已加工表面质量课件

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1、第九章第九章 已加工表面质量已加工表面质量第一节第一节 已加工表面质量的概念已加工表面质量的概念第二节第二节 已加工表面质量的形成过程已加工表面质量的形成过程第四节第四节 加工硬化加工硬化第三节第三节 已加工表面粗糙度已加工表面粗糙度第五节第五节 残余应力残余应力第六节第六节 精密切削加工的表面质量精密切削加工的表面质量已加工表面质量1 1 1 1、表面几何学方面、表面几何学方面、表面几何学方面、表面几何学方面 零件最外表面的几何形状，通常用零件最外表面的几何形状，通常用表面粗糙度表面粗糙度表示。表示。2 2 2 2、表面层材质的变化、表面层材质的变化、表面层材质的变化、表面层材质的变化 指指

2、在在一一定定深深度度内内的的表表面面层层产产生生的的变变质质层层。（塑塑性性变变形形、硬硬度度变变化化、微微观观裂裂纹纹、晶晶格格畸畸变变、残残余余应应力力、热热损损伤伤区区、化化学学特性及电磁特性的变化。）特性及电磁特性的变化。）评定表面质量的标志有：评定表面质量的标志有： 表表面面粗粗糙糙度度、表表面面层层的的加加工工硬硬化化程程度度及及硬硬化化层层深深度度、表表面面层金属组织的变化情况、残余应力的大小及性质。层金属组织的变化情况、残余应力的大小及性质。第一节第一节 已加工表面质量的概念已加工表面质量的概念已加工表面质量第二节第二节 已加工表面的形成过程已加工表面的形成过程已加工表面的形成

3、过程已加工表面的形成过程( (第三变形区第三变形区) )无无论论怎怎样样仔仔细细刃刃磨磨刀刀具具，前前、后后刀刀面面形形成成的的切切削削刃刃不不可可能能绝绝对对锋锋利利，钝钝圆圆半半径径r r总总是是存存在在的的。其其值值经经测测定定：高高速速钢钢刀刀具具3 31010m m；硬硬质质合合金金刀刀具具18183232m m。另另外外，刀刀具具开开始始切切削削不不久久，后后刀刀面面就就会会发发生生磨磨损损，形形成成一一段段oeoe=0=0的的棱棱带带VBVB。在在研研究究已已加加工工表表面面形形成成时时，应应考考虑虑r r、VBVB的的影影响。响。 已加工表面质量当当切切削削层层金金属属以以v

4、v逐逐渐渐接接近近切切削削刃刃时时，被被切切层层便便发发生生挤挤压压与与剪剪切切变变形形，最终沿剪切面最终沿剪切面OMOM方向滑移成为切屑。方向滑移成为切屑。 由由于于r r的的关关系系，a ac c中中将将有有a a无无法法沿沿OMOM方方向向滑滑移移，而而是是从从切切削削刃刃钝钝圆圆部部分分O O点点下下面面挤挤压压过过去去，继继之之又又受受到到VBVB的的挤挤压压和和摩摩擦擦，使使工工件件表表层层金金属属受受到到剪剪切切应应力力，随随后后弹弹性性恢恢复复，设设其其高高度度为为hh，则则已已加加工工表表面面在在CDCD长长度度上上继继续续与与后刀面摩擦。后刀面摩擦。 切切削削刃刃钝钝圆圆部

5、部分分OBOB、VBVB、CDCD构构成成了了后后刀刀面面的的总总接接触触长长度度。通通过过这这一一剧剧烈烈的的变变形形过过程程形形成成的的已已加加工工表表面面，其其表表层层的的金金属属具具有有和和基基体体组组织织不不同同的的性性质，质，称加工变质层称加工变质层。 已加工表面质量一、表面粗糙度产生的原因一、表面粗糙度产生的原因一、表面粗糙度产生的原因一、表面粗糙度产生的原因 几何因素几何因素 决定残留面积的高度决定残留面积的高度 切削过程因素切削过程因素 切切削削过过程程不不稳稳定定因因素素所所产产生生的的粗粗糙糙度度，（积积屑屑瘤瘤、鳞鳞刺刺、切削变形，刀具的边界磨损、刀刃与工件相对位置的变

6、动等）切削变形，刀具的边界磨损、刀刃与工件相对位置的变动等）第三节第三节 已加工表面粗糙度已加工表面粗糙度已加工表面质量1 1 1 1、残留面积、残留面积、残留面积、残留面积 切切削削时时，由由于于刀刀具具与与工工件件的的相相对对运运动动及及刀刀具具几几何何形形状状的的关关系系，有有一一小小部部分分金金属属未未被被切切下下来来而而残残留留在在已已加加工工表表面面上上，称称为残留面积。为残留面积。 （主主、副副偏偏角角及及刀刀尖尖圆圆弧弧半半径径的的影影响响，去去除除面面积积不不是是a ap pff）已加工表面质量由刀尖圆弧部分形成的残留面积高度为：由刀尖圆弧部分形成的残留面积高度为： 由主、副

