已加工表面质量课件

1、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 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。 指在一定深度内的表面层产生的变质层。（塑性变形、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、化硬度变化、微观裂纹、晶格畸变、残余应力、热损伤区

2、、化学特性及电磁特性的变化。）学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： 表面粗糙度、表面层的加工硬化程度及硬化层深度、表表面粗糙度、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。面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过程已加工表面的形成过程( (第三变形区第三变形区) )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，钝圆半径可

3、能绝对锋利，钝圆半径r r总是存在的。其值经测定：高总是存在的。其值经测定：高速钢刀具速钢刀具3 31010m m；硬质合金刀具；硬质合金刀具18183232m m。另外，刀。另外，刀具开始切削不久，后刀面就会发生磨损，形成一段具开始切削不久，后刀面就会发生磨损，形成一段oeoe=0=0的棱带的棱带VBVB。在研究已加工表面形成时，应考虑。在研究已加工表面形成时，应考虑r r、VBVB的影响。的影响。 已加工表面质量当切削层金属以当切削层金属以v v逐渐接近切削刃时，被切层便发生挤压与剪切变形，逐渐接近切削刃时，被切层便发生挤压与剪切变形，最终沿剪切面最终沿剪切面OMOM方向滑移成为切屑。方向

4、滑移成为切屑。 由于由于r r的关系，的关系，a ac c中将有中将有a a无法沿无法沿OMOM方向滑移，而是从切削刃钝圆部方向滑移，而是从切削刃钝圆部分分O O点下面挤压过去，继之又受到点下面挤压过去，继之又受到VBVB的挤压和摩擦，使工件表层金属受到剪的挤压和摩擦，使工件表层金属受到剪切应力，随后弹性恢复，设其高度为切应力，随后弹性恢复，设其高度为hh，则已加工表面在，则已加工表面在CDCD长度上继续与长度上继续与后刀面摩擦。后刀面摩擦。 切削刃钝圆部分切削刃钝圆部分OBOB、VBVB、CDCD构成了后刀面的总接触长度。通过这一剧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

5、表面，其表层的金属具有和基体组织不同的性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，质，称加工变质层称加工变质层。 已加工表面质量 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 切削过程不稳定因素所产生的粗糙度，（积屑瘤、鳞刺、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切削变形，刀具的边界磨损、刀刃与工件相对位置的变动等）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 切削时，由于刀具与工件的相对运动及刀具几何形状的切削时，由于刀具与工件的相对运动及刀具几何形

6、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，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。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（主、副偏角及刀尖圆弧半径的影响，去除面积不是a ap pf f）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：rfR82maxmaxrrctgctgfR已加工表面质量2 2、积屑瘤、积屑瘤 积屑瘤是指由于刀积屑瘤是指由于刀屑接触面的摩擦，当切削速度不高又屑接触面的摩擦，当切削速度

7、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。处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。 积屑瘤的变化不但是整体，而且积屑瘤的变化不但是整体，而且积屑瘤本身也有一个变化积屑瘤本身也有一个变化过程过程。积屑瘤的底部一般比较稳定，而它的。积屑瘤的底部一般比较稳定，而它的顶部极不稳定顶部极不稳定，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。部分留在加工表面上，使加工表面变得非常

8、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

9、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 几何参数几何参数（较大的刀尖圆弧半径，较小的副偏角。降低刀（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）；面及切削刃的粗糙度）；刀具的磨损刀具的磨损（后刀面磨损尺寸越大，（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）；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）。（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 工件材料的塑性和金相组织，塑性越大，粗糙度越大

10、。降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。低材料的塑性。3 3、切削条件方面、切削条件方面 切削速度：切削速度：切削塑性材料时，切速低、中时易产生鳞刺和切削塑性材料时，切速低、中时易产生鳞刺和积屑瘤，提高切削速度；积屑瘤，提高切削速度；减小进给量，减小进给量，可降低残留面积高度、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；的影响小；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、已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象。已加

11、工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象。 已加工表面的形成过程中，表层金属经受了复杂的塑性变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，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。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量00100%HHNH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

12、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。硬化程度硬化程度N N：已加工表面的显微硬度增加值对已加工表面的显微硬度增加值对原始显微硬度的百分数。原始显微硬度的百分数。距表面深度HVH0hdH0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、前角越大前角越大，硬化层深度，硬化层深度越小越小；切削；切削刃钝圆半径越大刃钝圆半径越大，加工，加工硬化越大硬化越大；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。 塑性越大塑性越大，强化指数越大，

13、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。 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；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。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已加工表面质量未施加任何外力作用情况下，材料内部保持平衡

14、而存在的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。应力。 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

15、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

16、的残余应力为残余压应力。已加工表面质量表层拉应力表层拉应力，里层压应力，里层压应力影响复杂，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、前角减小（钝圆半径增大）前角减小（钝圆半径增大）时时，残余应力残余应力由正值变为负由正值变为负值值；刀具后刀面磨损量；刀具后刀面磨损量VBVB增大增大时

17、（摩擦增大，温度升高并且时（摩擦增大，温度升高并且热应力主要）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，应力层深度也增大。 塑性较大的材料，通常产生残余拉应力。塑性较大的材料，通常产生残余拉应力。塑性越大塑性越大，残，残余拉应力越大；脆性材料加工表面多产生残余余拉应力越大；脆性材料加工表面多产生残余压压应力（后刀应力（后刀面的挤压摩擦主导作用）。面的挤压摩擦主导作用）。v v增大增大时（温度升高，热应力主导），残余时（温度升高，热应力主导），残余拉应力增大拉应力增大，但应力层但应力层深度减小深度减小；f f增大增大时（力和热增大，热主导），残时（力和热增大，热主导），残余

18、拉应力增大余拉应力增大；a ap p对残余应力的影响不显著。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

19、法。已加工表面质量一、精密、超精密加工的概念一、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，属于才能达到的精度，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，先进的技术经过探讨、研究、实验之后才能达到的精度，并且实现这一精度指标尚不能普及的加工技术称为并且

20、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

21、工 加工精度加工精度 0.1m 0.1m， 表面粗糙度表面粗糙度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能磨得极其锋锐，刀刃钝圆半径能磨得极其锋锐，刀刃钝圆半径r rB B极小，能实现超薄切削厚极小，能实现超薄切削厚度。度。r rB B与切削刃的加工方法有关，普通刀具与切削刃的加工方法有

22、关，普通刀具5-30m5-30m，金刚，金刚石刀具石刀具10nm10nm。可减小切削表面弹性恢复和表面变质层。从。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。物理学的观点，刃圆半径有一极限。已加工表面质量2 2）切削刃的粗糙度）切削刃的粗糙度切削时切削刃的粗糙度将决定加工表面的粗糙度。普通刀刃切削时切削刃的粗糙度将决定加工表面的粗糙度。普通刀刃的粗糙度的粗糙度Ry0.3Ry0.35 m5 m，金刚石刀具刀刃的粗糙度，金刚石刀具刀刃的粗糙度Ry0.1Ry0.10.2 0.2 mm，特殊情况，特殊情况Ry1nmRy1nm，很难。，很难。3 3）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，保证长）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的