机械表面加工质量课件

第七章机械加工表面质量零件机械加工表面质量：经过机械加工后，工件表面上形成的微观几何形状误差和力学物理性能。当零件在高速、高温及大负载的条件下工作时，加工表面质量直接影响产品的性能，尤其是可靠性和寿命。对于航空产品，其加工表面质量尤其重要。第一节基本概念1．表面的几何形状特征（1）

表面粗糙度：一般用微观不平度的算术平均偏差Ra。（2）

表面波度：一般常用测量长度上五个最大的波幅的算术平均值W来表示。（3）

表面加工纹理：指表面刀痕的类型和方向。（4）伤痕：指加工表面上一些个别位置上出现的缺陷，如沙眼，气孔，裂痕，划痕等。

一、机械加工表面质量的主要内容：2.表面层物理力学性能表面层加工硬化。表面层金相组织的变化。表面残余应力。二、加工表面质量对零件使用性能的影响表面质量对耐磨性能、疲劳强度、耐腐蚀性、配合性质等都有很大的影响。1.表面质量对耐磨性的影响一般来说，表面粗糙度值越小，耐磨性越好。但并不是越小越耐磨。大的粗糙度使初期磨损严重，粗糙度过小，磨损反而加剧。加工硬化能提高耐磨性，但硬化过度，导致金属层变脆，磨损会加剧，所以零件的硬化层也要控制在一定范围之内。2.表面质量对疲劳强度的影响Ra愈小，抗疲劳性能愈好。一般冷作硬化提高抗疲劳强度，但也有的材料如钛合金在一定的温度下冷作硬化是不利的。3.表面质量对耐腐蚀性能的影响表面粗糙度的Ra值愈小，耐蚀性能就愈强。有残余拉应力和冷作硬化的零件表面，都会使零件的抗蚀性下降。4.表面质量对配合性质的影响对有配合性质的表面，要规定较小的粗糙度值。第二节表面粗糙度的形成及其影响因素一、切削加工后的表面粗糙度１、表面粗糙度的形成(1)几何因素：刀具几何形状：刀尖圆弧半径rε↑,几何角度Kr、K`r↓，能降低残留面积的高度。切削运动：进给量f↓，能降低残留面积的高度。(2)塑性变形积屑瘤：：①它能刻划出纵向的沟纹来;②它还会在破碎脱落时沾附在已加工表面上。生成、长大和脱落将严重影响工件加工后的表面粗糙度。鳞刺：鳞刺对已加工表面质量有严重的影响，它往往使表面粗糙度等级降低2～4级。(3)振动:切削过程中如果有振动，表面粗糙度就会显著变大。

２、影响表面粗糙度的工艺因素及改善措施(1)切削用量:

进给量f↓减小进给量f可以降低残留面积的高度。同时也可以降低积屑瘤和鳞刺的高度，因而减小进给量可以使表面粗糙度值减小。但进给量减小到一定值时，再减小，塑性变形要占主导地位，粗糙度值不会明显下降。当进给量更小时，由于塑性变形程度增加，粗糙度反而会有所上升。

切削速度Vc:塑性材料:加工塑性材料时，切削速度对积屑瘤和鳞刺的影响非常显著。切削速度较低易产生鳞刺，低速至中速易形成积屑瘤，粗糙度也大。避开这个速度区域，表面粗糙度值会减小。加工脆性材料时，因为一般不会形成积屑瘤和鳞刺，所以切削速度对表面粗糙度基本无影响。背吃刀量aP一般来说，切削深度对加工表面粗糙度的影响是不明显的，在实际工作中可以忽略不计。但当ap<0.02～0.03mm时，由于刀刃不是绝对尖锐而是有一定的圆弧半径，这时正常切削就不能进行，常挤压滑过加工表面而切不下切屑而将在加工表面上引起附加的塑性变形，从而使加工表面粗糙度增大。所以切削加工不能选用过小的切削深度。但过大的切削深度也会因切削力、切削热剧增而影响加工精度和表面质量。（2）刀具几何方面和刃磨的影响刀具几何参数中对表面粗糙度影响最大的是刀尖圆弧半径rε、副偏角k‘r和修光刃。刀尖圆弧半径rε对表面粗糙度有双重影响：rε增大时，残留高度减小，另一方面变形将增加。由于前一种影响较大，所以当刀尖圆弧半径rε增大时，表面粗糙度将降低。副偏角k‘r愈小，表面粗糙度愈低。但减小副偏角容易引起振动，故减小副偏角，必须视机床系统的刚度而定。采用一段长度稍大于进给量的修光刃(修光刃上k'r=0)是降低表面粗糙度的有效措施，利用增加修光刃来消除残留面积是实际加工工件中常常采用的方法。刀具的刃磨质量：刀刃前、后刀面，切削刃本身的粗糙度值直接影响被加工面的粗糙度。一般来说，刀刃前、后刀面的粗糙度应比加工面要求的粗糙度小1～2级。（3）被加工材料的影响一般来说，材料韧性越好，塑性变形倾向越大，在切削加工中，表面粗糙度就越大。被加工材料对表面粗糙度的影响与其金相组织状态有关。（4）切削液的影响切削液的冷却和润滑作用能大大减少加工的表面粗糙度二、磨削加工后的表面粗糙度磨削加工表面粗糙度的形成，与磨削过程中的几何因素、物理因素和工艺系统振动等有关。从纯几何角度考虑，可以认为在单位加工面积上，由磨粒的刻划和切削作用形成的刻痕数越多、越浅，则表面粗糙度值越小。或者说，通过单位加工面积的磨粒数越多，表面粗糙度值越小。

