金属切削原理与机床第六章-已加工表面的质量

第六章已加工表面质量教学目的与要求:

通过本章学习,掌握已加工表面粗糙度、加工硬化、残余应力产生的原因；表面粗糙度、加工硬化、残余应力的影响因素。教学内容摘要:

已加工表面粗糙度产生的原因和影响因素分析加工硬化产生的原因和影响因素分析残余应力产生的原因和影响因素分析教学重点与难点:

表面粗糙产生的原因分析。第一节已加工表面质量概述一、已加工表面的形成过程当切削层金属以ν逐渐接近刀刃时，便发生挤压与剪切变形，最终沿剪切面OM方向滑移成为切屑。由于γβ的关系，αc中将有△α无法沿OM方向滑移，而是从刀刃钝圆部分O点下面挤压过去，继之又受到VB的摩擦，使工件表层金属受到剪切应力，随后弹性恢复，设其高度为△h，则加工表面在CD长度上继续与后刀面摩擦。刀刃钝圆部分VB、CD构成了后刀面的的总接触长度。通过这一剧烈的变形过程形成的已加工表面，其表面层的金属将具有和基体组织不同的性质，称加工变质层。图6-1加工表面的形成过程二、已加工表面质量的范畴：1.几何参数方面的质量:机械加工表面本身的精度尺寸精度形状精度位置精度2.表面质量：表面粗糙度

表面层晶相组织的变化

加工硬化

残余应力

三、机械加工表面质量的含义

1.表面几何学方面的粗糙度——零件最外层表面的微观几何形状，即表面粗糙度。2.表面层材质的变化——零件表面层晶核发生严重的畸变，使机械物理、化学性质发生变化等产生的现象。即加工硬化的程度和深度，残余应力性质和大小。四、已加工表面质量对零件使用性能的影响（1）对零件耐磨性的影响

表面层的冷作硬化可使表面层的硬度提高，增强表面层的接触刚度，从而降低接触处的弹性、塑性变形，使耐磨性有所提高。但如果硬化程度过大，表面层金属组织会变脆，出现微观裂纹，甚至会使金属表面组织剥落而加剧零件的磨损。（2）对零件疲劳强度的影响

表面粗糙度对承受交变载荷的零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度波谷处容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。并且表面粗糙度越大，表面划痕越深，其抗疲劳破坏能力越差。表面层残余压应力对零件的疲劳强度影响也很大。当表面层存在残余压应力时，能延缓疲劳裂纹的产生、扩展，提高零件的疲劳强度；当表面层存在残余拉应力时，零件则容易引起晶间破坏，产生表面裂纹而降低其疲劳强度。表面层的加工硬化对零件的疲劳强度也有影响。适度的加工硬化能阻止已有裂纹的扩展和新裂纹的产生，提高零件的疲劳强度；但加工硬化过于严重会使零件表面组织变脆，容易出现裂纹，从而使疲劳强度降低。（3）对零件耐腐蚀性能的影响表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响很大。零件表面粗糙度越大，在波谷处越容易积聚腐蚀性介质而使零件发生化学腐蚀和电化学腐蚀。表面层残余压应力对零件的耐腐蚀性能也有影响。残余压应力使表面组织致密，腐蚀性介质不易侵入，有助于提高表面的耐腐蚀能力；残余拉应力的对零件耐腐蚀性能的影响则相反。（4）表面质量对零件间配合性质的影响相配零件间的配合性质是由过盈量或间隙量来决定的。在间隙配合中，如果零件配合表面的粗糙度大，则由于磨损迅速使得配合间隙增大，从而降低了配合质量，影响了配合的稳定性；在过盈配合中，如果表面粗糙度大，则装配时表面波峰被挤平，使得实际有效过盈量减少，降低了配合件的联接强度，影响了配合的可靠性。因此，对有配合要求的表面应规定较小的表面粗糙度值。在过盈配合中，如果表面硬化严重，将可能造成表面层金属与内部金属脱落的现象，从而破坏配合性质和配合精度。表面层残余应力会引起零件变形，使零件的形状、尺寸发生改变，因此它也将影响配合性质和配合精度。（5）表面质量对零件其他性能的影响表面质量对零件的使用性能还有一些其他影响。如对间隙密封的液压缸、滑阀来说，减小表面粗糙度Ra可以减少泄漏、提高密封性能；较小的表面粗糙度可使零件具有较高的接触刚度；对于滑动零件，减小表面粗糙度Ra能使摩擦系数降低、运动灵活性增高，减少发热和功率损失；表面层的残余应力会使零件在使用过程中继续变形，失去原有的精度，机器工作性能恶化等。（1）Ra增大时将有如下影响

