模块三机械加工质量课题二机械加工表面质量

机械制造工艺与装备课题一机械加工表面质量模块三机械加工质量知识点机械加工表面质量影响机械加工表面质量的因素机械加工表面质量的综合分析技能点正确认识产生机械加工表面质量的问题的原因掌握提高机械加工表面质量的方法一.任务引入

如图3-13所示为某镗床夹具侧面定位板，零件材料为45号钢，B面表面淬火HRC52，磨削加工后表面粗糙度达不到要求，淬火表面硬度下降，且表面出现显微裂纹，试分析产生原因及提出改进措施。材料：45；毛坯：锻件；B面淬火硬度：HRC50图2-33定位板二.任务分析

该定位板用于镗床夹具中箱体侧面定位，为保证加工工件的定位精度，其自身形状精度和位置位精度要求较高，与工件接触表面为避免过早磨损需要足够的硬度。工件材料为45钢，毛坯为锻件，B面淬火硬度HRC50，平行度要求较高。如机床精度保证的前提下，零件的表面粗糙度达不到要求、出现显微裂纹，淬火表面硬度下降，是磨具和磨削方法选择不当所引起。本课题主要学习影响机械加工表面质量的因素和提高机械加工表面质量的途径。三.相关知识1、表面质量的概念所谓加工表面质量，是指机器零件在加工后的表面层状态。加工表面质量包括两个方面：加工表面的几何形状特征和表面层的物理、力学性能的变化。

（一）机械加工表面质量概述

（1）加工表面的几何形状特征主要由两部分组成，表面粗糙度和表面波度。1）表面层的冷作硬化；2）表面层金相组织变化；3）表面层残余应力。（2）表面层物理、力学性能变化（1）对耐磨性的影响2、表面质量对零件使用性能的影响

零件表面磨损过程一般可分为，初期磨损、正常磨损、快速磨损。

零件表面磨损过程一般可分为，初期磨损、正常磨损、快速磨损。零件表面在初期磨损阶段，由于零件表面存在微观不平度，当两个零件表面相互接触时，有效接触面积只占名义接触面积的很小一部分，表面越粗糙，有效接触面积就越小。初期磨损速度很快。随着磨损的发展，有效接触面积不断增大，压强逐渐减小，磨损将以较慢的速度进行，进入正常磨损阶段。在这之后，由于有效接触面积越来越大，零件间的金属分子亲和力增加，表面的机械咬合作用增大，使零件表面又产生急剧磨损而进入快速磨损阶段。

表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般说来，表面粗糙度值越小，其耐磨性越好。但是表面粗糙度值太小，因接触面容易发生分子粘着，且润滑液不易储存，磨损反而增加。因此，就磨损而言，存在一个最优表面粗糙度值。图3-2表面粗糙度与起始磨损量的关系1）表面粗糙度对耐疲劳性的影响表面粗糙度对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹，导致疲劳破坏。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抵抗疲劳破坏的能力越差。

2）表面层物理、力学性能对耐疲劳性的影响表面层存在一定程度的冷作硬化可以阻碍疲劳裂纹的产生和已有裂纹的扩展，因而可提高疲劳强度，但冷硬程度过高时，常产生大量显微裂纹而降低疲劳强度。（2）表面质量对耐疲劳性的影响1）表面粗糙度对耐蚀性的影响零件在潮湿的空气中或在腐蚀性介质中工作时，会发生化学腐蚀或电化学腐蚀。减小表面粗糙度就可以提高零件的耐腐蚀性。

2）表面层物理、力学性能对耐蚀性的影响零件在应力状态下工作时，会产生应力腐蚀，加速了腐蚀作用。如表面存在裂纹，则更增加了应力腐蚀的敏感性。（3）表面质量对耐蚀性的影响

表面粗糙度对零件的接触刚度有很大的影响，表面粗糙度越小，则接触刚度越高。（4）表面质量对配合质量的影响

1）间隙配合初期磨损的影响最大，表面粗糙度越大，起始磨损量就越大，原有间隙将因急剧的初期磨损而改变，变化量与表面粗糙度的平均高度成正比，从而配合的稳定性影响。

2）过盈配合表面粗糙度越大，两表面相配合时表面凸峰易被挤掉，这样使得过盈量减少，从而影响过盈配合的可靠性。

3）过渡配合则兼有上述两种配合的影响。（5）表面质量对接触刚度的影响1、影响零件表面粗糙度的因素机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为两个因素：一是切削刃(或砂轮)与工件相对运动轨迹所形成的表面粗糙度——几何因素；二是与工件材料性质及切(磨)削机理有关的因素——物理因素。（二）影响机械加工表面质量的因素（1）刀具切削加工表面粗糙度的形成图3-19切削层残留面积1）几何因素在理想切削条件下，由于切削刃的形状和进给量的影响，在加工表面上遗留下来的切削层残留面积就形成了理论表面粗糙度。

