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1、第九章 已加工表面质量,第一节 已加工表面质量的概念,第二节 已加工表面质量的形成过程,第四节 加工硬化,第三节 已加工表面粗糙度,第五节 残余应力,第六节 精密切削加工的表面质量,1、表面几何学方面 零件最外表面的几何形状，通常用表面粗糙度表示。 2、表面层材质的变化 指在一定深度内的表面层产生的变质层。（塑性变形、硬度变化、微观裂纹、晶格畸变、残余应力、热损伤区、化学特性及电磁特性的变化。） 评定表面质量的标志有： 表面粗糙度、表面层的加工硬化程度及硬化层深度、表面层金属组织的变化情况、残余应力的大小及性质。,第一节 已加工表面质量的概念,第二节 已加工表面的形成过程,已加工表面的形成过程
2、(第三变形区) 无论怎样仔细刃磨刀具，前、后刀面形成的切削刃不可能绝对锋利，钝圆半径r总是存在的。其值经测定：高速钢刀具310m；硬质合金刀具1832m。另外，刀具开始切削不久，后刀面就会发生磨损，形成一段oe=0的棱带VB。在研究已加工表面形成时，应考虑r、VB的影响。,当切削层金属以v逐渐接近切削刃时，被切层便发生挤压与剪切变形，最终沿剪切面OM方向滑移成为切屑。 由于r的关系，ac中将有a无法沿OM方向滑移，而是从切削刃钝圆部分O点下面挤压过去，继之又受到VB的挤压和摩擦，使工件表层金属受到剪切应力，随后弹性恢复，设其高度为h，则已加工表面在CD长度上继续与后刀面摩擦。 切削刃钝圆部分O
3、B、VB、CD构成了后刀面的总接触长度。通过这一剧烈的变形过程形成的已加工表面，其表层的金属具有和基体组织不同的性质，称加工变质层。,一、表面粗糙度产生的原因 几何因素 决定残留面积的高度 切削过程因素 切削过程不稳定因素所产生的粗糙度，（积屑瘤、鳞刺、切削变形，刀具的边界磨损、刀刃与工件相对位置的变动等）,第三节 已加工表面粗糙度,1、残留面积 切削时，由于刀具与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。 （主、副偏角及刀尖圆弧半径的影响，去除面积不是apf）,由刀尖圆弧部分形成的残留面积高度为： 由主、副切削刃的直线部分形成的残留面积高
4、度为：,2、积屑瘤 积屑瘤是指由于刀屑接触面的摩擦，当切削速度不高又形成连续切屑时，加工钢料和其它塑性材料时，常常在刀刃处粘着剖面呈三角状硬块。硬度为工件硬度的2-3倍。 积屑瘤的变化不但是整体，而且积屑瘤本身也有一个变化过程。积屑瘤的底部一般比较稳定，而它的顶部极不稳定，经常会破裂，然后再形成。破裂的一部分随切屑排除，另一部分留在加工表面上，使加工表面变得非常粗糙。,积屑瘤,3、鳞刺 鳞刺指的是已加工表面上出现的鳞片状的毛刺。中低切削速度下，塑性材料。 4、切削过程中的变形,5、刀具的边界磨损（副后刀面的边界磨损） 6、刀刃与工件相对位置变动,二、影响表面粗糙度的因素（如何降低表面粗糙度）
5、减小残留面积，消除积屑瘤和鳞刺，减小工件材料的塑性变形及切削过程中的振动等。 1、刀具方面 几何参数（较大的刀尖圆弧半径，较小的副偏角。降低刀面及切削刃的粗糙度）；刀具的磨损（后刀面磨损尺寸越大，粗糙度越大，尤其是副切削刃上的边界磨损，影响更为严重）；刀具材料（尽量降低刀具材料与加工工件材料的粘结与摩擦）。,2、工件方面 工件材料的塑性和金相组织，塑性越大，粗糙度越大。降低材料的塑性。 3、切削条件方面 切削速度：切削塑性材料时，切速低、中时易产生鳞刺和积屑瘤，提高切削速度；减小进给量，可降低残留面积高度、鳞刺及积屑瘤高度，从而降低表面粗糙度；切削深度对粗糙度的影响小；采用高效切削液。,一、加
6、工硬化产生的原因 1、加工硬化概念 已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象。 2、加工硬化产生原因 已加工表面的形成过程中，表层金属经受了复杂的塑性变形。加工表面严重变形层内金属晶格拉长、挤紧、扭曲、碎裂，使表层组织硬化。,第四节 加工硬化,式中 H 硬化层显微硬度（HV）； H0 基体层显微硬度（HV）。 N可达120200。, 硬化层深度：已加工表面至未硬化处的垂直距离。即指硬化层深入基体的距离hd（m）。一般为几十至几百微米。,3、加工硬化的度量 硬化程度N：已加工表面的显微硬度增加值对原始显微硬度的百分数。,二、影响加工硬化的因素 1、刀具方面 前角越大，硬化层深度越小；切削刃钝
