机械加工质量(3)

1、 3.7 机械加工表面质量概述机械加工表面质量概述掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高产品性能的目的。产品性能的目的。实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取决工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量。于其主要零件的表面质量。研究机械加工表面质量的目的：研究机械加工表面质量的目的

2、：机械产品的失效形式机械产品的失效形式因设计不周而导致强度不够；因设计不周而导致强度不够；磨损、腐蚀和疲劳破坏。磨损、腐蚀和疲劳破坏。 少数少数多数多数上一页上一页 下一页下一页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一、机械加工表面质量的含义：一、机械加工表面质量的含义：1表面的几何特征表面的几何特征2表面层物理表面层物理力学、化学性能力学、化学性能(1)表面粗糙度表面粗糙度(2)表面波度表面波度(3)纹理方向纹理方向(1)表面层加工硬化表面层加工硬化(冷作硬化冷作硬化)(2)表面层金相组织变化表面层金相组织变化(3)表面层产生残余应力表面层产生残余应力 上一

3、页上一页 下一页下一页1、表面的几何形状特征、表面的几何形状特征加工后表面形状，总是以加工后表面形状，总是以“峰峰”、“谷谷”的形式偏离其的形式偏离其理想光滑表面。按偏离程度有理想光滑表面。按偏离程度有宏观宏观和和微观微观之分。之分。波距：峰与峰或谷与谷间的距离，波距：峰与峰或谷与谷间的距离， 以以L表示；表示；波高：峰与谷间的高度，以波高：峰与谷间的高度，以H 表示。表示。 波距与波高波距与波高L/H1000时，属于宏观几何形状误差；时，属于宏观几何形状误差；L/H50时，属于微观形状误差，称作表面粗糙度；时，属于微观形状误差，称作表面粗糙度；L/H = 501000时，称作表面波度；时，称

4、作表面波度；主要是由机械加工过程中主要是由机械加工过程中工艺系统低频振动所引起。工艺系统低频振动所引起。上一页上一页 下一页下一页纹理方向纹理方向 是指表面刀纹的方向，取决于表面形成所采用的机是指表面刀纹的方向，取决于表面形成所采用的机械加工方法。一般械加工方法。一般运动副或密封件运动副或密封件对纹理方向有要求。对纹理方向有要求。伤痕伤痕 是指在加是指在加工表面个别位工表面个别位置出现的缺陷，置出现的缺陷，如沙眼、气孔、如沙眼、气孔、裂痕等。裂痕等。上一页上一页 下一页下一页2、表面层物理力学、化学性能、表面层物理力学、化学性能表示方法表示方法(1)表面金属层的冷作硬化表面金属层的冷作硬化指工

5、件在加工过程中，表面层金指工件在加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形，使工件加工表面层的强度和硬度都有所属产生强烈的塑性变形，使工件加工表面层的强度和硬度都有所提高的现象。提高的现象。冷硬层深度冷硬层深度 h硬化程度硬化程度 N 硬化程度：硬化程度：%1000 HHN其中：其中：H加工后表面层的显微硬度加工后表面层的显微硬度H0材料原有的显微硬度材料原有的显微硬度上一页上一页 下一页下一页(2)表面层金相组织变化表面层金相组织变化(3)表面层产生残余应力表面层产生残余应力加工中，加工中，由于切削热的作用引起表层金属金相组织发生变由于切削热的作用引起表层金属金相组织发生变化的现象。化的现象。

6、如磨削时常发生的磨削烧伤，大大降低表面层的物如磨削时常发生的磨削烧伤，大大降低表面层的物理机械性能。理机械性能。加工中，加工中，由于切削变形和切削由于切削变形和切削热的作用，工件表层及其基体材料热的作用，工件表层及其基体材料的交界处产生相互平衡的弹性应力的交界处产生相互平衡的弹性应力的现象的现象。残余应力超过材料强度极残余应力超过材料强度极限就会产生表面裂纹。限就会产生表面裂纹。上一页上一页 下一页下一页二、加工表面质量对机器零件使用性能的影晌二、加工表面质量对机器零件使用性能的影晌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第一阶段第一阶段 初期磨损阶段初期磨损阶段第二阶段第二阶段

7、 正常磨损阶段正常磨损阶段第三阶段第三阶段 急剧磨损阶段急剧磨损阶段零件的磨零件的磨损可分为损可分为三个阶段三个阶段 不是表面粗糙度值越小越耐磨，不是表面粗糙度值越小越耐磨，在一定工作条件下，摩擦副表面总是在一定工作条件下，摩擦副表面总是存在一个最佳表面粗糙度值，表面粗存在一个最佳表面粗糙度值，表面粗糙度糙度Ra值约为值约为0.320.25m较好。较好。表面粗糙度对摩擦副的影响表面粗糙度对摩擦副的影响上一页上一页 下一页下一页重载情况下重载情况下，由于压强、分子亲和力和润滑液的储存等因，由于压强、分子亲和力和润滑液的储存等因素的变化，其规律与上述有所不同。素的变化，其规律与上述有所不同。表面纹

