11机械加工表面质量

1、 11.1表面质量含义 表面几何形状精度 表面缺陷层 一、表面质量一、表面质量 表面粗糙度 波度 纹理方向 伤痕（划痕、裂纹、砂眼等） 表层加工硬化 表层金相组织变化 表层残余应力 划痕、划痕、 。 加工变质层模型 2. 表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大， 粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故 磨损加剧；磨损加剧； 表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为 表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易 形成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。形

2、成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。 表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响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，一般能提高零件的加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的 耐磨性。耐磨性。因为它使磨擦副表面层金属的显因为它使磨擦副表面层金属的显 微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接 触部分的弹性变形和塑性变形。触部分的弹性变形和塑性变形。 并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。 这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组 织过分织过分“疏松疏松”，在相对运动中可能会产，在相对运动中可能

3、会产 生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使 零件加速磨损。零件加速磨损。 2.表面质量对零件疲劳强度的影响；表面质量对零件疲劳强度的影响； 3.表面质量对零件耐腐蚀性能的影响；表面质量对零件耐腐蚀性能的影响； 4.表面质量对零件配合质量的影响；表面质量对零件配合质量的影响； 5.表面质量对零件使用性能还有其它方面的表面质量对零件使用性能还有其它方面的 影响：可提高零件的接触刚度、密封性和测影响：可提高零件的接触刚度、密封性和测 量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数， 从而减少发热和功率损失。从而减少发热和功率损失。 11

4、.2已加工表面形成机理 挤压和摩擦变形使工件表面产生加工硬化 和残余应力等物理、力学变化。 11.3影响加工表面质量工艺因素 一、切削时影响表面粗糙度因素 1.几何因素的影响表面残留面积 车削时残留面积的高度 f r Rmax vf r b） Rmax f a） vf r r 2.物理因素的影响物理因素的影响 工件材料的性质工件材料的性质 塑性塑性表面粗糙度表面粗糙度 （工件材料塑性越好，塑性变形越大，易产生积屑瘤和鳞（工件材料塑性越好，塑性变形越大，易产生积屑瘤和鳞 刺，加工表面粗糙）。刺，加工表面粗糙）。 韧性韧性 表面粗糙度表面粗糙度 （工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗（

5、工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗 糙）。糙）。 脆性脆性表面粗糙度表面粗糙度 （加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而（加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而 在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙）。在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙）。 同一材料金相组织越粗大同一材料金相组织越粗大 表面粗糙度表面粗糙度 （故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，常（故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，常 在粗加工或精加工前安排正火或调质处理）在粗加工或精加工前安排正火或调质处理）。 3.切削用量的影响 加工塑性材料加工塑性材料时，切削速度对时，切削速度对表面

6、粗糙度表面粗糙度 的影响随的影响随切削速度的变化而变化切削速度的变化而变化（对积屑（对积屑 瘤和鳞刺的影响）；瘤和鳞刺的影响）； 切削速度越高切削速度越高，塑性变形越不充分，塑性变形越不充分，表面表面 粗糙度值越小；粗糙度值越小； 选择选择低速宽刀精切和高速精切低速宽刀精切和高速精切，可以得到，可以得到 较小的表面粗糙度；较小的表面粗糙度； 切削速度对脆性材料的影响不大。切削速度对脆性材料的影响不大。 进给量和背吃刀量有影响。进给量和背吃刀量有影响。 适当增大刀具前角和刀尖圆弧半径，控制适当增大刀具前角和刀尖圆弧半径，控制 Kr，提高刃磨质量，合理选择切削液，抑，提高刃磨质量，合理选择切削液，

7、抑 制积屑瘤和鳞刺。制积屑瘤和鳞刺。 二、磨削加工表面粗糙度 从几何因素和塑性变形两方面影响 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，工件单位面积上通过的 磨粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好， 表面粗糙度值越小。 2.磨削中影响粗糙度的物理因素（通常是决定因 素）磨削时切削力大速度高温度高，且磨粒大 多数是负前角，切削刃又不锐利，大多数磨粒 在磨削过程中只是对被加工表面挤压，没有切 削作用。加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆 起，又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形， 故表面粗糙度值增大。 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动 振动的

8、危害振动的危害 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，低频振动时会产 生波度； 振动使机床夹具连接部分松动，影响运动副 的工作性能，并导致机床丧失精度； 产生噪声污染，危害操作者健康； 影响生产效率 。 工艺系统受到初始干扰力而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。 由于系统中存在阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加 工影响不大。 受迫振动 受迫振动产生原因 由稳定的外界周期性的干扰力（激振力）作用引起； 除了力之外,凡是随时间变化的位移、速度和加速度，也可以激 起系统的振动； 强迫振动振源：

