机械制造工艺学CH5机械加工表面质量

1、第第 5 5 章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 本章提要本章提要 机械加工表面质量决定了机器的使用性能和延长使用机械加工表面质量决定了机器的使用性能和延长使用 寿命。机械加工表面质量是以机械零件的寿命。机械加工表面质量是以机械零件的加工表面加工表面和和表表 面层面层作为分析和研究对象的。本章旨在作为分析和研究对象的。本章旨在研究研究零件表面层零件表面层 在加工中的变化和发生变化的机理，在加工中的变化和发生变化的机理，掌握掌握机械加工中各机械加工中各 种工艺因素对表面质量的影响规律，种工艺因素对表面质量的影响规律，运用运用这些规律来控这些规

2、律来控 制加工中的各种影响因素，以满足表面质量的要求。制加工中的各种影响因素，以满足表面质量的要求。 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 概述概述 表面粗糙度影响的工艺因素及其改善的工艺措施表面粗糙度影响的工艺因素及其改善的工艺措施 影响表层物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施影响表层物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 控制加工表面质量的途径控制加工表面质量的途径 机械加工中的振动及其控制措施机械加工中的振动及其控制措施 内容提纲内容提纲 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 任何机械加工方法所得到的零件表面，实际上都不是完全

3、任何机械加工方法所得到的零件表面，实际上都不是完全 理想的表面。实践证明，理想的表面。实践证明，机器零件的破坏，一般都从表层开始机器零件的破坏，一般都从表层开始， 这从一定程度上表明零件的表面质量对产品质量影响很大。这从一定程度上表明零件的表面质量对产品质量影响很大。 产品工作性能的可靠性、耐久性，很大程度上取决于其主产品工作性能的可靠性、耐久性，很大程度上取决于其主 要零件的表面质量。机器零件使用性能的耐磨性、疲劳强度、要零件的表面质量。机器零件使用性能的耐磨性、疲劳强度、 耐蚀性等，除与材料本身的性能和热处理有关外，主要取决于耐蚀性等，除与材料本身的性能和热处理有关外，主要取决于 加工后的

4、表面质量。随着产品性能的不断提高，一些重要零件加工后的表面质量。随着产品性能的不断提高，一些重要零件 必须在高应力、高速、高温等极端条件下工作，因其工作表面必须在高应力、高速、高温等极端条件下工作，因其工作表面 作用有最大应力并直接受外界介质的腐蚀，表面层的任何缺陷作用有最大应力并直接受外界介质的腐蚀，表面层的任何缺陷 都可能引起应力集中、应力腐蚀等现象而导致零件的损坏，于都可能引起应力集中、应力腐蚀等现象而导致零件的损坏，于 是表面质量问题也会变得突出和复杂。是表面质量问题也会变得突出和复杂。 5.1 概概 述述 5.1.1机械加工表面质量含义机械加工表面质量含义 第第5 5章章 机械加工表

5、面质量机械加工表面质量 研究表面质量的目的，是要掌握机械加工中各种工艺因素研究表面质量的目的，是要掌握机械加工中各种工艺因素 对表面质量的作用及影响规律，以便应用这些规律控制加工过对表面质量的作用及影响规律，以便应用这些规律控制加工过 程，最终提高零件的表面质量和产品使用性能。程，最终提高零件的表面质量和产品使用性能。 机械加工表面质量的研究内容包括加工表面几何形状特征机械加工表面质量的研究内容包括加工表面几何形状特征 和表面层物理、机械性能的变化。和表面层物理、机械性能的变化。 5.1 概概 述述 5.1.1机械加工表面质量含义机械加工表面质量含义 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表

6、面质量 吸附层吸附层 88nm 基体材料基体材料 纤维层纤维层 压缩区压缩区 几十几十几百几百微米微米 热影响区热影响区 显微硬度显微硬度 残余应力残余应力 加工表面层沿深度变化示意图加工表面层沿深度变化示意图 5.1 概概 述述 5.1.1机械加工表面质量含义机械加工表面质量含义 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 零件表面质量零件表面质量 表面粗糙度表面粗糙度 表面波度表面波度 表面物理力学表面物理力学 性能的变化性能的变化 表面微观几表面微观几 何形状特征何形状特征 表面层冷作硬化表面层冷作硬化 表面层残余应力表面层残余应力 表面层金相组织的变化表面层金相组织的变化 表面质

