第九章-已加工表面质量

第九章已加工表面质量9.1已加工表面的形成过程9.2已加工表面质量概述9.3表面粗糙度9.4加工硬化9.5残余应力9.1已加工表面的形成过程切削层金属经过第一、二变形后流出变成了切屑，经过第三变形区则形成了已加工表面。认为刀具切削刃绝对尖锐且无磨损，实际上：（1）切削刃也会有钝圆半径rn存在，如图9.1所示。高速钢的rn约为10~18µm，最小可达5µm；硬质合金的rn约为18~32µm，（2）在毗邻刃口的后刀面部分，经切削后要磨损，形成宽度为VB的窄棱面，该处后角变为零度。这样就使得第三变形区的变形变的复杂了。如图9.1所示，由于有rn的存在,刀具则不能把切削层厚度hD全部切下来，而留下了一薄层△hD即当切削层hD经过O点时，点O之上部分沿前刀面流动变成了切屑，之下部分则在切削刃钝圆半径作用下被挤压摩擦产生塑性变形，基体深部则产生弹性变形，直到与后刀面完全脱离接触又弹性恢复了△h，便留在已加工表面上。在此过程中，与后刀面的接触长度则由VB变成了VB+CD，从而增大了后刀面与已加工表面间的摩擦与挤压，把点O看成是切削层金属的分流点，点O以上部分变成切屑，点O以下部分形成已加工表面。9.2已加工表面质量概述9.2.1已加工表面质量的衡量指标已加工表面质量也称表面完整性。主要包括两方面内容：1、几何方面的质量已加工表面几何方面的质量是指工件最外层表面的几何形状，通常以表面粗糙度表示。2、材料特性方面的质量已加工表面在一定深度层的性能与基体不同,常称加工变质层。已加工表面质量可用下面四项内容表述:(1)表面粗糙度(2)表面层的加工硬化程度及硬化层深度(3)表面层结晶组织变化情况。(4)表面层及一定深度层的残余应力情况。9.2.2表面质量对产品使用性能的影响加工变质层虽只发生在很薄的表面层，但它会对机械零件的使用性能、对机器的性能和寿命产生很大的影响。1、影响耐磨性表面粗糙度大的零件，由于实际接触面积小,单位压力大，耐磨性差.接触刚度低,影响机器的工作精度。粗糙度值越小,实际接触面积越大,耐磨性越好，过小反会破坏润滑油膜而造成剧烈磨损.如机床导轨面一般以Ra1.6~0.8µm为宜。2、影响疲劳强度交变载荷作用时，表面粗糙度、划痕、微细裂纹等均会引起应力集中，从而降低疲劳强度。如经精细抛光或研磨过的粗糙度值很小表面的疲劳强度为100%的话,精车后的表面为90%，粗车表面仅为80%。残余应力为压应力，可阻碍和延缓裂纹的产生或扩大，从而提高疲劳强度。拉应力时,易产生微裂纹，大大降低疲劳强度。如:中碳钢零件经滚压加工后可比精车提高疲劳强度30%~80%.。3、影响耐蚀性表面粗糙度值大时容易使腐蚀性物质（气体或液体）渗透到表面的凹凸不平处,从而产生化学或电化学作用而被腐蚀。如表面呈残余拉应力,微裂纹处也同样容易被腐蚀；呈应压力时，会阻碍侵蚀作用的扩展，提高抗蚀能力。4、影响配合性质各种配合性质的机械零件，如粗糙度值超过规定值，经“跑合”后，动配合者的间隙加大，影响了配合的性质及可靠性。9.3表面粗糙度9.3.1概述经过切削加工后的工件表面总会有微观几何形不平度，不平度的高度称为粗糙度.粗糙度包括进给方向和切削速度方向的（图9.3）,通常所说的粗糙度是指进给方向的。粗糙度分为理论粗糙度和实际粗糙度。后者比前者大得多。加工表面实际粗糙度大约由五部分组成:(1)理论粗糙度。由刀具切削刃形状、进给量及运动关系按几何关系求得的H1(2)伴随积屑瘤的生长、脱落形成的H2(3)由切削机理本身的不稳定因素、材料隆起等产生的H3。(4)由切削刃与工件的相对位置变动（振动）产生的H4。(5)切削刃磨损、损坏造成的H5。