现代过程装备制造技术-11机械加工表面质量

1、11 机械加工表面质量SIT11.1 概述概述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 表面强化工艺表面强化工艺SIT11.1 概述概述11.1.1 机械加工表面质量的概念机械加工表面质量的概念11.1.2 机械加工表面质量对零件使用性能的影响机械加工表面质量对零件使用性能的影响SIT11.1.1 机械加工表面质量的概念机械加工表面质量的概念v 实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的工件性能，尤其是可靠性、耐磨性等，很大程度上取的工件性能，尤其是可靠性、耐磨性等，很大程度上取决于其主要零件的表面质量。决于

2、其主要零件的表面质量。机械加工机械加工表面质量表面质量表面的几何特性表面的几何特性表面的物理力学性能表面的物理力学性能表面粗糙度表面粗糙度（表面的微观几何开关误差）（表面的微观几何开关误差）表面波度表面波度（介于宏观几何形状误差与表面粗糙（介于宏观几何形状误差与表面粗糙度之间的一种周期性几何形状误差）度之间的一种周期性几何形状误差）加工表面层塑性变形引起的表面加工表面层塑性变形引起的表面加工硬化加工硬化切削和磨削加工等的高温引起的切削和磨削加工等的高温引起的表面层金相组织的变化表面层金相组织的变化切削加工引起的表面层残余应力切削加工引起的表面层残余应力SIT11.1.2 机械加工表面质量对零件

3、使用性能的影响机械加工表面质量对零件使用性能的影响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有润滑条件下，有润滑条件下，零件的磨损过程零件的磨损过程初期磨损初期磨损正常磨损正常磨损急剧磨损急剧磨损 在一定条件下摩擦副在一定条件下摩擦副表面粗糙度参数总是存在表面粗糙度参数总是存在某个最佳点某个最佳点，在这一点的初期磨损量最小。，在这一点的初期磨损量最小。 上下摩擦件的上下摩擦件的纹理方向纹理方向与相对运动方向与相对运动方向一致一致时时，初期磨损量最小初期磨损量最小；垂直时则最大。；垂直时则最大。 表面加工冷作硬化能提高耐磨性表面加工冷作硬化能提高耐磨性，但过高的硬，但过高的硬度会

4、使局部金属组织疏松发脆及有细小裂纹出度会使局部金属组织疏松发脆及有细小裂纹出现，在外力作用下表面层易产生剥落现象而使现，在外力作用下表面层易产生剥落现象而使磨损加剧。磨损加剧。SIT11.1.2 机械加工表面质量对零件使用性能的影响机械加工表面质量对零件使用性能的影响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 在在交变载荷作用下，零件表面的粗糙度、划痕和微观裂纹等缺交变载荷作用下，零件表面的粗糙度、划痕和微观裂纹等缺陷容易引起应力集中而产生扩展疲劳裂纹，致零件疲劳损坏。陷容易引起应力集中而产生扩展疲劳裂纹，致零件疲劳损坏。减小表面粗糙度可提高疲劳强度减小表面粗糙度可提高疲劳

5、强度。 加工纹理方向加工纹理方向和相对运动方向和相对运动方向相垂直时，疲劳强度明显降低相垂直时，疲劳强度明显降低。 表面残余应力表面残余应力对疲劳影响很大对疲劳影响很大 压应力压应力能部分抵消外力产生的拉应力，起着阻碍疲劳裂纹扩能部分抵消外力产生的拉应力，起着阻碍疲劳裂纹扩展和新裂纹产生的作用，展和新裂纹产生的作用，能提高零件的疲劳强度能提高零件的疲劳强度。 拉应力与外力施加的拉应力方向一致，会助长疲劳裂纹的扩拉应力与外力施加的拉应力方向一致，会助长疲劳裂纹的扩展，而使疲劳强度降低。展，而使疲劳强度降低。 表面冷作硬化有助于提高零件的疲劳强度表面冷作硬化有助于提高零件的疲劳强度，这是由于硬化层

6、能，这是由于硬化层能阻止已有裂纹的扩大和新疲劳裂纹的产生。但过大反而易于产阻止已有裂纹的扩大和新疲劳裂纹的产生。但过大反而易于产生裂纹。生裂纹。SIT11.1.2 机械加工表面质量对零件使用性能的影响机械加工表面质量对零件使用性能的影响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 表面残余压应力会使零件表面紧密而使腐蚀性物质不易侵入，表面残余压应力会使零件表面紧密而使腐蚀性物质不易侵入，提高耐腐蚀能力。提高耐腐蚀能力。 在静拉应力和特定环境共同作用会导致某些敏感金属或合金脆在静拉应力和特定环境共同作用会导致某些敏感金属或合金脆性断裂，而加速腐蚀作用，即应力腐蚀。性断裂，而

