过程装备制造工艺——11机械加工表面质量课件

1、第篇 过程机械制造的质量要求 11 机械加工表面质量11 11 机械加工表面质量机械加工表面质量 11.1 11.1 概述概述 11.2 11.2 影响加工表面质量的工艺因素影响加工表面质量的工艺因素 11.3 11.3 表面强化工艺表面强化工艺11.1 11.1 概述概述机加工表面质量的概念机加工表面质量的概念 掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高产品性能的目的。 实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量。研究机械加工表面质量的目的研究机械

2、加工表面质量的目的机械产品的失效形式因设计不周而导致强度不够；磨损、腐蚀和疲劳破坏。 少数多数一、机械加工表面质量的含义一、机械加工表面质量的含义1表面的几何特征2表面层物理力学、化学性能(1)表面粗糙度(2)表面波度(3)纹理方向(1)表面层加工硬化(冷作硬化)。(2)表面层金相组织变化。(3)表面层产生残余应力。 1 1、表面的几何形状特征、表面的几何形状特征 加工后表面形状，总是以“峰”、“谷”的形式偏离其理想光滑表面。按偏离程度有宏观和微观之分。波距：峰与峰或谷与谷间的距离， 以L表示；波高：峰与谷间的高度，以H 表示。 波距与波高波距与波高L/H1000时，属于宏观几何形状误差；L/

3、H50时，属于微观形状误差，称作表面粗糙度；L/H=50 1000时，称作表面波度；主要是由机械加工过程主要是由机械加工过程中工艺系统低频振动所中工艺系统低频振动所引起。引起。 纹理方向纹理方向 是指表面刀纹的方向，取决于表面形成所采是指表面刀纹的方向，取决于表面形成所采用的机械加工方法。一般用的机械加工方法。一般运动副或密封件运动副或密封件对纹理方向有要求。对纹理方向有要求。 伤痕伤痕 是指在加工表面个别位置出现的缺陷，如沙眼、气是指在加工表面个别位置出现的缺陷，如沙眼、气孔、裂痕等。孔、裂痕等。2 2、表面层物理力学、化学性能、表面层物理力学、化学性能表示方法(1)(1)表面金属层的冷作硬

4、化表面金属层的冷作硬化 指工件在加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形，使指工件在加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形，使工件加工表面层的强度和硬度都有所提高的现象。工件加工表面层的强度和硬度都有所提高的现象。冷硬层深度 h硬化程度 N 硬化程度：%1000 HHN其中：H加工后表面层的显微硬度H0材料原有的显微硬度(2)(2)表面层金相组织变化表面层金相组织变化(3)(3)表面层产生残余应力表面层产生残余应力 指的是加工中，指的是加工中，由于切削热的作用引起表层金属金相组织由于切削热的作用引起表层金属金相组织发生变化的现象。发生变化的现象。如磨削时常发生的磨削烧伤，大大降低表面如磨削时

5、常发生的磨削烧伤，大大降低表面层的物理机械性能。层的物理机械性能。 指的是加工中，指的是加工中，由于切削变形由于切削变形和切削热的作用，工件表层及其基和切削热的作用，工件表层及其基体材料的交界处产生相互平衡的弹体材料的交界处产生相互平衡的弹性应力的现象。性应力的现象。残余应力超过材料残余应力超过材料强度极限就会产生表面裂纹。强度极限就会产生表面裂纹。11.1 11.1 概述概述表面质量对零件使用性能影响表面质量对零件使用性能影响1 1表面质量对零件耐磨性的影响表面质量对零件耐磨性的影响第一阶段第一阶段 初期磨损阶段初期磨损阶段第二阶段第二阶段 正常磨损阶段正常磨损阶段第三阶段第三阶段 急剧磨损

6、阶段急剧磨损阶段零件的零件的磨损可磨损可分为三分为三个阶段个阶段 不是表面粗糙度值越小越耐磨，不是表面粗糙度值越小越耐磨，在一定工作条件下，摩擦副表面总是在一定工作条件下，摩擦副表面总是存在一个最佳表面粗糙度值，表面粗存在一个最佳表面粗糙度值，表面粗糙度糙度RaRa值约为值约为0.320.320.250.25mm较好。较好。表面粗糙度对摩擦副的影响表面粗糙度对摩擦副的影响 重裁情况下，重裁情况下，由于压强、分子亲和力和润滑液的储存等因素的变化，其规律与上述有所不同。表面纹理方向对耐磨性的影响表面纹理方向对耐磨性的影响表面纹理方向影响金属表面的实际接触面积实际接触面积和润滑液的存留情况润滑液的存