影响磨削加工表面粗糙度有如下因素：1.磨削用量的影响

1）提高砂轮速度Vc

砂轮速度Vc

越高，通过单位加工面积的磨粒数越多，表面粗糙度值越小。2）降低工件速度V工

工件速度V工越低，砂轮相对工件的进给量f越小，则磨后的表面粗糙度值越小。3）选择小的磨削深度ap

2.砂轮的影响1）选择适当粒度的砂轮砂轮粒度对加工表面粗糙度有影响，砂轮越细磨削表面粗糙度值越小。但砂轮太细，只能采用很小的磨削深度(ap＝0.0025mm以下)，还需时间很长的空走刀，否则砂轮易被堵塞，造成工件烧伤。为此，一般磨削所采用的砂轮粒度号都不超过80号，常用的是40～60号。2）精细修整砂轮工作表面当在磨削加工的最后几次走刀之前，对砂轮进行一次精细修整，使每个磨粒产生多个等高的微刃，从而使工件的Ra值降低。第三节加工表面力学物理性能的变化及其影响因素一、表面层的加工硬化1.加工硬化的产生定义：机械加工过程中，工件表面层受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加，塑性降低，这种现象称为加工硬化（或称为强化）。表层金属冷作硬化的结果，会增大金属变形的阻力，减小金属的塑性，金属的物理性质（如密度、导电性、导热性等）也有所变化。金属冷作硬化的结果，使金属处于高能位不稳定状态，只要一有条件，金属的冷硬结构本能地向比较稳定的结构转化。这些现象统称为弱化。机械加工过程中产生的切削热，将使金属在塑性变形中产生的冷硬现象得到恢复。由于金属在机械加工过程中同时受到力因素和热因素的作用，机械加工后表面层金属的最后性质取决于强化和弱化两个过程的综合。2.评定冷作硬化的指标有下列三项：1）表层金属的显微硬度HV；2）硬化层深度h（m）；3）硬化程度N。式中HV0--工件内部金属原来的硬度。3.影响切削加工表面层加工硬化的因素1）切削用量的影响切削用量中以进给量和切削速度的影响为最大。77图7-9给出了在切削45钢时，进给量和切削速度对冷作硬化的影响。由图可知：加大进给量时，表层金属的显微硬度将随之增加。这是因为随着进给量的增大，切削力也增大，表层金属的塑性变形加剧，冷硬程度增大。但是，这种情况只是在进给量比较大时才是正确的；如果进给量很小，比如切削厚度小于0.05～0.06mm时，若继续减小进给量。则表层金属的冷硬程度不仅不会减小，反而会增大。当切削速度增大时，刀具与工件的作用时间减少，使塑性变形的扩展深度减小，因而冷硬层深度减小；当然，切削速度增大时，切削热在工件表面层上的作用时间也缩短了，将使冷硬程度增加。但在某些加工条件下，切削速度对冷硬的影响规律却与此相反。例如，车削Q235A钢在切削速度为14m／min时，冷硬层深度达到100μm；而切削速度提高到208m／min时，冷硬层深度才只有38μm，冷硬程度也显著降低。切削速度对冷硬程度的影响是力因素和热因素综合作用的结果。背吃刀量对表层金属冷作硬化的影响不大。72）刀具几何形状的影响切削刃钝圆半径的大小对切屑形成过程的进行有决定性影响。实验证明，已加工表面的显微硬度随着切削刃钝圆半径的加大而明显地增大。这是因为切削刃钝圆半径增大，径向切削分力也将随之加大，表层金属的塑性变形程度加句剧，导致冷硬增大。前角在士20°围内变化时，对表层金属的冷硬没有显著的影响。3）加工材料性能的影响工件材料的塑性越大，冷硬倾向越大，冷硬程度也越严重。碳钢中含碳量越大，强度越高，其塑性越小，因而冷硬程序越小。有色合金金属的熔点低，容易弱化，冷作硬化现象比钢材轻得多。表7-1各种机械加工方法加工钢件的表面层冷作硬化情况（P278）二、表面层金属的金相组织变化与磨削烧伤1.金相组织的变化与磨削烧伤的产生机械加工过程中，在工件的加工区及其邻近的区域，温度会急剧升高，当温度升高到超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织变化。 磨削烧伤，是指由于磨削时的瞬时高温使工件表层局部组织发生变化，并在工件表面的某些部分出现氧化变色的现象。磨削烧伤会降低材料的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度，烧伤严重时还会出现裂纹。磨削淬火钢时，在工件表面层形成的瞬时高温将使表层金属产生以下三种金相组织变化：（l）回火烧伤：如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度（碳钢的相变温度为720°C），但已超过马氏体的转变温度（中碳钢为300°C），工件表层金属的马氏体将转化为硬底较低的回火组织（索氏体或托氏体），这称为回火烧伤。（2）淬火烧伤：如果磨削区温度超过了相变温度，再加上冷却液的急冷作用，表层金属会出现二次淬火马氏体组织，硬度比原来的回火马氏体高；在它的下层。由冷却较慢，出现了硬度比原来的回火马氏体低的回火组织（索氏体或托氏体），这称为淬火烧伤。（3）退火烧伤：如果磨削区温度超过了相变温度，而磨削过程又没有冷却液，表层金属将产生退火组织，表层金属的硬度将急剧下降，这称为退火烧伤。2.改善磨削烧伤的工艺途径

