机械制造技术基础课件第七章

1、7.17.1机械加工表面质量机械加工表面质量 7.1.17.1.1机械加工表面质量概念机械加工表面质量概念 影响机器零件的机械加工质量除了加工精影响机器零件的机械加工质量除了加工精度之外，还有机械加工表面质量。它包括表面度之外，还有机械加工表面质量。它包括表面粗糙度、波度和表面层材料物理机械性能。机粗糙度、波度和表面层材料物理机械性能。机械加工后所得到的零件表面，都不是理想的光械加工后所得到的零件表面，都不是理想的光滑表面，存在着一定的微观几何偏差和表面层滑表面，存在着一定的微观几何偏差和表面层物理机械性能的变化。这一表面层质量对机械物理机械性能的变化。这一表面层质量对机械零件的可靠性、寿命等

2、都有显著的影响。零件的可靠性、寿命等都有显著的影响。表面质量包括的主要内容是：表面质量包括的主要内容是： ()表面的几何形状特征表面的几何形状特征 它主要包括：表面粗它主要包括：表面粗糙度；波度糙度；波度介于宏观几何形状误差和表面粗糙介于宏观几何形状误差和表面粗糙（微观几何误差）度之间的周期性几何形状误差。（微观几何误差）度之间的周期性几何形状误差。 ()表面层的物理及机械性能表面层的物理及机械性能 它主要包括表面它主要包括表面层因塑性变形引起的加工硬化、表面层的金相组层因塑性变形引起的加工硬化、表面层的金相组织变化、表面层的残余应力等。织变化、表面层的残余应力等。7.1.2 表面质量对零件使

3、用性能的影响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能的影响）表面质量对零件耐磨性能的影响 1)表面粗糙度对耐磨性的影响表面粗糙度对耐磨性的影响 零件的磨损，一般分为初期磨损、正常磨损零件的磨损，一般分为初期磨损、正常磨损和急剧磨损三个阶段。其中表面的粗糙度对初期和急剧磨损三个阶段。其中表面的粗糙度对初期磨损量的影响最为显著。磨损量的影响最为显著。 2）表面冷作硬化对耐磨性的影响）表面冷作硬化对耐磨性的影响 经过加工的零件表面会产生一定的冷经过加工的零件表面会产生一定的冷作硬化，使得零件表层的性质变化，如金作硬化，使得零件表层的性质变化，如金相组织及硬度的变化、加工硬化及残余应相

4、组织及硬度的变化、加工硬化及残余应力的存在等也都影响零件的耐磨性。力的存在等也都影响零件的耐磨性。（2）表面质量对疲劳强度的影响）表面质量对疲劳强度的影响 1) 表面粗糙度对疲劳强度的影响表面粗糙度对疲劳强度的影响 在交变载荷作用下，零件的破坏常常由在交变载荷作用下，零件的破坏常常由于表面产生疲劳裂纹所致。而疲劳裂纹与应于表面产生疲劳裂纹所致。而疲劳裂纹与应力集中有关。零件表面的粗糙度、划痕和裂力集中有关。零件表面的粗糙度、划痕和裂纹等缺陷容易引起应力集中，产生裂纹，造纹等缺陷容易引起应力集中，产生裂纹，造成疲劳破坏。成疲劳破坏。 2）表面层的残余应力、冷作硬化对疲）表面层的残余应力、冷作硬化

5、对疲劳强度影响劳强度影响 零件表面层为残余压应力，能够部分的零件表面层为残余压应力，能够部分的抵消工作载荷施加的拉应力，从而提高零件抵消工作载荷施加的拉应力，从而提高零件的疲劳强度；而残余拉应力使疲劳裂纹扩展，的疲劳强度；而残余拉应力使疲劳裂纹扩展，加速疲劳破坏，从而降低零件的疲劳强度。加速疲劳破坏，从而降低零件的疲劳强度。 （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金属表面逐渐被氧化或溶解而遭破坏的金属表面逐渐被氧化或溶解而遭破坏的现象称为腐蚀，它是由化学、电化学过程而现象称为腐蚀，它是由化学、电化学过程而引起的。如钢铁与空气中的氧化合成引起的。如钢铁与空气中的氧化