7、切削刃的直线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度为：已加工表面质量2 2、积屑瘤、积屑瘤 积积屑屑瘤瘤是是指指由由于于刀刀屑屑接接触触面面的的摩摩擦擦，当当切切削削速速度度不不高高又又形形成成连连续续切切屑屑时时，加加工工钢钢料料和和其其它它塑塑性性材材料料时时，常常常常在在刀刀刃刃处处粘着剖面呈三角状硬块。粘着剖面呈三角状硬块。硬度为工件硬度的硬度为工件硬度的2-32-3倍。倍。 积积屑屑瘤瘤的的变变化化不不但但是是整整体体，而而且且积积屑屑瘤瘤本本身身也也有有一一个个变变化化过过程程。积积屑屑瘤瘤的的底底部部一一般般比比较较稳稳定定，而而它它的的顶顶部部极极

8、不不稳稳定定，经经常常会会破破裂裂，然然后后再再形形成成。破破裂裂的的一一部部分分随随切切屑屑排排除除，另另一一部部分分留在加工表面上，使加工表面变得非常粗糙。留在加工表面上，使加工表面变得非常粗糙。 切屑刀具积屑瘤积屑瘤已加工表面质量3 3、鳞刺、鳞刺 鳞刺指的是已加工表面上出现的鳞片状的毛刺。中低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。切削速度下，塑性材料。4 4、切削过程中的变形、切削过程中的变形 已加工表面质量5 5、刀具的边界磨损、刀具的边界磨损（副后刀面的边界磨损）（副后刀面的边界磨损）6 6、刀刃与工件相对位置变动、刀刃与工件相对位置变动已加工表面质量

9、二、影响表面粗糙度的因素（如何降低表面粗糙度）二、影响表面粗糙度的因素（如何降低表面粗糙度） 减小残留面积，消除积屑瘤和鳞刺，减小工件材料的塑性减小残留面积，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。变形及切削过程中的振动等。1 1、刀具方面、刀具方面 几几何何参参数数（较较大大的的刀刀尖尖圆圆弧弧半半径径，较较小小的的副副偏偏角角。降降低低刀刀面面及及切切削削刃刃的的粗粗糙糙度度）；刀刀具具的的磨磨损损（后后刀刀面面磨磨损损尺尺寸寸越越大大，粗粗糙糙度度越越大大，尤尤其其是是副副切切削削刃刃上上的的边边界界磨磨损损，影影响响更更为为严严重重）；刀具材料刀具材料（尽量降低刀

10、具材料与加工工件材料的粘结与摩擦）。（尽量降低刀具材料与加工工件材料的粘结与摩擦）。已加工表面质量2 2、工件方面、工件方面 工工件件材材料料的的塑塑性性和和金金相相组组织织，塑塑性性越越大大，粗粗糙糙度度越越大大。降降低材料的塑性。低材料的塑性。3 3、切削条件方面、切削条件方面 切切削削速速度度：切切削削塑塑性性材材料料时时，切切速速低低、中中时时易易产产生生鳞鳞刺刺和和积积屑屑瘤瘤，提提高高切切削削速速度度；减减小小进进给给量量，可可降降低低残残留留面面积积高高度度、鳞鳞刺刺及及积积屑屑瘤瘤高高度度，从从而而降降低低表表面面粗粗糙糙度度；切切削削深深度度对对粗粗糙糙度度的影响小；的影响小

11、；采用高效切削液采用高效切削液。已加工表面质量一、加工硬化产生的原因一、加工硬化产生的原因1 1、加工硬化概念加工硬化概念加工硬化概念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。已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象。2 2 2 2、加工硬化产生原因、加工硬化产生原因、加工硬化产生原因、加工硬化产生原因 已已加加工工表表面面的的形形成成过过程程中中，表表层层金金属属经经受受了了复复杂杂的的塑塑性性变变形形。加加工工表表面面严严重重变变形形层层内内金金属属晶晶格格拉拉长长、挤挤紧紧、扭扭曲曲、碎碎裂裂，使表层组织硬化。使表层组织硬化。第四节第四节 加工硬化加工硬化已加工表面质

12、量式中式中 H H 硬化层显微硬度（硬化层显微硬度（HVHV）；）； H H0 0 基体层显微硬度（基体层显微硬度（HVHV）。）。N N可达可达120120200200。 硬化层深度：硬化层深度：已加工表面至未硬化处的垂直距离。即指硬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化层深入基体的距离距离h hd d（mm）。）。一般为一般为几十至几百微米几十至几百微米。3 3 3 3、加工硬化的度量、加工硬化的度量、加工硬化的度量、加工硬化的度量 硬硬化化程程度度N N：已已加加工工表表面面的的显显微微硬硬度度增增加加值值对对原原始显微硬度的百分数。始显微硬度的百分数。距表面深度HVH0

