第4讲 已加工表面质量

1、2022-4-11第九章第九章 已加工表面质量已加工表面质量翟鹏翟鹏山东大学威海分校山东大学威海分校2008.04.202022-4-1翟鹏2第一节 已加工表面质量的概念已加工表面质量的概念一、已加工表面质量含义：1、表面几何学方面：指零件最外层表面的几何形状，通常以表面粗糙度表示2、表面层材质的变化，如：塑性变形、硬度变化、微观裂纹、残余应力、晶粒变化、热损伤区、化学性能、电磁特性的变化等。二、加工表面质量对零件性能的影响：1、表面粗糙度差的零件，零件接触面积小，耐磨性差，容易磨损；2、零件受周期作用的载荷时，容易产生应力集中。3、加工硬化现象，加工表面硬度不均，并有裂纹，疲劳强度低4、残余

2、应力，降低零件耐疲劳、耐磨损、耐腐蚀性能。2022-4-1翟鹏3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的标志已加工表面质量的标志工件经过切削加工后，已加工表面质量的工件经过切削加工后，已加工表面质量的主要标志是：主要标志是：表面的粗糙度、表面层冷表面的粗糙度、表面层冷作硬化程度、表面层残余应力的性质及作硬化程度、表面层残余应力的性质及其大小其大小。已加工表面质量对工件成为机。已加工表面质量对工件成为机器零件后的使用性能有很大的影响。器零件后的使用性能有很大的影响。 2022-4-1翟鹏4第二节 已加工表面的形成过程已加工表面的形成过程主要研究第三变形区的情况2022-4

3、-1翟鹏5 已加工表面的形成过程已加工表面的形成过程2022-4-1翟鹏6左图为剪切区应力分布图，从图中可以看出：正应力在O点处最大，两侧急剧减小；剪应力在O点处为零，在O点两侧逐渐增加。说明切屑层在O点分离2022-4-1翟鹏7从三个变形区观点，看已加工表面质量形成过程2022-4-1翟鹏8从三个变形区观点，看已加工表面质量形成过程2022-4-1翟鹏9第三节 已加工表面粗糙度已加工表面粗糙度一、表面粗糙度产生的原因（1）几何因素，主要决定于残留面积高度；（2）切削过程不稳定，其中包括：积屑瘤、鳞刺、切削变形、刀具的边界磨损、刀刃与工件相互位置的变动（振动等）等。下面就每个原因进行分析：20

4、22-4-1翟鹏101 1、残留面积高度（理论粗糙度）、残留面积高度（理论粗糙度） 切削刃相对于工件运动，能够形成已加工切削刃相对于工件运动，能够形成已加工表面。如果把切削刃看作几何学的线，由相对表面。如果把切削刃看作几何学的线，由相对于工件运动时，应该形成的已加工表面的粗糙于工件运动时，应该形成的已加工表面的粗糙度，称为度，称为理论粗糙度理论粗糙度。它的数值决定于残留面。它的数值决定于残留面积的高度。实际上，只有切削脆性材料或高速积的高度。实际上，只有切削脆性材料或高速切削塑性材料时，已加工表面的粗糙度才比较切削塑性材料时，已加工表面的粗糙度才比较接近理论组糙度，因为除此之外，还有许多其接近

5、理论组糙度，因为除此之外，还有许多其他因素，诸如鳞刺、积屑瘤、振动、切削刃不他因素，诸如鳞刺、积屑瘤、振动、切削刃不平整、工件材料组织的缺陷等等的影响，使已平整、工件材料组织的缺陷等等的影响，使已加工表面难以接近理论粗糙度。加工表面难以接近理论粗糙度。 2022-4-1翟鹏11 残留面积的高度残留面积的高度maxctgctgrrfRabcdeRmaxRmax2f2frr2022-4-1翟鹏12残留面积高度2022-4-1翟鹏13残留面积高度2022-4-1翟鹏142、积屑瘤积屑瘤对粗糙度影响的积屑瘤对粗糙度影响的3 3个个方面，如上分析方面，如上分析2022-4-1翟鹏153、鳞刺（1）鳞刺，

