机械制造技术基础 第8章

1、第八章：机械加工表面质量第八章：机械加工表面质量（约（约4学时）学时）本章提要本章提要 本章旨在研究零件表面层在加工中的变化和发生变化的机理，掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量的影响规律，运用这些规律来控制加工中的各种影响因素，以满足表面质量的要求。 本章主要讨论机械加工表面质量的含义、表面质机械加工表面质量的含义、表面质量对使用性能的影响、表面质量产生的机理量对使用性能的影响、表面质量产生的机理等。对生产现场中发生的表面质量问题，如受力变形、磨削烧伤、裂纹和振纹等问题从理论上作出解释，提出提高机械加工表面质量的途径提出提高机械加工表面质量的途径。8.1机械加工后的表面质量8.1.1表面质量

2、的含义 表面质量是指机器零件加工后表面层的状态。它有下面两部分：表面层的几何形状 表面粗糙度表面粗糙度、表面波度表面波度。表面层的物理机械性能表面层的物理机械性能 表面冷作硬化表面冷作硬化、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 表面层的冷作硬化表面层的冷作硬化 机械加工过程中表面层金属产生强烈的机械加工过程中表面层金属产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加，塑性减小，统被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加，塑性减小，统称为冷作硬化。称为冷作硬化。

3、 表面层残余应力表面层残余应力 机械加工过程中由于切削变形和切削热等机械加工过程中由于切削变形和切削热等因素的作用在工件表面层材料中产生的内应力，称为表面层因素的作用在工件表面层材料中产生的内应力，称为表面层残余应力。残余应力。 表面层金相组织变化表面层金相组织变化 机械加工过程中，在工件的加工区域，机械加工过程中，在工件的加工区域，温度会急剧升高，当温度升高到超过工件材料金相组织变化温度会急剧升高，当温度升高到超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织变化。例如磨削淬火钢件时，的临界点时，就会发生金相组织变化。例如磨削淬火钢件时，常会出现回火烧伤、退火烧伤等金相组织变化，将严重影响

4、常会出现回火烧伤、退火烧伤等金相组织变化，将严重影响零件的使用件能。零件的使用件能。8.1.2表面质量对零件使用性能的影响8.1.2.1对零件耐磨性的影响 如图如图7.17所示，最初接触的只是一些凸峰顶部，实际接触面积比名义接触面积小得多。图图8.2所示是实验所得的不同表面粗糙度对初期磨损量的影响曲线。图图8.4所示两摩擦表面粗糙度纹路方向对零件耐磨性的影响。8.1.2.2对零件疲劳强度的影响 零件表面微观不平与表面的缺陷一样都会产生应力集中应力集中现象；零件表面的冷硬层能够阻碍裂纹阻碍裂纹的扩大和新裂纹的出现，可以提高零件的疲劳强度(但冷硬层过深或过硬则容易产生裂纹，反而会降低疲劳强度) 表

5、面层残余的压应力压应力能够部分地抵消工作载荷施加的拉压力，延缓疲劳裂纹扩展。而残余拉应力残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹而降低疲劳强度。8.1.2.3对零件抗腐蚀性能的影响 零件表面粗糙度值越大，抗腐蚀性能越差。表面冷硬和金相组织变化都会产生内应力。零件在应力状态下工作时，会产生腐蚀，降低零件的抗腐蚀性能。8.1.2.4对零件的其它影响 表面质量对零件的配合质量、密封性能及磨擦系数都有很大的影响。表面粗糙度值越大，对动配合来说，使用不久就会使配合性质发生变化；对静配合来说，压装时会减少过盈量。表面层有裂纹、加工痕迹等各种缺陷，在动载荷的作用下，可能引起应力集中等。8.2机械加工后的表面粗糙度

6、8.2.1切削加工后的表面粗糙度8.2.1.1几何因素*cotcotrrfH rfR82maxr 减小减小f、 、 及增大及增大 ，均可减小残留面积的高度，均可减小残留面积的高度R值。值。 r rmaxcotcotrrfR8.2.1.2物理因素 由图图8.6可知，切削加工后表面的实际粗糙度与理论粗糙度有比较大的差别，它与被加工材料的性能及切削机理有关物理因素的影响有关。韧性越好的材料塑性变形就越大，且容易出现积屑瘤与鳞刺，使粗糙度严重恶化。8.2.2磨削加工后表面粗糙度 影响磨削后表面粗糙度的因素也可归纳为三个方面：与磨削过程和砂轮结构有关的几何因素；与磨削过程和被加工材料塑性变形有关的物理因

7、素；工艺系统的振动因素 为了降低表面粗糙度值，应考虑以下主要影响因素：砂轮的粒度(粒度愈细)砂轮的修整(修整质量越高，等高微刃(图8.7)就越多)砂轮速度(提高砂轮速度增加工件刻痕数和材料来不及变形)工件速度(工件速度越大，表面粗糙度值增大)径向进给量(增大磨削径向进给量将增加塑性变形的程度从而增大粗糙度)轴向进给量(磨削时采用较小的轴向进给量，则磨削后表面粗糙度较低) 另外另外，工艺系统的振动引起粗糙度增大。8.3机械加工后的表面层物理机械性能8.3.1机械加工后表面层的冷作硬化* 8.3.1.1冷作硬化产生的原因 切削或磨削加工时，表表面层金属面层金属由于塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格