6、合成Fe2O3；金属与电解质液体接触，会发生微电池作用，金属与电解质液体接触，会发生微电池作用，金属质点会变成离子状态，金属表面被破坏。金属质点会变成离子状态，金属表面被破坏。（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表面粗糙度会改变实际有效过盈量和间隙量，表面粗糙度会改变实际有效过盈量和间隙量，因此表面质量好坏直接影响零件配合性质的稳定性。因此表面质量好坏直接影响零件配合性质的稳定性。（5）表面质量对零件接触刚度的影响）表面质量对零件接触刚度的影响由于零件表面的粗糙轮廓，使相接触的面积仅由于零件表面的粗糙轮廓，使相接触的面积仅有理论面积较小的一部分，受外力作用时，由于凸

7、有理论面积较小的一部分，受外力作用时，由于凸峰处单位压力大，因而接触表面极易产生弹塑性变峰处单位压力大，因而接触表面极易产生弹塑性变形，降低零件的接触刚疲。形，降低零件的接触刚疲。 7.2 表面质量影响因素表面质量影响因素7.2.1 影响表面粗糙度的因素影响表面粗糙度的因素（1）切削加工影响表面粗糙度的因素）切削加工影响表面粗糙度的因素影响切削加工表面粗糙度的因素主要有：几何因素，影响切削加工表面粗糙度的因素主要有：几何因素，物理因素及工艺系统振动等。物理因素及工艺系统振动等。 1) 刀具切削刃几何形状的影响刀具切削刃几何形状的影响HfkkrrcotcotHfre281) 刀具切削刃几何形状的

8、影响刀具切削刃几何形状的影响HfkkrrcotcotHfre28 2)2)工件材料的影响工件材料的影响切削塑性材料时，刀具前刀面对切屑挤压严切削塑性材料时，刀具前刀面对切屑挤压严重，产生晶格扭曲，滑移和塑性变形，强迫切屑重，产生晶格扭曲，滑移和塑性变形，强迫切屑与工件分离时产生撕裂作用，加大了表面粗糙度。与工件分离时产生撕裂作用，加大了表面粗糙度。如图所示，一般说来，韧性较大的塑性材料，加如图所示，一般说来，韧性较大的塑性材料，加工后表面粗糙度也大，对于同样的材料，晶粒组工后表面粗糙度也大，对于同样的材料，晶粒组织愈是粗大，加工后的粗糙度亦大。织愈是粗大，加工后的粗糙度亦大。 3) 切削用量的

9、影响切削用量的影响 切削速度切削速度u的影响的影响 切削速度高，切削过程中的切削速度高，切削过程中的 切屑和加工表面的塑性变形小。切屑和加工表面的塑性变形小。 进给量进给量fa的影响的影响 减小进给量减小进给量fa可减小粗糙度，另可减小粗糙度，另外减小进给量外减小进给量fa还可以减小塑性变形，也可降低粗还可以减小塑性变形，也可降低粗糙度。但当糙度。但当fa过小，则增加刀具与工件表面的挤压过小，则增加刀具与工件表面的挤压次数，使塑性变形增大，反而增大了粗糙度。次数，使塑性变形增大，反而增大了粗糙度。 切削深度切削深度ap的影响的影响 正常切削时正常切削时ap对粗糙度影响对粗糙度影响不大，但在精密

10、加工中却对粗糙度有影响，过小不大，但在精密加工中却对粗糙度有影响，过小的将使刀刃圆弧对工件加工表面产生强烈的挤压的将使刀刃圆弧对工件加工表面产生强烈的挤压和摩擦，引起附件的塑性变形，增大了粗糙度。和摩擦，引起附件的塑性变形，增大了粗糙度。4) 4) 工艺系统的高频振动工艺系统的高频振动当工艺系统产生高频振动时，使刀尖相对当工艺系统产生高频振动时，使刀尖相对于工件之间的正确加工位置发生变化，产于工件之间的正确加工位置发生变化，产生微幅振动，从而使粗糙度值加大。生微幅振动，从而使粗糙度值加大。 （2 2） 磨削加工影响表面粗糙度的因素磨削加工影响表面粗糙度的因素 1) 1) 砂轮的粒度砂轮的粒度

