机械制造工艺学课件：机械加工表面质量 -

机械加工表面质量§6-1概述一、本讲的内容

1.表面质量的评价指标；

2.表面质量对零件使用性能的影响；

3.影响加工表面质量的因素；

4.提高加工表面质量的方法；

5.切削加工过程中的机械振动与控制。二、学习的目的

1.了解表面质量形成机理，为提高表面加工质量应采取的工艺措施；

2.解决处理现场生产这中产品质量问题的分析方法；

3.掌握加工表面质量的评价。三、加工表面质量表面粗糙度波纹度纹理方向表面缺陷（划痕、裂纹、砂眼等）表面质量表面几何形状精度(表面几何形貌)表面缺陷层(力学物理性能和化学性能)表层加工冷作硬化表层金相组织变化表层残余应力

1.定义：加工表面的几何形貌和表面层金属的力学物理性能和化学性能。◆

2.零件加工表面微观几何形状◆

3.零件宏观几何形状误差、波纹度、表面粗糙度宏观几何形状误差（平面度、圆度等）：波长/波高＞1000；波纹度：波长/波高=50～1000；有周期性；表面粗糙度：波长/波高＜50

；可从下列三项中选取:

轮廓算术平均偏差：Ra；

微观不平度十点高度：Rz

轮廓最大高度：Ry

a）波纹度b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ四、表面质量对零件使用性能的影响

1.对耐磨性影响Ra（μm）初始磨损量重载荷轻载荷表面粗糙度与初始磨损量1）表面粗糙度值小，耐疲劳性好；2）适当硬化可提高耐疲劳性。1）表面粗糙度值小，耐蚀性好；2）表面压应力：有利于提高耐蚀性。表面粗糙度值大，配合质量差。1）表面粗糙度值大，耐磨性差，有一定限度（图）；2.对耐疲劳性影响3.对耐蚀性影响4.对配合质量影响2）纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好；3）适当硬化可提高耐磨性。零件表面质量粗糙度太大、太小都不耐磨。适度冷硬能提高耐磨性。对疲劳强度的影响对耐磨性影响对耐腐蚀性能的影响对工作精度的影响粗糙度越大，疲劳强度越差。适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度。粗糙度越大、工作精度降低。残余应力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蚀性越差。压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性。总结：注：

1）表面粗糙度对零件的密封和摩擦性能的影响很大。降低粗糙度值是保证良好密封、防止泄漏、降摩减摩、提高效率和节能降耗的有效途径；

2）表面粗糙度对机械产品的精度、寿命等起重要作用。零件设计时，确定表面粗糙度要求时，应考虑使用、工艺方法的可行性和经济性；3）图纸上一般不规定表面层物理机械性能，当得到的表面粗糙度要求，表面层物理机械性能也合格。重要机械零件（如在高速、重载荷下工作，要求零件有较高的疲劳强度和耐磨性的零件）才作规定；4）零件精度等级与表面粗糙度值等级两者应协调一致。

一、切削加工表面粗糙度影响因素

车削时残留面积的高度1）直线刃车刀（图a）2）圆弧刃车刀（图b）3）影响因素：1.切削残留面积§6-2

影响表面粗糙度工艺因素及改善措施

加工过程中存在塑性变形等。物理因素影响一般比较复杂，与加工表面形成过程有关，如积屑瘤、鳞刺和振动等。2.物理因素1）工件材料的影响（1）塑性材料：塑性、韧性愈好，塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。中碳钢和低碳钢的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，粗或精加工前正火或调质处理。（2）脆性材料：切屑的崩碎性，加工表面粗糙。2）切削速度的影响

加工塑性材料，切削速度对表面粗糙度的影响（对积屑瘤的影响）见如下图所示。切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小。

低速宽刀和高速精切，表面粗糙度值小。3.工艺因素与改进措施

切削速度影响最大：v=10～50m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差。切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（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）0200400600hKsRz3）进给量的影响

减少进给量可减小切削残留面积高度，切削塑性变形减小，有利于表面粗糙度值下降。进给量太小，刀刃在切削过程形成挤压效应不利，增加工件塑性变形，表面粗糙度值变大。3）切削深度的影响

切削深度对表面粗糙度的影响不明显。4）工艺系统振动

工艺系统低频振动，产生表面波度，工艺系统高频振动将会对粗糙度产生影响。确保工艺系统有足够的刚度和采用积极的消振和减振措施，如适当增加阻尼、接触刚度等。5）刀具的影响（1）刀具的几何形状及刃磨质量①减小刀具的主偏角、副偏角，增大刀尖圆弧半径均能有效地降低表面粗糙度值；②适当增大刀具前角，刀具轻松切入，减少切屑塑性变形，可降低粗糙度值。前角不能太大，否则刀刃有嵌入倾向，会增大表面粗糙度值；③前角一定，增大后角，钝圆半径减小，刀刃磨钝后，后刀面与已加工表面产生摩擦和挤压，有利于减小的粗糙度值。刀具后角不能太大，否则刀刃强度下降，易产生切削振动，对表面粗糙度不利。（4）刀具的材料

