第五章机械加工表面质量

1第五章机械加工表面质量2机械加工质量尺寸精度形状精度位置精度（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度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图5-1加工质量包含的内容零件的机械加工质量包括加工精度和加工表面质量。3机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（几微米~几十微米），但都错综复杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足够的重视。第五章机械加工表面质量4第五章机械加工表面质量55.1加工表面质量的概念5.2加工表面质量对零件使用性能的影响5.3影响加工表面粗糙度的因素5.4影响加工表面层物理机械性能的因素5.5改善表面粗糙度的方法5.6工件表面强化的常见方法6加工表面质量：工件加工后表面层的状态。加工表面质量表面粗糙度表面波度表面层物理、力学性能变化表面层几何形状特征表面层冷作硬化表面层残余应力表面层金相组织的变化纹理方向表面缺陷(伤痕)5.1加工表面质量的概念微观几何轮廓宏观几何轮廓789一般情况下表面硬化层的深度可达0.05—0.30mm。10111.表面粗糙度对耐磨性的影响（一）表面质量对零件耐磨性的影响5.2加工表面质量对零件使用性能的影响零件磨损三个阶段：初期磨损阶段；正常磨损阶段；剧烈磨损阶段零件耐磨性的影响因素：摩擦副的材料；润滑条件；表面质量(接触面积)。图5-1磨损过程的基本规律121.表面粗糙度对耐磨性的影响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。（一）表面质量对零件耐磨性的影响5.2加工表面质量对零件使用性能的影响13图5-1表面粗糙度与初期磨损量的关系表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。5.2加工表面质量对零件使用性能的影响142.冷作硬化对耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因为表面的冷作硬化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。HB磨损量(μm)过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“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。5.2加工表面质量对零件使用性能的影响153.表面纹理对耐磨性的影响表面纹理的形状及刀纹方向对耐磨性的影响，纹理形状及刀纹方向影响有效接触面积与润滑液的存留。4.表面层产生的金相组织变化零件耐磨性的影响金相组织的变化引起基体材料硬度的变化，进而影响零件的耐磨性。5.2加工表面质量对零件使用性能的影响16（二）表面质量对零件疲劳强度的影响1.表面粗糙度对疲劳强度的影响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。5.2加工表面质量对零件使用性能的影响172.表面层冷作硬化与残余应力对耐疲劳性的影响适度的表面层冷作硬化能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：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：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。5.2加工表面质量对零件使用性能的影响18（三）表面质量对耐蚀性的影响1.表面粗糙度对耐腐蚀性的影响零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。2.表面残余应力对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，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。5.2加工表面质量对零件使用性能的影响19（四）表面质量对零件配合质量的影响1.表面粗糙度对零件配合精度的影响间隙配合:粗糙度值增大会使磨损增大，造成间隙增大，破坏了要求的配合性质。过盈配合:装配过程中一部分表面凸峰被挤平，产生塑性变形，实际过盈量减小，降低了配合件间的联接强度。过渡配合:因多用压力及锤敲装配，表面粗糙度也会使配合变松。2.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，就会影响它们精度的稳定性。5.2加工表面质量对零件使用性能的影响20（四）表面质量对零件配合质量的影响表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：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。表面层的残余应力会使零件在使用过程中继续变形，失去原来的精度，降低机器的工作质量。5.2加工表面质量对零件使用性能的影响21加工表面质量对零件使用性能的影响零件表面质量粗糙度太大、太小都不耐磨适度冷硬能提高耐磨性对疲劳强度的影响对耐磨性影响对耐腐蚀性能的影响对配合质量的影响粗糙度越大，疲劳强度越差适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度粗糙度越大、工作精度降低残余应力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蚀性越差压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性总结:22机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面。（一）切削加工时表面粗糙度的影响因素1.几何因素•刀尖圆弧半径rε•主偏角kr、副偏角kr′•进给量f5.3影响加工表面粗糙度的因素23副偏角主偏角，Kf：进给量，KkcotcotkfH'rrrr刀尖圆弧半径r8rfHεε2当刀尖圆弧半径rε=0时，残留面积高度H为当刀尖圆弧半径rε＞0时，减小进给量f、减小主偏角kr和副偏角kr’、增大刀尖圆弧半径rε，都能减小理论残留面积的高度H，也就减小了零件的表面粗糙度。