机械制造工程原理：第五章第3节-机械加工表面质量

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1、第五章 机械制造质量分析与控制 生产任何一种机械产品，都要求在保证质量的前提下，做到高效率、低消耗。产品的质量是第一位的，没有质量，高效率、低成本就失去了意义。产品质量是指用户对产品的满意程度。第五章 机械制造质量分析与控制 它有三层含意：一是产品的设计质量；二是产品的制造质量；三是服务。 以往强调较多的往往是制造质量，现代的质量观，主要站在用户的立场上衡量。 当今，服务也占据越来越重要的地位。 第五章 机械制造质量分析与控制 制造质量，它主要指产品的制造与设计的符合程度。 设计质量，主要反映所设计的产品，与用户 (顾客) 的期望之间的符合程度。 服务主要包括售前的服务，售后的培训、维修、安装

2、等。 第五章 机械制造质量分析与控制 产品的制造质量主要与零件制造质量、产品的装配质量有关，零件的制造质量是保证产品质量的基础。 零件的机械制造质量包括零件几何精度和零件表面层的物理机械性能两个方面。第五章 机械制造质量分析与控制 零件的几何误差包括尺寸误差、几何形状误差和位置误差。几何形状误差又可分为宏观几何形状误差、波度和微观几何形状误差，参见图5-1。 图5-1 微观几何形状误差、波度与宏观几何形状误差第五章 机械制造质量分析与控制 表面粗糙度是加工表面的微观几何形状误差，其波距 () 与波高 () 之比一般小于50。 波距 () 与波高 () 之比在501000范围内的几何形状误差，称

3、为波度。 波距 () 与波高 () 之比大于1000的几何形状误差，称为宏观几何形状误差。第五章 机械制造质量分析与控制 零件表面层物理机械性能方面的质量主要是指表面层材料的冷作硬化、金相组织的变化、残余应力。 本章将机械制造质量分成加工精度和表面质量两个方面来研究。前者包括尺寸精度、宏观几何形状精度和位置精度；后者包括表面粗糙度、波度和表面层材料物理机械性能。 第五章 机械制造质量分析与控制主要内容： 机械加工精度 工艺过程的统计分析 机械加工表面质量 机械加工过程中的几种振动形式第三节 机械加工表面质量 机械加工表面质量是以机械零件的加工表面和表面层作为分析和研究对象的。零件表面和表面层经

4、过常规机械加工或特种加工后总是存在着一定程度的微观不平度、冷作硬化、残余应力以及金相组织变化等问题，虽然只产生在很薄的表面层中，但对零件的使用性能如配合精度、耐磨性、抗腐蚀性和疲劳强度等有很大影响。第三节 机械加工表面质量 研究机械加工表面质量的目的，就是为了掌握机械加工中各种工艺因素对加工表面质量影响的规律，以便运用这些规律来控制加工过程，最终达到改善表面质量、提高产品使用性能的目的。 机械加工表面质量主要内容包括两部分，即表面的几何形状特征和表面层的物理、机械性能变化。第三节 机械加工表面质量1.表面的几何形状特性，主要由以下两个部分组成：(1)表面粗糙度：表面的微观几何形状误差；(2)波

5、度：介于加工精度（宏观）和表面粗糙度之间的周期性几何形状误差，它主要是加工过程中工艺系统的振动所引起的。第三节 机械加工表面质量2.表面层的物理、机械性能的变化，主要有以下三个方面的内容：(1)表面层因塑性变形引起的冷作硬化；(2)表面层因切削热引起的金相组织的变化；(3)表面层中产生的残余应力。工件表面的波度是由机械加工振动引起的。第三节 机械加工表面质量一、机械加工表面质量对机器使用性能的影响1.表面质量对耐磨性的影响表面粗糙度对耐磨性的影响 零件磨损的三个阶段：初期磨损阶段，正常磨损阶段，急剧磨损阶段。 图5-44 摩擦副的磨损过程第三节 机械加工表面质量 表面粗糙度对零件表面磨损的影响

