機(jī)械表面加工質(zhì)量課件

第七章機(jī)械加工表面質(zhì)量零件機(jī)械加工表面質(zhì)量：經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后，工件表面上形成的微觀幾何形狀誤差和力學(xué)物理性能。當(dāng)零件在高速、高溫及大負(fù)載的條件下工作時(shí)，加工表面質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的性能，尤其是可靠性和壽命。對(duì)于航空產(chǎn)品，其加工表面質(zhì)量尤其重要。第一節(jié)基本概念1．表面的幾何形狀特征（1）

表面粗糙度：一般用微觀不平度的算術(shù)平均偏差Ra。（2）

表面波度：一般常用測(cè)量長(zhǎng)度上五個(gè)最大的波幅的算術(shù)平均值W來(lái)表示。（3）

表面加工紋理：指表面刀痕的類(lèi)型和方向。（4）傷痕：指加工表面上一些個(gè)別位置上出現(xiàn)的缺陷，如沙眼，氣孔，裂痕，劃痕等。

一、機(jī)械加工表面質(zhì)量的主要內(nèi)容：2.表面層物理力學(xué)性能表面層加工硬化。表面層金相組織的變化。表面殘余應(yīng)力。二、加工表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響表面質(zhì)量對(duì)耐磨性能、疲勞強(qiáng)度、耐腐蝕性、配合性質(zhì)等都有很大的影響。1.表面質(zhì)量對(duì)耐磨性的影響一般來(lái)說(shuō)，表面粗糙度值越小，耐磨性越好。但并不是越小越耐磨。大的粗糙度使初期磨損嚴(yán)重，粗糙度過(guò)小，磨損反而加劇。加工硬化能提高耐磨性，但硬化過(guò)度，導(dǎo)致金屬層變脆，磨損會(huì)加劇，所以零件的硬化層也要控制在一定范圍之內(nèi)。2.表面質(zhì)量對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響Ra愈小，抗疲勞性能愈好。一般冷作硬化提高抗疲勞強(qiáng)度，但也有的材料如鈦合金在一定的溫度下冷作硬化是不利的。3.表面質(zhì)量對(duì)耐腐蝕性能的影響表面粗糙度的Ra值愈小，耐蝕性能就愈強(qiáng)。有殘余拉應(yīng)力和冷作硬化的零件表面，都會(huì)使零件的抗蝕性下降。4.表面質(zhì)量對(duì)配合性質(zhì)的影響對(duì)有配合性質(zhì)的表面，要規(guī)定較小的粗糙度值。第二節(jié)表面粗糙度的形成及其影響因素一、切削加工后的表面粗糙度１、表面粗糙度的形成(1)幾何因素：刀具幾何形狀：刀尖圓弧半徑rε↑,幾何角度Kr、K`r↓，能降低殘留面積的高度。切削運(yùn)動(dòng)：進(jìn)給量f↓，能降低殘留面積的高度。(2)塑性變形積屑瘤：：①它能刻劃出縱向的溝紋來(lái);②它還會(huì)在破碎脫落時(shí)沾附在已加工表面上。生成、長(zhǎng)大和脫落將嚴(yán)重影響工件加工后的表面粗糙度。鱗刺：鱗刺對(duì)已加工表面質(zhì)量有嚴(yán)重的影響，它往往使表面粗糙度等級(jí)降低2～4級(jí)。(3)振動(dòng):切削過(guò)程中如果有振動(dòng)，表面粗糙度就會(huì)顯著變大。

２、影響表面粗糙度的工藝因素及改善措施(1)切削用量:

進(jìn)給量f↓減小進(jìn)給量f可以降低殘留面積的高度。同時(shí)也可以降低積屑瘤和鱗刺的高度，因而減小進(jìn)給量可以使表面粗糙度值減小。但進(jìn)給量減小到一定值時(shí)，再減小，塑性變形要占主導(dǎo)地位，粗糙度值不會(huì)明顯下降。當(dāng)進(jìn)給量更小時(shí)，由于塑性變形程度增加，粗糙度反而會(huì)有所上升。