7、量的含义（内容）表面质量的含义（内容） 5.1 概概 述述 5.1.1机械加工表面质量含义机械加工表面质量含义 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 表面粗糙度：表面粗糙度：是指表面是指表面微观微观几何形状误差，其波长与波高的比几何形状误差，其波长与波高的比 值在值在L1/H140的范围内，波距的范围内，波距0.020.10.100.500.251.25 0.12.00.5010.00.84.0 2.010.010.050.02.512.5 10.080.0503208.040.0 1、表面层的几何形状、表面层的几何形状 5.1 概概 述述 5.1.1机械加工表面质量含义机械加工表

8、面质量含义 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 1) 表面层冷作硬化表面层冷作硬化(简称冷硬简称冷硬)：在机械加工中，零件表面层产在机械加工中，零件表面层产 生强烈的冷态塑性变形后，引起的强度和硬度都有所提高的现生强烈的冷态塑性变形后，引起的强度和硬度都有所提高的现 象。一般情况下表面硬化层的深度可达象。一般情况下表面硬化层的深度可达0.05 0.30mm。 2) 表面层金相组织的变化：表面层金相组织的变化：机械加工过程中，由于切削热或磨机械加工过程中，由于切削热或磨 削热的作用引起工件表面温升过高，表面层金属的金相组织发削热的作用引起工件表面温升过高，表面层金属的金相组织发 生

9、变化的现象。生变化的现象。 3) 表面层残余应力：表面层残余应力：是由于加工过程中切削变形和切削热的影是由于加工过程中切削变形和切削热的影 响，工件表面层产生残余应力。响，工件表面层产生残余应力。 2、表面层的物理机械性能、表面层的物理机械性能 5.1 概概 述述 5.1.1机械加工表面质量含义机械加工表面质量含义 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 1、 表面质量对耐磨性的影响表面质量对耐磨性的影响 耐磨性主要取决于摩擦副的材料及润滑条件，还与零件的耐磨性主要取决于摩擦副的材料及润滑条件，还与零件的 表面质量有关。表面质量有关。 零件磨损三个阶段：零件磨损三个阶段：初期磨损阶段

10、；正常磨损阶段；剧烈初期磨损阶段；正常磨损阶段；剧烈 磨损阶段磨损阶段 摩擦副的磨损过程摩擦副的磨损过程 5.1 概概 述述 5.1.2 机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 （1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响）表面粗糙度对零件耐磨性的影响 v 表面粗糙度太大和太小都不耐磨表面粗糙度太大和太小都不耐磨 l表面粗糙度太大，接触表面的实际压表面粗糙度太大，接触表面的实际压 强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤 裂、切断，故磨损加剧；裂、切断，故磨损加剧；

11、 l表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。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，接触因为表面太光滑，存不住润滑油，接触 面间不易形成油膜，容易发生分子粘结面间不易形成油膜，容易发生分子粘结 而加剧磨损。而加剧磨损。 1、 表面质量对耐磨性的影响表面质量对耐磨性的影响 5.1 概概 述述 5.1.2 机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 （1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响）表面粗糙度对零件耐磨性的影响 v 表面粗糙度的最佳值与机器零件的工表面粗糙度的最佳值与机

12、器零件的工 作情况有关作情况有关，载荷加大时，磨损曲线向，载荷加大时，磨损曲线向 上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随 之右移。之右移。 1、 表面质量对耐磨性的影响表面质量对耐磨性的影响 5.1 概概 述述 5.1.2 机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 （2）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 l 加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因因 为它使磨擦副表面层

13、金属的显微硬度提高，塑性降低，为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低， 减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。 l 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。这是因为过这是因为过 分的冷作硬化，将引起金属组织过度分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松疏松”，在相对，在相对 运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒， 使零件加速磨损。使零件加速磨损。 1、 表面质量对耐磨性的影响表面质量对耐磨性的影响 5.1 概概 述述 5.1.2 机械加工表面质量对机器产品

14、使用性能和使用寿命的影响机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 （1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。 对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作 用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂 纹。纹。 表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好； 反

15、之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其 抗疲劳破坏的能力越差。抗疲劳破坏的能力越差。 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 5.1 概概 述述 5.1.2 机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 （2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响 l 适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。 l 残余应

16、力有拉应力和压应力之分残余应力有拉应力和压应力之分: 残余拉应力残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降降 低疲劳强度低疲劳强度 残余压应力残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力， 延缓疲劳裂纹的扩展，从而延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度提高零件的疲劳强度。 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 5.1 概概 述述 5.1.2 机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表

