机械制造工艺学 第三章 机械加工表面质量及其控制

1第3章机械加工表面质量及其控制本章要点表面质量及对使用性能影响影响表面粗糙度工艺因素机械加工中的振动影响表层物理性能工艺因素2第3章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality3.1加工表面质量及其对使用性能的影响MachiningSurfaceQualityanditsInfluencetoUsePerformance机械制造工艺学3表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）表面质量表面几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工表面质量加工质量包含的内容3.1.1加工表面质量概念43.1.1加工表面质量概念加工表面的几何形貌表面粗糙度—波长/波高＜50波度—波长/波高=50～1000；且具有周期特性宏观几何形状误差（平面度、圆度等）—波长/波高＞1000纹理方向－表面刀纹形式表面缺陷－如划痕、砂眼、气孔、裂纹等是加工表面个别位置出现的缺陷a）波度b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ53.1.1加工表面质量概念无氧铜镜面三维形貌及表面轮廓曲线63.1.1加工表面质量概念加工纹理方向及其符号标注73.1.1加工表面质量概念表面层金属力学物理性能和化学性能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加工变质层模型83.1.2表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件耐磨性的影响Ra（μm）初始磨损量重载荷轻载荷表面粗糙度与初始磨损量关系表面粗糙度对零件耐磨性的影响表面粗糙度太大和太小都不耐磨。表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关93.1.2表面质量对零件使用性能的影响表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。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。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是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。冷硬程度磨损量T7A钢冷硬程度与耐磨性关系103.1.2表面质量对零件使用性能的影响表面纹理零件耐磨性的影响表面纹理的形状和刀纹方向对耐磨性也有影响，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存留，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。113.1.2表面质量对零件使用性能的影响表面粗糙度对零件疲劳强度的影响表面质量对零件疲劳强度的影响表面粗糙度越大，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，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。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。123.1.2表面质量对零件使用性能的影响表面层冷作硬化与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。残余应力有拉应力和压应力之分，残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度残余压应力则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。133.1.2表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件配合质量的影响表面粗糙度对配合质量的影响表面粗糙度对零件配合精度的影响表面粗糙度较大，则降低了配合精度。表面残余应力对零件工作精度的影响表面层有较大的残余应力，就会影响零件精度的稳定性。表面残余应力对配合质量的影响143.1.2表面质量对零件使用性能的影响表面质量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减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。因为零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性；表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。153.1.2表面质量对零件使用性能的影响如减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响163.1.2表面质量对零件使用性能的影响对耐磨性影响表面粗糙度值↓→耐疲劳性↑适当硬化（阻止疲劳裂纹生长并产生表面压应力）可提高耐疲劳性表面粗糙度值↓→耐蚀性↑表面压应力：有利于提高耐蚀性表面粗糙度值↑→配合质量↓表面残余应力↑→精度的稳定性↓→配合质量↓表面粗糙度值↓→耐磨性↑，但有限度对耐疲劳性影响对耐蚀性影响对配合质量影响纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好；纹理方向相同较好适当硬化可提高耐磨性17第3章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality3.2影响加工表面质量工艺因素及其改进措施TechnologyFactorsInfluencingMachiningSurfaceQualityanditsImproving机械制造工艺学183.2.1切削加工表面粗糙度几何因素的影响直线刃车刀：rrfHctgctg圆弧刃车刀：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车削时残留面积的高度fκrRmaxvfⅠⅡrεb）RmaxⅠⅡfa）vfrr切削加工后表面粗糙度的值主要取决于切削残留面积的高度193.2.1切削加工表面粗糙度工件材料的性质韧性↓→表面粗糙度↓工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。脆性↑→表面粗糙度↓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。塑性↓→表面粗糙度↓工件材料塑性越好，塑性变形越大，易产生积屑瘤和鳞刺，加工表面粗糙。物理因素的影响同一材料金相组织越粗大→表面粗糙度↑故对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。203.2.1切削加工表面粗糙度切削速度的影响加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响随切削速度的变化而变化（对积屑瘤和鳞刺的影响）；切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小；选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度；切削速度对脆性材料的影响不大。213.2.1切削加工表面粗糙度切削表面塑性变形和积屑瘤切削速度影响最大：v=20～50m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差；v＞100m/min时减小，并趋于稳定。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）0200400600hKsRz22积屑瘤的影响：3.2.1切削加工表面粗糙度23鳞刺的影响鳞刺的形成：抹试阶段、导裂阶段、层积阶段、刮成阶段3.2.1切削加工表面粗糙度243.2.1切削加工表面粗糙度进给量的影响其他影响因素刀具几何角度、刃磨质量，切削液等减小进给量f固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势，效率降低。适当增大刀具前角，提高刃磨质量，合理选择切削液，抑制积屑瘤和鳞刺。精镗(车)后的表面轮廓图(横向粗糙度)253.2.2磨削加工表面粗糙度磨削中影响粗糙度的几何因素从几何因素和塑性变形两方面影响工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的刻痕形成的，工件单位面积上通过的磨粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好，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，切削刃又不锐利，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，又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。磨削中影响粗糙度的物理因素（通常是决定因素）263.2.2磨削加工表面粗糙度磨削用量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↑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）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)273.2.2磨削加工表面粗糙度砂轮及其修整砂轮粒度↑，Ra↓;但要适量(46~60﹟)砂轮硬度适中，Ra↓；常取中软砂轮组织适中，Ra↓；常取中等组织砂轮材料：与工件材料相适应（如氧化铝适于磨钢，碳化物(硅硼)适于磨铸铁，金刚石砂轮适于磨陶瓷材料等）工件材料冷却润滑液等其他影响因素金刚石砂轮磨削工程陶瓷零件采用超硬砂轮材料，Ra↓但成本高；砂轮精细修整，f↓→Ra↓•太硬易使磨粒磨钝→Ra↑•太软容易堵塞砂轮→Ra↑•韧性太大，热导率差会使磨粒早期崩落→Ra↑。283.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量比较法触针法：Ra0.02～5μm表面粗糙度测量工件驱动箱放大器处理器记录器显示器触针传感器触针法工作原理光切法：Rz0.5～60μm干涉法：Rz0.05～0.8μm293.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量双管显微镜测量原理1－光源2－聚光镜3－窄缝4－工件表面5－目镜透镜6－分划板7－目镜303.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量干涉显微镜测量原理1－光源2、10、15－聚光镜3－滤色片4－光阑5－透镜6、9－物镜7－分光镜8－补偿镜10、14、16－反射镜12－目镜13－透光窗313.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量表面三维微观形貌测量表面三维形貌测量与处理系统原理图1－驱动2－撞块3－电触点4－触针5－工作台6－工件7－步进电机8－控制电路9－驱动电路10－放大电路11－A/D变换器12－微机13－显示器14－打印机323.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量TOPO移相干涉显微镜光学原理图1－光源2、4、12－透镜3－视场光阑6－干涉滤光片7－CCD面阵探测器8－输出信号9－目镜10－分光镜11－压电陶瓷13－反射镜14－参考基准板15－分光板16－被测工件333.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量表面微观形貌a）表面形貌干涉条纹b）表面三维形貌a）b）),(4),(22/),(),(),(),(),(tan),(31241yxyxyxZyxIyxIyxIyxIyx相位值：轮廓高度：34第3章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality3.3影响表层物理性能的工艺因素及其改进措施TechnologyFactorsInfluencingSurfacePhysicsPerformanceanditsImproving机械制造工艺学353.3.1加工表面层冷作硬化概述加工硬化—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，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称