8、理方向对耐磨性的影响表面纹理方向对耐磨性的影响影响金属表面的影响金属表面的实际接触面积实际接触面积和和润滑液的存留情况润滑液的存留情况轻载时轻载时，两表面的纹理方向与相对运动方向一致时，磨损，两表面的纹理方向与相对运动方向一致时，磨损最小；当两表面纹理方向与相对运动方向垂直时，磨损最大。最小；当两表面纹理方向与相对运动方向垂直时，磨损最大。过度的加工硬化会使金属组织疏松，甚至出现疲劳裂纹和过度的加工硬化会使金属组织疏松，甚至出现疲劳裂纹和产生剥落现象产生剥落现象使耐磨性下降。使耐磨性下降。表面层的加工硬化对耐磨性的影响表面层的加工硬化对耐磨性的影响由于加工硬化提高了表面层的强度由于加工硬化提高

9、了表面层的强度减少了表面进一步塑减少了表面进一步塑性变形和咬焊的可能。性变形和咬焊的可能。一般一般能提高耐磨性能提高耐磨性0.5 1倍。倍。上一页上一页 下一页下一页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（3方面）方面）在交变载荷作用下，零件表面粗糙度、划痕、裂在交变载荷作用下，零件表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷容易形成应力集中，并发展成疲劳裂纹，纹等缺陷容易形成应力集中，并发展成疲劳裂纹，零件疲劳破坏。零件疲劳破坏。1方面：表面粗糙度的影响方面：表面粗糙度的影响对于重要零件表面如连杆、曲轴等，应进行光对于重要零件表面如连杆、曲轴等，应进行光整加工，减小表面粗糙度值，提高其

10、疲劳强度。整加工，减小表面粗糙度值，提高其疲劳强度。上一页上一页 下一页下一页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（3方面）方面）适当的加工硬化能阻碍已有裂纹的继续扩大和新裂适当的加工硬化能阻碍已有裂纹的继续扩大和新裂纹的产生，有助于提高疲劳强度。纹的产生，有助于提高疲劳强度。但但加工硬化程度过加工硬化程度过大，易产生裂纹大，易产生裂纹加工硬化程度应控制在一定范围内。加工硬化程度应控制在一定范围内。1）拉应力加剧疲劳裂纹的产生和扩展；）拉应力加剧疲劳裂纹的产生和扩展；2方面：方面：表面残余应力对疲劳强度的影响表面残余应力对疲劳强度的影响影响极大影响极大3方面：方面：表面

11、层的加工硬化对疲劳强度影响表面层的加工硬化对疲劳强度影响2）残余压应力，能延缓疲劳裂纹的产生、扩展，而）残余压应力，能延缓疲劳裂纹的产生、扩展，而使零件疲劳强度提高。使零件疲劳强度提高。上一页上一页 下一页下一页3表面质量对零件耐腐蚀性的影响表面质量对零件耐腐蚀性的影响残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性；可增强零件的耐腐蚀性；表面粗糙表面粗糙度的影响度的影响表面粗糙度值越大，越容易积聚腐蚀性物质；表面粗糙度值越大，越容易积聚腐蚀性物质；波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。 零件的耐腐蚀性在

12、很大程度上取决于表面粗糙度零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度表面残余应力对零件耐腐蚀性影响表面残余应力对零件耐腐蚀性影响拉应力则降低耐腐蚀性拉应力则降低耐腐蚀性 上一页上一页 下一页下一页 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表面残余应力会引起零件变形，使零件形状和尺寸表面残余应力会引起零件变形，使零件形状和尺寸发生变化，因此对配合性质有一定的影响。发生变化，因此对配合性质有一定的影响。相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。表面粗糙表面粗糙度的影响度的影响 对间隙配合而言，表面粗糙度值太大，会使对间隙配合而言，表面

13、粗糙度值太大，会使配合表面很快磨损而增大配合间隙，改变配合配合表面很快磨损而增大配合间隙，改变配合性质，降低配合精度。性质，降低配合精度。 对过盈配合而言，装配时配合表面的波峰对过盈配合而言，装配时配合表面的波峰被挤平，减小实际过盈量，降低了连接强度，被挤平，减小实际过盈量，降低了连接强度，影响了配合的可靠性。影响了配合的可靠性。表面残余应力的影响表面残余应力的影响上一页上一页 下一页下一页刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径主偏角主偏角副偏角副偏角进给量进给量 3.8 影响表面粗糙度的工艺因素及其改善措施影响表面粗糙度的工艺因素及其改善措施表面粗糙度的形表面粗糙度的形成和影响因素成和影响因素几何因素几何

