第六章机械加工表面质量

第6章机械加工表面质量本章要点振动对表面质量的影响及其控制

机械加工表面质量的概念

控制加工表面质量的途径

表面粗糙度及其影响因素

机械加工后表面物理机械性能的变化1机械制造技术基础

第6章机械加工表面质量QualitiesofMachinedSurface6.1

概述IntroductiontotheQualitiesof

MachinedSurface26.1概述

尺寸精度形状精度位置精度表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度表面质量表面几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工质量图6-1-0加工质量包含的内容36.1概述

6.1机械加工表面质量的含义

机械加工表面质量：是指经过机械加工后，在零件以加工表面深度为几微米至几百微米的表面层产生的物理机械性能的变化以及表面层的微观几何形状误差，即机械加工表面质量主要包括表面层微观几何形状和表面层物理机械性能。1、表面层几何形状误差主要包括表面粗糙度和波度两部分。表面粗糙度是指表面的微观几何形状误差，是切削运动后刀刃在被加工表面形成的峰谷不平的痕迹。波度是指介于宏观几何形状误差和表面粗糙度之间的周期性几何形状误差，由加工过程中工艺系统的振动引起。46.1概述

2、表面层物理机械性能（1）表面层硬化在机械加工过程中，工件表面层金属会产生强烈的塑性变形，使表面层的硬度的提高。这种现象称为表面冷作硬化。（2）表面层残余应力在加工过程中，由于切削变形和切削热的影响，加工表面层会产生残余应力。（3）表面层金相组织变化主要包括晶粒大小和形状、析出物和再结晶等的变化。（4）表面层内其他物理机械性能的变化包括极限强度、疲劳强度、导热性等的变化。56.1概述----表面质量对零件使用性能的影响

6.1.2表面质量对使用性能的影响Ra（μm）初始磨损量重载荷轻载荷图6-1表面粗糙度与初始磨损量1、耐磨性1）表面粗糙度对初期磨损量的影响在一定条件下，摩擦副表面会有一个最佳粗糙度，表面粗糙度过大或过小都会使起始磨损量增大。66.1概述----表面质量对零件使用性能的影响

2、表面粗糙度纹路对耐磨性影响表面冷作硬化提高了表面层的硬度，有利于提高耐磨性。但过度的冷作硬化会使表面产生疲劳裂纹和剥落，反而降低耐磨性。轻载条件下，摩擦副两个表面纹路方向与相对运动方向一致时磨损量最小。重载条件下，由于压强、分子亲和力和储存润滑油等因素的变化，摩擦副两个表面的纹路方向相垂直，且运动方向与下表面纹路方向平行时最小。3、表面层物理机械性能对耐磨性影响76.1概述----表面质量对零件使用性能的影响

2、耐疲劳性在交变载荷作用下，零件的应力集中区容易产生疲劳裂纹，导致疲劳损坏。（1）表面粗糙度过大会大大降低零件的耐疲劳强度；（2）表面层残余应力对疲劳强度的影响极大。表面拉应力会导致耐疲劳强度的显著下降，产生疲劳裂纹，表面压应力可提高零件的耐疲劳强度。（3）适度的冷作硬化使表面层金属得到强化，可以减小由交变载荷引起的交变变形的幅值，阻碍疲劳裂纹的扩展，提高零件的耐疲劳强度。86.1概述----表面质量对零件使用性能的影响

3、耐腐蚀性（1）在粗糙表面的凹谷处容易积聚腐蚀性介质而发生化学腐蚀；在粗糙表面的凸峰容易产生电化学作用而引起电化学腐蚀。（2）零件在应力状态下工作时，会产生应力腐蚀，加速腐蚀作用。4、配合质量对于间隙配合表面，如果表面粗糙度过大，起始磨损就比较严重，会导致配合间隙增大，配合精度降低。对于过盈配合表面，装配时表面粗糙度较大部分的凸峰会被挤平，使实际的配合过盈减少，降低配合表面的结合强度。9机械制造技术基础

第6章机械加工表面质量6.2

影响加工表面粗糙度的工艺因素TechnologicalFactorsInfluencingRoughness106.2.1切削加工表面粗糙度影响因素

图6-5车削时残留面积的高度直线刃车刀（图6-5a）圆弧刃车刀（图6-5b）影响因素：fκrRmaxvfⅠⅡrεb）RmaxⅠⅡfa）vf切削残留面积11切削速度影响最大：vc=10～50m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差（图6-6-0）。其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等图6-6-0切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120vc（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（μm）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度

h（μm）

0200400600hKsRz6.2.1切削加工表面粗糙度影响因素

切削表面塑性变形和积屑瘤12所谓鳞刺是指已加工表面出现的鳞片状毛刺。在较低的切削速度下，用高速钢、硬质合金或陶瓷刀具切削一些塑性金属时，都有可能出现鳞刺，对表面粗糙度有严重影响。6.2.1切削加工表面粗糙度影响因素

