西工大机制工艺第三章表面质量课件

第三章：表面质量机械制造工艺学3.1基本概念表面质量：指零件加工后表面层的状态2.表面的物理和机械性能切削力和切削热的作用，使表面层的物理机械性能发生变化，主要有：

表面的硬度加工表面因塑性变形而产生的冷作硬化。一般硬化层：0.05～0.3mm;滚压可大几个mm。

加工表面层的残余应力加工表面层因力和热的作用产生的残余应力→零件变形、表面曾产生裂纹→疲劳强度↓

表面层的金相组织加工表面层因切削热和磨削热引起的金相组织的变化→表面硬度↑↓3.各种加工方法达到的表面粗糙度和加工精度3.2表面粗糙度表面粗糙度产生原因？对车削加工的表面（车、镗、铣），主要有：刀具几何因素、塑性变形、残留面积、刀瘤、振动等刀具几何因素影响残留面积高度H的因素有：进给量S、主偏角kr、副主偏角kr′刀尖圆弧半径。原因：

①切削过程中刀具刀尖圆角及刀具后刀面的挤压与摩擦，金属材料发生塑性变形，使理想残留面积挤歪或沟纹加深；

②存在被加工材料的性质及切削基理有关的物理因素的变化。减少切削曾残留面积的措施：①减少进给量S：②减少刀具的主偏角kr、副主偏角kr′；③增大刀具半径；④提高刀具刃磨质量，避免刀口的粗糙度在工件表面“复映”；⑤增大刀具前角，降低切削过程中的振幅；⑥切削液，选择合适的切削液；⑦控制磨损值VB。通常：增大kr或减小kr′来减小Ra切削用量的影响

切削速度V、进给量f和切削深度ap对Ra有不同程度的影响切削速度V：积削瘤：当以中等切削速度切削塑性教好的金属时，切削区温度在300℃左右，刀尖附近的滞留层被冷却在前刀面上形成瘤状硬金属块称为积削瘤复习积削瘤的现象及形成条件

在金属切削过程中，常常有一些从切削和工件上来的金属冷焊并层积在前刀面上，形成一个非常坚硬的金属堆积物，其硬度是工件材料硬度的2—3倍，能够代替刀刃进行切削，并且以一定的频率生长和脱落。这种堆积物称为积削瘤。积削瘤对切削过程的影响及控制影响：保护刀具、增大前角、增大切削厚度、增大已加工表面的粗糙度、加速刀具磨损。积削瘤有利有弊。粗加工时，对精度和表面粗糙度要求不高，如果积削瘤能稳定生长，则可以代替刀具进行切削，保护了刀具，同时减少了切削变形。精加工时，则绝对不希望积削瘤的出现。

3.3表面冷作硬化1、表层缺陷是怎么产生的？2、什么叫冷作硬化？在零件加工后，因加工过程中塑性变形及温度高等原因，使表层金属在物理机械性能，金相化学组织、化学性质等方面与基体金属不同。机械加工过程中因切削力作用产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变、晶粒间产生剪切滑移，晶格被拉长或纤维化，甚至破碎；这些都会使表面金属的硬度和强度提高，这种现象称为冷作硬化影响冷作硬化的主要因素

表面冷作硬化的程度取决于产生塑性变形的力、变形速度和变形时的温度。力越大，塑性变形越大→硬化程度↑速度越大，塑性变形越不充分→硬化程度↓变形时的温度：不仅影响塑性变形程度，还会影响变形后金相组织的恢复程度。3.4表面层的残余应力

机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相互平衡的弹性力，这种力即为表面层的残余应力。切削加工时产生残余应力的主要原因——塑性变形的影响，温度的影响，金相组织变化的影响表面层金相组织的变化

切削时，加工表面的温度升高。当温度升高到超过金相组织变化的临界点时，就会引起金相组织的变化。在改变金属金相组织状态的同时，会在金属表面层的局部残生不同比容（单位质量的物质所占有的容积称为比容，用符号"V"表示。其数值是密度的倒数）的金相组织。因金属的比容发生变化→残余应力的产生。影响磨削时金相组织的变化因素有：工件材料、磨削温度、温度梯度及冷却速度。如磨削淬火钢：①回火烧伤：若磨削区的温度超过马氏体转变温度而未超过其相变临界温度（碳钢的临界温度为723℃），这时工件表层金属的金相组织，由原来的马氏体转变为硬度较低的回火组织（索氏体、珠光体），称为回火烧伤。②淬火烧伤：若磨削区的温度超过相变温度，在切削液急冷作用下，使表面最外层的金属出现二次淬火的马氏体组织，硬度较原来的回火马氏体高，其下层因冷却速度较慢，仍为硬度降低的回火组织。③退火烧伤：若不用冷却液进行干磨时超过相变的临界温度，由于冷却速度较慢，使磨削后表面的硬度急剧下降，产生退回烧伤。对一些传热性能较差的高速钢、轴承钢等，在不能充分冷却时，容易出现相当深度的金相组织变化。减轻磨削热损伤的途径：①尽可能减少磨削热的产生；②改善冷却条件，尽量减少传入工件的热量。3.5表面质量对零件使用性能的影响⑴对零件的耐磨性产生影响零件的耐磨性不仅与摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件有关，还与摩擦副表面质量有关表面层冷作硬化对耐磨性的影响⑵表面粗糙度对疲劳强度的影响表面层冷作硬化对疲劳强度的影响