6、就是已加工表面上出现的鳞片状毛刺。（2）加工塑性材料时，易出现。 高速钢、硬质合金、陶瓷刀具加工碳钢、中碳钢、铬钢、不锈钢、铝合金、铜合金等塑性材料时，易出现。2022-4-1翟鹏16鳞刺及其对已加工表面粗糙度的影响鳞刺及其对已加工表面粗糙度的影响 鳞刺就是已加工表面上的鳞片状毛刺。生产鳞刺就是已加工表面上的鳞片状毛刺。生产实践及科学实验表明，在较低的及中等的切削实践及科学实验表明，在较低的及中等的切削速度下，用高速钢、硬质合金或陶瓷刀具，切速度下，用高速钢、硬质合金或陶瓷刀具，切削一些常用的塑性金属，如低碳钢、中碳钢、削一些常用的塑性金属，如低碳钢、中碳钢、铬钢铬钢(40Cr(40Cr、20

7、Cr)20Cr)、不锈钢、铝合金、紫铜等，、不锈钢、铝合金、紫铜等，在车、刨、插、钻、拉、滚齿、螺纹车削、板在车、刨、插、钻、拉、滚齿、螺纹车削、板牙铰螺纹等工序中，都可能出现鳞刺。鳞刺的牙铰螺纹等工序中，都可能出现鳞刺。鳞刺的产生是切削加工中获得较小粗糙度的表面的一产生是切削加工中获得较小粗糙度的表面的一大障碍。大障碍。 2022-4-1翟鹏173、鳞刺形貌2022-4-1翟鹏183、鳞刺形貌2022-4-1翟鹏193、鳞刺（3）关于鳞刺产生的两种观点：1）积屑瘤说 持这种观点的人认为：积屑瘤底部稳定，顶部不稳定； 不稳定的顶部的生长与分裂，是导致鳞刺产生的主要原因。积屑瘤对已加工表面粗糙度

8、的影响积屑瘤对已加工表面粗糙度的影响 积屑瘤自身能增大已加工表面粗糙度之外，它还在已积屑瘤自身能增大已加工表面粗糙度之外，它还在已加工表面上导致鳞刺的形成，进一步增大粗糙度。加工表面上导致鳞刺的形成，进一步增大粗糙度。2022-4-1翟鹏203、鳞刺2）层积金属说持此种观点的人认为：形成鳞刺的过程经过了4个阶段：抹拭、导裂、层积、切顶。ac鳞刺形成过程各阶段的示意图ac2022-4-1翟鹏214、切削过程的变形切削变形影响表面粗糙度的过程：1）切削单元带有周期性的断裂周期性的断裂，这种断裂深入到切削表面以下，从而在加工表面上留下挤压挤压的痕迹的痕迹，而成为波浪形波浪形。2）由于切削刃两端没有来

9、自侧面的约束力没有来自侧面的约束力，加工过程中工件材料被挤压，产生隆起隆起，降低了被加工表面的粗糙度。 说明见下图2022-4-1翟鹏224、切削过程的变形2022-4-1翟鹏235、刀具的边界摩擦对粗糙度地影响、刀具的边界摩擦对粗糙度地影响刀具磨损后，有时会在副后面上产生沟槽形的边界磨损，从而在刀具磨损后，有时会在副后面上产生沟槽形的边界磨损，从而在已加工表面上形成锯齿状的凸出，影响被加工表面的粗糙度。已加工表面上形成锯齿状的凸出，影响被加工表面的粗糙度。2022-4-1翟鹏246 刀刃与工件相对位置变动刀刃与工件相对位置变动原因：1）主轴回转精度不高；2）滑动导轨面的形状误差；3）材料的不