13降低表面粗糙度的主要措施是减少加工时塑性变形，避免产生积屑瘤和鳞刺。主要影响因素有切削速度、被加工材料的性质、刀具几何形状等。（1）切削速度的影响根据实验知道，切削速度越高，切削过程中切屑和加工表面的塑性变形程度越小，表面粗糙度越小。积屑瘤和鳞刺都是在速度不高的切削速度范围内产生，采用较高的切削速度有利于防止积屑瘤和鳞刺的产生。（2）被加工材料性质的影响韧性越大的塑性材料，加工后表面粗糙度越差；脆性材料加工后表面粗糙度比较接近理想表面粗糙度。晶粒组织越粗大，加工后表面粗糙度越大。常在切削加工前对材料进行调质处理，以得到均匀细密的晶粒组织和适当的硬度。6.2.1切削加工表面粗糙度影响因素

14（3）刀具几何形状、材料、刃磨质量的影响刀具前角增大，塑性变形程度减小，表面粗糙度降低。前角为负值时，塑性变形增大，表面粗糙度增大。后角过小会增大摩擦，影响加工表面粗糙度。刀具材料与刃磨质量对积屑瘤、鳞刺等现象影响很大。6.2.1切削加工表面粗糙度影响因素

156.2.2磨削加工后的表面粗糙度（1）砂轮粒度砂轮粒度越细，即砂轮单位面积上的磨粒数越多，在工件上刻痕越密而细，表面粗糙度越低。（2）砂轮修整修整导程和切深越小，修出的砂轮越光滑，磨削刃的等高性越好，磨出的工件表面粗糙度越好。（3）砂轮速度提高砂轮速度，可以增加工件单位面积上的刻痕，降低因塑性变形而造成的隆起，显著降低表面粗糙度。（4）磨削切深与工件速度增大磨削切深和工件速度会增加塑性变形的程度，从而增大表面粗糙度。6.2.1切削加工表面粗糙度影响因素

16机械制造技术基础

第6章机械加工表面质量6.3

机械加工后表面物理机械性能的变化PhysicalandMechanicalPropertiesofMachinedSurfaceLayer17加工过程中，由于受到切削力、切削热的作用，工件表面层的物理机械性能会产生很大的变化。最主要的变化是表面层的金相组织变化、显微硬度变化和表面层中的残余应力。已加工表面显微硬度的变化是加工塑性变形引起的冷作硬化和切削热产生的金相组织变化引起的硬度变化综合作用的效果。表面层残余应力的产生是塑性变形引起的残余应力、切削热产生的热塑性变形和金相组织变化引起的残余应力综合作用的效果。186.3.1加工表面的冷作硬化已加工表面显微硬度的变化是加工塑性变形引起的冷作硬化和切削热产生的金相组织变化引起的硬度变化综合作用的效果。表面层的硬化程度主要用冷硬层深度h、表面层显微硬度H及硬化程度N表示。硬化程度的概念如下所示：19影响冷作硬化的主要因素有：（1）刀具的影响刀具刃口圆角和刀具后刀面的磨损量对于冷硬层有很大的影响。刃口圆角和后刀面磨损量增大时，冷硬层深度和硬度增大。（2）切削用量的影响切削速度增大，硬化层深度和硬度有所减小。这一方面是由于切削速度增大使温度升高，有助于冷硬的回复；另一方面是由于切削速度增大，刀具与工件接触时间缩短，塑性变形程度减小。进给量f增大时，切削力增大，塑性变形增大，因此硬化现象增大。（3）被加工材料的影响材料硬度越小，塑性越大，切削后的冷硬现象越严重。206.3.2加工表面金相组织变化——磨削烧伤磨削时，工件表面常会因磨削温度超过了相变临界温度而产生金相组织变化，表面层的显微硬度会发生变化。影响金相组织变化程度的因素有：工件材料、磨削温度、温度梯度及冷却速度等。6.3.3加工表面层的残余应力切削过程中，当表面层组织发生形状变化和组织变化时，在表面层和里层会产生相互平衡的弹性应力，称为表面残余应力。211）冷塑性变化的影响在切削力作用下，已加工表面产生强烈塑性变形，表面层金属体积发生变化，此时里层金属受到切削力的影响，处于弹性变形状态。切削力去除后，里层金属弹性变形趋向复原，但由于受到已发生塑性变形的表面层的限制，不能回复到原状，因而在表面层产生残余应力。一般来说，切削时表面层受刀具后刀面的挤压和摩擦的影响较大，使表面层产生伸长塑性变形，但因受到里层限制而产生残余压应力，里层则产生与之平衡的残余拉应力。2）热塑性变形的影响表面层在切削热作用下产生热膨胀，而此时基体温度较低，因此表面层因热膨胀受基体限制而产生热压缩应力。当表面层温升引起的变形超过材料的弹性变形极限时，会产生热塑性变形。切削过程结束后，表面层温度下降到与受到基体一致时，因为表面层已产生热塑性变形，但受到基体的限制而产生残余拉应力，里层则产生残余压应力。223）金相组织变化的影响切削时产生的高温会引起表面层金属发生相变。由于不同的金相组织有不同的密度，因而表面层金相组织有不同的密度，因而表面层金相组织的变化结果会引起体积的变化。表面层金属的体积膨胀时，因受到基体的限制而产生残余压应力。反之，表面层金属体积缩小时，则产生残余拉应力。2、磨削裂纹及避免产生裂纹的措施若残余应力超过材料的强度极限，零件表面就会产生裂纹。避免产生磨削裂纹的途径在于降低磨削热与改善散热条件。在磨削前进行去除应力工序能有效防止磨削裂纹。23残余拉应力、磨削裂纹、烧伤等均因于磨削热，如何降低磨削热并减少其影响是生产中的一个重要问题，主要措施有：1）提高冷却效果（1）采用高压大流量冷却。不仅能增强冷却效果，还可对砂轮表面进行冲洗，使其空隙不易被磨屑堵塞。（2）加装空气挡板，使冷却液能顺利喷注到磨削区。（3）采用内冷却方式。砂轮是多孔隙能渗水的，冷却液引入至砂轮中心孔后靠离心力作用甩出，使冷却液可以直接冷却磨削区，起到有效的冷却效果。246.3.2磨削烧伤与磨削裂纹

