机械制造工艺与夹具教案（第4章 机械加工表面结构）

课题：概述教学目的、要求：1、熟悉表面结构的主要内容2、掌握表面结构对零件使用性能的影响教学重点、难点：重点：表面结构对零件使用性能的影响难点：表面结构对零件使用性能的影响教学过程：导入新课、授新课4.1概述一、表面结构定义：机械加工的表面结构是指零件加工后的表面层状态，它是判定零件质量优劣的重要依据。零件表面结构，将直接影响零件的工作性能，尤其是可靠性和寿命。二、表面结构的主要内容表面结构是由实际表面的重复或偶然的偏差所形成的表面三维形貌，包括表面粗糙度、表面波纹度、形状误差、纹理方向和表面缺陷。其组成如下:表面轮廓（形状误差、表面波纹度、表面粗糙度）表面结构表面缺陷1．表面轮廓表面轮廓指一个指定平面与实际表面相交所得到的轮廓，如图4-2所示。实际表面是物体与周围介质分离的表面，实际表面轮廓指由理想平面与实际表面相交所得的轮廓，表面轮廓属重复性表面结构。表面粗糙度、表面波纹度以及表面几何形状误差总是同时生成并存在同一表面上综合影响零件的表面轮廓。（1）表面粗糙度

1）定义：在机械加工过程中，会使零件表面留下微小的凹凸不平的痕迹，其微小峰谷的高低以及间距的细密程度所构成的微观几何形状误差称为表面粗糙度。

2）对机器零件的使用性能影响：表面粗糙度对机器零件的使用性能影响很大，为保证产品质量、提高机器的使用寿命以及降低生产成本，设计时必须对零件的表面轮廓精度提出合理要求。

（2）表面波纹度和表面形状误差表面波纹度：

在加工过程中，由于机床—刀具—工件系统的强迫振动、刀具进给的不规则和回转质量的不平衡等原因，在零件表面留下的波距较大且具有较强周期性的误差称为表面波纹度。表面形状误差：由于刀具导轨倾斜等原因造成的误差则为宏观的表面形状误差。（

3）表面粗糙度、表面波纹度、表面形状误差的划分表面粗糙度、表面波纹度和表面形状误差的划分，通常按相邻两波峰或波谷之间的距离，即波距的大小来划分，或按波距与波幅（峰谷高度）的比值来划分。如图4-3（b），波距小于1mm并呈周期性变化的，属于表面粗糙度范围；如图4-3（c），波距在1mm~10mm之间并呈周期形变化的，属于表面波纹度范围；如图4-3（d），波距在10mm以上且无明显周期变化的，属于表面形状误差。2．表面缺陷（1）定义：表面缺陷指在加工、使用或储存期间，非故意或偶然生成的实际表面的单元体、成组的单元体或不规则体。（2）主要类型：有凹缺陷、凸缺陷、混合表面缺陷、区域和外观缺陷。（1）凹缺陷：向内的缺陷。（2）凸缺陷：向外的缺陷。（3）混合表面缺陷：部分向外和部分向内的表面缺陷。（4）区域和外观缺陷：散布在最外层表面上不连续区域出现。二、表面结构对零件使用性能的影响1．表面结构对零件耐磨性的影响（1）影响1）一般说来，表面粗糙度值越小，其耐磨性越好。2）零件表面纹理形状和纹理方向对表面耐磨性也有显著影响。3）表面层金属的残余应力和金相组织变化也会对耐磨性有影响。（2）措施：加工硬化能提高耐磨性，但过度的硬化会使表面层产生裂纹和表面层剥落，磨损加剧，耐磨性下降。2．表面结构对配合性质的影响（1）表面粗糙度大，磨合后会使间隙配合的间隙增大，降低配合精度。（2）表面加工硬化严重，将可能造成表层金属与内部金属脱离的现象，也将影响配合精度和配合质量。（3）残余应力过大，将引起零件变形，使零件的几何尺寸和形状改变，而破坏配合性质和配合精度。3．表面结构对零件疲劳强度的影响（1）影响：表面粗糙度值大，在交变载荷作用下，零件容易引起应力集中并扩展疲劳裂纹，造成疲劳损坏。（2）措施1）合理地安排加工纹理方向及零件的受力方向有利于疲劳强度的提高。2）残余应力与疲劳强度有极大关系。3）适当加工硬化有助于提高零件中的疲劳强度。4．表面结构对抗腐蚀性的影响（1）零件在介质中工作时，腐蚀性介质会对金属表层产生腐蚀作用，表面粗糙的凹谷，容易沉积腐蚀性介质而产生化学腐蚀和电化学腐蚀，如图4-6所示。（2）凡零件表面存在有残余拉应力，都将降低零件的耐腐蚀性；（3）零件表层残余压应力和一定程度的强化都有利于提高零件中的抗腐蚀能力。5．表面结构对接触刚度的影响（1）影响：表面粗糙度值大，零件之间接触面积减小，接触刚度减小，表面粗糙度值小，零件的配合表面的实际接触面积大，接触刚度大。措施：（1）加工硬化，能提高表层的硬度，增加表层的接触刚度。（2）机床导轨副的刮研、精密轴类零件加工时，顶尖孔的修研等，都是生产中提高配合精度和接触刚度行之有效的方法。[课堂总结][布置作业]