1）正确选择砂轮

磨削导热性差的材料（如耐热钢、轴承钢及不锈钢等）；容易产生烧伤现象，应特别注意合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织。硬度太高的砂轮，砂轮钝化之后不易脱落，容易产生烧伤。为避免产生烧伤，应选择较软的砂轮。选择具有一定弹性的结合剂（如橡胶结合剂，树脂结合剂），也有助于避免烧伤现象的产生。2）合理选择磨削用量

磨削深度αp对磨削温度影响极大，如图7-14所示。从减轻烧伤的角度考虑，αp不宜过大。7加大横向（轴向）进给量ft对减轻烧伤有好处。图4-15给出了横向进给量ft对磨削温度分布影响的实验结果，为了减轻烧伤，宜选用较大的ft。加大工件的回转速度νw，磨削表面的温度升高，但其增长速度与磨削深度αp。的影响相比小得多；且νw越大，热量越不容易传入工件内层，具有减小烧伤层深度的作用。但增大工件速度νs。会使表面粗糙度增大，为了弥补这一缺陷，可以相应提高砂轮速度νs。实践证明。同时提高砂轮速度νs和工件速度νw，可以避免烧伤。从减轻烧伤而同时又尽可能地保持较高的生产率考虑，在选择磨削用量时，应选用较大的工件速度νw和较小的磨削深度ap。3）改善冷却条件目前通用的冷却方法（图7-7）效果很差，实际上没有多少磨削液能够真正进入磨削区。7-7采用内冷却砂轮采用开槽砂轮在砂轮的圆周上开一些横槽，能使砂轮将冷却液带入磨削区，对防止工件烧伤十分有效。三、表面金属的残余应力在机械加工过程中，当表层金属组织发生形状变化、体积变化或金相组织变化时，将在表面层的金属与其基体间产生相互平衡的弹性应力，称为残余应力。1.表层金属产生残余应力的原因1）冷塑性变形引起残余应力

机械加工时在加工表面的金属层内有塑性变形产生，使表层金属的比容增大。由于塑性变形只在表面层中产生，而表面层金属的比容增大和体积膨胀，不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻碍，这样就在表面层内产生了压缩残余应力，而在里层金属中产生拉伸残余应力。当刀具从被加工表面上切除金属时，表层金属的纤维被拉长，刀具后刀面与已加工表面的摩擦又加大了这种拉伸作用。刀具切离之后，拉伸弹性变形将逐渐恢复，而拉伸塑性变形则不能恢复。表面层金属的拉伸塑性变形，受到与它相连的里层未发生塑性变形金属的阻碍，因此就在表层金属中产生了压缩残余应力，而在里层金属中产生拉伸残余应力。2）切削热引起热态塑性变形而产生残余应力在机械加工中，切削区会产生大量的切削热，工件表面的温度往往很高。切削过程结束之后，工件表面的温度开始下降。表层金属因膨胀受阻或冷却受阻而产生残余应力。3）金相组织变化不同的金相组织具有不同的密度（γ马氏体=7.75t／m3，γ奥氏体=7.96t／m3，γ铁素体=7.88t／m3，γ珠光体=7.78／m3），也就会具有不同的比容。如果在机械加工中，表层金属产生了金相组织的变化，表层金属的比容将随之发生变化，而表层金属的这种比容变化必然会受到与之相连的基体金属的阻碍，因此就会有残余应力产生。3.影响表层金属残余应力的工艺因素