11、2) 2) 砂轮的硬度砂轮的硬度 3) 3) 砂轮的修整砂轮的修整 4) 4) 磨削速度磨削速度 5) 5) 磨削径向进给量与光磨次数磨削径向进给量与光磨次数 6) 6) 工件圆周进结速度与轴向进给量工件圆周进结速度与轴向进给量 7) 7) 冷却润滑液冷却润滑液7.2.2 表面层物理机械性能的变化及影响因素表面层物理机械性能的变化及影响因素（1） 加工表面的冷作硬化加工表面的冷作硬化1)表面层的硬化评定参数表面层的硬化评定参数 HHHH00%2)影响加工硬化的主要因素影响加工硬化的主要因素 切削用量的影响切削用量的影响 切削刀具的影响切削刀具的影响 被加工材料的影响被加工材料的影响7.2.3

12、表面层金相组织变化及影晌因素表面层金相组织变化及影晌因素(1) 磨削烧伤磨削烧伤 在切削过程中，切削所消耗的能在切削过程中，切削所消耗的能量绝大部分都转化为热能，传入工件的热使加量绝大部分都转化为热能，传入工件的热使加工表面局部升温，当温度达到金相组织转变临工表面局部升温，当温度达到金相组织转变临界点时，就会产生金相组织变化。界点时，就会产生金相组织变化。 磨削淬火钢时，在工件表面层上生产的高温将使表层产生以磨削淬火钢时，在工件表面层上生产的高温将使表层产生以下三种金相组织变化：下三种金相组织变化： 1）如果工件表面层温度未超过相变临界温度）如果工件表面层温度未超过相变临界温度Ac3（一般中（

13、一般中碳钢为碳钢为720）。但超过马氏体的转变温度（一般中碳钢为）。但超过马氏体的转变温度（一般中碳钢为300 C），工件表面将产生回人组织（回火屈氏体和回火索），工件表面将产生回人组织（回火屈氏体和回火索氏体，硬度比原来的回火马氏体低，称为回火烧伤。氏体，硬度比原来的回火马氏体低，称为回火烧伤。 2）如果工件表面层温度超过相变临界温度，再加上充分的）如果工件表面层温度超过相变临界温度，再加上充分的冷却液，则表面层急冷形成二次淬火马氏体，硬度高于四火冷却液，则表面层急冷形成二次淬火马氏体，硬度高于四火马氏体，但极薄，只有几个微米厚，在它下层由于冷却较慢马氏体，但极薄，只有几个微米厚，在它下层由

14、于冷却较慢出现了比回人马氏体硬度低的组织称之为淬火烧伤。出现了比回人马氏体硬度低的组织称之为淬火烧伤。 3）如果工件表面温度超过了相变临界温度。这时又无冷却）如果工件表面温度超过了相变临界温度。这时又无冷却液，则表面硬度急剧下降，工件表层被退火，称之为退火烧液，则表面硬度急剧下降，工件表层被退火，称之为退火烧伤。伤。 (2) 影响磨削烧伤的因素及其分析影响磨削烧伤的因素及其分析 1）被加工材料）被加工材料 被加工材料对磨削区温度的影响主要取决被加工材料对磨削区温度的影响主要取决于其强度、陆度、韧性和导热性。于其强度、陆度、韧性和导热性。 2）砂轮的选择）砂轮的选择 磨削导热性差的材料，应注意选

15、择砂轮的磨削导热性差的材料，应注意选择砂轮的硬度、结合剂和组织。硬度、结合剂和组织。 3）磨削用量）磨削用量 理论分析计算与实践均表明增大磨削深度理论分析计算与实践均表明增大磨削深度ap时，磨削力和磨削热也急剧增加，表面层温度升高，故时，磨削力和磨削热也急剧增加，表面层温度升高，故ap不不能选得过大，否则容易造成烧伤。增加进给量能选得过大，否则容易造成烧伤。增加进给量f，磨削区温度，磨削区温度下降，可减轻磨削烧伤。下降，可减轻磨削烧伤。 4）冷却润滑）冷却润滑 良好的冷却润滑条件可将磨削区的热量及时带良好的冷却润滑条件可将磨削区的热量及时带走，避免或减轻烧伤。走，避免或减轻烧伤。 7.2.4