化学成分不同，刀具与被加工材料分子亲合程度、摩擦系数等均不同。相同切削条件下，用硬质合金加工的表面粗糙度要比用高速钢好，金刚石刀具加工比用硬质合金好，金刚石刀具主要用于有色金属及合金件的镜面加工，其原因在于：

①金刚石硬度和强度高，能在高温下保持其性能，长时间的切削，其刀尖圆弧半径和刃口半径均能保持不变，刃口锋利；

②金刚石系共晶结合，与其它金属材料亲合力很小，切屑不会焊接或粘结在刀尖上(即不产生积屑瘤)；

③金刚石刀具前后刀面摩擦系数非常小，切削力及表面金属塑性变形程度小，可降低加工表面粗糙度值。

6）其他因素：合理使用冷却润滑液等影响切削加工表面粗糙度的因素刀具几何形状刀具材料、刃磨质量切削用量工件材料残留面积↓→Ra↓前角↑→Ra↓后角↑→摩擦↓→Ra↓刃倾角会影响实际工作前角v↑→Ra↓f↑→Ra↑ap对Ra影响不大，太小会打滑，划伤已加工表面材料塑性↑→Ra↑同样材料晶粒组织大↑→Ra↑，常用正火、调质处理刀具材料强度↑→Ra↓刃磨质量↑→Ra↓冷却、润滑↑→Ra↓总结：

1）砂轮速度v越高，Ra好；

2）工件速度vw越高，Ra差；

3）砂轮纵向进给f越大，Ra

差；

4）磨削深度ap越大，Ra

差。图磨削用量对表面粗糙度的影响vw

=40(m/min)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)v=50(m/s)f=2.36(m/min)ap

=0.01(mm)v(m/s),vw(m/min)Ra(μm)0304050600.51.0a,b）ap(mm)00.010.40.8Ra(μm)00.20.60.020.030.04c）二、磨削加工表面粗糙度影响因素

1.磨削用量影响光磨次数-Ra关系Ra(μm)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)2)光磨次数越多，Ra越好。

1）砂轮粒度大，Ra小；应适当；

2）砂轮硬度适中，Ra小；常取中软；

3）砂轮组织适中，Ra小

；常取中等组织；

4）采用超硬砂轮材料，Ra

小；

5）砂轮精细修整，Ra小；2.砂轮影响3.其他影响因素

1）工件材料；

2）冷却润滑液等。四、表面粗糙度的测量1.表面粗糙度的测量表面粗糙度的测量比较法触针法光切法干涉法◆1）比较法：将被测表面与表面粗糙度样板进行对比，以确定被测表面的表面粗糙度等级。（2）方法简便，适应在生产现场使用。

（3）准确度取决于检测人员的经验。（4）仅用于粗糙度值较大的工件表面。

（1）方法要求样板的材料与加工纹理与被测表面尽可能一致。◆2）触针法：将触针在被测表面移动时所作的上下运动经机→电转换→放大后输出表面轮廓参数值或表面轮廓图形。

（1）接触式测量

（2）测量精度的影响因素：

触针针尖圆角半径；触针的作用力；传感信号随触针移动的非线性等因素的影响。

3）适用检测Ra=0.02~5μm。

◆3）光切法：利用光切原理测量表面粗糙度的方法。

（1）Rz值是在测量长度范围内，n(n取5)个取样长度的平均值。

（2）检测精度Rz=0.5~60μm

。Zp2lrZv6Zv5Zp6Zp5Zp4Zp3Zv4Zv3Zp1Rz中线Zv1Zv2◆4）干涉法：应用光波干涉原理测量粗糙度。（1）Rz值是在测量长度范围内，n（n取5）个取样长度的平均值;（2）检测精度Rz=0.05~0.8μm.

扫描隧道显微测量（STM）（1）扫描隧道显微镜1981年由在IBM瑞士苏黎世实验室工作的G.Binning和H.Rohrer发明，可用于观察物体级的表面形貌。被列为20世纪80年度世界十大科技成果之一，1986年因此获诺贝尔物理学奖。

（2）STM工作原理基于量子力学的隧道效应。当两电极之间距离缩小到1nm时，由于粒子波动性，电流会在外加电场作用下，穿过绝缘势垒，从一个电极流向另一个电极。当一个电极为非常尖锐的探针时，由于尖端放电使隧道电流加大。G.BinningH.Rohrer2.表面微观形貌的测量STM图bSTM工作过程演示图aSTM实物照片

通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样

石墨三维图像

AFM实物照片扫描探针磁盘图像影响表面层物理力学性能的主要因素表面物理力学性能影响金相组织变化因素影响显微硬度因素影响残余应力因素塑变引起的冷硬金相组织变化引起的硬度变化冷塑性变形热塑性变形金相组织变化切削热§6-3影响表面物理力学性能的工艺因素及其控制一、表面层的冷作硬化

1.