切削速度Vc:塑性材料:加工塑性材料時(shí)，切削速度對(duì)積屑瘤和鱗刺的影響非常顯著。切削速度較低易產(chǎn)生鱗刺，低速至中速易形成積屑瘤，粗糙度也大。避開(kāi)這個(gè)速度區(qū)域，表面粗糙度值會(huì)減小。加工脆性材料時(shí)，因?yàn)橐话悴粫?huì)形成積屑瘤和鱗刺，所以切削速度對(duì)表面粗糙度基本無(wú)影響。背吃刀量aP一般來(lái)說(shuō)，切削深度對(duì)加工表面粗糙度的影響是不明顯的，在實(shí)際工作中可以忽略不計(jì)。但當(dāng)ap<0.02～0.03mm時(shí)，由于刀刃不是絕對(duì)尖銳而是有一定的圓弧半徑，這時(shí)正常切削就不能進(jìn)行，常擠壓滑過(guò)加工表面而切不下切屑而將在加工表面上引起附加的塑性變形，從而使加工表面粗糙度增大。所以切削加工不能選用過(guò)小的切削深度。但過(guò)大的切削深度也會(huì)因切削力、切削熱劇增而影響加工精度和表面質(zhì)量。（2）刀具幾何方面和刃磨的影響刀具幾何參數(shù)中對(duì)表面粗糙度影響最大的是刀尖圓弧半徑rε、副偏角k‘r和修光刃。刀尖圓弧半徑rε對(duì)表面粗糙度有雙重影響：rε增大時(shí)，殘留高度減小，另一方面變形將增加。由于前一種影響較大，所以當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑rε增大時(shí)，表面粗糙度將降低。副偏角k‘r愈小，表面粗糙度愈低。但減小副偏角容易引起振動(dòng)，故減小副偏角，必須視機(jī)床系統(tǒng)的剛度而定。采用一段長(zhǎng)度稍大于進(jìn)給量的修光刃(修光刃上k'r=0)是降低表面粗糙度的有效措施，利用增加修光刃來(lái)消除殘留面積是實(shí)際加工工件中常常采用的方法。刀具的刃磨質(zhì)量：刀刃前、后刀面，切削刃本身的粗糙度值直接影響被加工面的粗糙度。一般來(lái)說(shuō)，刀刃前、后刀面的粗糙度應(yīng)比加工面要求的粗糙度小1～2級(jí)。（3）被加工材料的影響一般來(lái)說(shuō)，材料韌性越好，塑性變形傾向越大，在切削加工中，表面粗糙度就越大。被加工材料對(duì)表面粗糙度的影響與其金相組織狀態(tài)有關(guān)。（4）切削液的影響切削液的冷卻和潤(rùn)滑作用能大大減少加工的表面粗糙度二、磨削加工后的表面粗糙度磨削加工表面粗糙度的形成，與磨削過(guò)程中的幾何因素、物理因素和工藝系統(tǒng)振動(dòng)等有關(guān)。從純幾何角度考慮，可以認(rèn)為在單位加工面積上，由磨粒的刻劃和切削作用形成的刻痕數(shù)越多、越淺，則表面粗糙度值越小?；蛘哒f(shuō)，通過(guò)單位加工面積的磨粒數(shù)越多，表面粗糙度值越小。