7、圆半径越大，加工硬化越大；刀具后刀面磨损量VB越大，加工硬化越大。 2、工件方面 塑性越大，强化指数越大，熔点越高，则硬化越严重。 3、切削条件 随切削速度的增加加工硬化先是减小，随后又随切速的增加而增加；进给量增大，加工硬化增大；背吃刀量对加工硬化的影响不显著。, 减小切削变形：提高切速，加大前角，减小刃圆半径等 减小摩擦：如加大后角，提高刀具刃磨质量等 进行适当的热处理 进行有效的冷却润滑,1、残余应力概念,未施加任何外力作用情况下，材料内部保持平衡而存在的应力。,2、残余应力种类及影响, 残余拉应力（）： 易使加工表面产生裂纹，降低零件疲劳强度 残余压应力（）： 有利于提高零件疲劳强度
8、残余应力分布不均： 会使工件发生变形，影响形状和尺寸精度,第五节 残余应力,一、残余应力产生的原因, 机械应力引起的塑性变形 机械应力塑性变形是切削力使零件表层金属产生塑性变形，切削完成后又受到里层未变形金属牵制而残留拉应力(里层金属产生残余压应力)。第三变形区内后刀面与已加工表面的挤压与摩擦又使表面金属产生残余压应力(里层金属产生残余拉应力)。如果第一变形区内应力造成的残余应力大于第三变形区内产生的残余应力，则机械应力所造成的残余应力表现为残余拉应力。反之，由于机械应力引起的残余应力为残余压应力。,3、残余应力产生原因, 热应力引起的塑性变形 表层拉应力，里层压应力 表层金属组织发生相变而造
9、成的应力 影响复杂，若切削区温度超过相变温度，钢的珠光体受热转变成奥氏体，冷却后又转变成马氏体，体积膨胀，表层产生压应力。 实际应力状态是上述各因素影响的综合结果,二、影响残余应力的因素 1、刀具方面 前角减小（钝圆半径增大）时，残余应力由正值变为负值；刀具后刀面磨损量VB增大时（摩擦增大，温度升高并且热应力主要），残余拉应力增大，应力层深度也增大。 2、工件方面 塑性较大的材料，通常产生残余拉应力。塑性越大，残余拉应力越大；脆性材料加工表面多产生残余压应力（后刀面的挤压摩擦主导作用）。 3、切削条件 v增大时（温度升高，热应力主导），残余拉应力增大，但应力层深度减小；f增大时（力和热增大，热
10、主导），残余拉应力增大；ap对残余应力的影响不显著。,三、降低残余应力的措施 1、使用锋锐的刀具 2、降低磨损限度 3、使用良好的润滑液 4、根据实测应力数据，改变刀具角度和切削用量 5、粗加工、半精加工后采用热处理方法消除残余应力。 残余压应力的利用：残余压应力有时能提高零件的疲劳强度，如采用滚压、喷丸等方法。,一、精密、超精密加工的概念,在所处的时代里，用一般的技术水平，即可以实现的精度称为普通加工。 必须用较高精度的加工机械、工具及高水平的加工技术才能达到的精度，属于精密加工。 并非可以用较高技术轻而易举地就可以达到，而是采用先进的技术经过探讨、研究、实验之后才能达到的精度，并且实现这一
11、精度指标尚不能普及的加工技术称为超精密加工。,第六节 精密切削加工的表面质量,在机械制造中,加工精度是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的符合程度。 一般加工 加工精度10m左右， 表面粗糙度Ra 0.1m 精密加工 加工精度0.1-1m， 表面粗糙度Ra=0.02-0.1m 超精密加工 加工精度 0.1m， 表面粗糙度Ra 0.01m 发展方向：加工精度 1nm(10-3m)， 表面粗糙度Ra0.005m的加工技术纳米加工。,二、提高加工表面质量的措施 1、刀具方面 1)刀具刃口锋锐度rB 能磨得极其锋锐，刀刃钝圆半径rB极小，能实现超薄切削厚度。rB与切削刃的加工
12、方法有关，普通刀具5-30m，金刚石刀具10nm。可减小切削表面弹性恢复和表面变质层。从物理学的观点，刃圆半径有一极限。,2）切削刃的粗糙度 切削时切削刃的粗糙度将决定加工表面的粗糙度。普通刀刃的粗糙度Ry0.35 m，金刚石刀具刀刃的粗糙度Ry0.10.2 m，特殊情况Ry1nm，很难。 3）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，保证长的刀具寿命。 4）刀刃无缺陷，足够的强度，耐崩刃性能。 5）化学亲和性小、与工件材料的抗粘结性好、摩擦系数低，能得到极好的加工表面完整性。,刀具材料、刀具的锋利性及平整性；采用单晶金刚石刀具，减小刀尖圆弧半径。,金刚石刀具的性能特点： 硬度极高。自然界最硬的材料，比硬质合金的硬度高5-6倍。 摩擦系数低。除黑色金属外，与其它物质的亲和力小。 能磨出极锋锐的刀刃。最小刃口半径1-5nm。 耐磨性好。比硬质合金高50-100倍。 导热性能好，热膨胀系数小，刀具热变形小。 不适宜切黑色金属，如钢、铸铁等。 很脆，避免振动。 价格昂贵，刃磨困难。 天然单晶金刚石被一致公认为理想的、不能代替的超精密切削刀具。 硬质合金刀具用于精密加工时要选用超微细颗粒。,2、切削条件方面 切削用量（切削速度、进给量）； 工艺系统刚性及机床精度； 切削液。,