残留面积高度H的计算：242.非几何因素（1）工件材料的影响韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。脆性材料：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。5.3影响加工表面粗糙度的因素（2）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如图所示。积屑瘤和鳞刺仅在低速时产生。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。实线——只考虑塑性变形的影响虚线——考虑刀瘤和鳞刺的影响切削速度影响最大：v=10～50m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差。26（4）其它因素的影响此外，合理使用冷却润滑液，适当增大刀具的前角，提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。（3）进给量的影响减小进给量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。5.3影响加工表面粗糙度的因素27影响切削加工表面粗糙度的因素刀具几何形状刀具材料、刃磨质量切削用量工件材料•残留面积↓→Ra↓•前角↑→Ra↓•后角↑→摩擦↓→Ra↓•刃倾角会影响实际工作前角•v↑→Ra↓•f↑→Ra↑•ap对Ra影响不大，太小会打滑，划伤已加工表面•材料塑性↑→Ra↑•同样材料晶粒组织大↑→Ra↑，常用正火、调质处理•刀具材料强度↑→Ra↓•刃磨质量↑→Ra↓•冷却、润滑↑→Ra↓影响切削加工表面粗糙度的因素28外圆磨削（二）磨削加工时表面粗糙度的影响因素磨削用量：砂轮转速、工件转速、轴向进给量（f）、砂轮纵向进给量（ap）。砂轮的六因素：磨料，粒度，结合剂，硬度，组织，形状尺寸。5.3影响加工表面粗糙度的因素29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砂粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多，表面粗糙度值就越小。——“砂轮速度v↑，Ra↓”工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影响相反。工件转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，因此表面粗糙度值增大。——“工件速度vw↑，Ra↑”砂轮纵向进给增大，工件表面被砂轮重复磨削的次数减少，被磨表面的粗糙度值将增大。——“砂轮纵向进给f↑，Ra↑”1.磨削用量对表面粗糙度值的影响（二）磨削加工时表面粗糙度的影响因素磨削深度增大，表层塑性变形将随之增大，被磨表面粗糙度值也会增大。——“磨削深度ap↑，Ra↑”光磨次数↑，Ra↓1.磨削用量对表面粗糙度值的影响（二）磨削加工时表面粗糙度的影响因素为提高磨削效率，通常在开始磨削时采用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表面粗糙度值。31砂轮粒度：磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨粒越细，刃口的等高性越好。则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越细密均匀，表面粗糙度值就越小。太细，砂轮已被堵塞使加工表面烧伤。砂轮粒度常取46～60号。砂轮硬度:太硬，磨粒脱落↓,表面粗糙度增大；太软，磨粒脱落↑,使表面粗糙度值增大。硬度合适、自励性好↑→Ra↓常选用中软砂轮。砂轮组织。紧密组织在精密磨获得高精度和较小的表面粗糙度值；疏松组织不易堵塞,适于磨削软金属、非金属软材料和热敏性材料。中等组织的砂轮2.砂轮性能对表面粗糙度值的影响磨削速度比一般切削速度高得多，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。32砂轮修整：砂轮修整除了使砂轮具有正确的几何形状外，更重要的是使砂轮工作表面形成排列整齐而又锐利的微刃。因此，砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大。精细修整过的砂轮可有效减小被磨工件的表面粗糙度值。砂轮磨料：砂轮磨料选择适当，可获得满意的表面粗糙度。2.砂轮性能对表面粗糙度值的影响氧化物（刚玉）砂轮：磨钢类零件；碳化物（碳化硅、碳化硼）砂轮：磨铸铁、硬质合金等；高硬材料（人造金刚石、立方氮化硼）砂轮：可获极小表面粗糙度值，成本高。33表面物理机械性能影响金相组织变化因素影响显微硬度因素影响残余应力因素•塑变引起的冷硬•金相组织变化引起的硬度变化•冷塑性变形•热塑性变形•金相组织变化•切削热5.4影响加工表面层物理机械性能的因素冷作硬化残余应力金相组织变化表现形式34（一）加工表面层的冷作硬化1.表面层冷作硬化的产生冷作硬化：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，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化和强化。5.4影响加工表面层物理机械性能的因素35衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项：1）表面层的显微硬度H；2）硬化层深度h；3）硬化程度NN=(H-H0)/H0×100％式中H0——工件原表面层的显微硬度。5.4影响加工表面层物理机械性能的因素36(1)刀具几何形状的影响切削刃rε↑、前角↓、后面磨损量VB↑→表层金属的塑变加剧→冷硬↑(3)切削用量的影响切削速度v↑→塑变↓→冷硬↓f↑→切削力↑→塑变↑→冷硬↑(2)工件材料性能的影响材料塑性↑→冷硬↑2.影响冷作硬化的因素表面层冷作硬化的程度决定于产生塑性变形的力、变形速度及变形时的温度。力越大，塑性变形越大，则硬化程度越大；速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度越小；变形时的温度不仅影响塑性变形程度，还会影响变形后金相组织的恢复程度。37切削加工中，由