9.3.2减小实际粗糙度的措施1、减小理论粗糙度把切削刃看成纯几何线时，相对于工件运动所形成的已加工表面微观不平度称理论粗糙度。其数值取决于残留面积的高度。理论粗糙度仍是实际粗糙度的基本构成因素。下面以外圆车削为例研究理论粗糙度的大小及影响因素。图9.4给出了外圆车削表面残留面积的高度。(1)当rε=0时，残留面积最大高度Rmax值为:(9.1)(2)当rε≠0时，则有(9.2)因为所以不难看出，要减小理论粗糙度Rmax值，可减小f、kr、kr’或增大rε。2、抑制积屑瘤（1）积屑瘤的形成条件。积屑瘤形成的基本条件包括三个方面：①工件方面。切削塑性材料且呈带状切削时。②刀具方面。刀具前角γ0=0o或不大以及为负值时，刀具刃磨质量不佳。③切削条件方面。切削速度νc中等、进给量f（或切削厚度hD)较大、不用切削液或切削液不起润滑减摩作用时。（2）形成过程。积屑瘤形成的主要原因在于切削底层与前刀面发生“冷焊“（粘结）,再加之很高的压力和适当的温度作用。要防止积屑瘤产生必须破坏“冷焊”条件,不在该温度范围内切削,即不在产生积屑瘤的切削速度范围内切削。（3）积屑瘤的特点①积屑瘤呈周期性地生成—长大—脱落—再生成—再长大。②切削速度vc不同，生成的积屑瘤高度Hb不同,如图9.5所示。（4）对切削过程的影响。①由图9.6不难看出,积屑瘤包围了刀具刃口并覆盖了部分前刀面,从而代替了刀具切削,客观上似乎起到了保护刀具的作用。②积屑瘤前角γb可达30o，使得工作前角γoe增大了，变形Λh减小，从而减小了Fc。③由于过切量△hD的存在，使得实际切削厚度在hD与（hD+△hD）之间变化，从而在切削速度方向刻画出深浅不同的犁沟，影响了表面粗糙度。④积屑瘤脱落的一部分附在切屑底部排除，另一部分碎片镶嵌在已加工表面上，影响表面质量。⑤γb的变化引起γoe的变化，使得切削力产生波动，将引起加工过程的振动。⑥因为积屑瘤的硬度比刀具高，因此积屑瘤的脱落会加剧刀具的粘结磨损。可见，积屑瘤对粗加工有利，特别是对精加工不利，（5）抑制措施抑制积屑瘤的根本措施在于破坏切屑底层与前刀面产生“冷焊”的条件。具体措施是：①通过热处理减小工件材料的塑性。②增大刀具前角γo≧35o，使积屑瘤基础不能形成。③减小进给量f（或切削厚度hD）,从而减小对前刀面的正压力，使“冷焊”不易产生。④改变切削速度vc.⑤采用加热切削或低温切削。⑥提高刀具刃磨质量，破坏“冷焊”条件。⑦使用润滑性能好的切削液，破坏“冷焊”条件。3、抑制鳞刺生成已加工表面上在切削速度方向出现的如鱼鳞片状的毛刺称鳞刺（图9.7）如:①改变工件材料热处理状态，使其减小塑性。②改变刀具前角γo。③改变切削速度vc。④减小进给量f。⑤使用润滑性能好的切削液。4、控制振动产生切削过程中振动是不可避免的。振动使得加工表面在微观不平度基础上又产生了波纹。强迫振动往往是影响表面粗糙度的重要因素。因此，要解决振动问题，必须首先找出振源是机内的还是机外的。所谓强迫振动，是由周期作用力,如电动机、齿轮、皮带轮、转轴、联轴节等机件的质量不平衡引起的。切削力的周期变化，多由积屑瘤、鳞刺、切屑折断等造成，不连续切削、多刀切削均产生此力。要控制振动产生就是要对机内的传动零件作好动平衡。另外，自激振动（颤动）是刀具与工件间在无外力作用时产生的，它会在加工表面上生成节距一定的振纹。其控制措施是:除改善机床动态特性外,还必须正确选择工件支承、刀具形状及固定形式、切削用量以及采用消振装置。综上所述，减小实际粗糙度的措施可归纳为两条:一条是从切削用量、刀具方面减小理论粗糙度，如：减小进给量f、刀具主偏角kr和副偏角kr’或增大刀尖圆弧半径rε等；另一条是抑制积屑瘤、鳞刺及振动的产生,凡是能抑制他们产生的因素均可减小实际粗糙度。