7、留情况。 轻载时，轻载时，两表面的纹理方向与相对运动方向一致时，磨损最小；当两表面纹理方向与相对运动方向垂直时，磨损最大。 过度的加工硬化会使金属组织疏松，甚至出现疲劳裂纹和产生剥落现象，从而使耐磨性下降。表面层的加工硬化对耐磨性的影响表面层的加工硬化对耐磨性的影响 由于加工硬化提高了表面层的强度，减少了表面进一步塑性变形和咬焊的可能。一般能提高耐磨性0.5 1倍。2 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 在交变载荷作用下，零件表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷员易形成应力集中，并发展成疲劳裂纹，导致零件疲劳破坏。因此，对于重要零件表面如连杆、曲轴等，应进行光整加工，减小表面粗

8、糙度值，提高其疲劳强度。表面粗糙度的影响表面粗糙度的影响 适当的加工硬化能阻碍已有裂纹的继续扩大和新裂纹的产生，有助于提高疲劳强度。但加工硬化程度过大，反而易产生裂纹，故加工硬化程度应控制在一定范围内。拉应力加剧疲劳裂纹的产生和扩展；残余压应力，能延缓疲劳裂纹的产生、扩展，而使零件疲劳强度提高。表面残余应力对疲劳强度的影响表面残余应力对疲劳强度的影响影响极大影响极大 表面层的加工硬化对疲劳强度影响表面层的加工硬化对疲劳强度影响3 3表面质量对零件耐腐蚀性的影响表面质量对零件耐腐蚀性的影响残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性；表面粗表面粗糙度的糙度的影响影响表面粗糙

9、度值越大，越容易积聚腐蚀性物质；波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。 零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度表面残余应力对零件耐腐蚀性影响表面残余应力对零件耐腐蚀性影响拉应力则降低耐腐蚀性 4 4表面质量对配合性质的影响表面质量对配合性质的影响 表面残余应力会引起零件变形，使零件形状和尺寸发生表面残余应力会引起零件变形，使零件形状和尺寸发生变化，因此对配合性质有一定的影响。变化，因此对配合性质有一定的影响。相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。表面粗糙表面粗糙度的影响度的影响 对间隙配合而言，表面粗糙度值太大，会对间隙配合而言，表面粗糙度值太

10、大，会使配合表面很快磨损而增大配合间隙，改变配使配合表面很快磨损而增大配合间隙，改变配合性质，降低配合精度。合性质，降低配合精度。 对过盈配合而言，装配时配合表面的波峰对过盈配合而言，装配时配合表面的波峰被挤平，减小实际过盈量，降低了连接强度，被挤平，减小实际过盈量，降低了连接强度，影响了配合的可靠性。影响了配合的可靠性。表面残余应力的影响表面残余应力的影响11.2 11.2 影响加工表面质量的工艺因素影响加工表面质量的工艺因素rrfHctgctg28fHr车削时残留面积的高度frHmaxvfrb）Hmaxfa）vfrr q工件材料的性质工件材料的性质韧性韧性 表面粗糙度表面粗糙度 工件材料韧

11、性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。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，由于切屑的崩碎而在加工加工脆性材料时，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。表面留下许多麻点，使表面粗糙。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，加工表面越粗糙。刺，加工表面越粗糙。l物理因素的影响物理因素的影响 同一材料金相组织同一材料金相组织 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，故对中碳

12、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。常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。q切削速度的影响切削速度的影响 加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响随加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响随切削速度的变化而变化（对积屑瘤和鳞刺的影响）；切削速度的变化而变化（对积屑瘤和鳞刺的影响）；切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小；越小；选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表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；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。切

13、削表面塑性变形和积屑瘤切削表面塑性变形和积屑瘤 切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（m）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度 h（m） 0200400600hKsRzq进给量的影响进给量的影响 减小进给量减小进给量f f固然可以减小表面粗糙度值，但进给量固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，效率降低。过小，效率降低。 适当增大刀具前角，提高刃磨质量适当增大刀具前角，提高刃磨质量，合理选择切，合理选择切削液，抑制积屑瘤和鳞刺。削液，抑制积屑瘤和鳞刺。精镗(车)后的表面轮廓图(横向粗糙度) q磨削中