17、面质量 （1）表面粗糙度对零件配合精度的影响）表面粗糙度对零件配合精度的影响 表面粗糙度较大，则降低了配合精度。表面粗糙度较大，则降低了配合精度。 （2）表面残余应力对零件工作精度的影响）表面残余应力对零件工作精度的影响 表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。 3、 表面质量对零件工作精度的影响表面质量对零件工作精度的影响 5.1 概概 述述 5.1.2 机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 （1）表面粗糙度对零件耐腐蚀

18、性能的影响）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响 零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深， 渗透与腐蚀作用越强烈。渗透与腐蚀作用越强烈。因此因此减小零件表面粗糙度，可以提高减小零件表面粗糙度，可以提高 零件的耐腐蚀性能零件的耐腐蚀性能。 （2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响 零件表面零件表面残余压应力残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易使零件表面紧密，腐蚀性物质不易 进入，进入，可增强零件的耐腐蚀性可增强零件的耐腐蚀性，而表面，而表面残余拉应力则降低零件残余拉应力则降低零件 耐腐蚀性耐腐蚀性。 表面

19、质量对零件使用性能还有其它方面的影响：表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：如减小如减小 表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑表面粗糙度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，从而减少发热和功率损失。动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。 4、 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 5.1 概概 述述 5.1.2 机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 零件表面质量零件表面质量 粗糙度太大、太小

20、都不耐磨粗糙度太大、太小都不耐磨 适度冷硬能提高耐磨性适度冷硬能提高耐磨性 对疲劳强度对疲劳强度 的影响的影响 对耐磨性的对耐磨性的 影响影响 对耐腐蚀性对耐腐蚀性 能的影响能的影响 对工作精度对工作精度 的影响的影响 粗糙度越大，疲劳强度越差粗糙度越大，疲劳强度越差 适度冷硬、残余压应力能提高适度冷硬、残余压应力能提高 疲劳强度疲劳强度 粗糙度越大、工作精度降低粗糙度越大、工作精度降低 残余应力越大，工作精度降低残余应力越大，工作精度降低 粗糙度越大，耐腐蚀性越差粗糙度越大，耐腐蚀性越差 压应力提高耐腐蚀性，拉应力压应力提高耐腐蚀性，拉应力 反之则降低耐腐蚀性反之则降低耐腐蚀性 5.1 概概

21、 述述 5.1.2 机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 5.1 概概 述述 5.1.3 机械加工表面质量的研究内容机械加工表面质量的研究内容 为保证机器产品的使用性能和使用寿命，机械加工表面质为保证机器产品的使用性能和使用寿命，机械加工表面质 量的研究应包括如下内容：量的研究应包括如下内容： （1 1）表面粗糙度及其降低的工艺措施；）表面粗糙度及其降低的工艺措施； （2 2）表面层物理、力学性能及其改善的工艺措施；）表面层物理、力学性能及其改善的工艺措施； （3 3）机械加工中的

22、振动及其控制。）机械加工中的振动及其控制。 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几何几何 因素因素和和物理力学物理力学因素两个方面。因素两个方面。 1、 切削加工表面粗糙度的形成切削加工表面粗糙度的形成 5.2 表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 1、 切削加工表面粗糙度的形成及影响因素切削加工表面粗糙度的形成及影响因素 (1)(1)几何因素几何

23、因素 刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r 主偏角主偏角kr、副偏角、副偏角kr 进给量进给量f 5.2 表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 (2)(2)物理力学因素物理力学因素 1、 切削加工表面粗糙度的形成切削加工表面粗糙度的形成 5.2 表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 切削加工后表面的实际轮廓与纯几何因素所形成的理切削加工后表面的实际轮廓与纯几何因

24、素所形成的理 想轮廓往往差别较大。这主要是因为在加工过程中还有塑想轮廓往往差别较大。这主要是因为在加工过程中还有塑 性变形等物理因素的影响。性变形等物理因素的影响。 这些物理因素的影响一般较复杂，它与切削原理中所这些物理因素的影响一般较复杂，它与切削原理中所 叙述的加工表面的形成过程有关，如在加工过程中产生的叙述的加工表面的形成过程有关，如在加工过程中产生的 积屑瘤、鳞刺和振动等对加工表面粗糙度的形成均有很大积屑瘤、鳞刺和振动等对加工表面粗糙度的形成均有很大 影响。影响。 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 (2)(2)物理力学因素物理力学因素 1、 切削加工表面粗糙度的形成切削