产生原因

机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲、剪切滑移、晶粒拉长、纤维化甚至碎化，使表面层的强度和硬度增加。2.评定指标

1）表面层的显微硬度HV；

2）硬化层深度h；

3）硬化程度NN=(HV-HV0)/HV0×100％式中：HV0—工件原表面层的显微硬度。二、

影响表面冷作硬化的因素1.切削加工

进给量增大，冷硬程度明显；◆1）切削用量影响◆2）刀具影响

刀尖半径越大，冷硬程度越明显；其他几何参数影响不明显；后刀面磨损影响显著。00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v

=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)后刀面磨损对冷硬影响◆3）工件材料

材料塑性越大，冷硬倾向越明显。切削速度影响复杂（力与热综合作用结果）；

切削深度影响不大。

f和v对冷硬的影响硬度(HV)0f(mm/r)0.20.40.60.8v=170(m/min)135(m/min)100(m/min)50(m/min)100200300400工件材料：45磨削速度越高，冷硬程度不明显（弱化作用加强）；工件转速越高，冷硬程度越明显；纵向进给量影响复杂。磨削深度越大，冷硬程度越明显；◆1）磨削用量◆2）砂轮

砂轮粒度越大，冷硬程度不明显；砂轮硬度、组织影响不显著。◆3）工件材料

材料塑性越高，冷硬倾向越明显；材料导热性越好，冷硬倾向不明显。磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削2.磨削加工三、表面金属的金相组织变化

1）合理选择砂轮；

2）合理选择磨削用量；

3）改善冷却条件。

工件表层温度达到或超过材料相变温度，表层金相组织、显微硬度发生变化，伴随残余应力产生，出现彩色氧化膜。1.磨削烧伤

磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现。带空气挡板冷却喷嘴3.磨削烧伤与磨削裂纹的控制2.磨削裂纹四、影响层金属残余应力的因素

1）切削速度越高，残余应力越大（热应力起主导作用）。◆1.切削用量◆2.刀具1）前角越小，残余拉应力越大；2）刀具磨损严重，残余应力大。

◆3.工件材料1）材料塑性越高，残余应力越大；2）铸铁等脆性材料易产生残余压应力。

f对残余应力的影响工件：45，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液残余应力(Gpa)0.2000.200100200300400距离表面深度(μm)f

=0.40mm/rf

=0.25mm/rf

=0.12mm/r2）进给量越大，残余应力越大。3）切削深度影响不显著。

vc对残余应力的影响γ0=5°,α0==5°,κr=75°,rε=0.8mm,工件：45切削条件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200距离表面深度(μm)残余应力(Gpa)-0.2000.20vc

=213m/minvc

=86m/minvc

=7.7m/min五、表面强化工艺

方法：用淬硬和精细研磨的滚轮或滚珠，在常温下挤压金属表面，压下凸起部分，修正下凹、微观几何形状，形成压应力，提高耐疲劳强度。

1）方法：用大量快速运动珠丸打击工件表面,工件表面产生冷硬层和压应力，疲劳强度好。1.喷丸强化

滚压加工原理图

2）应用：强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，如板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等。2.滚压加工

珠丸挤压引起残余应力

压缩拉伸塑性变形区域§6-3机械加工过程中的振动

1.机械加工过程中振动的危害

1）影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度；

2）影响生产效率；

3）加速刀具磨损，易引起崩刃；

4）影响机床、夹具的使用寿命；

5）产生噪声污染，危害操作者健康。

1）定义：工艺系统受初始干扰力影响破坏了其平衡状态，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动。

2）特点：系统总存在阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。2.机械加工过程中振动的类型3.自由振动自由振动强迫振动自激振动一、概述3.强迫振动产生原因

1）定义：由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起。

2）强迫振动振源：机外与机内。机外通过地基将振动传给机床。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。

1）频率特征：与干扰力频率相同，或是干扰力频率整倍数。

2）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。

3）相角特征：强迫振动位移变化在相位上滞后干扰力φ角，其值与系统动态特性及干扰力频率有关。4.强迫振动的特征二、机械加工过程中自激振动1.自激振动的概念

1）在没有周期外力作用下，系统内部激发反馈产生的周期性振动；

2）自激振动过程可用传递函数概念说明。

1）不衰减振动；

2）频率等于或接近于系统的固有频率；

3）自激振动产生及振幅大小取决于系统在每一周期内获得和消耗的能量对比情况。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)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）2.自激振动的特征◆1）再生机理：偶然干扰，使系统产生振动并在加工表面留下振纹。第二次走刀，刀具将在有振纹的表面切削，切削厚度发生变化，导致切削力周期性变化。3.自激振动机理

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◆2）产生条件（图例）：系统无获得能量；y滞后于y0，即0＞φ＞-π

，切出比切入半周期的平均切削厚度大，切出切削力作正功（获得能量）大于切入作负功，系统获得能量。◆3）振型耦合机理：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、k2两组弹簧支撑（设x1为低刚度主轴）。

车床刀架振型耦合模型Fmabcdx1x1x2x2βk2k1α1α2X◆4）自激振动的产生：（1）k1=k2，x1与x2无相位差,轨迹为直线，无能量输入（2