图6-16带空气挡板冷却喷嘴252）磨削用量的选择提高工件速度和减少磨削深度是有效减小残余拉应力和消除磨削烧伤、磨削裂纹等缺陷。3）改善砂轮的磨削性能一般选用砂轮应使其在磨削过程中具有自锐能力，使磨粒不致磨损出现小平面，也不致产生粘屑堵塞现象。不同的磨粒在磨削不同工件材料时，各有一定的使用范围。增大砂轮表面磨粒分布间距，可以改善散热条件，而且工件受热时间缩短使金相转变来不急进行，因此能够在很大程度上减少工件表面的热损伤。266.4控制加工表面质量的途径加工过程中影响表面质量的因素很多，为了获得所要求的加工表面质量，必须对加工方法和加工参数进行控制。6.4.1控制磨削参数生产中比较可行的方法是通过实验来确定磨削用量。分析磨削用量、磨削热、磨削力与表面质量之间的相互关系，并用图表法表示各种参数的最优组合。采用智能磨削专家系统进行磨削参数的优化组合。276.4控制加工表面质量的途径6.4.2采用超精加工、珩磨等光整加工方法作为最终加工工序超精加工和珩磨是以一定的压力将磨条压在工件加工表面，并作相对运动以降低工件表面粗糙度和提高工件加工精度的工艺方法，一般用于表面粗糙度小于0.1um的表面加工。由于切削速度低、磨削压强小，所以加工时产生的热量很少，不会产生热损伤，并在加工表面形成残余压应力。286.4控制加工表面质量的途径6.4.3采用喷丸、滚压等表面强化工艺对于承受高应力、交变载荷的零件，可以采用喷丸、滚压等表面强化工艺使表面层产生残余压应力和冷作硬化，并降低表面粗糙度，消除磨削等工序产生的残余拉应力，从而大大提高耐疲劳强度和抵抗应力腐蚀性能。但采用表面强化工艺应注意不要造成过度硬化，过度硬化会使表面层出现显微裂纹和剥落。296.4控制加工表面质量的途径利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态挤压金属表面，将凸起部分下压下，凹下部分上凸，修正工件表面的微观几何形状，形成压缩残余应力，提高耐疲劳强度（图6-19-0）利用大量快速运动珠丸打击工件表面,使工件表面产生冷硬层和压应力,↑疲劳强度（图6-18-0）喷丸强化图6-19-0滚压加工原理图滚压加工图6-18-0珠丸挤压引起残余应力

压缩拉伸塑性变形区域30机械制造技术基础

第6章机械加工表面质量6.5振动对表面质量的影响及其控制VibrationsinMachiningProcess316.5.1机械加工过程中的振动概述

机械加工过程中振动的危害影响加工表面粗糙度影响生产效率加工过程中产生振动，会限制切削用量的进一步提高，严重时使切削不能继续进行。影响刀具耐用度。加速刀具磨损，易引起崩刃影响机床、夹具的使用寿命。切削过程中产生的振动会导致机床、夹具等零件连接部分松动，间隙增大，刚度和精度降低。产生噪声污染，危害操作者健康机械加工过程中振动的类型自由振动强迫振动自激振动326.5.1机械加工过程中的振动概述

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。自由振动336.5.2机械加工过程中强迫振动1、强迫振动产生原因可从机床、刀具、工件三方面进行分析。机床某些零件的制造精度不高，使机床产生不均匀运动引起振动。机床外的振源通过地基把振动传给机床等。刀具方面：多刃、多齿刀具（铣刀）切削时，由于刃口高度的误差，容易产生振动；断续切削刀具，切削时也很容易产生振动。工件方面：表面上有断续表面或表面余量不均、硬度不均时，都会在加工过程中产生振动。强迫振动使指由外界周期性的干扰力支持的不衰减振动。由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起346.5.2机械加工过程中强迫振动

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）提高工艺系统刚度（5）增大工艺系统的阻尼（6）调整振源的频率356.5.3机械加工过程中自激振动自激振动的概念在没有周期性外力作用下，由振动过程本身引起的某种切削力的周期性变化，周期性变化的切削力又反过来加强和维持振动，使振动系