课题：影响加工表面粗糙度的工艺因素及改善措施教学目的、要求：1、掌握切削加工影响表面粗糙度的因素2、熟悉磨削加工影响表面粗糙度的工艺因素及其改善措施教学重点、难点：重点：切削加工影响表面粗糙度的因素难点：切削加工影响表面粗糙度的因素教学过程：（一）复习提问1、表面结构的主要内容2、表面结构对零件使用性能的影响（二）导入新课、授新课4.2影响加工表面粗糙度的工艺因素及改善措施一、切削加工影响表面粗糙度的因素1．刀刃在工件表面留下的残留面积（1）残留面积对车削加工在理想条件下，刀具相对工件作进给运动时，加工表面上遗留下来的切削层残留表面，形成理论表面粗糙度，如图4-7所示。在被加工表面上残留的面积愈大，获得的表面将愈粗糙。（2）影响因素：用单刃刀切削时，残留面积只与进给量f、刀尖圆角半径r0及刀具的主偏角kr、副偏角kr′有关。a、减小进给量f，减小主、副偏角，增大刀尖圆角半径，都能减小残留面积的高度H，也就降低了零件的表面粗糙度值。b、进给量f对表面粗糙度影响较大，当f值较低时，有利于表面粗糙度值的降低。c、减小主、副偏角，均有利于表面粗糙度值的降低。一般在精加工时，主、副偏角对表面粗糙度值的影响较小。2．切削过程的物理方面的原因（1）工件材料的性质塑性材料与脆性材料对表面粗糙度都有较大的影响。①积屑瘤的影响（塑性材料）1）积屑瘤形成：在一定的切削速度范围内加工塑性材料时，切屑上的一些小颗粒就会黏附在前刀面上的刀尖处，形成硬度很高的楔状物，称为积屑瘤，如图4-8所示。2）影响：a、由于积屑瘤的存在，使刀具上的几何角度发生了变化，切削厚度也随之增大，因此将会在已加工表面上切出沟槽。b、积屑瘤的生成、长大和脱落，使切削发生波动，并严重影响工件的表面结构。脱落的积屑瘤碎片，还会在工件的已加工表面上形成硬点，因此，积屑瘤是增大表面粗糙度数值的不可忽视的因素。②鳞刺的影响在已加工表面产生鳞片状毛刺，称作鳞刺，如图4-9所示。形成鳞刺的原因：1）机械加工系统的振动所引起的；2）挤拉已加工表面，严重时会使表面出现撕裂现象。③脆性材料在加工脆性材料时，切屑呈不规则的碎粒状，加工表面往往出现微粒崩碎痕迹，留下许多麻点，加大表面粗糙度值。（2）切削用量1）进给量f进给量f会显著影响加工后切削层残留面积的高度，从而对表面粗糙度有明显影响。2）切削速度vc对于塑性材料，一般情况下，低速或高速切削时，不会产生积屑瘤；在中等切削速度下，塑性材料的工件容易产生积屑瘤或鳞刺，且塑性变形较大，因此加工表面粗糙度值会变大，如图4-10所示；对于脆性材料，加工表面粗糙度主要是由于脆性挤裂碎裂而成，与切削速度关系较小。所以精加工塑性材料时往往选择高速或低速精切，以获得较小的表面粗糙度值。