6、很大。一般说表面粗糙度值愈小，其耐磨性愈好。 接触面的表面粗糙度有一个最佳值。 图5-45 表面粗糙度与初期 磨损量的关系第三节 机械加工表面质量 表面粗糙度的最佳值与零件的工作情况有关，工作载荷加大时，初期磨损量增大，表面粗糙度最佳值也加大。第三节 机械加工表面质量表面冷作硬化对耐磨性的影响 加工表面的冷作硬化，使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。但过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降。 如果表面层的金相组织发生变化，其表层硬度相应地也随之发生变化，影响耐磨性。 第三节 机械加工表面质量2.表面质量对疲劳强度的影响 金属受交变载

7、荷作用后产生的疲劳破坏往往发生在零件表面或表面冷硬层下面，因此零件的表面质量对疲劳强度影响较大。第三节 机械加工表面质量残余应力、冷作硬化对疲劳强度的影响 残余应力对零件疲劳强度的影响很大。表面层残余拉应力将使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏；而表面层残余压应力能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的发生。 表面冷硬一般伴有残余压应力的产生，可以防止裂纹产生并阻止己有裂纹的扩展，对提高疲劳强度有利。第三节 机械加工表面质量3.表面质量对耐蚀性的影响 零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多，抗蚀性就愈差。 表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，降低零件的

8、耐蚀性，而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。第三节 机械加工表面质量二、影响表面粗糙度的因素1.切削加工影响表面粗糙度的因素刀具几何形状的复映 刀具相对于工件作进给运动时，在加工表面留下了切削层残留面积，其形状是刀具几何形状的复映，见图5-46 。图5-46 车削时工件表面的残留面积第三节 机械加工表面质量 对于车削来说，如果背吃刀量较大，主要是以刀刃的直线部分形成表面粗糙度，此时可不考虑刀刃圆弧半径的影响，按图5-46a的几何图形可求得： 如果背吃刀量较小，工件表面粗糙度则主要由刀刃的圆弧部分形成，此时按图4-46b的几何图形可求得：第三节 机械加工表面质量式中 残留面积高度；图5-46 车削

9、时工件表面的残留面积 f 进给量； 主偏角（）； 副偏角； r刀尖圆弧半径。由上述公式可知，减小f 、 、 及加大 r ，可减小残留面积的高度。第三节 机械加工表面质量 此外，适当增大刀具的前角以减小切削时的塑性变形程度，合理选择冷却润滑液和提高刀具刃磨质量以减小切削时的塑性变形和抑制刀瘤、鳞刺的生成，也是减小表面粗糙度值的有效措施。第三节 机械加工表面质量工件材料的性质 加工塑性材料时，由刀具对金属的挤压产生了塑性变形，加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。 工件材料韧性愈好，金属的塑性变形愈大，加工表面就愈粗糙。 加工脆性材料时，切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面

10、留下许多麻点，使表面粗糙。第三节 机械加工表面质量 切削用量 切削速度对表面粗糙度的影响很大。加工塑性材料时，若切削速度处在产生积屑瘤和鳞刺的范围内，加工表面将很粗糙，参见图5-47。若将切削速度选在积屑瘤和鳞刺产生区域之外，则可使表面粗糙度值明显减小。第三节 机械加工表面质量图5-47 加工塑性材料时切削速度对表面 粗糙度的影响第三节 机械加工表面质量 进给量对表面粗糙度的影响甚大。 背吃刀量对表面粗糙度也有一定影响。过小的背吃刀量或进给量，将使刀具在被加工表面上挤压和打滑，形成附加的塑性变形，会增大表面粗糙度值。 第三节 机械加工表面质量2.磨削加工影响表面粗糙度的因素 磨削加工表面粗糙度

11、的形成也是由几何因素和表面金属的塑性变形来决定的。 从几何因素的角度分析，被磨表面单位面积上通过的砂粒数愈多，则该面积上的刻痕愈多，刻痕的等高性愈好，表面粗糙度值愈小。 第三节 机械加工表面质量 从塑性变形的角度分析，磨削过程温度高，磨削加工时产生的塑性变形要比刀刃切削时大得多。磨削时，金属沿着磨粒的两侧流动，形成沟槽两侧的隆起，使表面粗糙度值增大。 第三节 机械加工表面质量 影响磨削表面粗糙度的主要因素有： 砂轮的粒度 砂轮的粒度号数愈大，磨粒愈细，表面粗糙度值愈小。但过细，砂轮容易堵塞，反而会增大工件表面的粗糙度值。 砂轮的硬度 砂轮太硬 ，工件表面粗糙度值增大。砂轮太软，工件表面粗糙度值

