机械制造工程学课件第5章机械加工表面质量

第5章机械加工表面质量5.1表面质量的含义及其对零件使用性能的影响

5.2表面粗糙度及其影响因素

5.3控制加工表面质量的措施

5.4振动对表面质量的影响及其控制5.1.1表面质量的基本概念产品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量；所谓表面质量是指零件在加工后表面层的状态。机器零件的使用性能如耐磨性、疲劳强度、耐蚀性等等除与材料本身的性能和热处理有关外，主要决定于加工后的表面质量。5.1表面质量的含义及其对零件使用性能的影响表面质量的主要内容：1.表面层的几何形状特征表面粗糙度：即表面微观几何形状误差表面几何形状：即表面宏观不平度波度：介于宏观几何误差与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差零件的表面质量及其对使用性能的影响表面层微观几何形状误差加工后的表面几何形状，总是以“峰’，“谷”交替的形式偏离理想的表面。这是由于在机械加工过程中，刀痕、切削过程中的切屑分离时的塑性变形，工艺系统的某些振动，刀具与被加工表面的摩擦等造成的。根据偏离的误差又有宏观和微观之分，表面粗糙度是微观几何形状误差，又称之为微观不平度。表面粗糙度，波度和形状误差三者的区分，通常都按波距(峰与峰或谷与谷的距离)来划分。（1）表面粗糙度是指加工表面的微观几何形状误差（2）波度是介于加工精度（宏观）和表面粗糙度（微观）之间的周期性几何形状特性。主要由振动所引起。2.表面层物理机械性能的变化（1）表面层冷作硬化零件在机械加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形，使表层的硬度和强度都有提高，这种现象称作冷作硬化。（2）表面层金相组织变化切削加工时，特别是磨削时的高温，常会引起表层金属发生相变。通常称为磨削烧伤。（3）表面层残余应力零件加工过程中的切削冷塑性变形和切削热塑性变形的影响，使加工表层会产生残余应力。若残余应力超过了材料的极限强度，就会产生裂纹。微观裂纹将给零件带来严重的隐患。1表面质量对零件耐磨性的影响零件磨损三个阶段：初期磨损阶段正常磨损阶段剧烈磨损阶段一般来说表面粗糙度值越小耐磨性越好。但太小不易储油接触面发生分子粘接，磨损增加。表面加工硬化使表层硬度增加耐磨性提高。但硬化过度会使表层剥落，加快零件的磨损。表面金相组织的变化会导致表层硬度发生变化，影响零件的耐磨性。5.1.2表面质量对零件使用性能的影响表面冷作硬化对耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。但也不是冷作硬化程度愈高耐磨性就愈高，这是因为过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降。如果表面层的金相组织发生变化，其表层硬度相应地也随之发生变化，影响耐磨性。金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏往往发生在零件表面或表面冷硬层下面，因此零件的表面质量对疲劳强度影响较大。

(1)表面粗糙度对疲劳强度的影响

(2)残余应力、冷作硬化对疲劳强度的影响2.表面质量对疲劳强度的影响3.表面质量对耐蚀性的影响零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物

质就愈多，抗蚀性就愈差。

表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐蚀性，而残余压应力则能防止应力

腐蚀开裂。4.表面质量对配合质量的影响表面粗糙度值的大小将影响配合表面的配合质量。对于间隙配合，表面粗糙度值大会使磨损加大，间隙增大，破坏了要求的配合性质。对于过盈配合，装配过程中一部分表面凸峰被挤平，实际过盈量减小，降低了配合件间的联接强度。影响表面粗糙度的因素1）刀具几何形状的影响H=f/(cotκr+cotκr′)H=rε(1-cosα)≈f