表面冷作硬化能够提高零件的疲劳强度原因：强化（硬化）过的表层会阻止已有的疲劳裂纹扩大和阻止新的裂纹产生。硬化会减少零件表面缺陷和表面粗糙度带来的有害影响。表面层残余应力对疲劳强度的影响

残余应力有两种，即残余拉应力和残余压应力。所以有好有坏压应力有利，拉应力有坏。其他影响3对零件耐腐蚀性的影响●表面粗糙度●表面硬化层●内应力4对配合性质和配合精度的影响5对密封性的影响3.6磨削的表面质量1磨削属于什么加工（粗加工or精加工）？2粗磨属于什么加工？3磨削刀具与切削刀具的区别？4切削加工有塑性变形区域，磨削加工有塑性变形吗？关于磨削加工的几点说明1磨削加工过程中，决定工件表面粗糙度之一的是砂轮的粒度。2磨削深度，即ap量，也是影响磨削加工表面粗糙度的主要因素之一。3磨削加工表面塑性变形严重，从而冷作硬化现象也比较严重。磨削加工中需要说明的问题1磨削深度和纵向走刀量的增加可以提高磨削效率，但是工件的塑性变形程度增加，冷作硬化现象更加严重，表面粗糙度也变大。2磨削加工时，瞬间磨削温度较高，特别是切削深度和磨削速度较高的情况下，要特别注意磨削温度的控制。3磨削温度过高会发生工件表面烧伤，从而发生金相组织变化；同时温度的剧烈变化，会导致工件内部残余应力的产生，如果是残余拉应力，应力过大或者在工件受到交变力的作用下，产生裂纹，甚至是断裂。4无论是零件发生烧伤还是裂纹都会导致零件报废，无法返修，故磨削加工中应该注意防范发生这类情况烧伤1烧伤发生的原因？2烧伤发生在工件上的位置？3烧伤发生后产生的影响？原因：加工温度过高；位置：工件磨削表面；影响：金相组织改变，原始硬度改变。烧伤分类分为两类：回火烧伤和夹心烧伤1回火烧伤：当磨削淬火或低温回火钢工件时，如果用量偏大，冷却不充分，表层温度超过了淬火钢工件的回火温度，那么表层中的淬火组织（马氏体）会转变成回火组织（索氏体、屈氏体），表层的硬度和强度明显降低，这就是回火烧伤。回火烧伤表面一般带有氧化膜，其颜色因温度的高低而不同。

2夹心烧伤——即表层进行了二次淬火，所以表层和内部硬度相对高，中间层硬度低。磨削淬火钢工件时，温度超过奥氏体转变温度，表层内的马氏体会在瞬时转变为奥氏体，随机充分冷却，且冷却速度超过淬火临界速度，那么在表面又形成二次淬火组织。（很薄的一层马氏体）

3退火烧伤：若不用冷却液进行干磨时超过相变的临界温度，由于冷却速度较慢，使磨削后表面的硬度急剧下降，产生退火烧伤。对一些传热性能较差的高速钢、轴承钢等，在不能充分冷却时，容易出现相当深度的金相组织变化。减轻磨削热损伤的途径①尽可能减少磨削热的产生；②改善冷却条件，尽量减少传入工件的热量。如：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和轴向进给量；采用高效冷却方式等，都可降低磨削区温度，防止磨削烧伤。裂纹裂纹产生原因？工件中的残余应力是拉应力，其值超过了材料的极限强度，零件表面就会生产裂纹。裂纹的种类：平行裂纹和网状裂纹平行裂纹特点：裂纹方向垂直磨削方向；磨削表面产生的残余应力超过材料强度极限；发生在界面的微观裂纹。发现方式：探伤，酸洗破坏性：微观裂纹可以引起宏观裂纹，使零件发生破坏。平行裂纹产生原因1材料——塑性和脆性、抗拉强度、导热性等2热处理——含碳量高的钢，磨削的时候也易产生裂纹，工件淬火后，如果存在残余应力，且为拉应力，则即使在正常的磨削条件下也可能出现裂纹。网状裂纹在渗碳、渗氮时如果工艺不当则会在表面层晶界面上析出脆性的碳化物、氮化物。当磨削时，在热应力的作用下就容易产生沿这些组织发生脆性破坏而出现网状裂纹。避免裂纹产生的途径1降低磨削温度2改善散热条件