7、加速腐蚀作用，即应力腐蚀。 由于表面粗糙度的存在，在表面由于表面粗糙度的存在，在表面凹谷处容易积聚腐蚀性介质而产凹谷处容易积聚腐蚀性介质而产生腐蚀，且凹谷越深，渗透与腐生腐蚀，且凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈；而在粗糙表面的蚀作用越强烈；而在粗糙表面的凸峰处则因摩擦剧烈而容易产生凸峰处则因摩擦剧烈而容易产生电化学腐蚀。减小表面粗糙度和电化学腐蚀。减小表面粗糙度和坡度可提高零件的耐腐蚀能力。坡度可提高零件的耐腐蚀能力。SIT11.1.2 机械加工表面质量对零件使用性能的影响机械加工表面质量对零件使用性能的影响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 配合性质是由相配零件之间的配合性

8、质是由相配零件之间的过盈量或间隙量过盈量或间隙量来表示来表示。由于表面微观不平度的存在，使得实际有效过盈量。由于表面微观不平度的存在，使得实际有效过盈量或有效间隙量发生改变，从而引起或有效间隙量发生改变，从而引起配合性质配合性质和和配合精配合精度度的改变。的改变。 间隙配合时，若表面粗糙度过大，将引起初期磨间隙配合时，若表面粗糙度过大，将引起初期磨损量增大，使配合间隙变大，导致配合性质变化损量增大，使配合间隙变大，导致配合性质变化，从而使运动不稳定或使气压、液压系统的泄漏，从而使运动不稳定或使气压、液压系统的泄漏量增大；量增大； 过盈配合时，若表面粗糙度过大，则实际过盈量过盈配合时，若表面粗糙

9、度过大，则实际过盈量将减少，降低连接强度，影响配合的可靠性。将减少，降低连接强度，影响配合的可靠性。SIT11.2 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11.2.1 切削加工时的影响因素切削加工时的影响因素11.2.2 磨削加工时的影响因素磨削加工时的影响因素SIT1. 影响切削加工表面粗糙度的因素影响切削加工表面粗糙度的因素 几何因素几何因素 刀具相对工件作进给运动时，在加工表面留下的刀具相对工件作进给运动时，在加工表面留下的未被切下的面积，为未被切下的面积，为切削层的残留面积切削层的残留面积。 残留面积越大，表面越粗糙。残留面积越大，表面越粗糙。11.2.1 切削加工时的影

10、响因素切削加工时的影响因素车削时残留面积的高度车削时残留面积的高度frHmaxvfrb）Hmaxfa）vfrr措施：措施：降低进给量降低进给量f减小刀具主偏减小刀具主偏角角Kr、副偏角、副偏角Kr增大刀尖圆弧增大刀尖圆弧半径半径rSIT1. 影响切削加工表面粗糙度的因素影响切削加工表面粗糙度的因素 物理因素物理因素 塑性变形塑性变形：刀具刃口圆角及后刀面对工件的挤压：刀具刃口圆角及后刀面对工件的挤压与摩擦，会使工件已加工表面发生塑性变形，引与摩擦，会使工件已加工表面发生塑性变形，引起已有残留面积歪扭，使粗糙度变大。起已有残留面积歪扭，使粗糙度变大。 积屑瘤积屑瘤：中速切削塑性金属时，在前刀面上

11、发生：中速切削塑性金属时，在前刀面上发生冷焊，形成硬度很高的积屑瘤。随着它由小变大冷焊，形成硬度很高的积屑瘤。随着它由小变大和脱落使刀具的几何角度和切削深度发生变化，和脱落使刀具的几何角度和切削深度发生变化，不导致切削加工的不稳定性，严重影响表面粗糙不导致切削加工的不稳定性，严重影响表面粗糙度。度。 鳞刺鳞刺：低速切削塑性金属时，已加工表面常会出：低速切削塑性金属时，已加工表面常会出现周期性的鳞片状毛刺，降低表面粗糙度。现周期性的鳞片状毛刺，降低表面粗糙度。11.2.1 切削加工时的影响因素切削加工时的影响因素SIT1. 影响切削加工表面粗糙度的因素影响切削加工表面粗糙度的因素 物理物理因素因