2/8rε减小f

、κr

、κr′及加大rε

，可减小残留面积的高度5.2表面粗糙度及其影响因素5.2.1切削加工中影响表面粗糙度的因素2）工件材料的性质工件材料塑性越好，塑性变形越大，易产生积屑瘤和鳞刺，加工表面粗糙。适当增大刀具前角，提高刃磨质量，合理选择切削液，抑制积屑瘤和鳞刺。3）切削用量切削速度对表面粗糙度影响很大，切削塑性材料时切削速度处在产生积屑瘤和鳞刺范围内，加工表面粗糙。1）砂轮的粒度磨粒越细表面粗糙度值越小2）砂轮的硬度硬度适当表面粗糙度值小6）圆周进给速度和轴向进给量↑粗糙度值增大5）径向进给量和光磨次数径向进给量增加，粗糙度值增大；光磨次数增多，粗糙度值减小4）磨削速度提高磨削速度粗糙度值小3）砂轮的修整微刃性等高性好粗糙度值小7）冷却润滑液降低表面粗糙度值5.2.2磨削加工中影响表面粗糙度的因素1．表面层的加工硬化切削（含磨削）过程中，刀具前面迫使金属受到挤压而产生塑性变形，使晶体间产生剪切滑移，晶格严重扭曲，并使晶粒拉长、破碎和纤维化，引起材料强化、硬度提高，这就是冷作硬化现象5.2.3影响表面层物理、力学性能变化的因素表面层硬化后的金属性质的具体特点为：晶体形状改变（拉长、破碎）晶体方向改变（塑性变形后形成一定方向，纤维化）变形抵抗力增加（产生冷作硬化）导电性、导磁性、导热性亦有变化表面层产生残余应力决定表面层硬化程度的因素产生塑性变形的力塑性变形的速度塑性变形时的温度影响加工冷作硬化的因素切削用量（主要是切削速度、进给量。切削速度的影响：低速时，塑性变形大，冷硬大；速度增加，冷硬减少；但速度超过100m/min时，冷硬又增加。进给量增大，塑性变形增大，冷硬增加；进给量太小，刀具挤压作用增大，冷硬增加。）刀具（刀具的刃口圆角大和后刀面的磨损严重以及前刀面的粗糙度高，都将使得刀具对工件表面层金属的挤压和摩擦作用增加，因而冷硬程度和深度都增加。）工件材料的影响（工件材料硬度越低，切削时塑性变形越大，冷硬现象越严重。）2.表面层材料金相组织变化

(1)磨削烧伤当被磨工件表面层温度达到相变温度以上时，表层金属发生金相组织的变化，使表层金属强度、硬度降低，并伴随有残余应力产生，甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。

1)回火烧伤

2)淬火烧伤

3)退火烧伤

(2)改善磨削烧伤的途径磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤有两个途径：一是尽可能地减少磨削热的产生；二是改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。

1)正确选择砂轮

2)合理选择磨削用量

3)改善冷却条件2.表面层材料金相组织变化图5-17带空气挡板冷却喷嘴3.加工表面层的残余应力1）形成表面残余应力的原因

冷塑性变形的影响热塑性变形的影响金相组织变化的影响2）影响表面残余应力的主要因素

切削力、切削温度和切削条件。

1)切削时在加工表面金属层内有塑性变形发生，使表层金属的比体积加大，由于塑性变形只在表层金属中产生，而表层金属比体积增大，体积膨胀，不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻止，因此就在表面金属层产生了残余压应力，而在里层金属中产生残余拉应力。(1)产生残余应力的原因2)切削加工中，切削区会有大量的切削热产生图5-49由于切削热在表层金属产生残余拉应力的分析图(1)产生残余应力的原因

