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第五章 机械加工表面质量,5-3,5-4,概述 表面粗糙度及其降低的工艺措施 表面层物理、力学性能及其改善的工艺措施 机械加工中的振动及其控制措施,内容提纲,5-2,5-1,第五章 机械加工表面质量,5-1 概述,一、表面质量的含义,零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包括加工表面质量。机械加工表面质量决定了机器的使用性能和使用寿命。机械加工表面质量是以机械零件的加工表面和表面层作为分析和研究对象的。 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耐磨性、抗腐蚀性、配合质量和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须引起足够的重视。,第五章 机械加工表面质量, 零件加工表面沿深度的组成及变化,加工表面层沿深度变化示意图,第五章 机械加工表面质量,第五章 机械加工表面质量,表面粗糙度：是指表面微观几何形状误差，其波长与波高的比值在L/H50的范围内，波距1mm。 表面波度：是介于加工精度（宏观几何形状误差L/H 1000）和表面粗糙度间的一种带有周期性的几何形状误差，其波长与波高的比值在50L/H1000的范围，波距=110mm 纹理方向： 纹理方向是指表面刀纹的方向，它取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法。 表面缺陷：是加工表面上一些个别位置上出现的缺陷。例如：砂眼、气孔、裂痕等。, 表面微观几何形状特征,第五章 机械加工表面质量,1) 表面层冷作硬化(简称冷硬)：在机械加工中,零件表面层产生强烈的冷态塑性变形后,引起的强度和硬度都有所提高的现象。一般情况下表面硬化层的深度可达0.05 0.30mm。 2) 表面层金相组织的变化：机械加工过程中，由于切削热或磨削热的作用引起工件表面温升过高，表面层金属的金相组织发生变化的现象。 3) 表面层残余应力：是由于加工过程中切削变形和切削热的影响，工件表面层产生的残余应力。, 表层物理力学性能变化,第五章 机械加工表面质量,二、表面质量对零件使用性能的影响,1.对耐磨性影响,1）表面粗糙度值小，耐疲劳性好； 2）适当硬化可提高耐疲劳性。,1）表面粗糙度值小，耐蚀性好； 2）表面压应力：有利于提高耐蚀性。,表面粗糙度值大，配合质量差。,1）表面粗糙度值大，耐磨性差，有一定限度（图）；,2.对耐疲劳性影响,3.对耐蚀性影响,4.对配合质量影响,2）纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好； 3）适当硬化可提高耐磨性。,第五章 机械加工表面质量,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,对工作精度的影响,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：,1）表面粗糙度对零件的密封和摩擦性能的影响很大。降 低粗糙度到一定值是保证良好密封、防止泄漏、降摩 减摩、提高效率和节能降耗的有效途径； 2）表面粗糙度对机械产品的精度、寿命等起重要作用。 零件设计时，确定表面粗糙度要求时，应考虑其使用 及工艺方法的可行性和经济性； 3）图纸上一般不规定零件表层的物理机械性能，当达到 表面粗糙度要求时，表层物理机械性能也能满足。重 要机械零件（如在高速、重载荷下工作，要求零件有 较高的疲劳强度和耐磨性的零件）才作规定； 4）零件精度等级与表面粗糙度值两者应协调一致。,注,第五章 机械加工表面质量,表面粗糙度及其降低的工艺措施,第五章 机械加工表面质量,三、表面质量的研究内容,零件表层物理、力学性能及其改善的工艺措施,机械加工中的振动及其控制,一、 切削加工表面粗糙度影响因素及改善措施,车削时残留面积的高度,1）直线刃车刀（图a）,2）圆弧刃车刀（图b）,3）影响因素：,1.切削残留面积,5-2 表面粗糙度及其改善的工艺措施,第五章 机械加工表面质量,加工过程中存在塑性变形等。