机械制造工艺与机床夹具第4章

1、第四章第四章 机械机械加工表面质量加工表面质量第一节第一节 概述概述第二节第二节 影影响表面质量的工艺因响表面质量的工艺因素素第三节第三节 控制表面质量的工艺控制表面质量的工艺途径途径第四节第四节 机械加工中的振动机械加工中的振动机械制造工艺与机床夹具亚共析钢亚共析钢（F+PF+P） 过共析钢（过共析钢（P+FeP+Fe3 3C C）共晶白口铸铁（共晶白口铸铁（Ld）亚共晶白口铸铁（亚共晶白口铸铁（ P+FeP+Fe3 3C+LdC+Ld ）第一节第一节 概述概述本节内容本节内容一、表面质量的含义一、表面质量的含义二、表面质量对零件使用性能的影响二、表面质量对零件使用性能的影响一、表面质量的含

2、义一、表面质量的含义指机器零件加工后表面层的状态。指机器零件加工后表面层的状态。包括两部分：包括两部分：（1）表面层的几何形状特征）表面层的几何形状特征 表面粗糙度表面粗糙度表面波度表面波度指加工表面的微观几何形状误差，波长指加工表面的微观几何形状误差，波长/ /波幅波幅50，由刀具形状、切削过程中塑性变形及振动等引起。由刀具形状、切削过程中塑性变形及振动等引起。介于形状误差与表面粗糙度之间的周期性形状误差。介于形状误差与表面粗糙度之间的周期性形状误差。50波长波长/ /波幅波幅1000，由工艺系统的低频振动引起。由工艺系统的低频振动引起。表面粗糙度的放大状况形状误差、表面波度及表面粗糙度形状

3、误差、表面波度及表面粗糙度（2）表面层的物理力学性能）表面层的物理力学性能表面层表面层冷作硬化冷作硬化（简称冷硬）（简称冷硬）表面层金相组织的变化表面层金相组织的变化表面层残余应力表面层残余应力零件在机械加工中表面层金属产生强烈的零件在机械加工中表面层金属产生强烈的冷态塑性变形冷态塑性变形后，引起的强度和硬度都有所提高的现象。后，引起的强度和硬度都有所提高的现象。由于由于切削热切削热引起工件表面温升过高，表面层金属发生金相组引起工件表面温升过高，表面层金属发生金相组织变化的现象。织变化的现象。由于加工过程中由于加工过程中切削变形和切削热切削变形和切削热的影响，工件表面层产的影响，工件表面层产生

4、残余应力。生残余应力。二、表面质量对零件使用性能的影响二、表面质量对零件使用性能的影响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表面粗糙度表面粗糙度表面粗糙度值很大：表面粗糙度值很大：实际接触面积小，初期磨损量大；实际接触面积小，初期磨损量大；表面粗糙度太小：表面粗糙度太小：干摩擦，磨损量大；干摩擦，磨损量大；冷作硬化冷作硬化适度硬化可显著地减少零件的磨损。但如果表面硬化过度，适度硬化可显著地减少零件的磨损。但如果表面硬化过度，会使磨损加剧。会使磨损加剧。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表面粗糙度表面粗糙度表面层加工硬化表面层加工硬化表面层

5、残余应力表面层残余应力应力集中，表面粗糙度值越大，抗疲劳破坏能力越差。应力集中，表面粗糙度值越大，抗疲劳破坏能力越差。适度的硬化会提高疲劳强度，但过大易产生裂纹。适度的硬化会提高疲劳强度，但过大易产生裂纹。残余拉应力促使裂纹扩展，压应力阻止裂纹扩展。残余拉应力促使裂纹扩展，压应力阻止裂纹扩展。3 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表面粗糙度表面粗糙度表面层残余应力表面层残余应力表面腐蚀过程示意图零件表面越粗糙，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。 RaRa值值，耐腐蚀性，耐腐

