机械制造工艺学701

第七章机械加工表面质量第一节概述本节内容一、机械加工表面质量的含义二、机械加工表面质量对机器使用性能和使用寿命的影响机械制造工艺学•对零件表面质量的影响有多种因素,在机械加工过程中,由于机床、工件和刀具系统的振动，造成零件表面的凹凸不平。除表面粗糙度外，还有间距比粗糙度大得多的表面波纹度等的影响。•所以,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。机械制造工艺学一、机械加工表面质量的含义指机器零件加工后表面层的状态完整性特征。表面几何形状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。表面几何形状机械制造工艺学（一）加工表面几何形状特征表面轮廓(形状误差、波纹度、表面粗糙度)表面缺陷表面轮廓一个指定平面与实际表面相交所得到的轮廓。λ10mmλ=1～10λ1mmλ10mm——形状误差λ=1～10mm——表面波纹度λ1mm——表面粗糙度机械制造工艺学表面轮廓参数■原始轮廓(primaryprofile)——P轮廓经过λs轮廓滤波器后的总轮廓。■粗糙度轮廓(roughnessprofile)——R轮廓对原始轮廓采用λc轮廓滤波器抑制长波成分以后形成的轮廓。■波纹度轮廓(wavinessprofile)——W轮廓对原始轮廓连续应用λf和λc两个轮廓滤波器以后形成的轮廓。在原始轮廓上计算得到的参数称为P参数。在粗糙度轮廓上计算得到的参数称为R参数。在波纹度轮廓上计算得到的参数称为W参数。机械制造工艺学机械制造工艺学形状误差、表面波度及表面粗糙度机械制造工艺学表面粗糙度指加工表面的凹凸不平、形成微观几何形状误差的较小间距的峰谷，称表面粗糙度。（波长/波幅50）由刀具形状、切削过程中塑性变形及振动等引起。粗糙度轮廓原始轮廓表面粗糙度的放大状况机械制造工艺学机械制造工艺学表面波纹度介于宏观几何形状误差与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差，称表面波纹度。（50波长/波幅1000）由工艺系统的低频振动引起。原始轮廓波纹度轮廓加工纹理方向机械制造工艺学加工纹理方向及其符号标注机械制造工艺学在加工、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。表面缺陷破裂毛孔裂缝擦痕窝陷砂眼凹缺陷机械制造工艺学凸缺陷树瘤疱疤飞边缝脊夹杂物氧化皮机械制造工艺学环形坑划痕切削残余混合表面缺陷腐蚀裂纹斑点区域和外观缺陷机械制造工艺学（二）加工表面层物理力学性能机械制造工艺学表面层金属冷作硬化表面层金属金相组织变化表面层金属残余应力1、表面层冷作硬化（简称冷硬）零件在机械加工中表面层金属产生强烈的冷态塑性变形后，引起强度和硬度都有所提高的现象。通常以冷硬深度h，表面层显微硬度H以及硬化程度N表示。其中：N=(H/H0)×100％H0：金属原来的硬度机械制造工艺学2、表面层金相组织的变化机械制造工艺学由于切削热引起工件表面温升过高，表面层金属发生金相组织变化的现象。回火烧伤：表层马氏体回火转化为硬度较低的回火组织。淬火烧伤：表层出现硬度较高的二次淬火马氏体，下层因冷却缓慢为回火组织。退火烧伤：无冷却时，表层被退火，硬度急剧下降。机械制造工艺学3、表面层残余应力由于机械加工过程中切削变形和切削热的影响，工件表面层产生残余应力。冷态塑性变形引起的残余应力热态塑性变形引起的残余应力金相组织变化引起的残余应力残余应力二、机械加工表面质量对零件使用性能的影响（一）表面质量对零件耐磨性的影响表面粗糙度对零件耐磨性的影响机械制造工艺学表面粗糙度太大，实际接触面小，压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧，初期磨损量大。机械制造工艺学表面粗糙度太小，因为表面太光滑，不利润滑油储存，接触面间不易形成油膜，形成半干或干摩擦，容易发生分子粘结而使磨损加剧。表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关。表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响加工表面的适度硬化，能显著提高零件的耐磨性因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。机械制造工艺学如果表面硬化过度，会使磨损加剧因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过分“疏松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。表面纹理对零件耐磨性的影响表面纹理的形状和刀纹方向对耐磨性的影响原因是纹理形状和刀纹方向影响有效接触面积和润滑液的储存，一般，圆弧状、凹坑状表面纹理的耐磨性好，尖峰状的耐磨性差。在运动副中，两相对运动零件的刀纹方向和运动方向相同时，耐磨性较好，两者的刀纹方向和运动方向垂直时，耐磨性最差。机械制造工艺学（二）表面质量对零件抗腐蚀性的影响表面粗糙度表面层残余应力表面腐蚀过程示意图零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。Ra值↗，抗腐蚀性↙机械制造工艺学残余压应力，使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，抗腐蚀性↗残余拉应力，抗腐蚀性↙（三）表面质量对零件疲劳强度的影响表面粗糙度对零件疲劳强度的影响机械制造工艺学表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度、划痕和裂纹会引起应力集中，微观凹谷处容易产生疲劳裂纹。表面层冷作硬化对零件疲劳强度的影响表面层残余应力对零件疲劳强度的影响适度的表面层冷作硬化能阻止疲劳裂纹生长并产生表面压应力，提高零件的疲劳强度。但过大易产生裂纹。残余压应力能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。残余拉应力则容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度。机械制造工艺学(四)表面质量对零件配合性质的影响实验研究表明，与精度要求相对应的表面粗糙度：零件尺寸大于50mm时，推荐：Ra=(0.10-0.15)T零件尺寸为18-50mm时，推荐：Ra=(0.15-0.20)T零件尺寸小于18mm时，推荐：Ra=(0.20-0.25)T表面比较粗糙时，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。