物理因素影响一般比较复杂，与加工表面形成过程有关，如积屑瘤、鳞刺和振动等。,2.物理因素,第五章 机械加工表面质量,1）工件材料的影响 （1）塑性材料：塑性、韧性愈好，塑性变形愈大，加工 表面愈粗糙。中碳钢和低碳钢的工件，为改善切削性能 ，减小表面粗糙度，粗或精加工前正火或调质处理。 （2）脆性材料：切屑的崩碎性，加工表面粗糙。 2）切削速度的影响 加工塑性材料，切削速度对表面粗糙度的影响（对积屑 瘤的影响）见如下图所示。切削速度越高，塑性变形越 不充分，表面粗糙度值越小。 低速宽刀和高速精切，表面粗糙度值小。,3.工艺因素与改进措施,第五章 机械加工表面质量,切削速度影响最大：v = 1050m/min范围内，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差。,第五章 机械加工表面质量,3）进给量的影响 减小进给量可减小切削残留面积高度，切削塑性变形减 小，有利于表面粗糙度值下降。 进给量太小，刀刃在切削过程形成挤压效应，增加工件 塑性变形，表面粗糙度值变大 。 4）切削深度的影响 切削深度对表面粗糙度的影响不明显。 5）工艺系统振动 工艺系统低频振动，产生表面波度；工艺系统高频振动 将会对粗糙度产生影响。确保工艺系统有足够的刚度和 采用积极的消振和减振措施，如适当增加阻尼、接触刚 度等。,第五章 机械加工表面质量,6）刀具的影响 （1）刀具的几何形状及刃磨质量 减小刀具的主偏角、副偏角，增大刀尖圆弧半径均 能有效地降低表面粗糙度值； 适当增大刀具前角，刀具轻松切入，减少切屑塑性 变形，可降低粗糙度值。前角不能太大，否则刀刃有 嵌入倾向，会增大表面粗糙度值； 前角一定，增大后角，钝圆半径减小，刀刃磨钝后 ，后刀面与已加工表面产生摩擦和挤压，有利于减小 的粗糙度值。刀具后角不能太大，否则刀刃强度下降 ，易产生切削振动，对表面粗糙度不利。,第五章 机械加工表面质量,（2）刀具的材料 化学成分不同，刀具与被加工材料分子亲合程度、摩 擦系数等均不同。相同切削条件下，用硬质合金加工 的表面粗糙度要比用高速钢好，金刚石刀具加工比用 硬质合金好，金刚石刀具主要用于有色金属及合金件 的镜面加工，其原因在于： 金刚石硬度和强度高，能在高温下保持其性能，长 时间的切削，其刀尖圆弧半径和刃口半径均能保持不 变，刃口锋利； 金刚石系共晶结合，与其它金属材料亲合力很小， 切屑不会焊接或粘结在刀尖上(即不产生积屑瘤)； 金刚石刀具前后刀面摩擦系数非常小，切削力及表 面金属塑性变形程度小，可降低加工表面粗糙度值。 7）其他因素：合理使用冷却润滑液等,第五章 机械加工表面质量,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,总结：,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。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。 一般情况下，可得出以下结论：砂轮的磨料粒度号越大、且速 度越高，工件速度越低，砂轮相对工件的进给量越小，则磨削后工 件加工表面的粗糙度越低。,二、 磨削加工表面粗糙度影响因素及改善措施,第五章 机械加工表面质量,1）砂轮速度v越高，Ra好； 2）工件速度vw越高，Ra 差； 3）砂轮纵向进给f越大，Ra 差； 4）磨削深度ap越大，Ra 差。,1.磨削用量影响,5）光磨次数越多，Ra越好。,第五章 机械加工表面质量,1）砂轮粒度大，Ra小，应适当； 2）砂轮硬度适中， Ra小 ，常取中软； 3）砂轮组织适中，Ra 小 ，常取中等组织； 4）采用超硬砂轮材料，Ra 小； 5）砂轮精细修整， Ra 小；,2.砂轮影响,3.其他影响因素,1）工件材料； 2）冷却润滑液等。,第五章 机械加工表面质量, 表面粗糙度的测量,第五章 机械加工表面质量, 1）比较法： 将被测表面与表面粗糙度样板进行对比，以确定被测表面的表面粗糙度等级。,（2）方法简便，适应在生产现场使用。,（3）准确度取决于检测人员的经验 。,（4）仅用于粗糙度值较大的工件表面 。,（1）方法要求样板的材料与加工纹理与被测表面尽可能一致。