9、机外机内。 机外：其他机床、锻锤、火车、卡车等通过地基把振动传给机床 机内：1）回转零部件质量的不平衡（旋转零件的质量偏心）； 2）机床传动件的制造误差和缺陷（如齿轮啮合时的冲击、 皮带轮圆度误差及皮带厚度不均引起的张力变化，滚动轴承的套 圈和滚子尺寸及形状误差）； 3）切削过程中的冲击（如往复部件的冲击；液压传动系 统的压力脉动；断续切削时的冲击振动）。 受迫振动的特征受迫振动的特征 频率特征：与干扰力的频率相同，或是干 扰力频率整倍数； 幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态 特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺 系统某一固有频率时，产生共振产生共振； 相角特征：受迫振动位移的变化在相位上

10、滞后干扰力一个角，其值与系统的动态特 性及干扰力频率有关。 电动机 (能源) 交变切削力F(t) 振动位移 X(t) 自激振动闭环系统 机床振动系统 （弹性环节） 调节系统 （切削过程） u切削过程本身能引起某种切削过程本身能引起某种交变切削力交变切削力，而振动系，而振动系 统能通过这种力的变化，从不具备交变特性的能统能通过这种力的变化，从不具备交变特性的能 源中周期性的获得补充能量，从而维持住这个振源中周期性的获得补充能量，从而维持住这个振 动。当运动一停止，则这种外力的周期性变化和动。当运动一停止，则这种外力的周期性变化和 能量的补充过程也都立即停止。工艺系统中维持能量的补充过程也都立即停

11、止。工艺系统中维持 自激振动的能量来自机床电动机，电动机除了供自激振动的能量来自机床电动机，电动机除了供 给切除切屑的能量外，还通过切削过程把能量输给切除切屑的能量外，还通过切削过程把能量输 给振动系统，使工艺系统产生振动运动。给振动系统，使工艺系统产生振动运动。 自激振动的特征自激振动的特征 机械加工中的自激振动是在没有周期性外力(相对于切削过 程而言)干扰下所产生的振动运动，这一点与强迫振动有原 则区别。 自激振动的频率接近于系统的某一固有频率，或者说，颤 振频率取决于振动系统的固有特性。这一点与强迫振动根本 不同，强迫振动的频率取决于外界干扰力的频率。 自激振动是一种不衰减的振动。振动过

12、程本身能引起某种 不衰减的周期性变化，而振动系统能通过这种力的变化，从 不具备交变特性的能源中周期性的获得补充能量，从而维持 住这个振动。 自激振动由振动系统本身参数决定，与强迫振动显著不同。 自由振动受阻尼作用将迅速衰减，而自激振动不会因阻尼存 在而衰减。 自激振动系统能量关系 A B C 能量E Q E E 0 振幅 再生原理 如图所示，车刀只做横向进给。 在稳定的切削过程中，刀架系统因材料的硬 点，加工余量不均匀，或其它原因的冲击等，受 到偶然的扰动。刀架系统因此产生了一次自由振 动，并在被加工表面留下相应的振纹。 当工件转过一转后，刀具要在留有振纹的表面上 切削，因切削厚度发生了变化，

13、所以引起了切削 力周期性的变化。产生动态切削力。 将这种由于切削厚度的变化而引起的自激振将这种由于切削厚度的变化而引起的自激振 动，称为动，称为 “再生颤振再生颤振”。 振型耦合原理 振动系统实际上都是振动系统实际上都是多自由度多自由度的，如图是一个二的，如图是一个二 自由度振动系统示意图。不考虑再生效应，当刀自由度振动系统示意图。不考虑再生效应，当刀 架系统产生了角频率为架系统产生了角频率为的振动，则刀架将在的振动，则刀架将在x1 和和x2两个方向上同时振动，刀具振动的轨迹一般两个方向上同时振动，刀具振动的轨迹一般 为椭圆形的封闭曲线为椭圆形的封闭曲线ACBDA 。 k1k2，x1超前x2

14、，轨迹ADBCA为一 椭圆，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周 期内的大，系统无能量输入； k1k2，x1滞后于x2 ，轨迹为一顺时针方向椭圆， 即：ACBD A 。此时，切入半周期内的 平均切削厚度比切出半周期内的小，有能量获得， 振动能够维持 。 常用隔振材料有橡皮、金属弹簧、空气弹簧、泡沫乳 胶、软木、矿渣棉、木屑等 4.提高工艺系统的刚度和阻尼提高工艺系统的刚度和阻尼 前角、主偏角自振 后角自振；但太小时自振 适当地增大前角、主偏角，能减小Fp，从而减小振动。 主偏角增大，则垂直于加工表面方向的切削分力减小，故不易 产生自振。 例消振棱：精加工中由于背吃刀量较小，后角较小时，刀刃 不容易切入工件，且使刀具后面与加工表面间的摩擦加剧， 反而容易引起自振。通常在刀具的主后面上磨出一段后角为 负的窄棱面，如图所示，这样可以