12、也会增大。第三节 机械加工表面质量砂轮的修整 修整砂轮的金刚石工具愈锋利，修整导程愈小，修整深度愈小，表面粗糙度值愈小。 磨削速度 提高磨削速度，工件表面粗糙度值小。 第三节 机械加工表面质量磨削径向进给量与光磨次数 增大磨削径向进给量，塑性变形增大，被磨表面粗糙度值增大。 增多光磨次数，可显著降低磨削表面粗糙度值。 光磨：磨削将结束时不再作径向进给，仅靠工艺系统的弹性恢复进行的磨削。 第三节 机械加工表面质量工件圆周进给速度与轴向进给量 工件圆周进给速度和轴向进给量小，表面粗糙度值也小。但过小有可能出现烧伤。冷却润滑液 冷却润滑液可及时冲掉碎落的磨粒，减轻砂轮与工件的摩擦，降低磨削区的温度，

13、减小塑性变形，并能防止磨削烧伤，使表面粗糙度值变小。 第三节 机械加工表面质量三、影响加工表面层物理机械性能的因素 在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理机械性能产生变化，最主要的变化是表面层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重，因而磨削加工后加工表面层上述三项物理机械性能的变化会更大。第三节 机械加工表面质量1.表面层冷作硬化冷作硬化及其评定参数 机械加工过程中因切削力作用产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，这些都会使表面层金属的硬度和强度提高，

14、这种现象称为冷作硬化。第三节 机械加工表面质量 表面层金属强化的结果，会增大金属变形的阻力，减小金属的塑性，金属的物理性质也会发生变化。 被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态，只要一有可能，金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化，这种现象称为弱化。第三节 机械加工表面质量 弱化作用的大小取决于温度的高低、温度持续时间的长短和强化程度的大小。 评定冷作硬化的指标有三项，即表层金属的显微硬度、硬化层深度和硬化程度。 第三节 机械加工表面质量 影响冷作硬化的主要因素 1刀具的影响 切削刃钝圆半径增大，对表层金属的挤压作用增强，塑性变形加剧，导致冷硬增强。 刀具后刀面磨损增大，后刀面与被加工表面的

15、摩擦加剧，塑性变形增大，导致冷硬增强。第三节 机械加工表面质量 2)切削用量的影响 切削速度增大，刀具与工件的作用时间缩短，使塑性变形扩展深度减小，冷硬层深度减小。切削速度增大后，切削热在工件表面层上的作用时间也缩短了，将使冷硬程度增加。 进给量增大，切削力也增大，表层金属的塑性变形加剧，冷硬作用加强。第三节 机械加工表面质量3)加工材料的影响 工件材料的塑性愈大，冷硬现象就愈严重。碳钢中含碳量愈大，强度变高，塑性变小，冷硬程度变小。有色金属的熔点低，容易弱化，冷硬现象就比钢轻得多。第三节 机械加工表面质量 2.表面层材料金相组织变化 磨削加工时，磨削比压特别大，磨削速度很高，切除金属所消耗的

16、功率远大于切削加工。磨削加工所消耗的能量绝大部分要转化为热，传给被磨工件表面，使工件温度升高，引起加工表面层金属金相组织的显著变化。第三节 机械加工表面质量磨削烧伤 被磨工件表面层温度达到相变温度以上时，表层金属发生金相组织的变化，使表层金属强度、硬度降低，并伴随有残余应力产生，甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。第三节 机械加工表面质量 在磨削淬火钢时，可能产生以下三种烧伤： 1)回火烧伤 如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度，但己超过马氏体的转变温度，工件表层金属的回火马氏体组织将转变成硬度较低的回火组织，这种烧伤称为回火烧伤。 第三节 机械加工表面质量 2)淬火烧伤 如果磨削区温度超过了相变温度，再加上冷却液的急冷作用，表层金属发生二次淬火，使表层金属出现二次淬火马氏体组织，其硬度比原来的回火马氏体的高，在它的下层，因冷却较慢，出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织，这种烧伤称为淬火烧伤。第三节 机械加工表面质量3)退火烧伤 如果磨削区温度超过了相变温度，而磨削区域又无冷却液进入，表层金属将产生退火组织，表面硬度将急剧下降，这种烧伤称为退火烧伤。 第三节 机械加工表面质量