第4讲 已加工表面质量

第九章已加工表面质量翟鹏山东大学威海分校2008.04.202/3/20231第一节

已加工表面质量的概念一、已加工表面质量含义：1、表面几何学方面：指零件最外层表面的几何形状，通常以表面粗糙度表示2、表面层材质的变化，如：塑性变形、硬度变化、微观裂纹、残余应力、晶粒变化、热损伤区、化学性能、电磁特性的变化等。二、加工表面质量对零件性能的影响：1、表面粗糙度差的零件，零件接触面积小，耐磨性差，容易磨损；2、零件受周期作用的载荷时，容易产生应力集中。3、加工硬化现象，加工表面硬度不均，并有裂纹，疲劳强度低4、残余应力，降低零件耐疲劳、耐磨损、耐腐蚀性能。2/3/20232翟鹏第一节

已加工表面质量的概念已加工表面质量的标志工件经过切削加工后，已加工表面质量的主要标志是：表面的粗糙度、表面层冷作硬化程度、表面层残余应力的性质及其大小。已加工表面质量对工件成为机器零件后的使用性能有很大的影响。

2/3/20233翟鹏第二节

已加工表面的形成过程主要研究第三变形区的情况2/3/20234翟鹏

已加工表面的形成过程2/3/20235翟鹏左图为剪切区应力分布图，从图中可以看出：正应力在O点处最大，两侧急剧减小；剪应力在O点处为零，在O点两侧逐渐增加。说明切屑层在O点分离2/3/20236翟鹏从三个变形区观点，看已加工表面质量形成过程2/3/20237翟鹏从三个变形区观点，看已加工表面质量形成过程2/3/20238翟鹏第三节

已加工表面粗糙度一、表面粗糙度产生的原因（1）几何因素，主要决定于残留面积高度；（2）切削过程不稳定，其中包括：积屑瘤、鳞刺、切削变形、刀具的边界磨损、刀刃与工件相互位置的变动（振动等）等。下面就每个原因进行分析：2/3/20239翟鹏1、残留面积高度（理论粗糙度）切削刃相对于工件运动，能够形成已加工表面。如果把切削刃看作几何学的线，由相对于工件运动时，应该形成的已加工表面的粗糙度，称为理论粗糙度。它的数值决定于残留面积的高度。实际上，只有切削脆性材料或高速切削塑性材料时，已加工表面的粗糙度才比较接近理论组糙度，因为除此之外，还有许多其他因素，诸如鳞刺、积屑瘤、振动、切削刃不平整、工件材料组织的缺陷等等的影响，使已加工表面难以接近理论粗糙度。

2/3/202310翟鹏

残留面积的高度abcdeRmaxRmax2f2fκrκ′r2/3/202311翟鹏残留面积高度2/3/202312翟鹏残留面积高度2/3/202313翟鹏2、积屑瘤积屑瘤对粗糙度影响的3个方面，如上分析2/3/202314翟鹏3、鳞刺（1）鳞刺，就是已加工表面上出现的鳞片状毛刺。（2）加工塑性材料时，易出现。高速钢、硬质合金、陶瓷刀具加工碳钢、中碳钢、铬钢、不锈钢、铝合金、铜合金等塑性材料时，易出现。2/3/202315翟鹏鳞刺及其对已加工表面粗糙度的影响

鳞刺就是已加工表面上的鳞片状毛刺。生产实践及科学实验表明，在较低的及中等的切削速度下，用高速钢、硬质合金或陶瓷刀具，切削一些常用的塑性金属，如低碳钢、中碳钢、铬钢(40Cr、20Cr)、不锈钢、铝合金、紫铜等，在车、刨、插、钻、拉、滚齿、螺纹车削、板牙铰螺纹等工序中，都可能出现鳞刺。鳞刺的产生是切削加工中获得较小粗糙度的表面的一大障碍。

2/3/202316翟鹏3、鳞刺—形貌2/3/202317翟鹏3、鳞刺—形貌2/3/202318翟鹏3、鳞刺（3）关于鳞刺产生的两种观点：1）积屑瘤说持这种观点的人认为：积屑瘤底部稳定，顶部不稳定；不稳定的顶部的生长与分裂，是导致鳞刺产生的主要原因。积屑瘤对已加工表面粗糙度的影响