16、残余应力及影响因素残余应力及影响因素 (1) 残余应力产生的原因残余应力产生的原因 1) 热塑性变形引起热塑性变形引起 2) 冷态塑性变形引起冷态塑性变形引起 3) 局部金相组织变化引起局部金相组织变化引起(2) 残余应力测试方法残余应力测试方法 1) 腐蚀法腐蚀法把加工表面层产生较大残余拉应力的把加工表面层产生较大残余拉应力的淬火钢浸在硫酸或盐酸溶液中，就可以出现裂纹。根淬火钢浸在硫酸或盐酸溶液中，就可以出现裂纹。根据其裂纹程度可以定性的了解残余应力状况。此法对据其裂纹程度可以定性的了解残余应力状况。此法对HRC55以上硬度的钢很有效，但硬质合金不能使用。以上硬度的钢很有效，但硬质合金不能使

17、用。 2) 射线衍射法射线衍射法用射线衍射法测量残余应力是用射线衍射法测量残余应力是根据原子间距的测量。因为根据原子间距的测量。因为旦产生残余应力，则原旦产生残余应力，则原子间距就发生变化，可较精确、无损地测量表面层的子间距就发生变化，可较精确、无损地测量表面层的残余应力。残余应力。 3) 变形法变形法该种方法是测定试件的曲率变化，根该种方法是测定试件的曲率变化，根据试件的曲率变化计算表面层的残余应力数值及分布。据试件的曲率变化计算表面层的残余应力数值及分布。通常腐蚀试件费时较多。通常腐蚀试件费时较多。7.3 机械加工中的振动机械加工中的振动 7.3.1机械加工中的强迫振动机械加工中的强迫振动

18、 （1）机械加工中强迫振动的振源）机械加工中强迫振动的振源 （2）强迫振动的特点）强迫振动的特点 1）强迫振动是在外界周期性干扰力的作用）强迫振动是在外界周期性干扰力的作用下产生的，但振动本身并不能引起干扰力的变下产生的，但振动本身并不能引起干扰力的变化。如作用在加工系统上的干扰力是简谐激振化。如作用在加工系统上的干扰力是简谐激振力力 F =F0sin t，则强迫振动的稳态过程也是简，则强迫振动的稳态过程也是简谐振动，只要这个激振力存在，该振动就不会谐振动，只要这个激振力存在，该振动就不会被阻尼衰减掉。被阻尼衰减掉。 2 2）不管加工系统本身的固有频率多大，强迫）不管加工系统本身的固有频率多大

19、，强迫振动的频率总与外界干扰力的频率相同或成振动的频率总与外界干扰力的频率相同或成倍数关系。倍数关系。3 3）强迫振动振幅的大小在很大程度上取决于）强迫振动振幅的大小在很大程度上取决于干扰力的频率干扰力的频率 与加工系统固有频率与加工系统固有频率 0 0的比的比值，当值，当 / / 0 0 =1 =1时，振幅达最大值，此现象时，振幅达最大值，此现象称称“共振共振”。4 4）强迫振动振幅的大小除了与）强迫振动振幅的大小除了与 / / 0 0有关外，有关外，还与干扰力、系统刚度及阻尼系数有关。还与干扰力、系统刚度及阻尼系数有关。7.3.2 减少强迫振动的基本途径减少强迫振动的基本途径(1) 减少或

20、消除工艺系统中回转零件的不平衡减少或消除工艺系统中回转零件的不平衡(2) 提高系统传动件的精度提高系统传动件的精度(3) 提高工艺系统的动态特性提高工艺系统的动态特性(4) 隔振隔振 (5) 消振消振 7.3.3 机械加工中的自激振动机械加工中的自激振动 (1) 自激振动的原理自激振动的原理大多数情况下，自激振动频率与加工系统的固有频大多数情况下，自激振动频率与加工系统的固有频率相近。由于维持振动所需的交变切削力是由加工率相近。由于维持振动所需的交变切削力是由加工系统本身产生的，所以加工系统本身运动一停止，系统本身产生的，所以加工系统本身运动一停止，交变切削力也就随之消失，自激振动也就停止。交

21、变切削力也就随之消失，自激振动也就停止。图6-75 机床自激振动闭环系统电动机机床振动系统调节系统（切削过程）振动位移y（t）交变切削力F（t）（2）自激振动的特点：）自激振动的特点： 1) 自激振动是自激振动是种不衰减的振动。振动过程种不衰减的振动。振动过程本身能引起某种力的周期变化；本身能引起某种力的周期变化； 2) 自激振动的频率等于或接近系统的固有频自激振动的频率等于或接近系统的固有频率，也就是说，由振动系统本身的参数所决率，也就是说，由振动系统本身的参数所决定；定； 3) 自激振动的形成和持续是由切削过程而产自激振动的形成和持续是由切削过程而产生的，如若停止切削过程，即机床空运转，生