①改变配合性质。

②对于液压件，因密封性差而发生泄漏；

③机器寿命降低，精度度下降；

④因应力集中而降低零件的疲劳强度。第二节已加工表面粗糙度

⑤容易被腐蚀和生锈;⑥对外观件与手感件，存在不美观，不舒适，磨手……⑦Ra的作用要具体分析，不能说Ra小就越好。（2）加工硬化对零件的影响提高耐磨性，但加工硬化后产生大量微裂纹，疲劳强度降低，耐磨性下降。提高疲劳强度，但下道工序加工困难，刀具VB快，FC增大（3）残余应力对零件的影响使零件的挠曲变形，尺寸精度下降，行位误差大，但压应力有利；微观裂纹使疲劳强度下降，耐磨性下降，拉应力不利。一、表面粗糙度及其影响因素

1.切削加工后的表面粗糙度

1）残留面积最大高度的影响原因：①切削过程中刀具刃口圆角及刀具后刀面的挤压与摩擦，金属材料发生塑性变形，使理想残留面积挤歪或沟纹加深；②存在被加工材料的性质及切削机理有关的物理因素的变化。减小切削层残留面积的措施：2)由于切削过程不稳定，切削条件发生了变化

①积屑瘤的影响：前面学过不必多赘

②鳞刺的影响。鳞刺的形成过程可分为四个阶段：抹拭阶段；导裂阶段；层积阶段；刮成阶段。在物理因素方面，降低表面粗糙度主要措施，即消除积屑瘤和鳞刺的措施。影响积屑瘤和鳞刺产生的因素：

(1)切削速度的影响（与第2章内容一致）

(2)被加工后料性质的影响（热处理）韧性愈大的塑性材料，加工后粗糙度愈差，而脆性材料的加工组糙度比较接近理想粗糙度。

(3)刀具的几何形状、材料、刀磨质量的影响

①刀具的前角γ0。γ0值增大，粗糙度就能降低。γ0为负值粗糙度也将增大；

②后角α0过小会增加摩擦；

③刃倾角λs的大小影响加工表面的粗糙度；

④刀具的材料对产生积屑瘤、鳞刺等现象影响甚大，因此影响表面粗糙度；

⑤提高刃磨质量，降低前、后刀面的刃磨粗糙度，能降低已加工表面粗糙度；

⑥合理选择冷却润滑液有利于降低表面粗糙度。2.磨削加工后的表面粗糙度

影响磨削表面粗糙度的主要因素：

1）砂轮的粒度：砂轮的颗粒越细，粗糙度就小。但过细效率低，而且修磨时易产生微刃，影响粗糙度。

2）砂轮的修整：用金刚石笔修整时，相当于在砂轮上形成一道螺纹，修整导程和切深越小，修出的砂轮就越细，磨削刃的等高性就越好，工件表面的粗糙度就越低。提高砂轮的速度可以增加工件单位面积上的划痕数，同时可减少因塑性变形造成的隆起。4）切深和工件的转速：增大切深和工件的转速将增大表面粗糙度。5）其他：如零件材料的硬度、冷却液的选择与净化、轴向进给速度等也是影响表面粗糙度的重要因素。