14、因素物理因素物理因素一、切削加工表面粗糙度一、切削加工表面粗糙度切削残留面积的高度切削残留面积的高度金相组织金相组织切削液的选用及刀具刃磨质量切削液的选用及刀具刃磨质量P137图7-3上一页上一页 下一页下一页金相组织越大，粗糙度也越大；金相组织越大，粗糙度也越大；由刀具相对于工件作进给运动时在加工表面上遗留下来的切由刀具相对于工件作进给运动时在加工表面上遗留下来的切削层残留面积。理论上的最大粗糙度削层残留面积。理论上的最大粗糙度Rmax （图中（图中H）可由刀具形状、可由刀具形状、进给量进给量f，按几何关系求得。当不考虑刀尖圆弧半径时：，按几何关系求得。当不考虑刀尖圆弧半径时：图图 车削时的

15、残留面积高度车削时的残留面积高度几何因素几何因素kctgctgkfRmax当背吃刀量和进给量很小时，粗糙度主要由刀尖圆弧构成：当背吃刀量和进给量很小时，粗糙度主要由刀尖圆弧构成：erfR82max上一页上一页 下一页下一页 主要是与被加工材料的性能及切削机理有关的物理因素主要是与被加工材料的性能及切削机理有关的物理因素的影响。切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工件挤压与的影响。切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工件挤压与摩擦而产生塑性变形。韧性越好的材料塑性变形越大，且容摩擦而产生塑性变形。韧性越好的材料塑性变形越大，且容易出现积屑瘤与鳞刺，使粗糙度严重恶化。易出现积屑瘤与鳞刺，使粗糙度严重恶

16、化。 图图 塑性材料加工后表面的实际轮廓和理论轮廓塑性材料加工后表面的实际轮廓和理论轮廓物理因素物理因素实际粗糙度与理论粗糙度差别较大实际粗糙度与理论粗糙度差别较大还有切削用量、冷却润滑液和刀具材料等因素影响还有切削用量、冷却润滑液和刀具材料等因素影响上一页上一页 下一页下一页几何原因几何原因塑性变形塑性变形机械加工振动机械加工振动二、磨削过程中表面粗糙度的形成二、磨削过程中表面粗糙度的形成1、形成因素、形成因素切削用量切削用量砂轮的粒度和砂轮的修整情况砂轮的粒度和砂轮的修整情况(1) 几何原因几何原因1）切削用量对表面粗糙度的影响）切削用量对表面粗糙度的影响上一页上一页 下一页下一页砂轮的速

17、度砂轮的速度单位时间内的磨削量单位时间内的磨削量 ，粗糙度，粗糙度 ；工件的速度工件的速度单位时间内的磨削量单位时间内的磨削量 ，粗糙度，粗糙度 ；砂轮纵向进给速度砂轮纵向进给速度每部位重复磨削次数每部位重复磨削次数 ，粗糙度，粗糙度。2）砂轮的粒度和砂轮的修整对表面粗糙度的影响）砂轮的粒度和砂轮的修整对表面粗糙度的影响砂轮的粒度砂轮的粒度磨粒的大小磨粒的大小磨粒间的距离磨粒间的距离砂轮的粒度号砂轮的粒度号 ，参与磨削的磨粒，参与磨削的磨粒 ，粗糙度，粗糙度 ；砂轮的粒度号越大，磨砂轮的粒度号越大，磨粒和磨粒间距离越小粒和磨粒间距离越小修整砂轮时，纵向进给量对表面粗糙度的影响甚大；修整砂轮时，

18、纵向进给量对表面粗糙度的影响甚大；纵向进给量纵向进给量砂轮表面的等高性越好砂轮表面的等高性越好 ，粗糙度，粗糙度 。上一页上一页 下一页下一页（2）金属表面层的塑性变形）金属表面层的塑性变形在磨削过程中，由于磨粒大多具有很大的负前角，很不锋在磨削过程中，由于磨粒大多具有很大的负前角，很不锋利，所以大多数磨粒在磨削时只是对表面产生利，所以大多数磨粒在磨削时只是对表面产生挤压作用挤压作用而使表而使表面出现塑性变形，磨削时的高温更加剧了塑性变形，增大了表面出现塑性变形，磨削时的高温更加剧了塑性变形，增大了表面粗糙度值。面粗糙度值。砂轮转速砂轮转速 ，切削速度，切削速度 ，工件材料来不及变形，塑性，工