提高冷却效果，合理选择切削用量，选择合适的砂轮等3.7表面喷丸工艺什么叫喷丸工艺呢？喷丸，使用压缩空气作动力，将钢丸，铁丸等高速抛射出去，打击工件表面，从而提高零件机械强度以及耐磨性、抗疲劳和耐腐蚀性以及消除铸、锻、焊件的残余应力等的一种工艺。1、目的：喷丸能使零件避免表面残留高的张应力，产生压应力而提高其疲劳强度。2、使用范围：一般钢铁零件使用温度超过260℃，铝制品零件使用温度超过170℃，不需要做喷丸处理。因为使用温度太高，会使喷丸产生的压应力被消除而失去预期的效果。丸种类的选择：铸钢丸硬度一般为HRC40～50，加工硬金属时，可把硬度提高到HRC57～62。铸钢丸韧性较好，使用广泛，其使用寿命为铸铁丸的几倍。铸铁丸硬度一般为HRC58～65，质脆而易于破碎，寿命短，使用广泛，主要用于需喷丸强度高的场合。喷丸——玻璃丸硬度较钢铁丸两者低，主要用于不锈钢、钛、铝、镁及其它不允许铁质污染的材料，也可在钢铁丸喷丸后作第二次加工之用，以除去铁质污染和降低零件的表面粗糙度。喷丸用玻璃丸和其他用途的玻璃丸是两个不同的概念。喷丸玻璃丸最大的特点是它的硬度最低不小于6—7莫氏而且有一定的韧性，成圆率最低不小于90%。两种价格差别很大，但外观却相差无几，如果将普通玻璃丸用于喷丸加工，貌似成本较低，而在喷丸加工时破碎率较高，且加工强度较高的工件时几乎是一次破碎，相比之下，总成本反而提高了许多。喷丸工艺的效果在喷丸过程中，工件表层发生塑性变形，可以产生较大的压应力，从而提高零件的疲劳强度。当零件在承受交变载荷的情况下，压应力会缓慢释放。为了维持工件表面具有一定的压应力，可以对工件进行多次喷丸处理。喷丸工艺的效果1提高零件疲劳强度和耐腐蚀强度2提高电镀零件的疲劳强度3消除有害的拉应力，产生有益的压应力4增加渗碳渗氮或高温处理钢件的疲劳强度，减少脆性破坏机率。5防止涂层零件的疲劳强度降低机械加工过程中的振动1振动的危害2振动的类型3振动的原因4振动的控制1振动的危害机械加工过程中的振动使正常的切削过程受到干扰和破坏，不仅仅会恶化工件的加工精度和表面质量，而且还会缩短机床和刀具的使用寿命。振动产生噪音污染，损害工人健康。影响加工效率的提高2振动的类型自由振动、强迫振动、自激振动自由振动是系统所受的外界干扰力去除后系统本身的衰减运动

强迫振动是由外界周期性干扰力所支持的不衰减振动切削过程本身引起的切削力周期性变化的振动称为自激振动

3振动的原因产生强迫振动的原因：1离心惯性力引起的振动2传动机构的缺陷3切削过程的间歇性具体表现在一下方面：

机床：零件的制造精度不高及缺陷，如皮带接头太粗；

刀具：多刃、多齿刀具切削时，刀口误差引起的振动；

工件：加工表面有断续表面或表面余量不均、硬度不等；

夹具：夹紧自锁性差、夹具体刚性差。强迫振动的特点

a.强迫振动的稳温态过程是谐振动，只要干扰力存在，振动不会被阻尼衰减掉，去除干扰力，振动停止；b.强迫振动的频率等于干扰力的频率；c.阻尼愈小，振幅愈大，谐波响应的轨迹范围大；d.在共振区，较小频率变化会引起较大振幅和频率的变化。消除强迫振动的途径

1.消振与隔振

2.消除回转零件的不平衡；3.提高传动件的制造精度；

4.提高系统刚度、增加阻尼。5调节振源频率，避免共振自激振动切削过程本身引起的切削力周期