3）砂轮的速度：一、加工表面的冷作硬化

第二节加工硬化

N=H一H。/H0×100%式中：

H一已加工表面的显微硬度H。—原基体金属的显微硬度也有用加工前、后硬度之比表示的。N＝（H/H。）×100%

一般硬化层深度hd可达几十到几百微米，而硬化程度可达120％—200％。研究证实：硬化程度大时，硬化层深度也大。

影响冷作硬化的主要因素有：

1)刀具的影响

2)切削用量的影响切削速度增大，硬化层深度和硬度都有所减小。进给量f增大时，切削力增大，塑性变形程度也增大，因此硬化现象增大；但在进给量f较小时，由于刀具的刃口圆角在加工表面单位长度上的挤压次数增多，因此硬化现象也会增大。

3)被加工材料的影响硬度愈小，塑性愈大的材料切削后的冷硬现象愈严重。5.3.2加工表面的金相组织变化——磨削烧伤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。回火烧伤：如果磨削区温度超过马氏体转变温度而未超过其相变临界温度Ac3，则工件表面原来的马氏体组织将产生回火现象，转化成硬度较低的回火组织(索氏体或屈氏体)，一般称之为回火烧伤。淬火烧伤：如果磨削区温度超过相变温度，又由于冷却液的急冷作用，表面的最外层会出现二次淬火马氏体组织，硬度较原来的回火马氏体高，在它的下层因为冷却较慢，将出现硬度较低的回火组织，一般称之为淬火烧伤。退火烧伤：不用冷却液进行干磨时超过相交温度，因工件冷却缓慢，磨削后的表面硬度急剧下降，则产生了退火烧伤。第三节加工表面层的残余应力当切削过程中表面层组织发生形状变化和组织变化时平衡的弹性应力，称之为表面的残余应力。表面层残余应力的产生原因（1）里层金属回弹；

(2)冷塑性变化的影响；

(3)热塑性变形的影响；

(4)金相组织变化的影响。实际机械加工后的表面层残余应力是上述四方面原因产生残余应力的综合结果。在一定条件下，其中某一种或两种原因可能起到主导作用。二、影响残余应力的因素

1.刀具方面当前角由正值逐渐变为负值时，表层的残余拉应力逐渐减小，但残余应力层的深度增大。这是由于刀具前角越小，切削刃钝圆半径γβ越大，刀具对已加工表面的挤压与摩擦作用越大，从而残余拉应力减小。当在一定的切削用量时，采用绝对值较大的负前角，甚至可使已加工表面层得到残余压应力。

刀具后面的磨损量VB增加时，一方面使后刀面与已加工表面的摩擦增加，但另一方面也使已加工表面上的切削温度升高，从而由热应力引起的残余应力的影响逐渐增强，因此，使已加工表面的残余拉应力增大；相应地，残余应力层的深度也随之增加。2.切削条件方面

切削速度增加时，切削温度随之增加；因此，热应力引起的残余拉应力起主导作用；从而表面上的残余技应力，随着切削速度的提高而增大，但残余应力层的深度却减小；这是由于切削力随着切削速度的增加而减小，从而塑性变形区域随之减小。应当指出，当切削温度超过金属的相变温度时，则情况就有所不同；此时残余应力的大小及符号，取决于表层金相组织的变化。进给量增加时，切削力及塑性变形区域随之增大，并且热应力引起的残余拉应力占优势，从而表面上的残余拉应力及残余应力层深度都随之增加。3.工件方面

塑性较大的材料，例如：工业纯铁，奥氏体不锈钢，切削加工后，通常产生残余拉应力；而且塑性越大，残余拉应力越大。切削灰铸铁等脆性材料时，加工表面将产生残余压应力，其原因是由于切削时，后面的挤压与摩擦起主导作用，使加工表面层产生拉伸变形，从而产生残余压应力。磨削裂纹及避免产生裂纹的措施裂纹的方向常与磨削方向垂直或呈网状，裂纹的产生常与烧伤同时出现。

1）磨削裂纹的产生材料及热处理工序有很大关系。

2）磨削含碳量高的淬火钢时，容易产生磨削裂纹。

3)工件在淬火后如果存在残余应力，即使在正常的磨削条件下也会出现裂纹。

4)渗碳、渗氮时如果工艺不当，当磨削时在热应力作用下