19、件材料来不及变形，塑性变形变形，粗糙度，粗糙度 ；工件转速工件转速 ，工件材料塑性变形，工件材料塑性变形 ，粗糙度，粗糙度 ；切削深度切削深度 ，工件材料塑性变形，工件材料塑性变形 ，粗糙度，粗糙度 ；合理选用砂轮和切削液合理选用砂轮和切削液 ，有利于减少塑性变形，有利于减少塑性变形 ，降，降低粗糙度低粗糙度。上一页上一页 下一页下一页对磨削表面粗糙度来说，振动是主要影响对磨削表面粗糙度来说，振动是主要影响因素。振动产生的原因很多，将在后面讲述。因素。振动产生的原因很多，将在后面讲述。3加工时的振动加工时的振动上一页上一页 下一页下一页3.9 工艺系统的振动工艺系统的振动1自由振动自由振动2强

20、迫振动强迫振动3自激振动自激振动一、一、 机械振动的分类机械振动的分类当系统受到初始干扰力作用而破坏了其平衡状态后，系统仅当系统受到初始干扰力作用而破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动。靠弹性恢复力来维持的振动。 1自由振动自由振动 在切削过程中，加工材料硬度不均或工件表面有缺陷，在切削过程中，加工材料硬度不均或工件表面有缺陷，都会引起自由振动，但由于阻尼作用，振动将迅速减弱，因都会引起自由振动，但由于阻尼作用，振动将迅速减弱，因而对机械加工影响不大。而对机械加工影响不大。振动的频率就是系统的固有频率；振动的频率就是系统的固有频率；自由振动将逐渐衰减。自由振动将逐渐衰减。由于系统

21、中总存在阻尼由于系统中总存在阻尼特点特点产生原因：产生原因：本节主要讨论机械加本节主要讨论机械加工过程中强迫振动和工过程中强迫振动和自激振动的规律自激振动的规律。上一页上一页 下一页下一页既既可指工艺系统以外可指工艺系统以外也也可指工艺系统内部由刀具和工件组成的切削系统可指工艺系统内部由刀具和工件组成的切削系统2强迫振动强迫振动强迫振动强迫振动 由由外界外界周期性激振力引起和维持的振动。周期性激振力引起和维持的振动。外界外界在在定条件下，由定条件下，由振动系统本身振动系统本身产生的交变力激发和维产生的交变力激发和维持的一种稳定的周期性振动称为自激振动。持的一种稳定的周期性振动称为自激振动。质量

22、、弹簧和阻尼以外质量、弹簧和阻尼以外3自激振动自激振动上一页上一页 下一页下一页二、振动对机械加工的影响二、振动对机械加工的影响(1)影响零件的表面质量影响零件的表面质量 振动破坏了工艺系统的各种成形运动，振动破坏了工艺系统的各种成形运动，使工件与刀具的相对位置发生周期性的改变，因而振动频率低使工件与刀具的相对位置发生周期性的改变，因而振动频率低时产生波度，振动频率高时将增大表面粗糙度值。时产生波度，振动频率高时将增大表面粗糙度值。振动对加工质量和生产率有很大影响，主要表现在振动对加工质量和生产率有很大影响，主要表现在:(2)影响生产率影响生产率 为了避免发生振动或减小振动，有时不得不降为了避

23、免发生振动或减小振动，有时不得不降低切削用量，从而限制和影响生产率的提高。低切削用量，从而限制和影响生产率的提高。(3)影响机床、夹具和刀具寿命影响机床、夹具和刀具寿命 振动使刀具受到附加动载荷，振动使刀具受到附加动载荷，加速刀具磨损，有时甚至发生崩刃；同时振动使机床、夹具等加速刀具磨损，有时甚至发生崩刃；同时振动使机床、夹具等零件的连接部分松动，从而增大间隙，降低刚度和精度，缩短零件的连接部分松动，从而增大间隙，降低刚度和精度，缩短其使用寿命。其使用寿命。 (4)振动噪声污染工作环境振动噪声污染工作环境 由于高频振动会发出刺耳的尖叫声，由于高频振动会发出刺耳的尖叫声，造成噪声污染，危害操作者

24、的身心健康。造成噪声污染，危害操作者的身心健康。上一页上一页 下一页下一页通常通常，机械加工过程中产生的振动对机械加工来讲，机械加工过程中产生的振动对机械加工来讲是十分有害的。是十分有害的。 振动的利用振动的利用上一页上一页 下一页下一页近来近来，对切削机理进行研究得到这样的观点，即在切削，对切削机理进行研究得到这样的观点，即在切削过程中，过程中，切屑不是根据刀尖与工件间的静力学关系形成，而切屑不是根据刀尖与工件间的静力学关系形成，而是由连续地产生与一次冲击破坏机理相类似的动力学关系而是由连续地产生与一次冲击破坏机理相类似的动力学关系而形成的。形成的。有人利用振动来更好地切削，如振动磨削、振动研抛、超有人利用振动来更好地切削，如振动磨削、振动研抛、超声波加工等，都是利用振动