6、蚀性残余压应力，耐腐蚀性残余压应力，耐腐蚀性 残余拉应力，耐腐蚀性残余拉应力，耐腐蚀性 4 4、表面质量对零件配合性质的影响、表面质量对零件配合性质的影响一定的精度应有相应的表面粗糙度；一定的精度应有相应的表面粗糙度；实验研究表明：实验研究表明：零件尺寸大于零件尺寸大于50mm50mm时，推荐：时，推荐：Ra=(0.1-0.15)TRa=(0.1-0.15)T零件尺寸在零件尺寸在18-50mm18-50mm时，推荐：时，推荐： Ra=(0.15-0.20)TRa=(0.15-0.20)T零件尺寸小于零件尺寸小于18mm18mm时，推荐：时，推荐： Ra=(0.20-0.25)TRa=(0.20

7、-0.25)T表面比较粗糙时，轮廓峰在工作中被逐渐磨掉，零件尺寸表面比较粗糙时，轮廓峰在工作中被逐渐磨掉，零件尺寸发生变化，进而影响到配合性质。发生变化，进而影响到配合性质。零件表面质量零件表面质量对疲劳强度的对疲劳强度的影响影响对零件配合对零件配合的影响的影响对耐腐蚀性能对耐腐蚀性能的影响的影响对耐磨性的影响对耐磨性的影响适度冷硬、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，疲劳强度越差粗糙度越大，疲劳强度越差适度冷硬能提高耐磨性适度冷硬能提高耐磨性粗糙度太大、太小都不耐磨粗糙度太大、太小都不耐磨粗糙度越大，耐腐蚀性越差粗糙度越大，耐腐蚀性越差压应力，耐腐蚀性压应力

8、，耐腐蚀性 ，拉应力反之，拉应力反之一定的精度要求相对应的表面粗糙度一定的精度要求相对应的表面粗糙度第二节第二节 影影响表面质量的工艺因响表面质量的工艺因素素本节内容本节内容一、影响表面粗糙度的因素一、影响表面粗糙度的因素二、影响表面物理力学性能的工艺因素二、影响表面物理力学性能的工艺因素一、影响表面粗糙度的因素一、影响表面粗糙度的因素几何因素几何因素物理因素物理因素1 1、切削加工中影响表面粗糙度的因素、切削加工中影响表面粗糙度的因素切削刃与工件相对运动轨迹所形成的表面粗糙度切削刃与工件相对运动轨迹所形成的表面粗糙度与工件材料性质及切削机理有关的因素与工件材料性质及切削机理有关的因素车刀切削

9、部分的结构要素车刀切削部分的结构要素几何因素几何因素尖刀切削时尖刀切削时rrfHcotcot带圆角半径的刀切削时带圆角半径的刀切削时28fHr切削层残留面积切削层残留面积减小减小f 、r 、r及加大及加大r ，可减小残留面积的高度。，可减小残留面积的高度。刀尖圆弧半径、进给量对表面粗糙度的影响刀尖圆弧半径、进给量对表面粗糙度的影响物理因素物理因素工件材质工件材质切削速度切削速度加工脆性材料时，切削速度对于粗糙度影响不大；加工脆性材料时，切削速度对于粗糙度影响不大；加工塑性材料时，加工塑性材料时，积屑瘤积屑瘤对粗糙度影响很大。对粗糙度影响很大。工件材质韧性、塑性工件材质韧性、塑性 ，Ra Ra

10、；工件材质晶粒越均匀，颗粒越细小，工件材质晶粒越均匀，颗粒越细小，Ra Ra 。受纯几何因素的影响受纯几何因素的影响刀具材料刀具材料刀具越硬，越耐磨，刀具越硬，越耐磨，Ra Ra 改善工件材料性能（正火、调质）改善工件材料性能（正火、调质）选择合适的切削速度选择合适的切削速度冷却润滑冷却润滑2 2、磨削加工磨削加工中影响表面粗糙度的因素中影响表面粗糙度的因素磨削表面由砂轮上大量的磨粒刻划出的无数极细的沟槽所形成。磨削表面由砂轮上大量的磨粒刻划出的无数极细的沟槽所形成。单位面积上刻痕越多，刻痕的等高性越好，则粗糙度值越小。单位面积上刻痕越多，刻痕的等高性越好，则粗糙度值越小。磨粒上的微刃磨粒上的

