第14章-机械加工表面质量

第14章机械加工外表质量本章要点机械加工中的振动概述加工外表几何特征的形成及影响因素加工外表物理力学性能的变化及影响因素1第14章机械加工外表质量14.1概述外表质量是零件机械加工质量的组成局部之一。零件的磨损、腐蚀和疲劳破坏都是从零件外表开始的，外表质量直接影响零件的工作性能。一、外表质量的概念加工外表质量是指加工外表的几何形状误差和外表层金属的力学物理性能。1、加工外表的几何形状误差〔分四个局部〕外表粗糙度是加工外表的微观几何误差，其波长与波高比值一般50。(2)外表波度加工外表不平度中波长与波高比值等于50~1000的几何误差。它是加工中的振动引起的。波长与波高比值大于1000时称宏观几何误差。如圆度、圆柱度误差等。23第14章机械加工外表质量一、外表质量的概念1、加工外表的几何形状误差〔分四个局部〕(3)纹理方向是指加工外表刀纹的方向，它取决于外表加工的方法。有平行纹理、交叉形纹理、同心圆纹理、迂回形纹理和放射形纹理。(4)伤痕指加工外表上的缺陷，如砂眼、气孔、裂纹等。它是加工中的振动引起的。波长与波高比值大于1000时称宏观几何误差。如圆度、圆柱度误差等。2、外表层金属的力学物理性能(1)外表层金属的冷作硬化用硬化程度和深度两个指标衡量。(2)外表层剩余应力由于塑性变形、金相组织的变化和温度造成的体积变化的影响，加工外表会产生剩余应力。(3)外表层金相组织的变化在加工过程切削热的作用下，外表层会产生温度升高引起金相组织的变化。如磨淬火钢出现回火组织。4第14章机械加工外表质量二、外表质量对零件使用性能的影响1、对零件耐磨性的影响零件的外表质量对零件的耐磨性起决定作用。零件外表的磨损过程分初期磨损、正常磨损和急剧磨损三个阶段。初期磨损阶段，粗糙度大，凸峰间的挤裂、破碎和切断作用加剧，磨损增加；粗糙度过小，紧密接触的两个光滑面的贮油能力差，接触面间产生分子亲和力，使摩擦阻力增大，磨损量也会增加。在一定条件下，有一个最正确粗糙度。2、对零件疲劳强度的影响在交变载荷的作用下，零件外表的微观不平和缺陷会引起应力集中，当应力超过材料的疲劳极限时，就会产生和扩展疲劳裂纹，造成疲劳破坏。不同材料对应力集中的敏感程度不同，材料越致密，晶粒越细，那么对应力集中越敏感，对疲劳强度的影响也就越严重。5第14章机械加工外表质量二、外表质量对零件使用性能的影响2、对零件疲劳强度的影响加工硬化能阻止已有裂纹的产生和扩展。表层的剩余应力能局部抵消工作载荷所引起的拉应力，延缓疲劳裂纹的产生和扩展，从而提高的疲劳强度。3、对耐腐蚀性的影响零件的耐腐蚀性主要取决于外表粗糙度。粗糙度大，腐蚀介质易积聚在低谷处而发生化学腐蚀，在波峰处产生电化学腐蚀。降低零件粗糙度，能提高零件的耐腐蚀性。零件在应力状态下工作时，会产生应力腐蚀。零件外表的剩余应力会降低零件的耐腐蚀性。4、对配合精度的影响对间隙配合的外表，粗糙度大会使配合间隙增大，影响配合精度及稳定性。对于过盈配合，影响实际过盈量的大小和配合的可靠性。62、外表质量对零件疲劳强度的影响外表缺陷会引起应力集中，降低疲劳强度。假设外表存在剩余压应力，疲劳强度将会提高。73、外表质量对耐腐蚀性的影响外表质量越差，存在裂纹时，耐腐蚀性降低84、外表质量对零件配合性质的影响外表比较粗糙时，轮廓峰在工作中被逐渐磨掉，零件尺寸发生变化，进而影响到配合性质。一般来说，外表粗糙度应与加工精度相适应：914.2加工外表几何牲的形成及影响因素车削时残留面积的高度直线刃车刀〔图a〕Rmax=圆弧刃车刀〔图b〕Rmax=影响因素：fκr