22、的，如若停止切削过程，即机床空运转，自激振动也就停止了；自激振动也就停止了； 4)自激振动能否产生以及振幅的大小，决定自激振动能否产生以及振幅的大小，决定于每一振动周期内系统所获得能量与所消耗于每一振动周期内系统所获得能量与所消耗的能量的对比惰况。的能量的对比惰况。 (3) 机械加工中自激振动振动机理机械加工中自激振动振动机理 1) 再生自激振动原理再生自激振动原理 对于切断及横向进给磨削时对于切断及横向进给磨削时 1；车螺纹时；车螺纹时 =0，一般情况下，一般情况下0 1。如果。如果 0，即说明有重叠部分存在，则，即说明有重叠部分存在，则工件上一转中如果留有振纹，就会引起下一转切削工件上一转

23、中如果留有振纹，就会引起下一转切削厚度的周期变化，这样必然引起切削力的周期变化，厚度的周期变化，这样必然引起切削力的周期变化，从而有可能引起工艺系统振动。这个振动又引起工从而有可能引起工艺系统振动。这个振动又引起工件表面产生振纹，使得切削厚度发生变化，导致切件表面产生振纹，使得切削厚度发生变化，导致切削力作周期性地变化。这种由切削厚度的变化而使削力作周期性地变化。这种由切削厚度的变化而使切削力变化的效应称再生效应，由此产生的自激振切削力变化的效应称再生效应，由此产生的自激振动称再生自激振动动称再生自激振动 。 如图如图a表示前一次走刀振纹表示前一次走刀振纹y0与后一次走刀振纹与后一次走刀振纹y

24、无相无相位差，即位差，即 ，切入和切出的半个周期内平均切削厚，切入和切出的半个周期内平均切削厚度是相等的，故切出时切削力所作的正功（获得能量）度是相等的，故切出时切削力所作的正功（获得能量）等于切入时所作负功（消耗能量），系统无能量获得。等于切入时所作负功（消耗能量），系统无能量获得。如图如图b表示表示y0与与y相位差反相相位差反相 时，切入与切出的半时，切入与切出的半周期内平均切削厚度仍相等，系统仍无能量获得。如周期内平均切削厚度仍相等，系统仍无能量获得。如图图c表示表示y超前于超前于y0 ，即，即 ，此时切出半周期中的，此时切出半周期中的平均切削厚度比切入半周期的小，所作正功小于负功，平均

25、切削厚度比切入半周期的小，所作正功小于负功，系统也不会有能量获得。如图系统也不会有能量获得。如图d中中y滞后于滞后于y0 ，即即 ，此时切出比切入半周期中的平均切削厚度，此时切出比切入半周期中的平均切削厚度大，正功大于负功，系统有了能量获得，便产生了自大，正功大于负功，系统有了能量获得，便产生了自激振动。不难看出，激振动。不难看出，y滞后于滞后于y0是产生再生自激振动是产生再生自激振动的必要条件。的必要条件。0002) 2) 振型耦合原理振型耦合原理 当纵车方牙螺纹表面时，刀具当纵车方牙螺纹表面时，刀具与已加工表面不存在着重叠切削，这样就排除了与已加工表面不存在着重叠切削，这样就排除了产生再生振动的条件，但当切削深度加大到一定产生再生振动的条件，但当切削深度加大到一定的程度，仍然能产生自激振动。实际生产中，机的程度，仍然能产生自激振动。实际生产中，机械加工系统一般是具有不同刚度和阻尼的弹簧系械加工系统一般是具有不同刚度和阻尼的弹簧系统，具有不同方向性的各弹簧系统复合在一起，统，具有不同方向性的各弹簧系统复合在一起，满足一定的组合条件就会产生自激振动，这种复满足一定的组合条件就会产生自激振动，这种复合在一起的自激振动机理称振型耦合自激振动机合在一起的自激振动机理称振型耦合自激振动机理。理。 右下图给出了车床刀架的振型耦合模型。右