11、微刃砂轮的修整砂轮的修整砂轮修整质量越高，砂轮修整质量越高，磨削表面质量越好。磨削表面质量越好。砂轮的粒度砂轮的粒度砂轮粒度砂轮粒度表面粗糙度表面粗糙度RaRa常取常取46-6046-60号。号。砂轮速度砂轮速度工件速度工件速度砂轮速度砂轮速度v砂砂 表面粗糙度表面粗糙度RaRa工件速度工件速度v工工 表面粗糙度表面粗糙度RaRa磨削用量对磨削用量对R Ra a影响的经验公式：影响的经验公式：磨削参数磨削参数二、影响表面物理力学性能的工艺因素二、影响表面物理力学性能的工艺因素1 1、表面层残余应力、表面层残余应力外载荷去除后，仍残存在工件表层与基体材料交界处的相互外载荷去除后，仍残存在工件表层

12、与基体材料交界处的相互平衡的应力称为平衡的应力称为残余应力残余应力。产生原因：产生原因：冷态塑变冷态塑变热态塑变热态塑变金相组织变化金相组织变化切削后，表层产生残余压应力，而在里层产生残余拉切削后，表层产生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力；伸应力；加工结束后，表层产生残余拉应力，里层产生残余压加工结束后，表层产生残余拉应力，里层产生残余压应力；应力；比容大的组织比容大的组织比容小的组织比容小的组织体积收缩，产生拉应体积收缩，产生拉应力，反之，产生压应力。力，反之，产生压应力。切削加工切削加工时起主要作用的往往是冷态塑性变形，表面层常产时起主要作用的往往是冷态塑性变形，表面层常产生生残余压缩

13、应力残余压缩应力。机械加工后工件表面层的残余应力是机械加工后工件表面层的残余应力是冷态塑性变形、热态冷态塑性变形、热态塑性变形和金相组织变化的塑性变形和金相组织变化的综合结果综合结果。磨削加工磨削加工时起主要作用的通常是热态塑性变形或金相组织变化时起主要作用的通常是热态塑性变形或金相组织变化引起的体积变化，表面层常产生引起的体积变化，表面层常产生残余拉伸应力残余拉伸应力。影响表面残余应力的主要因素影响表面残余应力的主要因素2 2、表面层加工硬化、表面层加工硬化产生原因：产生原因：切削或磨削加工时，表面层金属由于切削或磨削加工时，表面层金属由于塑性变形塑性变形使使晶体间产生剪晶体间产生剪切滑移切

14、滑移，晶格扭曲，晶粒被拉长、纤维化而得到强化。，晶格扭曲，晶粒被拉长、纤维化而得到强化。特点：特点：变形抵抗力提高变形抵抗力提高( (屈服点提高屈服点提高) )，塑性降低，塑性降低 ( (相对延伸率降低相对延伸率降低) )。衡量指标：衡量指标：表面层纤维硬度表面层纤维硬度HVHV、冷硬层的深度、冷硬层的深度h、硬化程度、硬化程度N0HVHVNHV影响加工硬化的因素影响加工硬化的因素切削用量的影响切削用量的影响刀具几何形状的影响刀具几何形状的影响工件材料性能的影响工件材料性能的影响切削刃钝圆半径切削刃钝圆半径 r r径向切削分力径向切削分力表表层金属的塑变加剧层金属的塑变加剧冷硬冷硬切削速度切削

15、速度vv塑变塑变冷硬冷硬ff切削力切削力塑变塑变冷硬冷硬切削深度切削深度p p影响不大影响不大材料塑性材料塑性冷硬冷硬如：低碳钢；如：低碳钢；但有色金属的熔点低，容易弱化，冷作硬化现但有色金属的熔点低，容易弱化，冷作硬化现象比钢材轻得多。象比钢材轻得多。3 3、表面层金相组织变化与磨削烧伤、表面层金相组织变化与磨削烧伤磨削加工时，表面层有很高的温度，当温度达到相变临界点磨削加工时，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，强度和硬度降低、产生时，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。这种现象称为残余应力、甚至出现微观裂纹。这种