13、hdH0图 加工硬化与表面深度的关系已加工表面质量二、影响加工硬化的因素二、影响加工硬化的因素1 1、刀具方面刀具方面刀具方面刀具方面前前角角越越大大，硬硬化化层层深深度度越越小小；切切削削刃刃钝钝圆圆半半径径越越大大，加加工工硬硬化化越越大大；刀具后刀面刀具后刀面磨损量磨损量VBVB越大越大，加工硬化，加工硬化越大越大。2 2 2 2、工件方面、工件方面、工件方面、工件方面 塑性越大塑性越大，强化指数越大，熔点越高，则，强化指数越大，熔点越高，则硬化越严重硬化越严重。3 3 3 3、切削条件、切削条件、切削条件、切削条件 随随切切削削速速度度的的增增加加加加工工硬硬化化先先是是减减小小，随随

14、后后又又随随切切速速的的增增加加而而增增加加；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。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适当的热处理进行有效的冷却润滑进行有效的冷却润滑加工硬化的控制加工硬化的控制已加工表面质量1 1 1 1、残余应力概念、残余应力概念、残余应力概念、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未施加任何外力作用情况下，

15、材料内部保持平衡而存在的应力。应力。2 2 2 2、残余应力种类及影响、残余应力种类及影响、残余应力种类及影响、残余应力种类及影响 残余拉应力（残余拉应力（）：）： 易使加工表面产生裂纹，降低零件疲劳强度易使加工表面产生裂纹，降低零件疲劳强度 残余压应力（残余压应力（）：）： 有利于提高零件疲劳强度有利于提高零件疲劳强度 残余应力分布不均：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会使工件发生变形，影响形状和尺寸精度第五节第五节 残余应力残余应力一、残余应力产生的原因一、残余应力产生的原因已加工表面质量 机械应力引起的塑性变形机械应力引起的塑性变形机械应力引起的塑性变形机械应力引

16、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力( (里层金属产生残余压应力里层金属产生残余压应力) )。第三变形区内后刀面与已。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( (里层里层金属产生残余拉应力金属产生残余拉应力) )。如果第一变形区内应力造成的残余。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，则机械应力所造应力大于第三变形区内产生

17、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。起的残余应力为残余压应力。3 3、残余应力产生原因、残余应力产生原因、残余应力产生原因、残余应力产生原因已加工表面质量 热应力引起的塑性变形热应力引起的塑性变形热应力引起的塑性变形热应力引起的塑性变形表层拉应力表层拉应力，里层压应力，里层压应力 表层金属组织发生相变而造成的应力表层金属组织发生相变而造成的应力表层金属组织发生相变而造成的应力表层金属组织发生相变而造成的应力影响复杂，若切削区温度超过相变温度，钢的珠光体受热影响复杂，若切削区温度超

18、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。产生压应力。 实际应力状态是上述各因素影响的综合结果实际应力状态是上述各因素影响的综合结果已加工表面质量二、影响残余应力的因素二、影响残余应力的因素1 1、刀具方面刀具方面刀具方面刀具方面前前角角减减小小（钝钝圆圆半半径径增增大大）时时，残残余余应应力力由由正正值值变变为为负负值值；刀刀具具后后刀刀面面磨磨损损量量VBVB增增大大时时（摩摩擦擦增增大大，温温度度升升高高并并且且热应力主要）热应力主要），残余残余拉应力增大，应力层深度也增大。拉应力增大，应力层

19、深度也增大。2 2 2 2、工件方面、工件方面、工件方面、工件方面 塑塑性性较较大大的的材材料料，通通常常产产生生残残余余拉拉应应力力。塑塑性性越越大大，残残余余拉拉应应力力越越大大；脆脆性性材材料料加加工工表表面面多多产产生生残残余余压压应应力力（后后刀刀面的挤压摩擦主导作用）。面的挤压摩擦主导作用）。3 3 3 3、切削条件、切削条件、切削条件、切削条件 v v增增大大时时（温温度度升升高高，热热应应力力主主导导），残残余余拉拉应应力力增增大大，但但应应力力层层深深度度减减小小；f f增增大大时时（力力和和热热增增大大，热热主主导导），残残余余拉应力增大拉应力增大；a ap p对残余应力的