25、加工表面粗糙度的形成 l 被加工材料的性能被加工材料的性能塑性变形塑性变形的影响的影响 切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工件挤压与摩擦而产切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工件挤压与摩擦而产 生塑性变形。生塑性变形。 l 与切削机理有关的物理因素与切削机理有关的物理因素刀瘤刀瘤和和鳞刺鳞刺的影响的影响 l切削用量的影响切削用量的影响 l刀具材料的影响刀具材料的影响 5.2 表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 刀瘤对工件表面质量的影响刀瘤对工件表

26、面质量的影响 切削过程中切屑底层和前刀面发生冷焊的结果。切削过程中切屑底层和前刀面发生冷焊的结果。 (2)(2)物理力学因素物理力学因素 1、 切削加工表面粗糙度的形成切削加工表面粗糙度的形成 5.2 表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 鳞刺的产生：鳞刺的产生：切屑在前刀面上的摩擦和冷焊作用造成周期性的停留，代替刀具推挤切切屑在前刀面上的摩擦和冷焊作用造成周期性的停留，代替刀具推挤切 削层，造成切削层和工件之间出现撕裂现象。削层，造成切削层和工件

27、之间出现撕裂现象。 鳞刺的形成：抹试阶段、导裂阶段、层积阶段、刮成阶段 (2)(2)物理力学因素物理力学因素 1、 切削加工表面粗糙度的形成切削加工表面粗糙度的形成 5.2 表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 工件材料的影响工件材料的影响 v 韧性材料：韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变工件材料韧性愈好，金属塑性变 形愈大，加工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢形愈大，加工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢 材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度

28、，材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度， 常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。 v 脆性材料：脆性材料：加工粗糙度接近理论值。加工粗糙度接近理论值。加工脆加工脆 性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而性材料时，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。 (2)(2)物理力学因素物理力学因素 1、 切削加工表面粗糙度的形成切削加工表面粗糙度的形成 5.2 表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表

29、面粗糙度 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 切削速度的影响切削速度的影响 加工塑性材料时，加工塑性材料时，切削速度切削速度对表面粗糙度对表面粗糙度 的影响如图所示。积屑瘤和鳞刺仅在低速时产的影响如图所示。积屑瘤和鳞刺仅在低速时产 生。切削速度越高，塑性变形越不充分，表面生。切削速度越高，塑性变形越不充分，表面 粗糙度值越小；选择低速宽刀精切和高速精切，粗糙度值越小；选择低速宽刀精切和高速精切， 可以得到较小的表面粗糙度。可以得到较小的表面粗糙度。 加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响 实线只考虑塑性变形的影响 虚线考虑刀瘤和鳞刺的影响

30、 (2)(2)物理力学因素物理力学因素 1、 切削加工表面粗糙度的形成切削加工表面粗糙度的形成 5.2 表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 其它因素的影响其它因素的影响 合理使用合理使用冷却润滑液冷却润滑液，适当增大，适当增大刀具的刀具的 前角前角，提高，提高刀具的刃磨质量刀具的刃磨质量等，均能有效地等，均能有效地 减小表面粗糙度值。减小表面粗糙度值。 进给量的影响进给量的影响 减小减小进给量进给量f固然可以减小表面粗糙度值，固然可以减小表面粗糙

31、度值， 但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势。但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势。 (2)(2)物理力学因素物理力学因素 1、 切削加工表面粗糙度的形成切削加工表面粗糙度的形成 5.2 表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 (3)(3)工艺系统振动工艺系统振动 1、 切削加工表面粗糙度的形成切削加工表面粗糙度的形成 5.2 表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5.2.1 切削加工表面粗糙度切削

32、加工表面粗糙度 工艺系统的低频振动，一般在工件的已加工表面上产工艺系统的低频振动，一般在工件的已加工表面上产 生表面波度，而工艺系统的高频振动将对已加工表面的粗生表面波度，而工艺系统的高频振动将对已加工表面的粗 糙度产生影响。为降低加工表面的粗糙度，则必须采取相糙度产生影响。为降低加工表面的粗糙度，则必须采取相 应措施防止加工过程中产生高频振动。应措施防止加工过程中产生高频振动。 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 影响切削加工表影响切削加工表 面粗糙度的因素面粗糙度的因素 刀具几何形状刀具几何形状 刀具材料、刃磨质量刀具材料、刃磨质量 切削用量切削用量 工件材料工件材料 残留面