从切削过程的物理实质考虑，刀具的刃口圆角及后面的挤压与摩擦使金属材料发生塑性变形，严重恶化了表面粗糙度。在加工塑性材料而形成带状切屑时，在前刀面上容易形成硬度很高的积屑瘤。它可以代替前刀面和切削刃进行切削，使刀具的几何角度、背吃刀量发生变化。其轮廓很不规则，因而使工件表面上出现深浅和宽窄都不断变化的刀痕，有些积屑瘤嵌入工件表面，增加了表面粗糙度。切削加工时的振动，使工件表面粗糙度值增大。2）物理因素

切削速度ν提高，切削过程中切屑和加工表面的塑性变形程度降低，因而表面粗糙度值减小。此外，采用更低或更高的切削速度可以避开刀瘤和鳞刺产生的速度范围。图8-6表示切削速度与表面粗糙度的关系曲线，实线表示只受塑性变形影响，虚线表示受刀瘤影响时的情况。（2）影响切削加工表面粗糙度的主要因素1）切削速度

刀具的几何角度对塑性变形、刀瘤和鳞刺的产生均有很大的影响。前角γ0增大时，塑性变形减小，表面粗糙度变小。为负值时，塑性变形增大，表面粗糙度也增大。后角过小会增加摩擦，刃倾角的大小又会影响刀具的实际前角，因此它们都会影响表面粗糙度。2）刀具几何角度

刀具的材料与刃磨质量对产生刀瘤、鳞刺等现象影响甚大。如金刚石车刀精车铝合金时，由于摩擦因数小，刀具与工件材料的亲和力小，刀面上就不会产生切屑的粘附、冷焊现象，因此能减小表面粗糙度值。减小前、后刀面的刃磨表面粗糙度值，也能起到同样作用。

3）刀具材料与刃磨质量

1）几何因素磨削加工中，由于工件表面是由砂轮上大量的磨粒切削、刻划、滑擦共同作用所形成的，因此，在工件表面上也留下一定的残留面积。一般认为：通过工件表面单位面积上的磨粒数愈多且刻痕的等高性愈好，则表面粗糙度愈小。（3）砂轮磨削加工表面粗糙度的形成

磨削加工表面的塑性变形要比切削加工表面的大得多。其原因是：①砂轮上的大多数磨粒都具有很大的负前角，且磨粒刃口极不尖锐(常有十几个微米)，而磨粒的切削厚度仅0.2左右或更小，所以，磨粒切削作用不大，主要是刻划和滑擦作用，这会使金属材料沿着磨粒侧面流动，形成沟槽的隆起现象，因而增大了表面粗糙度值；②磨削速度远比刀具切削速度高得多，其磨粒的刻划与滑擦将产生很高的磨削温度，一般超过了材料的相变温度，使表面金属软化甚至微熔，这样更易于塑性变形，进一步增大了表面粗糙度值。2）物理因素1）砂轮的粒度；2）砂轮的修整；3）砂轮的速度；4）磨削深度与工件速度；5）工件材料性质。（4）影响磨削加工表面粗糙度的主要因素

在机械加工过程中，工件表层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶粒严重扭曲，并产生晶粒的拉长、破碎和纤维化，这时工件表面的强度和硬度提高，塑性降低，这种现象称作加工硬化，又称冷作硬化。

影响表面层加工硬化的因素包括以下几个方面考虑：①切削力切削力越大，塑性变形越大，则硬化程度和硬化层深度就越大。例如，当进给量、背吃刀量增大或刀具前角减小时，都会增大切削力，使加工硬化严重。②切削温度切削温度增高时，使得加工硬化程度减小。如切削速度很高或刀具钝化后切削，都会使切削温度不断上升，部分地消除加工硬化，使得硬化程度减小。③工件材料被加工工件的硬度越低，塑性越大，切削后的冷硬现象越严重。2、影响零件表面层物理力学性能的因素（1）表面层的加工硬化

