； 里层产生残余拉应力