33、积 Ra 前角 Ra 后角摩擦Ra 刃倾角会影响实际工作前角 v Ra f Ra ap对Ra影响不大，太小会打滑 ，划伤已加工表面 材料塑性 Ra 同样材料晶粒组织大 Ra ，常用正火、调质处理 刀具材料强度 Ra 刃磨质量 Ra 冷却、润滑 Ra 5.2 表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 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砂粒数越多，则刻痕越多，

34、痕形成的，工件单位面积上通过的砂粒数越多，则刻痕越多， 刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。 1、 磨削加工后表面粗糙度的形成磨削加工后表面粗糙度的形成 磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多数是负前磨削速度比一般切削速度高得多，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，故表面槽与隆起，又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形，故

35、表面 粗糙度值增大。粗糙度值增大。 5.2 表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5.2.2 磨削加工表面粗糙度磨削加工表面粗糙度 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 1、 磨削加工后表面粗糙度磨削加工后表面粗糙度 磨粒在工件上的刻痕磨粒在工件上的刻痕 5.2 表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5.2.2 磨削加工表面粗糙度磨削加工表面粗糙度 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 磨粒磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨粒越在砂轮上的分布越均匀、磨粒越 细，刃口的等高性越好。则

36、砂轮单位面积细，刃口的等高性越好。则砂轮单位面积 上参加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻上参加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻 痕就越细密均匀，表面粗糙度值就越小。痕就越细密均匀，表面粗糙度值就越小。 2、 磨削中影响粗糙度的因素磨削中影响粗糙度的因素 砂轮修整砂轮修整除了使砂轮具有正确的几何除了使砂轮具有正确的几何 形状外，更重要的是使砂轮工作表面形成形状外，更重要的是使砂轮工作表面形成 排列整齐而又锐利的微刃。因此，砂轮修排列整齐而又锐利的微刃。因此，砂轮修 整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大。整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大。 5.2 表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施表面粗糙度影

37、响的工艺参数及其改善的工艺措施 5.2.2 磨削加工表面粗糙度磨削加工表面粗糙度 (1)(1)砂轮的磨粒砂轮的磨粒 (2)(2)砂轮修整砂轮修整 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 v 砂轮转速砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越 多，表面粗糙度值就越小。多，表面粗糙度值就越小。 v 工件速度工件速度对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影 响相反。工件的速度增大，通过加工表面的磨粒数减少，响相反。工件的速度增大，通过加工表面的磨粒数减少， 因此表面粗糙度值增大。因此表面粗糙度值增大。 v 砂轮的

38、纵向进给量砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被小于砂轮的宽度时，工件表面将被 重叠切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小。重叠切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小。 为提高磨削效率，通常在开始磨削时采用较大的径向为提高磨削效率，通常在开始磨削时采用较大的径向 进给量，而在磨削后期采用较小的径向进给量或无进给量进给量，而在磨削后期采用较小的径向进给量或无进给量 磨削，以减小表面粗糙度值。磨削，以减小表面粗糙度值。 2、 磨削中影响粗糙度的因素磨削中影响粗糙度的因素 (3)(3)磨削用量磨削用量 5.2 表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施表面粗糙度影响的工艺参数及其

39、改善的工艺措施 5.2.2 磨削加工表面粗糙度磨削加工表面粗糙度 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 太硬易使磨粒磨钝太硬易使磨粒磨钝 Ra ； 太软容易堵塞砂轮太软容易堵塞砂轮Ra ； 韧性太大，热导率差会使磨粒早期崩落韧性太大，热导率差会使磨粒早期崩落Ra 。 2、 磨削中影响粗糙度的因素磨削中影响粗糙度的因素 (4)(4)工件材料工件材料 5.2 表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5.2.2 磨削加工表面粗糙度磨削加工表面粗糙度 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 影响磨削加工表影响磨削加工表 面粗糙度的因素