(3)刀具材料和几何参数1）刀具材料刀具材料与被加工材料金属分子的亲和力大时，切削过程中容易生成积屑瘤。2）刀具几何参数刀具几何参数方面，增大前角可减少切削过程中的塑性变形，有利于抑制积屑瘤的产生，在中、低速切削中对表面粗糙度有一定的影响。过小的后角会增加后面与已加工表面的摩擦，刃倾角的大小会影响刀具的实际前角，因此都会对表面粗糙度产生影响。（4）切削液切削液在加工过程中具有冷却、润滑和清洗作用，能降低切削温度和减轻前、后刀面与工件的摩擦，从而减少切削过程中的塑性变形并抑制积屑瘤和鳞刺的生长，对降低表面粗糙度值有很大作用。（5）工艺系统的高频振动工艺系统的高频振动，使工件和刀尖的相对位置发生微幅振动，使表面粗糙度加大。二、磨削加工影响表面粗糙度的工艺因素及其改善措施1．砂轮的线速度随着砂轮线速度vc的增加，在同一时间里参与切削的磨粒数也增加，每颗磨粒切去的金属厚度减少，残留面积也减小，而且高速磨削可减少材料的塑性变形，使表面粗糙度值降低。2．工件的线速度在其他磨削条件不变的情况下，随工件线速度vn的降低，每颗磨粒每次接触工件时切削厚度减少，残留面积也小，因而表面粗糙度值低。但工件线速度过低时，工件与砂轮接触的时间长，传到工件上的热量增多，甚至会造成工件表面金属微熔，反而使表面粗糙度值增加，而且还增加表面烧伤的可能性。因此，通常取工件线速度等于砂轮线速度的1/60。3．进给量采用纵磨法磨削时，随纵向进给量的增加，表面粗糙度值也增加，横向磨削时增加横向进给量（即切削深度）会增大表面粗糙度。光磨是无进给量磨削，是改善磨削表面结构的重要手段之一。光磨次数多，表面粗糙度值低。砂轮的粒度越细，光磨的效果就越好。4．砂轮的性质（1）砂轮的粒度粒度越细，则砂轮单位面积上的磨粒越多，每颗磨粒切去的金属厚度越小，刻痕也细，表面粗糙度值就低。（2）砂轮的硬度砂轮太软，则磨粒易脱落，有利于保持砂轮的锋利，但很难保证砂轮表面微刃的等高性。砂轮如果太硬，磨钝了的磨粒不易脱落，会加剧与工件表面的挤压和摩擦作用，造成工件表面温度升高，塑性变形加大，并且还容易使工件产生表面烧伤。砂轮的硬度以适宜为好，主要根据工件的材料和硬度进行选择。（3）砂轮的修整砂轮使用一段时间后就必须进行修整，及时修整砂轮有利于获得锋利和等高的微刃，较小的修整进给量和小的修整深度，还能大大增加砂轮的切削刃个数，这些均有利于提高表面加工质量。5．工件材料工件材料的性质对表面粗糙度影响较大，太硬、太软、太韧的材料都不容易磨光。此外，切削液的选择与净化、磨床的性能、操作工的技能水平等对磨削表面粗糙度均有不同程度的影响，是不可忽视的因素。[课堂总结][布置作业]