HvfⅠⅡrεb）

HⅠⅡfa）vf切削残留面积最大高度一、几何因素1014.2加工外表几何牲的形成及影响因素切削残留面积最大高度一、几何因素从以上两公式可知，进给量和刀尖圆弧半径对残留高度影响明显。残留面积最大高度称为理论粗糙度。选择较小的进给量和较大的刀尖圆弧半径能降低外表粗糙度。进给量一定时，减小主偏角和副偏角也能降低外表粗糙度。11切削速度影响最大：v=10～50m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，外表粗糙度最差。

其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等切削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）0200400600hKsRz切削表面塑性变形和积屑瘤二、物理因素12切削表面塑性变形和积屑瘤二、物理因素刀具的刃口圆角和后刀面的挤压与摩擦使金属材料发生塑性变形，严重恶化了外表粗糙度。加工塑性材料切削速度在20~50m/min时，由于产生积屑瘤，粗糙度最大。当切削速度超过100m/min时，粗糙度下降，并趋于稳定。采用低速宽刀精切和高速精切都可得到较小的粗糙度。加工脆性材料时，切削速度对外表粗糙度影响不大。切削脆性材料比切削塑性材料容易到达粗糙度要求。材料通过调质处理细化组织，提高硬度，可得到较小的粗糙度。此外，合理选择切削液，适应增大刀具前角，也能减小粗糙度。1314.2加工外表几何牲的形成及影响因素三、工艺因素1、切削加工刀具的几何形状、材料及刃磨质量对粗糙度的影响从几何因素看，减小刀具的主、副偏角，增大刀尖圆弧半径，能降低粗糙度。适当增大刀具前角，减小后角，使刀刃锋利，减小后刀面与加工外表的摩擦和挤压，有利于减小粗糙度。但前角太大，刀刃有嵌入工件的倾向，后角太大削弱刀具强度，会引起切削振动，反而使外表粗糙大。刀具材料及刃磨质量影响切削瘤、鳞刺的产生，能影响粗糙度。刀具越硬，越耐磨，加工Ra越低。1414.2加工外表几何牲的形成及影响因素三、工艺因素1、切削加工(2)工件材料性能对粗糙度的影响塑性材料加工后粗糙度大，脆性材料容易得到较小的粗糙度。组织细密的，硬度较高的材料粗糙度小。(3)加工条件对外表粗糙度的影响低速或高速切削不产生积屑瘤，粗糙度较小。中等速度切削塑性材料易产生积屑瘤和鳞刺，粗糙度大。减小进给量可减小残留高度，减小粗糙度。但进给量太小，刀刃不能切削而形成挤压，粗糙度反而增大。15砂轮速度v↑，Ra↓

工件速度vw↑，Ra↑

砂轮纵向进给f↑，Ra

↑

磨削深度ap↑，Ra

↑图4-62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）ap(mm)00.010.40.8Ra(μm)00.20.60.020.030.04b）磨削用量影响图4-63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)光磨次数↑，Ra↓14.2加工外表几何牲的形成及影响因素2、磨削加工16砂轮粒度↑，Ra↓；但要适量砂轮硬度适中，Ra↓；常取中软砂轮组织适中，Ra↓

；常取中等组织采用超硬砂轮材料，Ra

↓

砂轮精细修整，Ra↓砂轮影响其他影响因素工件材料（太硬、太软或塑性、韧性大的材料不易得到较小的粗糙度。）14.2加工外表几何牲的形成及影响因素2、磨削加工17一、外表层的加工硬化1、定义：加工层材料因塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格扭曲、晶粒拉长、破碎和纤维化，材料的强度、硬度都提高的现象称为加工硬化或冷作硬化。14.3加工外表物理力学性能的变化及影响因素硬化程度取决于塑性变形力、变形速度和变形时的温度。切削力越大，塑性变形越大，硬化程度越大。变形程度越大，变形不充分，硬化程度相应减小。变形时的温度不仅影响塑性变形程度，还影响变形后的金相组织回复。加工硬化是强化作用和回复作用的综合结果。18影响外表冷作硬化的因素切削加工