积屑瘤自身能增大已加工表面粗糙度之外，它还在已加工表面上导致鳞刺的形成，进一步增大粗糙度。2/3/202319翟鹏3、鳞刺2）层积金属说持此种观点的人认为：形成鳞刺的过程经过了4个阶段：抹拭、导裂、层积、切顶。2/3/202320翟鹏4、切削过程的变形切削变形影响表面粗糙度的过程：1）切削单元带有周期性的断裂，这种断裂深入到切削表面以下，从而在加工表面上留下挤压的痕迹，而成为波浪形。2）由于切削刃两端没有来自侧面的约束力，加工过程中工件材料被挤压，产生隆起，降低了被加工表面的粗糙度。说明见下图2/3/202321翟鹏4、切削过程的变形2/3/202322翟鹏5、刀具的边界摩擦对粗糙度地影响刀具磨损后，有时会在副后面上产生沟槽形的边界磨损，从而在已加工表面上形成锯齿状的凸出，影响被加工表面的粗糙度。2/3/202323翟鹏6刀刃与工件相对位置变动原因：1）主轴回转精度不高；2）滑动导轨面的形状误差；3）材料的不均匀；4）切削过程不连续等。自激振动，使振幅发生变化，影响被加工表面的粗糙度。2/3/202324翟鹏二、影响表面粗糙度的因素1、刀具方面1)采用较大的刀尖圆弧半径rε；采用较小的副偏角kγ’，尤其使用kγ’=0的修光刃。2）前角：一般情况下，前角对表面粗糙度影响不大；但在加工塑性材料时，采用较大的前角可减小积屑瘤和鳞刺，从而提高被加工零件的表面粗糙度。3）刀面及切削刃的表面粗糙度：提高刀具表面的粗糙度，减小摩擦，可抑制积屑瘤、鳞刺的产生。4）刀具材料：与工件材料的亲和力不同，产生积屑瘤及粘结磨损的程度不同，产生的表面粗糙度不同。5）刀具的磨损情况不同，对粗糙度也有影响。2/3/202325翟鹏二、影响表面粗糙度的因素2、工件方面地影响1）材料塑性越大，加工粗糙度越大；2）材料金相组织的影响：对于中碳钢、中碳合金钢，在高速切削时，粒状珠光体组织粗糙度高；低速切削时，片状珠光体+细晶粒的铁素体，有利于提高粗糙度；易切钢中含硫、铅等元素；被加工材料的韧性越大，粗糙度越低。2/3/202326翟鹏二、影响表面粗糙度的因素3、切削条件方面1）切削速度的影响（结合图9-14讲解）中低切削速度下，切削塑性材料易产生积屑瘤及鳞刺；提高切削速度，可使积屑瘤及鳞刺减小或消失，并可减小材料的塑性变形；切削脆性材料时，由于不产生积屑瘤，切削速度对表面粗糙度没明显的影响。2）进给量的影响：减小进给量，有利于提高粗糙度。3）切削液的影响：采用高效切削液，有利于提高粗糙度。2/3/202327翟鹏第四节加工硬化一、加工硬化产生的原因：1、金属塑性变形的影响1）切削加工过程中，金属的塑性变形区范围扩展到切削表面以下，使已加工表面的一部分金属也产生了塑性变形；2）刀具钝圆半径，使一部分金属从刀刃钝圆部分以下挤压过去，产生更大的附加塑性变形；随后由于弹性恢复，使刀具后刀面与已加工表面摩擦，再次发生剪切变形。结果：经过以上几次变形，使金属晶格发生扭曲，晶粒拉长、破碎，阻碍了金属的进一步变形，而使金属进一步强化，硬度显著提高。2/3/202328翟鹏第四节加工硬化2、切削温度的影响切削温度低于相变温度，使金属弱化，硬度降低；更高的温度时，将发生相变。已加工表面的硬度，就是这种强化、弱化、相变综合作用的结果。表示硬化程度N的两种表示法（P151）：N=(H-H0)/H0x100%N=H0/Hx100%2/3/202329翟鹏第四节加工硬化二、影响加工硬化的原因1、刀具方面1）前角越大，硬化层深度越小。图9-15所示。2）切削刃刀钝圆半径越大，加工硬化越大，图9-16所示。3）后刀面磨损量VB越大，加工硬化深度越大，图9-17所示。2/3/202330翟鹏第四节加工硬化2、工件方面的影响：1）工件材料的塑形越大，硬化越严重；2）高锰钢材料强化指数大，加工硬化大;3）有色金属熔点低，容易弱化，所以其硬化现象比钢低。3、切削条件方面的影响1）切削速度的影响（图9-18所示）：加工硬化，先是随着速度的增加而减小；到较高速度后，又随着速度的增加而增加。原因：开始变形硬化来不及，后来变形速度高于弱化速度。2/3/202331翟鹏第四节加工硬化2）进给量的影响：进给量的增加，加工硬化现象增加（图9-19所示）