,第五章 机械加工表面质量, 2）触针法：将触针在被测表面移动时所作的上下运动经机电转换放大后输出表面轮廓参数值或表面轮廓图形。,（1）接触式测量,（2）测量精度的影响因素： 触针针尖圆角半径； 触针的作用力； 传感信号随触针移动的非线性等因素的影响。,3）适用检测Ra=0.025m。,第五章 机械加工表面质量, 3）光切法： 利用光切原理测量表面粗糙度的方法。,（1）Rz值是在测量长度范围内，n(n取5) 个取样长度的平均值 。 （2）检测精度Rz = 0.560 m 。,第五章 机械加工表面质量,4） 干涉法： 应用光波干涉原理测量粗糙度。,（1） Rz值是在测量长度范围内，n（n取5） 个取样长度的平均值; （2）检测精度Rz= 0.050.8m .,第五章 机械加工表面质量,5-3 表面层物理、力学性能及其改善的工艺措施,表面物理、力学性能,影响残余应力因素,影响冷作硬化因素,影响金相组织变化因素,塑变引起的冷硬 金相组织变化引起的硬度 变化,切削热,冷塑性变形 热塑性变形 金相组织变化,冷作硬化 金相组织变化 残余应力,表 现 形 式,第五章 机械加工表面质量,一、表面层的冷作硬化 产生原因 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、剪切滑移、晶粒 拉长、纤维化甚至碎化，使表面层的强度和硬度增加。 评定指标 1）表面层的显微硬度HV； 2）硬化层深度h； 3）硬化程度N N=(HV-HV0)/HV0100 式中：HV0工件原表面层的显微硬度。,第五章 机械加工表面质量, 影响表面冷作硬化的因素,1.切削加工,进给量增大，冷硬程度明显；, 1）切削用量影响, 2）刀具影响,刀尖半径越大，冷硬程度越明显； 其他几何参数影响不明显； 后刀面磨损影响显著。, 3）工件材料,材料塑性越大，冷硬倾向越明显。,切削速度影响复杂（力与热综合作用结果）； 切削深度影响不大。,第五章 机械加工表面质量,磨削速度越高，冷硬程度不明显（弱化作用加强）； 工件转速越高，冷硬程度越明显； 纵向进给量影响复杂。,磨削深度越大，冷硬程度越明显；, 1）磨削用量, 2）砂轮,砂轮粒度越大，冷硬程度不明显； 砂轮硬度、组织影响不显著。,3）工件材料,材料塑性越高， 冷硬倾向越明显； 材料导热性越好， 冷硬倾向不明显。,2.磨削加工,第五章 机械加工表面质量,使用刀具时，应合理限制其后刀面的磨损程度； 合理选择切削用量，采用较高的切削速度和较小的进给 量； 加工时采用有效的冷却润滑液。,合理选择刀具的几何形状，采用较大的前角和后角， 并在刃磨时尽量减小其切削刃口半径；, 减少表面冷硬的措施,第五章 机械加工表面质量,带空气挡板冷却喷嘴,二、 表面金属的金相组织变化,1）合理选择砂轮； 2）合理选择磨削用量； 3）改善冷却条件。,工件表层温度达到或超过材料相变温度，表层金相组织、显微硬度发生变化，伴随残余应力产生，出现彩色氧化膜。,1.磨削烧伤,磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现。,3.磨削烧伤与磨削裂纹的控制,2.磨削裂纹,第五章 机械加工表面质量,三、影响表层金属残余应力的因素,1）切削速度越高，残余应力越大（热应力起主导作用）。, 1.切削用量, 2.刀具,1）前角越小，残余拉应力越大； 2）刀具磨损严重，残余应力大。, 3.工件材料,1）材料塑性越高，残余应力越大 ； 2）铸铁等脆性材料易产生残余压应力。,2）进给量越大，残余应力越大。,3）切削深度影响不显著。,第五章 机械加工表面质量,四、表面强化工艺,方法：用淬硬和精细研磨的滚轮或滚珠，在常温下挤压金属表面，压下凸起部分，修正下凹、微观几何形状，形成压应力，提高耐疲劳强度。,1）方法：用大量快速运动珠丸打击工件表面, 工件表面产生冷硬层和压应力，疲劳强度好。,1.喷丸强化,滚压加工原理图,2）应用：强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，如板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等。,第五章 机械加工表面质量,
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