9.4.1概述1、概念经切（磨）削过的表面，其硬度往往高出基体硬度1-2倍，即表面硬化了，硬化深度从几十微米至几百微米，这种不经热处理而由切（磨）削加工造成的硬化现象称加工硬化或冷作硬化。表面层的加工硬化，可使零件耐磨性提高，但脆性增加了，抗冲击性能下降，硬化了的表面层给后续工序加工增加了难度，也增加了刀具磨损。9.4加工硬化2、产生的原因工件表面层以下的一部分金属也将产生塑性变形；再加上刃口钝圆半径rn的挤压产生了很大的附加塑性变形。由于基体的弹性恢复，刀具后刀面继续与已加工表面接触摩擦，使已加工表面再次产生剪切变形.经过以上几次变形，使得金属晶格发生了扭曲，晶粒被拉长、破碎，阻碍了金属进一步变形而使金属强化,硬度显著提高。当大的深度，越接近已加工表面，另一方面，已加工表面除了上述的受力变形过程外，还受到切削温度的影响，如果切削温度低于相变点Ac1时，将使金属弱化，即硬度降低；更高的温度还将引起相变。因此，已加工表面的硬度是这种强化、弱化及相变综合作用的结果：从切削层剖面的显微照片中可看出：在已加工表面形成过程中，塑性变形已达到了表面层以下相变形硬化越严重。最表层为非晶质层，塑性变形非常剧烈，晶格均遭破坏。往下一次是塑性变形层、弹性变形层与基体。3、表示方法加工硬化通常以硬化程度N和硬化层△hd来表示。（1）硬化程度N为（9.3）式中H0—基体的显微硬度值（HV）；H—硬化层显微硬度值（HV）；4、减小加工硬化的措施（1）选择较大的γo、α0及较小的rn。（2）确定合理VB值。（3）合理选择切削用量：vc尽量高，f尽量小。（4）使用有效切削液。9.5残余应力9.5.1概述1、概述当切削力的作用取消后，工件表面保持平衡而存在的应力称残余应力。残余应力有大小和方向之分。2、残余应力产生的原因（1）塑性变形引起的应力。金属经塑性变形后体积将胀大，由于受到里层未变形金属的牵制，故表层呈残余压应力，里层呈残余拉应力。已加工表面形成过程中,位于刀具刃口前方工件材料的晶粒一部分随切屑流出，另一部分留在已加工表面上。晶粒在刃口分离处的水平方向受压，在垂直方向受拉。表层金属与后刀面挤压摩擦时产生拉伸塑性变形，与刀具脱离接触后，在里层金属的弹性恢复作用下，表层呈残余压应力。（2）切削温度引起的热应力。切削时，由于强烈摩擦与塑性变形，使已加工表面层温度很高，而里层温度很低，因而形成不均匀的温度分布。温度高的表层，体积膨胀将受到里层金属的阻碍,使表层金属产生热应力：当热应力超过材料屈服极限时，将使表层金属产生压缩塑性变形。切削后冷却至温室时，表层金属体积的收缩又受到里层金属的牵制，故而表层金属产生残余拉应力。（3）相变引起的体积应力。切削时，若表层温度高于相变温度，则表层组织可能发生相变；由于各种金相组织的体积不同，从而产生残余应力。如高速切削碳钢时，刀具与工件表面接触区温度可达600-800℃,而碳钢的相变温度在720℃。此时表层就可能发生相变，由珠光体转变称奥氏体，冷却后又转变为马氏体。而马氏体的体积比奥氏体大，故而表层金属膨胀，但要受到里层金属的阻碍，才使得表层金属受压，即产生压应力，里层金属受拉，即产生拉压力。当加工淬火钢时，若表层金属产生烧伤退火，马氏体转变为屈氏体或索氏体，此两种金相组织体积也比马氏体小，因而表层金属体积减小，但受到里层金属的牵制，从而表层会呈现残余拉应力。已加工表面呈现的残余应力，是上述诸因素综合作用的结果，最终结果则由起主导作用的因素所决定。还需指出，已加工表面不仅沿切削速度vc方向会产生残余应力δv，在进给方向也会产生残余应力δf，但往往表现δvδf。切削碳钢时，无论是切削速度方向还是进给方向，一般在已加工表面常呈残余拉应力。