16、现象称为磨削烧伤磨削烧伤。淬火烧伤淬火烧伤三种形式三种形式回火烧伤回火烧伤退火烧伤退火烧伤磨削区温度超过相变温度，不用冷却液，磨削区温度超过相变温度，不用冷却液，工件缓慢冷却，发生退火。工件缓慢冷却，发生退火。磨削区温度超过马氏体转变温度，而未磨削区温度超过马氏体转变温度，而未达相变温度，产生回火组织。达相变温度，产生回火组织。磨削区温度超过相变温度，由于冷却液磨削区温度超过相变温度，由于冷却液急冷，表层出现二次淬火马氏体。急冷，表层出现二次淬火马氏体。黑黑青青淡青淡青米黄米黄淡黄淡黄表面颜色与烧伤之间的关系：表面颜色与烧伤之间的关系：影响磨削烧伤的因素影响磨削烧伤的因素磨削用量磨削用量砂轮转

17、速砂轮转速 磨削烧伤磨削烧伤径向进给量径向进给量f fp p 磨削烧伤磨削烧伤轴向进给量轴向进给量f fa a磨削烧伤磨削烧伤工件速度工件速度v vw w磨削烧伤磨削烧伤砂轮与工件材料砂轮与工件材料磨粒的切削刃锋利磨粒的切削刃锋利磨削力磨削力磨削区的温度磨削区的温度磨削导热性差的材料磨削导热性差的材料磨削烧伤磨削烧伤改善冷却条件改善冷却条件采用内冷却法采用内冷却法磨削烧伤磨削烧伤第三节第三节 控制表面质量的工艺途径控制表面质量的工艺途径本节内容本节内容降低表面粗糙度的加工方法降低表面粗糙度的加工方法改善表面物理力学性能的加工方法改善表面物理力学性能的加工方法一、降低表面粗糙度的加工方法一、降低

18、表面粗糙度的加工方法精度为精度为30.3 m，粗糙度为，粗糙度为0.30.03m；精度为精度为0.30.03 m，粗糙度为，粗糙度为0.030.005 m；精度为精度为0.03 m，粗糙度，粗糙度优于优于0.005 m以上。以上。在高精度加工的范畴内，根据精度水平的不同，分为三个档次：在高精度加工的范畴内，根据精度水平的不同，分为三个档次：精密加工精密加工超精密加工超精密加工( (亚微米加工亚微米加工) )纳米加工纳米加工1 1、超精密切削和小粗糙度值磨削加工、超精密切削和小粗糙度值磨削加工超精密切削超精密切削微量切削微量切削超精密设备及装备超精密设备及装备小粗糙度值磨削小粗糙度值磨削工件表面

19、粗糙度工件表面粗糙度RaRa值低于值低于0.2m0.2m的磨削加工。的磨削加工。精密磨削、超精密磨削、镜面磨削精密磨削、超精密磨削、镜面磨削2 2、超精加工、珩磨、研磨、抛光、超精加工、珩磨、研磨、抛光共同特点共同特点1 1）加工余量小，切削速度低）加工余量小，切削速度低2 2）对设备要求低，无需精密机床）对设备要求低，无需精密机床3 3）降低表面粗糙度效果明显，提高精度不明显）降低表面粗糙度效果明显，提高精度不明显超精加工超精加工用细粒度油石，以恒定压力和复杂相对运动对工件进行用细粒度油石，以恒定压力和复杂相对运动对工件进行微量切削微量切削。 Ra=0.012-0.08mA A、工件低速回转

20、运动、工件低速回转运动 B B、磨条轴向进给运动、磨条轴向进给运动 C C、磨条高速往复振动、磨条高速往复振动珩磨珩磨利用珩磨工具对工件表面施加一定压力，珩磨工具同时利用珩磨工具对工件表面施加一定压力，珩磨工具同时做相对旋转和直线往复运动，切除工件极小余量地一种做相对旋转和直线往复运动，切除工件极小余量地一种精密加工方法精密加工方法。Ra=0.025-0.2m，生产生产效率高。效率高。加工对象：圆柱孔加工对象：圆柱孔珩磨余量：珩磨余量：0.020.15mm珩磨孔径范围：珩磨孔径范围：15500mm，孔深径比可达，孔深径比可达1010以上以上珩磨珩磨研磨研磨利用研磨工具和研磨剂，从工件上研去一层