10、均匀；4）切削过程不连续等。自激振动，使振幅发生变化，影响被加工表面的粗糙度。2022-4-1翟鹏25二、影响表面粗糙度的因素二、影响表面粗糙度的因素1、刀具方面1)采用较大的刀尖圆弧半径r； 采用较小的副偏角k，尤其使用k=0的修光刃。2）前角：一般情况下，前角对表面粗糙度影响不大；但在加工塑性材料时，采用较大的前角可减小积屑瘤和鳞刺，从而提高被加工零件的表面粗糙度。3）刀面及切削刃的表面粗糙度：提高刀具表面的粗糙度，减小摩擦，可抑制积屑瘤、鳞刺的产生。4）刀具材料：与工件材料的亲和力不同，产生积屑瘤及粘结磨损的程度不同，产生的表面粗糙度不同。5）刀具的磨损情况不同，对粗糙度也有影响。202

11、2-4-1翟鹏26二、影响表面粗糙度的因素二、影响表面粗糙度的因素2、工件方面地影响1）材料塑性越大，加工粗糙度越大；2）材料金相组织的影响： 对于中碳钢、中碳合金钢，在高速切削时，粒状珠光体组织粗糙度高； 低速切削时，片状珠光体+细晶粒的铁素体，有利于提高粗糙度； 易切钢中含硫、铅等元素； 被加工材料的韧性越大，粗糙度越低。2022-4-1翟鹏27二、影响表面粗糙度的因素二、影响表面粗糙度的因素3、切削条件方面1）切削速度的影响（结合图9-14讲解） 中低切削速度下，切削塑性材料易产生积屑瘤及鳞刺； 提高切削速度，可使积屑瘤及鳞刺减小或消失，并可减小材料的塑性变形； 切削脆性材料时，由于不产

12、生积屑瘤，切削速度对表面粗糙度没明显的影响。2）进给量的影响：减小进给量，有利于提高粗糙度。3）切削液的影响：采用高效切削液，有利于提高粗糙度。2022-4-1翟鹏28第四节第四节 加工硬化加工硬化一、加工硬化产生的原因一、加工硬化产生的原因：1、金属塑性变形的影响1）切削加工过程中，金属的塑性变形区范围扩展到切削表面以下，使已加工表面的一部分金属也产生了塑性变形；2）刀具钝圆半径，使一部分金属从刀刃钝圆部分以下挤压过去，产生更大的附加塑性变形；随后由于弹性恢复，使刀具后刀面与已加工表面摩擦，再次发生剪切变形。结果：经过以上几次变形，使金属晶格发生扭曲，晶粒拉长、破碎，阻碍了金属的进一步变形，

13、而使金属进一步强化，硬度显著提高。2022-4-1翟鹏29第四节第四节 加工硬化加工硬化2、切削温度的影响切削温度低于相变温度，使金属弱化，硬度降低；更高的温度时，将发生相变。已加工表面的硬度，就是这种强化、弱化、相变综合作用的结果。表示硬化程度N的两种表示法（P151）： N=(H-H0)/H0 x100% N=H0/Hx100%2022-4-1翟鹏30第四节第四节 加工硬化加工硬化二、影响加工硬化的原因1、刀具方面1）前角越大，硬化层深度越小。图9-15所示。2）切削刃刀钝圆半径越大，加工硬化越大，图9-16所示。3）后刀面磨损量VB越大，加工硬化深度越大，图9-17所示。2022-4-1

14、翟鹏31第四节第四节 加工硬化加工硬化2、工件方面的影响：1）工件材料的塑形越大，硬化越严重；2）高锰钢材料强化指数大，加工硬化大;3）有色金属熔点低，容易弱化，所以其硬化现象比钢低。3、切削条件方面的影响1）切削速度的影响（图9-18所示）：加工硬化，先是随着速度的增加而减小；到较高速度后，又随着速度的增加而增加。原因：开始变形硬化来不及，后来变形速度高于弱化速度。2022-4-1翟鹏32第四节第四节 加工硬化加工硬化2）进给量的影响：进给量的增加，加工硬化现象增加（图9-19所示） ；背吃刀量对加工硬化现象影响不大（图9-20所示）。3）切削液的影响采用有效的切削液，可降低硬化层深度。20