40、面粗糙度的因素 粒度粒度Ra 金刚石笔锋利金刚石笔锋利，修正导程、径，修正导程、径 向进给量向进给量 Ra 磨粒等高性磨粒等高性Ra 硬度硬度钝化磨粒脱落钝化磨粒脱落 Ra 硬度硬度磨粒脱落磨粒脱落Ra 硬度合适、自励性好硬度合适、自励性好Ra 太硬、太软、韧性、导热性差太硬、太软、韧性、导热性差 Ra 砂轮粒度砂轮粒度 工件材料性质工件材料性质 砂轮修正砂轮修正 磨削用量磨削用量 砂轮硬度砂轮硬度 砂轮砂轮V Ra ap、工件、工件V 塑变塑变 Ra 粗磨粗磨ap生产率生产率 精磨精磨ap Ra(ap=0光磨光磨) 5.2 表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施表面粗糙度影响的工艺参数及

41、其改善的工艺措施 5.2.2 磨削加工表面粗糙度磨削加工表面粗糙度 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 5.2 表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5.2.3 超精研、研磨、珩磨和抛光加工的表面粗糙度超精研、研磨、珩磨和抛光加工的表面粗糙度 超精研、研磨、珩磨和抛光加工，一般只规定加工时的压超精研、研磨、珩磨和抛光加工，一般只规定加工时的压 强。加工时所用的工具由加工面本身导向而相对于工件的定位强。加工时所用的工具由加工面本身导向而相对于工件的定位 基准没有确定的位置，所使用的机床也不需要具有非常精确的基准没有确定的位置，所使用的

42、机床也不需要具有非常精确的 成型运动。成型运动。 这些加工方法的主要作用是降低表面粗糙度，而加工精度这些加工方法的主要作用是降低表面粗糙度，而加工精度 则主要由前面工序保证。则主要由前面工序保证。 采用这些方法加工时，其加工余量都不可能太大，一般只采用这些方法加工时，其加工余量都不可能太大，一般只 是前道工序公差的几分之一。因此，这些加工方法均被称为零是前道工序公差的几分之一。因此，这些加工方法均被称为零 件表面的光整加工技术。件表面的光整加工技术。 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用

43、， 使表面层金属的物理机械性能产生变化，最主要的变化是使表面层金属的物理机械性能产生变化，最主要的变化是表表 面层冷作硬化面层冷作硬化、金相组织的变化金相组织的变化和和残余应力的产生残余应力的产生。 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 能的变化会很大。能的变化会很大。 5.3 影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 影响表

44、面层物理力学性能的主要因素影响表面层物理力学性能的主要因素 表面物理力表面物理力 学性能学性能 影响影响金相组金相组 织变化织变化因素因素 影响影响显微硬显微硬 度度因素因素 影响影响残余应残余应 力力因素因素 塑变引起的冷硬塑变引起的冷硬 金相组织变化引起金相组织变化引起 的硬度变化的硬度变化 冷塑性变形冷塑性变形 热塑性变形热塑性变形 金相组织变化金相组织变化 切削热切削热 冷作硬化冷作硬化 金相组织变化金相组织变化 残余应力残余应力 表表 现现 形形 式式 5.3 影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 第第5 5章章 机械加工表

45、面质量机械加工表面质量 切削或磨削加工中，表面层金属由于塑性变形使晶格扭切削或磨削加工中，表面层金属由于塑性变形使晶格扭 曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移, ,晶粒被拉长和纤维化，甚至晶粒被拉长和纤维化，甚至 破碎，引起材料的强化（使表面层金属的硬度和强度提高），破碎，引起材料的强化（使表面层金属的硬度和强度提高）， 这种现象称为这种现象称为加工硬化加工硬化，又称，又称冷作硬化冷作硬化或或强化。强化。 1、 冷作硬化的概念冷作硬化的概念 5.3 影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5.3.1 加工表面层的冷作

46、硬化加工表面层的冷作硬化 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 弱化：弱化：被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态，只要一有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。弱化作用的大小取决于温度的高低、热作用时间象称为弱化。弱化作用的大小取决于温度的高低、热作用时间 的长短和表层金属的强化程度。的长短和表层金属的强化程度。 由于在加工过程中表层金属同时受到变形和热的作用，加由于在加工过程中表层金属同时受到变形和热的作用，加 工后表层金属的最后性质取决于强化和