21、极薄表面层的利用研磨工具和研磨剂，从工件上研去一层极薄表面层的精密加工方法精密加工方法。Ra=0.025-0.006m，生产效率低。，生产效率低。基本原理：基本原理：通过介于工件和硬质研具之间的磨料或研磨液的流动产生机通过介于工件和硬质研具之间的磨料或研磨液的流动产生机械摩擦和化学作用去除微小加工余量。械摩擦和化学作用去除微小加工余量。可提高形状、尺寸精度，但不能提高位置精度。可提高形状、尺寸精度，但不能提高位置精度。手工研磨外圆手工研磨外圆在加工表面上涂上研磨剂，再把研具套上，工件低速旋转，在加工表面上涂上研磨剂，再把研具套上，工件低速旋转，手握研具轴向往复移动。手握研具轴向往复移动。手工研

22、磨内圆手工研磨内圆手工研磨平面手工研磨平面抛光抛光用涂有抛光膏的软轮（抛光轮）高速旋转对工件进行微弱用涂有抛光膏的软轮（抛光轮）高速旋转对工件进行微弱切削，从而降低工件表面粗糙度，提高光亮度的一种精密切削，从而降低工件表面粗糙度，提高光亮度的一种精密加工方法。加工方法。 Ra=0.04-0.16m原理与研磨相似，只是研具采用无纺布等软质材料，可用于自由曲面加工。原理与研磨相似，只是研具采用无纺布等软质材料，可用于自由曲面加工。不能提高尺寸、形状及位置精度，主要用于表面的修饰加工及电镀前的预加工。不能提高尺寸、形状及位置精度，主要用于表面的修饰加工及电镀前的预加工。二、改善表面物理力学性能的加工

23、方法二、改善表面物理力学性能的加工方法1 1、喷丸强化、喷丸强化利用大量快速运动的珠丸打击被加工工件表面，使工件表面产利用大量快速运动的珠丸打击被加工工件表面，使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力。生冷硬层和压缩残余应力。可以用于任何复杂形状的零件。可以用于任何复杂形状的零件。喷丸强化喷丸强化2 2、滚压加工、滚压加工用淬硬的滚轮或钢珠在零件上进行滚压，使表层材料产生用淬硬的滚轮或钢珠在零件上进行滚压，使表层材料产生塑性流动，形成新的光洁表面。塑性流动，形成新的光洁表面。槽和凸肩滚压加工槽和凸肩滚压加工3 3、金刚石压光、金刚石压光a)a)压光外圆压光外圆b)b)压光内孔压光内孔第四节第四节 机

24、械加工中的振动机械加工中的振动1、影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度2、加速刀具磨损，易引起崩刃、加速刀具磨损，易引起崩刃4、影响生产效率、影响生产效率3 3、影响机床、夹具的使用寿命、影响机床、夹具的使用寿命5 5、产生噪声污染，危害操作者健康、产生噪声污染，危害操作者健康三种基本类型三种基本类型强迫振动（强迫振动（30%）自由振动自由振动自激振动（自激振动（65%）仅受到初始干扰力的激励而引起仅受到初始干扰力的激励而引起的振动，靠弹性恢复力来维持。的振动，靠弹性恢复力来维持。自由振动强迫振动一、强迫振动一、强迫振动指系统在周期性激振力指系统在周期性激振力( (干扰力干扰力) )持续作用下被迫产生的振动。持续作用下被迫产生的振动。产生原因产生原因内部振源内部振源外部振源外部振源回转零部件质量的不平衡回转零部件质量的不平衡切削时的冲击振动切削时的冲击振动其他机床、锻锤、火车、卡车等通其他机床、锻锤、火车、卡车等通过机床地基传给机床的振动。过机床地基传给机床的振动。机床传动件的制造误差和缺陷机床传动件的制造误差和缺陷消除强迫振动的途径消除强迫振动的途径1、减小激振力；、减小激振力；2、调整振源