20、影响不显著。对残余应力的影响不显著。已加工表面质量三、降低残余应力的措施三、降低残余应力的措施1 1、使用锋锐的刀具、使用锋锐的刀具2 2、降低磨损限度、降低磨损限度3 3、使用良好的润滑液、使用良好的润滑液4 4、根据实测应力数据，改变刀具角度和切削用量、根据实测应力数据，改变刀具角度和切削用量5 5、粗加工、半精加工后采用热处理方法消除残余应力。、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：残余压应力的利用：残余压应力有时能提高零件的疲劳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。强度，如采用滚压、喷丸等方法。已加工表面质量一、精密、超精密加工的概念一

21、、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度称为普通加工普通加工。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，属于能达到的精度，属于精密加工精密加工。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，进的技术经过探讨、研究、实验之后才能达到的精度，并且实现这一精度指标尚不能普及的加工技术称为并且实现这一精度指标尚不能普及的加工技术称为超精超精密

22、加工密加工。 第六节第六节 精密切削加工的表面质量精密切削加工的表面质量已加工表面质量 在机械制造中在机械制造中, ,加工精度加工精度是指零件加工后的实际几何参数是指零件加工后的实际几何参数( (尺寸、形状和位置尺寸、形状和位置) )与理想几何参数的符合程度。与理想几何参数的符合程度。一般加工一般加工 加工精度加工精度10m10m左右，左右， 表面粗糙度表面粗糙度Ra Ra 0.1m 0.1m 精密加工精密加工 加工精度加工精度0.1-1m0.1-1m， 表面粗糙度表面粗糙度Ra=Ra=0.02-0.1m 0.02-0.1m 超精密加工超精密加工 加工精度加工精度 0.1m 0.1m， 表面粗

23、糙度表面粗糙度Ra Ra 0.01m 0.01m 发展方向：发展方向：加工精度加工精度 1nm(10 1nm(10-3-3m)m)， 表面粗糙度表面粗糙度RaRa0.005m0.005m的加工技术的加工技术纳米加工。纳米加工。已加工表面质量二、提高加工表面质量的措施二、提高加工表面质量的措施1 1、刀具方面、刀具方面1)1)刀具刃口锋锐度刀具刃口锋锐度r rB B能能磨磨得得极极其其锋锋锐锐，刀刀刃刃钝钝圆圆半半径径r rB B极极小小，能能实实现现超超薄薄切切削削厚厚度度。r rB B与与切切削削刃刃的的加加工工方方法法有有关关，普普通通刀刀具具5-30m5-30m，金金刚刚石石刀刀具具10

24、nm10nm。可可减减小小切切削削表表面面弹弹性性恢恢复复和和表表面面变变质质层层。从从物物理学的观点，刃圆半径有一极限。理学的观点，刃圆半径有一极限。已加工表面质量2 2）切削刃的粗糙度）切削刃的粗糙度切切削削时时切切削削刃刃的的粗粗糙糙度度将将决决定定加加工工表表面面的的粗粗糙糙度度。普普通通刀刀刃刃的的粗粗糙糙度度Ry0.3Ry0.35 5 mm，金金刚刚石石刀刀具具刀刀刃刃的的粗粗糙糙度度Ry0.1Ry0.10.2 0.2 mm，特殊情况，特殊情况Ry1nmRy1nm，很难。，很难。3 3）极极高高的的硬硬度度、极极高高的的耐耐磨磨性性和和极极高高的的弹弹性性模模量量，保保证证长长的刀

25、具寿命。的刀具寿命。4 4）刀刃无缺陷，足够的强度，耐崩刃性能。）刀刃无缺陷，足够的强度，耐崩刃性能。5 5）化化学学亲亲和和性性小小、与与工工件件材材料料的的抗抗粘粘结结性性好好、摩摩擦擦系系数数低低，能得到极好的加工表面完整性。能得到极好的加工表面完整性。已加工表面质量刀具材料、刀具的锋利性及平整性；采用单晶金刚石刀具，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。减小刀尖圆弧半径。金刚石刀具的性能特点：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硬度极高。自然界最硬的材料，比硬质合金的硬度高5-65-6倍。倍。摩擦系数低。除黑色金属外，与其

26、它物质的亲和力小。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。最小刃口半径能磨出极锋锐的刀刃。最小刃口半径1-5nm1-5nm。耐磨性好。比硬质合金高耐磨性好。比硬质合金高50-10050-100倍。倍。导热性能好，热膨胀系数小，刀具热变形小。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。不适宜切黑色金属，如钢、铸铁等。很脆，避免振动。很脆，避免振动。价格昂贵，刃磨困难。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。削刀具。硬质合金刀具硬质合金刀具用于精密加工时要选用用于精密加工时要选用超微细颗粒。超微细颗粒。已加工表面质量2 2、切削条件方面、切削条件方面切削用量（切削速度、进给量）；切削用量（切削速度、进给量）；工艺系统刚性及机床精度；工艺系统刚性及机床精度；切削液。切削液。已加工表面质量