12、素 措施：措施： 选择合适的切削速度（切削速度高，塑性变形不选择合适的切削速度（切削速度高，塑性变形不充分，表面粗糙度小）和进给量充分，表面粗糙度小）和进给量 合理选择工件材料（塑性越大，金相组织越粗大合理选择工件材料（塑性越大，金相组织越粗大，表面越粗糙），表面越粗糙） 合理选择热处理方法合理选择热处理方法 采用合适的刀具材料、角度和提高刃具质量采用合适的刀具材料、角度和提高刃具质量 合理选用切削液合理选用切削液11.2.1 切削加工时的影响因素切削加工时的影响因素SIT2. 影响切削加工表面层物理力学性能的因素影响切削加工表面层物理力学性能的因素 表面层的冷作硬化表面层的冷作硬化 定义：在

13、切削过程中，工件表面层由于受到切削力的作用而定义：在切削过程中，工件表面层由于受到切削力的作用而产生产生强烈的塑性变形强烈的塑性变形，引起晶格间剪切滑移，晶格严重扭曲，引起晶格间剪切滑移，晶格严重扭曲拉长、破碎和纤维化。这时，晶粒间的聚合力增加，拉长、破碎和纤维化。这时，晶粒间的聚合力增加，表面层表面层的强度和硬度增加，称为表面加工硬化的强度和硬度增加，称为表面加工硬化。 加工硬化程度决定于产生塑性变形的加工硬化程度决定于产生塑性变形的力、变形速度和切削温力、变形速度和切削温度度。切削力。切削力硬化程度硬化程度；变形速度；变形速度硬化程度硬化程度；切削温度；切削温度软化作用软化作用，切削热提高

14、表面层温度，使已硬化的金属产生，切削热提高表面层温度，使已硬化的金属产生回复现象（软化）。最后取决于回复现象（软化）。最后取决于硬化和软化的综合效果硬化和软化的综合效果。 影响表面冷作硬化的工艺因素：刀具的几何参数；切削用量影响表面冷作硬化的工艺因素：刀具的几何参数；切削用量（切削速度（切削速度进给量进给量硬化硬化 ）；工件材料（塑性）；工件材料（塑性硬化硬化 ）11.2.1 切削加工时的影响因素切削加工时的影响因素SIT2. 影响切削加工表面层物理力学性能的因素影响切削加工表面层物理力学性能的因素 表面层的残余应力表面层的残余应力 定义：定义： 机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层机

15、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及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的互相平衡的弹性力弹性力，即表面，即表面层的残余应力层的残余应力。 残余应力是表面质量的重要指标之一，分布深度可达残余应力是表面质量的重要指标之一，分布深度可达2530m。 残余压应力可提高工件表面的耐蚀性和疲劳强度，而残余拉残余压应力可提高工件表面的耐蚀性和疲劳强度，而残余拉应力则使耐蚀性和疲劳强度降低，若拉应力超过工件材料的应力则使耐蚀性和疲劳强度降低，若拉应力超过工件材料的疲劳强度极限，则会使工件表面产生裂纹，加速工件损坏。疲劳强度极限，则会使工件表面产生裂纹，加速工件损坏。 产生表

16、面层残余应力的原因产生表面层残余应力的原因：热塑性变形；冷塑性变形；金：热塑性变形；冷塑性变形；金属组织变化。属组织变化。11.2.1 切削加工时的影响因素切削加工时的影响因素SIT2. 影响切削加工表面层物理力学性能的因素影响切削加工表面层物理力学性能的因素 产生表面层残余应力的原因产生表面层残余应力的原因 热塑性变形热塑性变形 切削热使工件表面局部温升过高，引起高温塑性变形。切削热使工件表面局部温升过高，引起高温塑性变形。表层产生残余拉应力，里层产生残余压应力。表层产生残余拉应力，里层产生残余压应力。 冷塑性变形冷塑性变形 工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑性变形，基工件表面受到挤压与

17、摩擦，表层产生伸长塑性变形，基体仍处于弹性变形状态。表层产生残余压应力，而里层体仍处于弹性变形状态。表层产生残余压应力，而里层产生残余拉应力。产生残余拉应力。 金属组织变化金属组织变化 高温引起表面相变。比容小，体积收缩，产生残余拉应高温引起表面相变。比容小，体积收缩，产生残余拉应力。反之产生压应力。力。反之产生压应力。 综合作用；切削热不大则以综合作用；切削热不大则以冷塑性变形冷塑性变形为主。为主。11.2.1 切削加工时的影响因素切削加工时的影响因素SIT11.2.2 磨削加工时的影响因素磨削加工时的影响因素1. 影响磨削加工表面粗糙度的因素影响磨削加工表面粗糙度的因素 砂轮结构砂轮结构