47、弱化综合作用的结果。工后表层金属的最后性质取决于强化和弱化综合作用的结果。 1、 冷作硬化的概念冷作硬化的概念 5.3 影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5.3.1 加工表面层的冷作硬化加工表面层的冷作硬化 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 衡量表面层衡量表面层加工硬化程度加工硬化程度的指标有下列三项：的指标有下列三项： 1）表面层的显微硬度）表面层的显微硬度H； 2）硬化层深度）硬化层深度h； 3）硬化程度）硬化程度N N=(H-H0)/H0100 式中式中 H0工件原表面层的显微硬度。工件原表面层的显微硬度。

48、2、冷作硬化的评定、冷作硬化的评定 5.3 影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5.3.1 加工表面层的冷作硬化加工表面层的冷作硬化 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 表面层冷作硬化的程度决定于表面层冷作硬化的程度决定于产生塑性变形的力产生塑性变形的力、变形变形 速度速度及及变形时的温度变形时的温度。力越大，塑性变形越大，则硬化程度。力越大，塑性变形越大，则硬化程度 越大；速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度越小；变越大；速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度越小；变 形时的温度不仅影响塑性变形程度，还会影响变形后

49、金相组形时的温度不仅影响塑性变形程度，还会影响变形后金相组 织的恢复程度。织的恢复程度。 3、 影响冷作硬化的主要因素影响冷作硬化的主要因素 5.3 影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5.3.1 加工表面层的冷作硬化加工表面层的冷作硬化 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 刀具几何形状的影响刀具几何形状的影响 切削刃切削刃 r、前角、前角、后面磨损量、后面磨损量VB 表层金属的塑变加剧表层金属的塑变加剧冷硬冷硬 切削用量的影响切削用量的影响 切削速度切削速度v温度升高，冷硬恢复；温度升高，冷硬恢复； 刀具、工件接触时

50、间短，塑变刀具、工件接触时间短，塑变冷硬冷硬 f切削力切削力塑变塑变冷硬冷硬 f 较小较小刀具刃口圆角在加工表面单位长度刀具刃口圆角在加工表面单位长度 上的挤压次数增多上的挤压次数增多冷硬冷硬 工件材料性能的影响工件材料性能的影响 材料塑性材料塑性冷硬冷硬 3、 影响冷作硬化的主要因素影响冷作硬化的主要因素 5.3 影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5.3.1 加工表面层的冷作硬化加工表面层的冷作硬化 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 切削加工中，由于切削热的作用，在工件的加工区及其切削加工中，由于切削热的作用，在

51、工件的加工区及其 邻近区域产生了一定的温升。邻近区域产生了一定的温升。 定义：定义：磨削加工时，表面层有很高的温度，当温度达到磨削加工时，表面层有很高的温度，当温度达到 相变临界点时，表层金属就发生金相组织变化，强度和硬度相变临界点时，表层金属就发生金相组织变化，强度和硬度 降低、产生残余应力、甚至出现微观裂纹，这种现象称为降低、产生残余应力、甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨磨 削烧伤削烧伤。 淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的磨削烧伤淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的磨削烧伤 有三种形式。有三种形式。 1. . 机械加工表面层金相组织的变化机械加工表面层金相组织的变化 5.3 影

52、响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5.3.2 表面层金属的金相组织变化表面层金属的金相组织变化 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 淬火烧伤淬火烧伤 回火烧伤回火烧伤 退火烧伤退火烧伤 2. . 磨削烧伤的三种形式磨削烧伤的三种形式 磨削时，当工件表面层温度超过相变临界温度磨削时，当工件表面层温度超过相变临界温度Ac3Ac3 时，则马氏体转变为奥氏体。若此时无冷却液，表层金时，则马氏体转变为奥氏体。若此时无冷却液，表层金 属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织。硬度和强度均大属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织。硬度和强度均大

53、幅度下降。这种现象称为幅度下降。这种现象称为退火烧伤退火烧伤。 磨削时，如果工件表面层温度只是超过原来的回磨削时，如果工件表面层温度只是超过原来的回 火温度，则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象火温度，则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象 而转变为硬度较低的回火组织（索氏体或屈氏体），这而转变为硬度较低的回火组织（索氏体或屈氏体），这 种现象称为种现象称为回火烧伤回火烧伤。 磨削时工件表面温度超过相变临界温度磨削时工件表面温度超过相变临界温度Ac3Ac3时，则时，则 马氏体转变为奥氏体。在冷却液作用下，工件最外层马氏体转变为奥氏体。在冷却液作用下，工件最外层 金属会出现二次淬火马氏体组