8、发生拉长、扭曲和破碎而得到强化。8.3.1.2影响冷作硬化的主要因素刀具 刀具的切削刃口圆角和后刀面的磨损量对于冷作硬层有很大影响。前角减少时，冷硬也增大。切削用量VC 冷硬 ；f 冷硬 ，但f 较小 冷硬 被加工工件材料 被加工工件材料硬度愈低、塑性愈大，切削后的冷硬现象愈严重8.3.2机械加工后表面层金相组织的变化8.3.2.1金相组织变化的原因 磨削时，温度可上升到4001000 oC，甚至更高。出现金相织的变化，强度和硬度下降，产生残余应力，甚至引起裂纹，这就是磨削烧伤现象。 磨削淬火钢时表面层烧伤有以下三种：回火烧伤 磨削区温度超过马氏体转变温度而未超过相变温度;淬火烧伤 磨削区温度

9、超过相变温度 (用冷却液时);退火烧伤 不用冷却液进行干磨削时，磨削区温度超过相变温度，工件表层被退火。 磨削烧伤严重影响零件的使用性能，必须采磨削烧伤严重影响零件的使用性能，必须采取措施加以控制。取措施加以控制。 控制磨削烧伤有两个途径：一是尽可能减少控制磨削烧伤有两个途径：一是尽可能减少磨削热的产生；二是改善冷却条件，尽量减少传磨削热的产生；二是改善冷却条件，尽量减少传人工件的热量。人工件的热量。采用硬度稍软的砂轮，适当减小采用硬度稍软的砂轮，适当减小磨削深度和磨削速度，适当增加工件的回转速度磨削深度和磨削速度，适当增加工件的回转速度和轴向进给量，采用高效冷却方式（如高压大流和轴向进给量，

10、采用高效冷却方式（如高压大流量冷却、喷雾冷却、内冷却）等措施，都可以降量冷却、喷雾冷却、内冷却）等措施，都可以降低磨削区温度，防止磨削烧伤。低磨削区温度，防止磨削烧伤。8.3.2.2影响磨削加工时金相组织变化的因素工件材料为低碳钢时不会发生相变。高合金钢如轴承钢、高速钢、镍铬钢等传热性特别差易出现磨削烧伤磨削温度、温度梯度及冷却速度等可引起工件表面金相组织发生不同变化。8.3.3机械加工后表面层的残余应力 8.3.3.1残余应力产生的原因冷态塑性变形 机械加工时，表层金属产生强烈塑性变形。热态塑性变形 机械加工时，切削或磨削热使工件表面局部温升过高，引起高温塑性变形(图图8.10为因加工温度而

11、引起残余应力的示意图)金相组织变化 切削时产生的高温会引起表面的相变。 实际实际机械加工后的表面层残余应力及其分布，是上述三方面因素综合作用的结果，在一定条件下，其中某一或二种因素可能主导作用。(图8.11所示为三类磨削条件下产生的表面层残余应力) 另外另外：影响残余应力的工艺因素主要是刀具的前角、切削速度以及工件材料的性质和冷却润滑液。8.3.3.2磨削裂纹的产生 磨削加工中热态塑性变形和金相织变化的影响较大，故大多数磨削零件的表面层往往有残余拉应力。当残余拉应力超过材料的强度极限时，零件表面就会出现裂纹。(如图8.12所示)8.4控制加工表面质量的工艺途径8.4.1减小残余拉应力、防止磨削

12、烧伤和磨削裂纹的工艺途径8.4.1.1选择合理的磨削参数 减少砂轮速度和背吃刀量；适当提高进给量和工件速度。8.4.1.2选择有效的冷却方法 采用高压大流量冷却、内冷却或为减轻高速旋转的砂轮表面的高压附着气流的作用，加装空气挡板(图图8.13)8.4.2采用冷压强化工艺8.4.2.1喷丸 喷丸是一种用压缩空气或离心力将大量直径细小( 0.42)的丸粒(钢丸、玻璃丸)以3050m/s的速度向零件表面喷射的方法(如图8.14(a)8.4.2.2滚压 用工具钢淬硬制成的钢滚轮或钢珠在零件上进行滚压，如图8.14(b) 8.4.3.采用精密和光整加工工艺 精密和光整加工工艺是指经济加工精度在IT5IT

13、7级以上，表面粗糙度小于0.16 ，表面物理机械性能也处于十分良好状态的各种加工工艺方法。8.4.3.1精密加工工艺 精密加工工艺方法有高速精镗、高速精车、宽刃精刨和细密磨削等。8.4.3.2光整加工工艺珩磨超精加工研磨 抛光 抛光是在布轮、布盘或砂带等软的研具上涂以抛光膏来加工工件的 。8.5机械加工过程中的振动问题简介8.5.1振动的概念与类型 金属切削过程中，工件和刀具之间常常发生强烈的振动，它分为自由振动、强迫振动和自激振动三种。8.5.2机械加工中的强迫振动 强迫振动强迫振动是在外界周期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化。不管振动系统本身的固有频率如何，强迫振动的

14、固有频率总是与外界干扰力的频率相同。强迫振动的振幅大小在很大程度上取决于干扰力的频率与系统固有频率的比值。当这个频率比等于或接近1时，振幅达到最大值，出现“共振”现象。干扰力越大，系统刚度及阻尼系数越小，则强迫振动的振幅就越大8.5.3机械加工中的自激振动 自激振动自激振动是由振动过程本身引起切削力周期性变化，又由这个周期性变化的切削力反过来加强和维持振动，使振动系统补充了由阻尼作用消耗的能量，让振动维持下去。 切削过程中的自激振动可举日常生活中常见的电铃为例来说明(如图8.24，8.25) 金属切削过程中自激振动的原理如图8.26所示。维持振动的能量能量来源于机床的能源。自激振动与强迫振动相同，是一种不衰减的振动。维持振动的交变力是由振动本身所产生和控制的，当振动一停止，则此交变力也随之消失。 只要停止切削过程，即使机床仍继续空运转，自激振动