表面层有较大的残余应力，也会影响零件精度的稳定性。机械制造工艺学零件表面质量对疲劳强度的影响对零件配合的影响对耐腐蚀性能的影响对耐磨性的影响适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度粗糙度越大，疲劳强度越差适度冷硬能提高耐磨性粗糙度太大、太小都不耐磨粗糙度越大，耐腐蚀性越差压应力，耐腐蚀性↗，拉应力反之机械制造工艺学表面粗糙度与精度要求相对应第二节影响加工表面粗糙度的因素机械制造工艺学本节内容一、切削加工中影响表面粗糙度的因素及其改善的工艺措施二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素及其改善的工艺措施机械制造工艺学一、切削加工中影响表面粗糙度的因素及其改善措施几何因素物理因素（一）影响表面粗糙度的因素切削刃与工件相对运动轨迹所形成的表面粗糙度。与工件材料性质及切削机理有关的因素如积屑瘤、鳞刺和振动等。机械制造工艺学几何因素的影响切削层残留面积机械制造工艺学切削加工后表面粗糙度值主要取决于切削残留面积的高度尖刀切削:rrfHcotcot带圆弧的刀切削:28fHr影响因素：刀尖圆弧半径rε、主偏角κr、副偏角κ’r、进给量f。减小f、κr、κr′，加大rε，可减小残留面积的高度。刀尖圆弧半径、进给量对表面粗糙度的影响机械制造工艺学物理因素的影响切削速度加工脆性材料时，切削速度对粗糙度影响不大；加工塑性材料时，积屑瘤对粗糙度影响很大。切削速度↑，塑性变形越不充分，表面粗糙度Ra值↓。受纯几何因素的影响机械制造工艺学机械制造工艺学积屑瘤对加工表面质量的影响工件材质塑性↓、韧性↓，表面粗糙度Ra值↓材料塑性越好，塑性变形越大，易产生积屑瘤和鳞刺，加工表面粗糙。脆性↑，表面粗糙度Ra值↓加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。同一材料金相组织晶粒越均匀，颗粒越细小，表面粗糙度Ra值↓中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。机械制造工艺学鳞刺对加工表面质量的影响鳞刺的形成：抹试阶段、导裂阶段、层积阶段、刮成阶段机械制造工艺学刀具材料刀具硬度↑，耐磨性↑，表面粗糙度Ra值↓。机械制造工艺学进给量进给量f↓，表面粗糙度Ra值↓。但进给量过小，表面粗糙度有增大的趋势，效率降低。其他因素刀具几何角度、刃磨质量，切削液等。机械制造工艺学（二）降低表面粗糙度值的工艺措施1、选择合理的切削用量1）适当减少进给量f在粗加工和半精加工中，当f＞0.15mm/r时，进给量f的大小决定了加工表面残留面积的大小，因而适当减少进给量将使表面粗糙度Ra值减少。2）选择适当的切削速度v一般情况下，低速或高速切削时，不会产生积屑瘤，而中速切削时易出现积屑瘤，因此采用较高的切削速度，既提高生产率又可使表面粗糙度Ra值减少。3）选择适当的切削深度ap根据刀刃锋利情况，选择适当的切削深度，降低加工表面的粗糙度Ra值。加工塑性材料时切削速度和表面粗糙度的关系切削速度影响：v=20～50m/min，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差；v＞100m/min时影响减小，并趋于稳定。机械制造工艺学表面粗糙度Rz（μm）v（m/min）481216202428020406080切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120140收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度h（μm）0200400600hKsRz机械制造工艺学2、选择合适的刀具几何参数车刀切削部分的结构要素1）适当增大刀具前角或刃倾角因为刃倾角增大，实际工作前角也增大，加工过程中材料的塑性变形程度下降，切削力也明显下降，工艺系统振动减轻，使加工表面的粗糙度Ra值降低。2）减少主偏角和副偏角、增大刀尖圆弧半径可减少切削残留面积，降低加工表面的粗糙度Ra值。机械制造工艺学3、改善工件材料的性能采用热处理工艺改善工件材料的性能，使材料金相组织的晶粒细化均匀，是减少加工表面粗糙度值的有效措施。如在粗加工或精加工前安排正火、回火或调质处理。4、选择合适的切削液切削液的冷却和润滑作用，能使切削区金属材料的塑性变形程度下降，从而减少加工表面粗糙度值。机械制造工艺学（三）防止或减少工艺系统的振动工艺系统的低频振动，一般会在工件加工表面产生波度；而高频振动会使工件加工表面出现振纹，对工件加工精度和表面粗糙度产生影响。必须采取措施防止加工过程高频振动的产生。5、选择合适的刀具材料不同的刀具材料，加工时刀面的硬度、粗糙度，与加工材料金属分子的亲合程度，与加工表面的摩擦系数均有所不同。二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素及其改善措施磨削表面粗糙度的形成，与几何因素、物理因素、工艺系统的振动等有关。机械制造工艺学几何因素磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划和切削出无数极细的刻痕形成，工件单位面积上形成的刻痕越多、越浅、等高性越好，则表面粗糙度值越小。磨削时切削力大、速度高、温度高，且磨粒大多数是负前角，切削刃不锐利，大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压，没有切削作用。加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起，又因磨削时的高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。物理因素机械制造工艺学提高砂轮速度v↑，Ra↓降低工件速度vw↓，Ra↓砂轮纵向进给量f↓，Ra↓较小的磨削深度ap↓，Ra↓增加光磨次数↑，Ra↓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）（一）磨削用量机械制造工艺学光磨次数与Ra关系01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度