金属切削所消耗的能量大部分转化为切削热，导致加工表面温度升高。当工件表面温度超过金相组织变化的临界点时，就会产生金相组织的变化。一般的切削加工，单位切削截面所消耗的功率不是太大，所以产生金相组织变化的现象很少。磨削加工，由于单位面积上产生的切削热比一般切削方法大几十倍，易使工件表面层的金相组织发生变化，引起表面层的硬度和强度下降，产生残余应力甚至引起显微裂纹，这种现象称为磨削烧伤。根据磨削烧伤时的温度不同，有以下几种类型：①回火烧伤②淬火烧伤③退火烧伤（2）表面层的金相组织变化与磨削烧伤1）表面层金相组织变化与磨削烧伤的原因①磨削用量当磨削深度增大时，工件表面及表面下不同深度的温度都将提高，容易造成烧伤；增大砂轮速度会加重磨削烧伤的程度。当工件纵向进给量增大时，磨削区温度增高，但热源作用时间减少，因而可减轻烧伤。提高工件速度会导致其表面粗糙度值变大，为弥补此不足，可提高砂轮速度。实践证明，同时提高工件速度和砂轮速度可减轻工件表面烧伤。②砂轮材料对于硬度太高的砂轮，钝化砂粒不易脱落，砂轮容易被切屑堵塞。砂轮结合剂最好采用具有一定弹性的材料，保证磨粒受到过大切削力时会自动退让，如树脂、橡胶等。一般粗粒度不容易引起磨削烧伤。③冷却方式采用切削液带走磨削区热量可避免烧伤。然而，现有的冷却方式效果不理想。这是因为由于旋转的砂轮表面上产生强大的气流层，以致没有多少切削液能进入磨削区，因此，必须改进冷却方式以提高冷却效果。2）影响磨削烧伤的因素1）冷塑变形引起的残余应力在机械加工过程中，因切削力的作用使工件表面受到强烈的塑性变形，尤其是切削刀具对已加工表面的挤压和摩擦，使表面产生伸长型塑性变形，表面积趋向增大，但受到里层的限制。产生了残余压应力，与里层产生的残余拉伸应力相平衡。

2）热塑变形引起的残余应力切削加工过程中，表面受到切削热的作用使表层局部温度高于里层，因此表层金属产生的热膨胀变形也大于里层。当切削过程结束时，表层温度下降较快，故收缩变形大于里层，由于受到里层金属的限制，工件表面将产生残余拉应力。其切削温度愈高，则残余拉应力愈大，甚至会出现裂纹。（3）表面残余应力3）金相组织变化引起的残余应力切削时产生的高温会引起表面层金相组织的变化。由于不同的金相组织有不同的密度，如马氏体密度=7.75g/cm3，奥氏体密度=7.96g/cm3，珠光体密度=7.78g/cm3，铁素体密度=7.88g/cm3，表面层金相组织变化的结果造成了体积的变化，表面层体积膨胀时，因为受到基体的限制，产生了压应力；反之，则产生拉应力。

综上所述，冷塑变形、热塑变形及金相组织变化均会使得工件表面产生残余应力。实际上，已加工表面残余应力是这三者综合作用的结果。切削加工时起主要作用的常常是冷态塑性变形，所以工件表面常产生残余压应力。磨削加工时，热态塑性变形或金相组织变化通常是产生残余应力的主要因素，所以表面层常产生残余拉应力。

1）减小残留面积高度减小残留面积高度的方法，首先是改变刀具的几何参数：增大刀尖圆弧半径rε，减小副偏角。采用带有Kr′=0的修光刃的刀具或宽刃精刨刀、精车刀也是生产中减小加工表面粗糙度所常用的方法。在采用这些措施时，必须注意避免振动。

2）合理选择切削速度切削塑性大的材料时，适当地提高切削速度，以防止积屑瘤和鳞刺的产生，从而减小表面粗糙度。（三）提高机械加工表面质量的方法（1）减小表面粗糙度的工艺措施3）改善材料的切削性能通过适当的热处理，如进行正火、调质等热处理，以提高材料的硬度、降低塑性和韧性，防止鳞刺的产生。

4）正确选择切削液正确选择切削液不但能提高刀具的使用寿命，而且由于切削液的冷却作用使切削温度降低，切削液的润滑作用使刀具和被加工表面间的摩擦状况得到改善，因而对降低加工表面粗糙度值有明显的作用。

5）磨削时采取的措施磨削时可从正确选择砂轮、磨削用量和磨削液等方面采取措施来减小表面粗糙度。1）减少表面层冷作硬化为减少表面层冷作硬化，应合理选择刀具的几何形状，采用较大的前角和后角，并在刃磨时尽量减小其切削刃口半径，使用时，尽量减小刀具后面的磨损限度，合理选择切削用量。采用较高的切削速度和较小的进给量。加工中采用有效的冷却润滑液。

2）防止磨削烧伤为防止磨削烧伤应注意控制磨削用量，提高工件线速度与砂轮圆周速度的比值，适当加大横向进给量，并选取较小的磨削深度。

3）控制加工表面的残余应力为控制加工表面的残余应力，一般需另加一道专门的工序，如采用人工时效方法来消除表面残余应力。（2）改善表面物理、力学性能的工艺措施

提高表面质量的加工方法可分为两大类，一类着重于减小加工表面的粗糙度，另一类着重改善表面层的物理一力学性能。

1）采用减小表面粗糙度的加工方法主要有精密、超精密加工和光整。

2）改善表面物理、力学性能的加工方法

改善表面物理、力学性能的加工方法常用的有滚压加工、挤(胀)孔、喷丸强化、金刚石压光等冷压加工方法。通过使表面层金属发生冷态塑性变形，以提高表面硬度，在表面层产生压缩残余应力，同时也降低表面粗糙度值。冷压加工既简便又有明显效果，应用十分广泛。（3）提高表面质量的加工方法

表面粗糙度值达不