课题：影响加工表面物理力学性能的因素教学目的、要求：1、理解表面层物理力学性能概念2、熟悉影响表面层加工硬化的主要因素3、掌握表面层金相组织的变化对工作表面质量的影响4、了解表面层的残余应力产生的原因和影响因素教学重点、难点：重点：影响表面层加工硬化的主要因素难点：表面层金相组织的变化教学过程：（一）复习提问1、切削加工影响表面粗糙度的因素2、磨削加工影响表面粗糙度的工艺因素及其改善措施（二）导入新课、授新课4.3影响加工表面物理力学性能的因素一、表面层物理力学性能主要方面：（1）表面层的加工硬化。（2）表面层金相组织的变化。（3）表面层残余应力。二、表面层的加工硬化1、加工硬化概念表面层的加工硬化是在机械加工过程中，工件表面金属受到切削力的作用，产生强烈的塑性变形，使工件表面硬度提高，塑性降低。同时，切削热在一定条件下会使工件表面的冷硬产生回复现象（已加工硬化的金属回复到正常状态），这一现象也称为软化；更高的温度还将引起相变。2、加工硬化本质受切削力和切削温度影响，金属已加工表面的加工硬化是硬化、软化和相变作用的综合作用结果。3、影响表面层加工硬化的主要因素：（1）切削力切削力越大，塑性变形越大，硬化程度也越大，硬化层深度也越大。增大进给量、切削深度和减小刀具前角，都会增大切削力，因此都会使加工硬化严重。（2）切削温度切削温度越高，表面层的加工硬化回复程度就越大。（3）刀具刀具的前角γo增大，可减少塑性变形。刀具刃口半径增大，硬化加剧。刀具后刀面的磨损量增大，硬化加剧。（4）切削用量切削速度增大，硬化层深度和硬度都有所减小。进给量增大，切削力增大，塑性变形程度加剧，硬化现象增大。背吃刀量增大，切削力增大，塑性变形增大，硬化程度增加。（5）工件材料工件材料塑性越好、硬度越低、塑性变形越大，切削加工的表面层硬化现象严重。三、表面层金相组织的变化1．表面层金相组织的变化与磨削烧伤（1）金相组织变化机械加工过程中，在工件的加工区由于切削热会使加工表面温度升高。当温度超过金相组织变化的临界点时，就会产生金相组织变化。（2）磨削烧伤对磨削加工而言，用于其产生的单位面积上的切削热要比一般切削加工大数十倍，故工件表面温度可高达1000℃磨削烧伤产生时，工件表面层常会出现黄、褐、紫、青等烧伤色，它们是工件表面由于瞬间高温引起的氧化膜颜色。2．影响磨削烧伤的因素及改善措施：（1）磨削用量当磨削深度增加时，磨削烧伤也增加。工件纵向进给量的增加使磨削烧伤减轻。增大工件速度，金相组织来不及变化，总的来说，可以减轻磨削烧伤。（2）冷却方法采用切削液带走磨削区的热量可以避免烧伤。（3）工件材料工件材料硬度越高，磨削发热量越多，但材料过软，易堵塞砂轮，反而使加工表面温度急剧上升。工件的韧性越大，所需的磨削力也越大，发热也越多。导热性差的材料，如轴承钢、高速钢等在磨削加工中更易产生金相组织的变化。（4）砂轮①砂轮的磨料。②砂轮的粒度。③结合剂的种类及其性质。④砂轮的硬度。4.3.4表面层的残余应力1、表面层残余应力的产生：切削过程中金属材料的表层组织发生形状变化和组织变化时，在表层金属与基体材料交界处将会产生相互平衡的弹性应力，该应力就是表面残余应力。2、表面层残余应力的影响零件表面若存在残余压应力，可提高工件的疲劳强度和耐磨性；若存在残余拉应力，就会使疲劳强度和耐磨性下降。如果残余拉应力值超过了材料的疲劳强度极限时，还会使工件表面层产生裂纹，加速工件的破损。3、表面残余应力的产生的原因：（1）冷态塑性材变形引起残余应力（2）热态塑性变形引起的残余应力（3）金相组织变化引起的残余应力4、影响残余应力的因素（1）刀具几何参数刀具的前角越大，表面层拉应力越大，当前角为负值时，在一定的切削用量下表面层可产生残余压应力。刀具的后刀面的磨损增加，摩擦增大，温度升高，引起的拉应力增大。（2）切削速度切削速度增大，表面残余拉应力值也随之减小。（3）工件材料塑性大的材料，切削加工后一般产生残余拉应力，脆性材料由于后刀面的挤压和摩擦，表面层产生残余压应力。（4）磨削用量砂轮速度减小，可减少切削热，减少表面层拉应力。工件速度提高，可以减少表面的残余拉应力。减少磨削深度，可使表面残余拉应力减小。[课堂总结][布置作业]