18、由由大量磨粒大量磨粒用结合剂黏结而成，在磨料和结合剂用结合剂黏结而成，在磨料和结合剂之间存在一定间隙。之间存在一定间隙。 磨削加工的特点磨削加工的特点 磨削过程中，较尖锐的磨粒能切下一定厚度的金磨削过程中，较尖锐的磨粒能切下一定厚度的金属，在工件表面上的任意一块小面积上，都受到属，在工件表面上的任意一块小面积上，都受到很多磨粒的很多磨粒的切削和刻划切削和刻划作用，最终作用，最终形成光滑的表形成光滑的表面面。随着磨粒的钝化，。随着磨粒的钝化，切削作用逐渐减弱切削作用逐渐减弱，直至，直至只能对工件表面起只能对工件表面起挤压和刻划挤压和刻划作用。作用。SIT11.2.2 磨削加工时的影响因素磨削加工

19、时的影响因素1. 影响磨削加工表面粗糙度的因素影响磨削加工表面粗糙度的因素 影响因素影响因素 砂轮及其修整砂轮及其修整 砂轮粒度砂轮粒度 Ra，但要适量，但要适量 砂轮硬度适中，常取中硬砂轮硬度适中，常取中硬 修整导程和修整比修整导程和修整比 Ra 磨削用量磨削用量 砂轮线速度砂轮线速度 Ra 工件线速度工件线速度 Ra 纵向进给量纵向进给量 Ra 磨削深度磨削深度 Ra 光磨次数光磨次数 RaSIT11.2.2 磨削加工时的影响因素磨削加工时的影响因素2. 影响磨削加工表面层物理力学性能的因素影响磨削加工表面层物理力学性能的因素a. 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

20、磨粒以很高的磨粒以很高的速度速度35m/s切削金属，切削切削金属，切削功率功率远大于一远大于一般切削加工，磨削热使磨削层般切削加工，磨削热使磨削层温度温度很高很高500600，引，引起工件表面层的金相组织发生变化，称为起工件表面层的金相组织发生变化，称为磨削烧伤磨削烧伤。 磨削淬火钢时表面层产生的烧伤磨削淬火钢时表面层产生的烧伤 回火烧伤回火烧伤：超过马氏体转变温度超过马氏体转变温度，表面原来的马氏体转变成，表面原来的马氏体转变成硬度降低硬度降低的回火组织的回火组织屈氏体或索氏体。表面氧化膜百度屈氏体或索氏体。表面氧化膜百度不同呈现不同颜色，如黄、褐、蓝、青等。不同呈现不同颜色，如黄、褐、蓝、

21、青等。 淬火烧伤和退火烧伤淬火烧伤和退火烧伤：超过相变温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，马氏体转变为奥氏体。快冷则会产生二次淬火现象，表面出现二次淬火马氏体，。快冷则会产生二次淬火现象，表面出现二次淬火马氏体，硬度比原来的回火马氏体高硬度比原来的回火马氏体高，称为淬火烧伤；不冷却而以干，称为淬火烧伤；不冷却而以干磨，冷却缓慢，表面磨，冷却缓慢，表面硬度急剧下降硬度急剧下降，称为退火烧伤。，称为退火烧伤。SIT11.2.2 磨削加工时的影响因素磨削加工时的影响因素2. 影响磨削加工表面层物理力学性能的因素影响磨削加工表面层物理力学性能的因素a. 表面层金相组织变化与磨削烧伤表面层金相组织变化

22、与磨削烧伤 减轻和消除磨削烧伤的工艺措施减轻和消除磨削烧伤的工艺措施 选择合适的砂轮选择合适的砂轮 磨料脆性磨料脆性 砂轮硬度砂轮硬度 自锐性自锐性 能量消耗能量消耗；保证工件粗糙；保证工件粗糙度下选择较粗的砂轮粒度。度下选择较粗的砂轮粒度。 及时合理地修整砂轮及时合理地修整砂轮修整细易引起烧伤；修整粗影响表面粗糙度。修整细易引起烧伤；修整粗影响表面粗糙度。 合理合理选用磨削用量选用磨削用量 工件速度工件速度 磨削深度磨削深度 纵向进给量纵向进给量 （采用宽砂轮）（采用宽砂轮） 改善冷却条件改善冷却条件 改进配方、加大流量、提高压力，改进喷嘴结构、采用内改进配方、加大流量、提高压力，改进喷嘴结