14、影响粗糙度的几何因素磨削中影响粗糙度的几何因素从从几何因素几何因素和和塑性变形塑性变形两方面影响两方面影响工件的工件的磨削表面磨削表面是由砂轮上是由砂轮上大量磨粒刻划大量磨粒刻划出无数极细的出无数极细的刻痕形成刻痕形成的，工件的，工件单位面积上通过的磨粒数越多单位面积上通过的磨粒数越多，则刻痕，则刻痕越多，越多，刻痕的等高性越好刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小表面粗糙度值越小。磨削时磨削时切削力大切削力大速度高温度高速度高温度高，且磨粒大多数是负前角，且磨粒大多数是负前角，切削刃又不锐利，切削刃又不锐利，大多数磨粒大多数磨粒在磨削过程中在磨削过程中只是对被加只是对被加工表面挤压工表面挤压，没

15、有切削作用。加工表面在多次挤压下出，没有切削作用。加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起，又由于磨削时的现沟槽与隆起，又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。故表面粗糙度值增大。p磨削中影响粗糙度的物理因素（通常是决定因素）磨削中影响粗糙度的物理因素（通常是决定因素）磨削用量对表面粗糙度的影响vw = 40(m/min)f = 2.36(m /min)ap = 0.01(mm)v = 50(m/s)f = 2.36(m /min)ap = 0.01(mm)v(m/s), vw(m/min)Ra(m)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40

16、.8Ra(m)00.20.60.020.030.04b）光磨次数-Ra关系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB) 金刚石砂轮磨削工程陶瓷零件 太硬易使磨粒磨钝 Ra 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Ra 。 由前述可知，表面质量对零件的使用性能及寿命影响很大，由前述可知，表面质量对零件的使用性能及寿命影响很大，如果最终工序不能保证零件表面获得预期的表面质量要求，则如果最终工序不能保证零件表面获得预期的表面质量要求，则可在工艺过程中增设表面强化工序，以改善表面性能。可在工艺过程中增设表面强化工序

17、，以改善表面性能。 表面强化工艺表面强化工艺是指通过是指通过冷压加工方法冷压加工方法使使表面层金属表面层金属发生冷发生冷态塑性变形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面态塑性变形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面层产生层产生残余压应力残余压应力。这种方法工艺简单、成本低廉，应用广泛。这种方法工艺简单、成本低廉，应用广泛。喷九强化喷九强化滚压加工滚压加工表面强化常用工艺方法表面强化常用工艺方法 1 1喷九强喷九强化化 利用压缩空气或离心力将大量的珠丸利用压缩空气或离心力将大量的珠丸( (直径为直径为0.40.4 4mm)4mm)以以高速打击被加工零件表面，使表面产生冷硬层和残余压

18、应力，高速打击被加工零件表面，使表面产生冷硬层和残余压应力，可以显著提高零件的疲劳强度。珠丸可以是铸铁或砂石，钢丸可以显著提高零件的疲劳强度。珠丸可以是铸铁或砂石，钢丸更好。喷丸所用设备是压缩空气喷丸装置或机械离心式喷丸装更好。喷丸所用设备是压缩空气喷丸装置或机械离心式喷丸装置，这些装置使珠丸能以置，这些装置使珠丸能以3535 50m50ms s的速度喷出。的速度喷出。珠丸(直径为0.4 4mm)高速(35 50 m/s)打击被加工 零 件 表 面使表面产生冷硬层和残余压应力方法概要方法概要应用应用 喷九加工主要用于强化形状复杂的零件，如喷九加工主要用于强化形状复杂的零件，如齿轮、连杆、曲轴等。零件经喷九强化后，硬化齿轮、连杆、曲轴等。零件经喷九强化后，硬化层深度可达层深度可达0.7mm0.7mm，表面租糙度，表面租糙度RaRa值可由值可由3.2 3.2 减减少到少到0.4 0.4 ，使用寿命可提高几倍到几十倍。，使用寿命可提高几倍到几十倍。 2 2滚压加工滚压加工 利用淬硬的滚压工具利用淬硬的滚压工具( (滚轮或滚滚轮或滚珠珠) )在常温下对工件表面施加压力，在常温下对工件表面施加压力，使其产生塑性变形，工件表面上原使其产生塑性变形，工件表面上原有的波峰被填充到相邻的波谷中，有的波峰被填充到相邻的波谷中，以减小表面粗糙度值，并使表面产以减小