；背吃刀量对加工硬化现象影响不大（图9-20所示）。3）切削液的影响采用有效的切削液，可降低硬化层深度。2/3/202332翟鹏第五节残余应力残余应力的基本概念：残余应力是指在没有外力的作用下，在物体内部保持平衡而存留的应力。一、造成残余应力的原因（悟语：明确机理，才能寻找解决途径。残余应力是影响加工精度的重要因素，如何避免或降低）1、机械应力引起的塑性变形1）切削过程中，切削刃前方的晶体一部分随切屑流出另一部分停留在已加工表面，在分离出的水平方向晶粒受压，而在垂直方向，晶粒受拉，这样就形成了残余拉应力；2）在已加工表面形成过程中，刀具后刀面与已加工表面

产生很大的挤压与摩擦，使表层金属产生拉伸塑性变形，刀具离开后，在里层金属的作用下，表层金属产生残余拉应力。2/3/202333翟鹏第五节残余应力2、热应力引起的塑性变形切削过程产生热，切削层温度里低外高，变形不一致使表层金属产生热应力，热应力超过屈服极限使表层金属产生压缩塑性变形；切削后冷却至室温后，表层金属的收缩又受到里层金属的限制，使表层金属产生残余拉应力。问题：请同学们想一想解决问题的办法？2/3/202334翟鹏第五节残余应力3、相变引起的体积变化切削时，若表层温度大于相变温度，则表层组织可能发生相变；由于各种金相组织的体积不同，从而产生残余应力。对于碳钢而言：相对奥氏体体积小，马氏体体积大，屈氏体或索氏体体积小。奥氏体体积→马氏体体积时，表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力；奥氏体→屈氏体或索氏体时（金属表面退火），表层产生残余拉应力。切削碳钢时，一般在已加工表面层常为残余拉应力。2/3/202335翟鹏第五节残余应力二、影响残余应力的因素1、刀具方面1）当刀具前角由正值逐渐变为负值时，表层的残余拉应力逐渐减小，但残余应力深度逐渐增加。原因：前角越小，切削刃钝圆半径越大，刀具对已加工表面的挤压与摩擦作用越大，从而降低了了残余拉应力。图9-21~22（+为拉应力，-为压应力）在切削用量一定的情况下，采用较大的副前角，可得到残余应力为压应力的加工表面，提高零件表面性能。2/3/202336翟鹏第五节残余应力2）刀具后刀面磨损量VB增加时，可使已加工表面残余拉应力增大，残余应力层深度也增加。原因：刀具后刀面磨损量VB增加时，使已加工表面切削温度上升，热应力引起的残余应力逐渐增加。图9-23所示，VB的增加，拉应力增大。2/3/202337翟鹏第五节残余应力2、工件材料方面1）工件材料塑性越大，残余拉应力越大；2）切削灰铁等脆性材料时，加工表面产生残余压应力。原因：切削加工时，后到面的挤压与摩擦起主导作用，使加工表面产生拉伸变形。2/3/202338翟鹏第五节残余应力3、切削条件方面1）切削速度增加时，热应力引起的残余拉应力起主导作用。速度越高，残余拉应力越大；速度越高，残余应力深度越浅。原因：塑性变形区减小。速度越高，超过相变温度时，情况不同，如前述。2）进给量的影响：进给量的增加，加工表面残余拉应力及深度增加。原因：热应力引起的残余应力占优势3）背吃刀深度对残余应力影响不大。2/3/202339翟鹏第六节精密切削加工的表面质量精密切削加工，指表面粗糙度Ra1.25~0.63的切削加工。提高精密切削加工表面质量的措施：1、刀具方面的措施1）刀具切削刃的微观不平度必须小，不能有锯齿，崩口，卷刃等缺陷；2）刀具材料：硬度、摩擦系数、亲和性等综合考虑金刚石刀具较好；请同学们想一下原因？采用硬质合金时，应采用细颗粒的，提高被加工零件的粗糙度。2/3/202340翟鹏第六节精密切削加工的表面质量二、切削条件方面1、切削用量1）切削速度：精密加工塑性材料