f↑，冷硬程度↑◆切削用量影响◆刀具影响rε↑，冷硬程度↑其他几何参数影响不明显后刀面磨损影响显著〔图4-65〕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)图4-65后刀面磨损对冷硬影响◆工件材料材料塑性↑，冷硬倾向↑切削速度影响复杂〔力与热综合作用结果〕切削深度影响不大图4-64f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：4519磨削速度↑→冷硬程度↓〔弱化作用加强〕工件转速↑→冷硬程度↑纵向进给量影响复杂磨削深度↑→冷硬程度↑◆磨削用量◆砂轮砂轮粒度↑→冷硬程度↓砂轮硬度、组织影响不显著◆工件材料材料塑性↑→冷硬倾向↑材料导热性↑→冷硬倾向↓图4-66磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削影响外表冷作硬化的因素磨削加工20一、外表层的金相组织变化与磨削烧伤1、表层金相组织变化与磨削烧伤的原因工件外表的温度超过金相组织变化的临界点时，就会产生金相组织的变化。磨削温度到达相变温度时工件外表层的金相组织发生变化，引起表层的硬度和强度下降，产生剩余应力或显微裂纹的现象称为磨削烧伤。按烧伤温度不同分为：(1)回火烧伤磨淬火钢时，温度未超过相变温度，但超过马氏体的转变温度，这时马氏体转变为硬度更低的回火屈氏体或索氏体。14.3加工外表物理力学性能的变化及影响因素21(2)淬火烧伤磨淬火钢时，温度超过相变温度，在切削液的急冷作用下，工件外层金属转变为二次马氏体组织，其硬度比原来的回火马屈氏体高，但又脆又硬。在这层金属下面的一层金属，温度低，冷却慢，变为过回火组织。(3)退火烧伤干磨时，当超过相变温度，表层金属以空冷方式冷却，形成退火组织，其强度极限和硬度大幅下降。磨削烧伤的颜色说明烧伤程度，颜色加深烧伤程度依次加大〔淡黄、米黄、淡青、青、黑〕。14.3加工外表物理力学性能的变化及影响因素22磨削烧伤与磨削裂纹

合理选择砂轮合理选择磨削用量改善冷却条件工件表层温度到达或超过金属材料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随剩余应力产生，同时出现彩色氧化膜。磨削烧伤磨削外表剩余拉应力到达材料强度极限，在表层或外表层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现。图4-69带空气挡板冷却喷嘴磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削裂纹232、影响磨削烧伤的因素(1)磨削用量磨削深度增大、砂轮速度增大，易造成烧伤。工件进给增大，与砂轮接触时间减少，可减轻烧伤。同时提高工件速度和砂轮速度可减少烧伤。(2)砂轮材料粗粒度的软砂轮和弹性结合剂的砂轮不容易引起磨削烧伤。(3)冷却方式用带空气挡板的冷却液喷嘴喷切削液冷却，可防止烧伤。采用内冷却装置或采用浸油砂轮，冷却液或油能进入砂轮内部冷却，可防止烧伤。2425开槽砂轮可防止烧伤工件26三、外表剩余应力1、冷塑性变形引起的剩余应力刀具对已加工外表的挤压和摩擦，使外表产生伸长变形，但受到里层材料的限制，产生了剩余应力。2、热塑性变形引起的剩余应力切削过程中，受切削热的作用，表层温度高于里层温度，外表膨胀变形大于里层。切削结束时，表层温度下降较快，收缩变形大于里层，由于受到里层金属的限制，工件外表将产生剩余应力。3、金相组织变化引起的剩余应力切削产生的高温引起表层金相组织的变化，不同组织的密度不同，结果造成体积变化，引起剩余应力。14.3加工外表物理力学性能的变化及影响因素27影响层金属剩余应力的因素v↑→剩余应力↑〔热应力起主导作用，图4-67〕◆切削用量◆刀具前角+→－，剩余拉应力↓刀具磨损↑→剩余应力↑◆工件材料材料塑性↑→剩余应力↑铸铁等脆性材料易产生剩余压应力图4-68f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/r仅讨论切削加工f↑→剩余应力↑〔图4-68〕切削深度影响不显著图4-67vc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/min2814.4机械加工振动简介

机械加工过程中振动的危害影响加工外表粗糙度，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受迫振动自激振动29一、受迫振动受迫振动产生原因由外界周期性的干扰力〔激振力〕作用引起受迫振动振源：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。受迫振动的特征30二、自激振动自激振动的概念在没有周期性外力作用下，由系统内部激发反响产生的周期性振动自激振动过程可用传递函数概念说明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比照情况〔图4-73〕。图4-73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4-72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31◆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外表上留下振纹。第二次走刀时，刀具将在有振纹的外表上切削，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4-74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4-74〕：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，产生自激振动二、自激振动32◆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、k2两组弹簧支撑〔设x1为低刚度主轴，图4-75〕图4-75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，无能量输入二、自激振动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