15、22-4-1翟鹏33第五节第五节 残余应力残余应力残余应力的基本概念残余应力的基本概念：残余应力是指在没有外力的作用下，在物体内部保持平衡而存留的应力。一、造成残余应力的原因一、造成残余应力的原因（悟语：明确机理，才能寻找解决途明确机理，才能寻找解决途径径。残余应力是影响加工精度的重要因素，如何避免或降低）1、机械应力引起的塑性变形 1）切削过程中，切削刃 前方的晶体一部分随切屑流出另一部分停留在已加工表面，在分离出的水平方向晶粒 受压，而在垂直方向，晶粒受拉，这样就形成了残余拉应力残余拉应力； 2）在已加工表面形成过程中，刀具后刀面与已加工表面 产生很大的挤压与摩擦，使表层金属产生拉伸塑性变

16、形，刀具离开后，在里层金属的作用下，表层金属产生残余拉应力残余拉应力。2022-4-1翟鹏34第五节第五节 残余应力残余应力2、热应力引起的塑性变形 切削过程产生热，切削层温度里低外高，变形不一致使表层金属产生热应力，热应力超过屈服极限使表层金属产生压缩塑性变形；切削后冷却至室温后，表层金属的收缩又受到里层金属的限制，使表层金属表层金属产生残余拉应力产生残余拉应力。问题：请同学们想一想解决问题的办法？问题：请同学们想一想解决问题的办法？2022-4-1翟鹏35第五节第五节 残余应力残余应力3、相变引起的体积变化切削时，若表层温度大于相变温度，则表层组织可能发生相变；由于各种金相组织的体积不同，

17、从而产生残余应力。 对于碳钢而言：相对奥氏体体积小，马氏体体积大，屈氏体或索氏体体积小。 奥氏体体积马氏体体积时，表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力； 奥氏体 屈氏体或索氏体时（金属表面退火），表层产生残余拉应力。切削碳钢时，一般在已加工表面层常为切削碳钢时，一般在已加工表面层常为残余拉应力残余拉应力。2022-4-1翟鹏36第五节第五节 残余应力残余应力二、影响残余应力的因素二、影响残余应力的因素1、刀具方面1）当刀具前角由正值逐渐变为负值时，表层的残余拉应力逐渐减小，但残余应力深度逐渐增加。原因：前角越小，切削刃钝圆半径越大，刀具对已加工表面的挤压与摩擦作用越大，从而降低了了残余拉应力

18、。图9-2122（+为拉应力，-为压应力）在切削用量一定的情况下，采用较大的副前角，可得到残余应力为压应力的加工表面，提高零件表面性能。2022-4-1翟鹏37第五节第五节 残余应力残余应力2）刀具后刀面磨损量VB增加时，可使已加工表面残余拉应力增大，残余应力层深度也增加。原因：刀具后刀面磨损量VB增加时，使已加工表面切削温度上升，热应力引起的残余应力逐渐增加。图9-23所示，VB的增加，拉应力增大。2022-4-1翟鹏38第五节第五节 残余应力残余应力2、工件材料方面1）工件材料塑性越大，残余拉应力越大；2）切削灰铁等脆性材料时，加工表面产生残余压应力。原因：切削加工时，后到面的挤压与摩擦起主导作用，使加工表面产生拉伸变形。2022-4-1翟鹏39第五节第五节 残余应力残余应力3、切削条件方面1）切削速度增加时，热应力引起的残余拉应力起主导作用。 速度越高，残余拉应力越大； 速度越高，残余应力深度越浅。原因：塑性变形区