54、织。其硬度比原来的回金属会出现二次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回 火马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回火索氏体火马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回火索氏体 和屈氏体。由于二次淬火层极薄，表面层总的硬度是和屈氏体。由于二次淬火层极薄，表面层总的硬度是 降低的，这种现象称为降低的，这种现象称为淬火烧伤淬火烧伤。 5.3 影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5.3.2 表面层金属的金相组织变化表面层金属的金相组织变化 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 距表层距离距表层距离 ：二次淬火层二次淬火层 ：高温回火层高温回火

55、层 ：低温回火层低温回火层 ：正常组织正常组织 2. . 磨削烧伤的三种形式磨削烧伤的三种形式 5.3 影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5.3.2 表面层金属的金相组织变化表面层金属的金相组织变化 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 3. . 评定烧伤的方法评定烧伤的方法 5.3 影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5.3.2 表面层金属的金相组织变化表面层金属的金相组织变化 （1 1）观色法）观色法：此法立足于不同性质的烧伤组织具有不同：此法立足于不同

56、性质的烧伤组织具有不同 的光学性质（反射、干涉等），因而会在工件表面上呈现出的光学性质（反射、干涉等），因而会在工件表面上呈现出 不同的色彩。人们根据烧伤表面上看到的黄、褐、紫、青等不同的色彩。人们根据烧伤表面上看到的黄、褐、紫、青等 烧伤颜色，便可鉴别它属于哪一类烧伤。用观色法所能鉴别烧伤颜色，便可鉴别它属于哪一类烧伤。用观色法所能鉴别 的烧伤，其温度多在的烧伤，其温度多在500500以上。以上。 （2 2）酸洗法：）酸洗法：将已加工完的工件表面在将已加工完的工件表面在3%3%5%5%的硝酸溶的硝酸溶 液中浸洗液中浸洗303040s40s后取出，在灯光下观察，如果表面呈暗灰色后取出，在灯光下

57、观察，如果表面呈暗灰色 则可判断工件表面上无烧伤，如果表面呈黑色则说明工件已则可判断工件表面上无烧伤，如果表面呈黑色则说明工件已 经烧伤。经烧伤。 （3 3）金相组织法：）金相组织法：通过一定的方法观察和检查表层金属通过一定的方法观察和检查表层金属 金相组织的变化来评定烧伤的情况。金相组织的变化来评定烧伤的情况。 （4 4）显微硬度法：）显微硬度法：不同性质的烧伤具有不同性质的显微不同性质的烧伤具有不同性质的显微 硬度分布。硬度分布。 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 1) 砂轮转速砂轮转速 磨削烧伤磨削烧伤 2) 径向进给量径向进给量fp 磨削烧伤磨削烧伤 3) 轴向进给量轴

58、向进给量fa磨削烧伤磨削烧伤 4) 工件速度工件速度vw磨削烧伤磨削烧伤 1)1)磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃口锋利磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃口锋利磨削磨削 力力磨削区的温度磨削区的温度 2)2)磨削导热性差的材料磨削导热性差的材料( (耐热钢、轴承钢、不锈耐热钢、轴承钢、不锈 钢钢)磨削烧伤磨削烧伤 3)3)应合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织应合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织磨削烧伤磨削烧伤 磨削用量磨削用量 砂轮与砂轮与 工件材料工件材料 4. . 改善加工表面金相组织的工艺途径改善加工表面金相组织的工艺途径 5.3 影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施影响表层力学物理性

59、能的工艺因素及其改进的工艺措施 5.3.2 表面层金属的金相组织变化表面层金属的金相组织变化 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 采用内冷却法采用内冷却法 磨削烧伤磨削烧伤 改善冷却条件改善冷却条件 内冷却装置 1锥形盖 2通道孔 3砂轮中心孔 4有径向小孔的薄壁套 4. . 改善加工表面金相组织的工艺途径改善加工表面金相组织的工艺途径 5.3 影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5.3.2 表面层金属的金相组织变化表面层金属的金相组织变化 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 间断磨削间断磨削受热受热磨削

60、烧伤磨削烧伤 采用开槽砂轮采用开槽砂轮 开槽砂轮开槽砂轮 4. . 改善加工表面金相组织的工艺途径改善加工表面金相组织的工艺途径 5.3 影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5.3.2 表面层金属的金相组织变化表面层金属的金相组织变化 第第5 5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量 1. . 残余应力的定义残余应力的定义 定义：定义： 机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表 面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力，这面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力，这 种应力即为