23、构、采用内冷却方式等冷却方式等SIT11.2.2 磨削加工时的影响因素磨削加工时的影响因素2. 影响磨削加工表面层物理力学性能的因素影响磨削加工表面层物理力学性能的因素b. 表面层的残余应力与磨削裂纹表面层的残余应力与磨削裂纹 热态塑性变形和相变起主导作用热态塑性变形和相变起主导作用，表面常产生残余拉，表面常产生残余拉应力。应力。拉应力超过工件的拉伸强度拉应力超过工件的拉伸强度时，工件表面即产时，工件表面即产生生裂纹裂纹。 减少或消除残余应力的措施减少或消除残余应力的措施 磨削用量磨削用量 工件速度工件速度 磨削深度磨削深度 砂轮速度砂轮速度 工件材料工件材料 高强度合金钢因导热性差、硬质合金

24、由脆性大抗拉强度低高强度合金钢因导热性差、硬质合金由脆性大抗拉强度低及导热性不好、碳钢因含碳量高，都易产生裂纹。及导热性不好、碳钢因含碳量高，都易产生裂纹。c.表面层表面层的加工硬化：与切削加工硬化相近的加工硬化：与切削加工硬化相近SIT11.3 表面强化工艺表面强化工艺v 表面强化工艺是通过冷压加工的方法使表面层金属发生表面强化工艺是通过冷压加工的方法使表面层金属发生冷态塑性变形冷态塑性变形，以降低表面粗糙度，提高表面硬度，并，以降低表面粗糙度，提高表面硬度，并在表面层产生压缩残余应力的表面强化工艺。在表面层产生压缩残余应力的表面强化工艺。11.3.1 滚压加工滚压加工11.3.2 喷丸强化

25、喷丸强化SIT11.3.1 滚压加工滚压加工v方法方法v 采用硬度较高的滚轮或滚珠，采用硬度较高的滚轮或滚珠，对半精加工的零件表面在常温对半精加工的零件表面在常温条件下加压，使其受压点产生条件下加压，使其受压点产生弹性及塑性变形，进而不但表弹性及塑性变形，进而不但表面粗糙度降低，而且使表面层面粗糙度降低，而且使表面层的金属结构和性能也发生变化的金属结构和性能也发生变化，晶粒变细，并向着变形最大，晶粒变细，并向着变形最大的方向延伸，呈纤维状，在表的方向延伸，呈纤维状，在表面留下有利的残余应力。面留下有利的残余应力。F滚压工具滚压工具波峰被填充到波峰被填充到相邻的波谷中相邻的波谷中表面产生冷硬层表

26、面产生冷硬层和残余压应力和残余压应力SIT11.3.1 滚压加工滚压加工v特点特点 滚压前滚压前Ra不低于不低于5m，滚压后，滚压后Ra 为为0.630.16m。 形状精度及相互位置精度主要取决于前道工序。形状精度及相互位置精度主要取决于前道工序。 滚压对象是塑性的金属零件，要求材料组织均匀。滚压对象是塑性的金属零件，要求材料组织均匀。 滚压生产率大大高于研磨和珩磨加工。滚压生产率大大高于研磨和珩磨加工。v应用应用 可加工外圆、孔、平面及成形表面，通常在卧式车可加工外圆、孔、平面及成形表面，通常在卧式车床、转塔车床或自动车床上进行。床、转塔车床或自动车床上进行。SIT11.3.2 喷丸强化喷丸

27、强化v方法方法：利用压缩空气或离心力将大量的珠丸（直径为利用压缩空气或离心力将大量的珠丸（直径为0.2 4mm）以高速打击被加工零件表面，使表面产生）以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。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，钢丸更好。喷丸所用设备是压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置，这些装置使珠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丸能以35 50m/s的速度喷出。的速度喷出。v 应用：主要用于不规则复杂的零件，如齿轮、连杆、曲应用：主要用于不规则复

28、杂的零件，如齿轮、连杆、曲轴等。轴等。珠丸珠丸(直径为直径为0.24mm)高速高速(3550 m/s)打击打击被加工零件表面被加工零件表面使表面产生冷硬使表面产生冷硬层和残余压应力层和残余压应力SIT复习题复习题1. 表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响 对耐磨性影响：粗糙度太大、太小都不耐磨；适度冷对耐磨性影响：粗糙度太大、太小都不耐磨；适度冷硬能提高耐磨性硬能提高耐磨性 对疲劳强度的影响：粗糙度越大，疲劳强度越差；适对疲劳强度的影响：粗糙度越大，疲劳强度越差；适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度 对工作精度的影响：粗糙度越大、工作精度降低；残对工作精度的影响：粗糙度越大、工作精度降低；残余应力越大，工作精度降低余应力越大，工作精度降低 对耐腐蚀性能的影响：粗糙度越大，耐腐蚀性越差；对耐腐蚀性能的影响：粗糙度越大