课题：机械加工中的振动教学目的、要求：1、熟悉机械振动现象及其分类2、掌握机械加工中的受迫振动与抑制措施3、理解机械加工中的自激振动及其控制教学重点、难点：重点：机械加工中振动的抑制措施难点：机械加工中振动的影响因素教学过程：（一）复习提问1、表面层物理力学性能概念2、影响表面层加工硬化的主要因素3、表面层金相组织的变化对工作表面质量的影响4、表面层的残余应力产生的原因和影响因素（二）导入新课、授新课4.4机械加工中的振动一、机械振动现象及其分类在机械加工过程中，工艺系统经常会发生振动。机械加工过程的振动有自由振动、受迫振动和自激振动三种。自由振动是由切削力突变或受外部冲击力引起，是一种迅速衰减的振动，对加工的影响较小。受迫振动是在外界周期性干扰力持续作用下，系统受迫产生的振动。自激振动是依靠振动系统在自身运动中激发出交变力维持的振动。切削过程中的自激振动一般称之为切削颤振，对零伴加工质量是极其有害的，必须加以重视。二、机械加工中的受迫振动与抑制措施1．工艺系统受迫振动的振源机械加工的受迫振动是一种由工艺系统内部或外部周期交变的激振力（即振源）作用下引起的振动。机内振源可分为下列三种：（1）工艺系统中高速旋转零件的不平衡。（2）机床传动系统中的误差。（3）切削过程本身的不均匀性。2．受迫振动的主要特点（1）受迫振动是由周期性激振力的作用而产生的一种不衰减的稳定振动。（2）振动的频率总是与外界干扰力的频率相同，而与工艺系统的固有频率无关。（3）振动的振幅大小在很大程度上取决于激振力的频率与系统固有频率的比值λ。当比值入等于或接近1时，振幅将达到最大值，这种现象通常称为“共振”。（4）振动的振幅大小还与激振力大小、系统刚度及其阻尼系数有关。3．减少受迫振动的措施和途径一般来说，减小受迫振动可以从以下几方面考虑：（1）消除或减小激振力。（2）调节振源频率。（3）提高工艺系统本身的抗振性。（4）提高传动零件的制造精度，改变机床转速、使用不等齿距刀具。（5）隔振。（6）采用减振器和阻尼器以吸收振动能量，减小振动。三、机械加工中的自激振动及其控制1、自激振动的概念由切削过程本身引起的切削力周期性变化而激发和维持的振动称为自激振动，因切削过程中产生的这种振动频率较高，故通常也称为颤振。2、自激振动与自由振动区别：二者都是在没有外界周期性干扰作用下产生的振动，但自由振动在系统阻尼作用下将逐渐衰减，而自激振动则会从自身的振动运动中吸取能量以补偿阻尼的消耗，使振动得以维持。3、自激振动与受迫振动区别：二者都是持续的等幅振动，但受迫振动是从外界周期性干扰中吸取能量以维持振动的，而维持自激振动的交变力是自振系统在振动过程中自行产生的，因此振动运动一停止，这交变力也相应消失。由此可见，自振系统中必定有一个调节系统，它能从固定能源中吸取能量，把振动系统的振动运动转换为交变力，再对振动系统激振，从而使振动系统作持续的等幅振动。从这个意义上讲，自激振动可以看作是系统自行激励的受迫振动。4、自激振动的主要特点（1）自激振动是一种不衰减的振动，