3)不同的金相组织具有不同的密度(ρ马氏体=7.75t/m3，ρ奥氏体=7.96t/m3，ρ铁素体=7.88t/m3，ρ珠光体=7.78t/m3)，亦即具有不同的比体积。(1)产生残余应力的原因(2)零件主要工作表面最终工序加工方法的选择选择零件主要工作表面最终工序加工方法，须考虑该零件主要工作表面的具体工作条件和可能的破坏形式。在交变载荷作用下，机器零件表面上的局部微观裂纹，会因拉应力的作用使原生裂纹扩大，最后导致零件断裂。从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑，该表面最终工序应选择能在该表面产生残余压应力的加工方法。提高加工表面质量的加工方法有两大类：寻求各工艺参数的最佳组合，以降低表面粗糙度着重改善表面的物理力学性能，提高工件的表面质量5.3控制加工表面质量的措施1．降低表面粗糙度的加工方法超精密切削和低粗糙度磨削采用超精加工、珩磨、研磨、抛光等方法作为终工序加工2．改善表面物理力学性能的加工方法滚压加工利用淬过火的滚压工具对工件表面施加压力，使其产生塑性变形，金属表面晶格产生畸变，硬度增加，并使表面冷和产生残余（压）应力，从而提高零件的承载能力和疲劳强度喷丸强化利用大量的珠丸（φ0.4~φ2的铸铁、砂石或钢丸）高速打击已加工表面，使表面产生冷硬层和残余（压）应力，从而提高零件的疲劳强度图5-31滚压加工原理图5.4振动对表面质量的影响及其控制机械加工过程中振动的危害

影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度影响生产效率加速刀具磨损，易引起崩刃影响机床、夹具的使用寿命产生噪声污染，危害操作者健康

工艺系统受到初始干扰力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称为自由振动。

由于系统中总存在由阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。机械加工过程中振动的类型自由振动自由振动强迫振动自激振动强迫振动产生原因

由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起强迫振动振源：机外＋机内。机外振源均通过地基把振动传给机床。机内：

1）回转零部件质量的不平衡

2）机床传动件的制造误差和缺陷

3）切削过程中的冲击

频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数

幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振

相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个φ角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。强迫振动的特征自激振动的概念

在没有周期性外力作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动自激振动过程可用传递函数概念说明（图5-36）

自激振动是一种不衰减振动自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率自激振动能否产生及振幅的大小取决于振动系统在每一个周期内获得和消耗的能量对比情况（图5-37）。图5-37自激振动系统能量关系ABC能量EQE－E＋0振幅电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)图5-36自激振动闭环系统机床振动系统（弹性环节）调节系统（切削过程）自激振动的特征◆再生机理：切削过程由于偶然干扰，使加工系统产生振动并在加工表面上留下振纹。第二次走刀时,刀具将在有振纹的表面上切削，使切削厚度发生变化，导致切削力周期性地变化，产生自激振动自激振动机理图6-24-0再生自激振动原理图f切入切出y0ya）b）φy0y切入切出fc）φfy0y切入切出d）切入切出fy0yφ◆产生条件（图6-24-0）：a）b）c）系统无能量获得；d）y滞后于y0，即0＞φ＞-π

，此时切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出时切削力所作正功（获得能量）大于切入时所作负功，系统有能量获得，产生自激振动◆振型耦合机理：将车床刀架简化为两自由度振动系统，等效质量m用相互垂直的等效刚度分别为k1与k2两组弹簧支撑（设x1为低刚度主轴，图6-24-1）图6-24-1车床刀架振型耦合模型Fmabcdx1x1x2x2βk2k1α1α2X◆自激振动的产生：①k1=k2，x1与x2无相位差,轨迹为直线，无能量输入②k1＞k2，x1超前x2

，轨迹d→c→b→a为一椭圆，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的大，系统无能量输入③k1＜k2，x1滞后于x2

，轨迹为一顺时针方向椭圆，即：a→b→c→d。此时，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的小，有能量获得，振动能够维持。机械加工中振动的防治

减小机内干扰力的幅值调整振源的频率，一般要求：◆调整振动系统小刚度主轴的位置（图6-25-0）消除或减弱产生强迫振动的条件式中f和fn分别为振源频率和系统固有频率

隔振βx2x2x1x1x1x1x2x2图6-25-0两种尾座结构消除或减弱产生自激振动的条件机械加工中振动的防治◆减小切削或磨削时的重叠系数