影響磨削加工表面粗糙度有如下因素：1.磨削用量的影響

1）提高砂輪速度Vc

砂輪速度Vc

越高，通過(guò)單位加工面積的磨粒數(shù)越多，表面粗糙度值越小。2）降低工件速度V工

工件速度V工越低，砂輪相對(duì)工件的進(jìn)給量f越小，則磨后的表面粗糙度值越小。3）選擇小的磨削深度ap

2.砂輪的影響1）選擇適當(dāng)粒度的砂輪砂輪粒度對(duì)加工表面粗糙度有影響，砂輪越細(xì)磨削表面粗糙度值越小。但砂輪太細(xì)，只能采用很小的磨削深度(ap＝0.0025mm以下)，還需時(shí)間很長(zhǎng)的空走刀，否則砂輪易被堵塞，造成工件燒傷。為此，一般磨削所采用的砂輪粒度號(hào)都不超過(guò)80號(hào)，常用的是40～60號(hào)。2）精細(xì)修整砂輪工作表面當(dāng)在磨削加工的最后幾次走刀之前，對(duì)砂輪進(jìn)行一次精細(xì)修整，使每個(gè)磨粒產(chǎn)生多個(gè)等高的微刃，從而使工件的Ra值降低。第三節(jié)加工表面力學(xué)物理性能的變化及其影響因素一、表面層的加工硬化1.加工硬化的產(chǎn)生定義：機(jī)械加工過(guò)程中，工件表面層受到切削力的作用產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)生滑移，晶粒被拉長(zhǎng)，這些都會(huì)使表面層金屬的硬度增加，塑性降低，這種現(xiàn)象稱(chēng)為加工硬化（或稱(chēng)為強(qiáng)化）。表層金屬冷作硬化的結(jié)果，會(huì)增大金屬變形的阻力，減小金屬的塑性，金屬的物理性質(zhì)（如密度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等）也有所變化。金屬冷作硬化的結(jié)果，使金屬處于高能位不穩(wěn)定狀態(tài)，只要一有條件，金屬的冷硬結(jié)構(gòu)本能地向比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱(chēng)為弱化。機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱，將使金屬在塑性變形中產(chǎn)生的冷硬現(xiàn)象得到恢復(fù)。由于金屬在機(jī)械加工過(guò)程中同時(shí)受到力因素和熱因素的作用，機(jī)械加工后表面層金屬的最后性質(zhì)取決于強(qiáng)化和弱化兩個(gè)過(guò)程的綜合。2.評(píng)定冷作硬化的指標(biāo)有下列三項(xiàng)：1）表層金屬的顯微硬度HV；2）硬化層深度h（m）；3）硬化程度N。式中HV0--工件內(nèi)部金屬原來(lái)的硬度。3.影響切削加工表面層加工硬化的因素1）切削用量的影響切削用量中以進(jìn)給量和切削速度的影響為最大。77圖7-9給出了在切削45鋼時(shí)，進(jìn)給量和切削速度對(duì)冷作硬化的影響。由圖可知：加大進(jìn)給量時(shí)，表層金屬的顯微硬度將隨之增加。這是因?yàn)殡S著進(jìn)給量的增大，切削力也增大，表層金屬的塑性變形加劇，冷硬程度增大。但是，這種情況只是在進(jìn)給量比較大時(shí)才是正確的；如果進(jìn)給量很小，比如切削厚度小于0.05～0.06mm時(shí)，若繼續(xù)減小進(jìn)給量。則表層金屬的冷硬程度不僅不會(huì)減小，反而會(huì)增大。當(dāng)切削速度增大時(shí)，刀具與工件的作用時(shí)間減少，使塑性變形的擴(kuò)展深度減小，因而冷硬層深度減小；當(dāng)然，切削速度增大時(shí)，切削熱在工件表面層上的作用時(shí)間也縮短了，將使冷硬程度增加。但在某些加工條件下，切削速度對(duì)冷硬的影響規(guī)律卻與此相反。例如，車(chē)削Q235A鋼在切削速度為14m／min時(shí)，冷硬層深度達(dá)到100μm；而切削速度提高到208m／min時(shí)，冷硬層深度才只有38μm，冷硬程度也顯著降低。切削速度對(duì)冷硬程度的影響是力因素和熱因素綜合作用的結(jié)果。背吃刀量對(duì)表層金屬冷作硬化的影響不大。72）刀具幾何形狀的影響切削刃鈍圓半徑的大小對(duì)切屑形成過(guò)程的進(jìn)行有決定性影響。實(shí)驗(yàn)證明，已加工表面的顯微硬度隨著切削刃鈍圓半徑的加大而明顯地增大。這是因?yàn)榍邢魅锈g圓半徑增大，徑向切削分力也將隨之加大，表層金屬的塑性變形程度加句劇，導(dǎo)致冷硬增大。前角在士20°圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)表層金屬的冷硬沒(méi)有顯著的影響。3）加工材料性能的影響工件材料的塑性越大，冷硬傾向越大，冷硬程度也越嚴(yán)重。碳鋼中含碳量越大，強(qiáng)度越高，其塑性越小，因而冷硬程序越小。有色合金金屬的熔點(diǎn)低，容易弱化，冷作硬化現(xiàn)象比鋼材輕得多。表7-1各種機(jī)械加工方法加工鋼件的表面層冷作硬化情況（P278）二、表面層金屬的金相組織變化與磨削燒傷1.金相組織的變化與磨削燒傷的產(chǎn)生機(jī)械加工過(guò)程中，在工件的加工區(qū)及其鄰近的區(qū)域，溫度會(huì)急劇升高，當(dāng)溫度升高到超過(guò)工件材料金相組織變化的臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生金相組織變化。 磨削燒傷，是指由于磨削時(shí)的瞬時(shí)高溫使工件表層局部組織發(fā)生變化，并在工件表面的某些部分出現(xiàn)氧化變色的現(xiàn)象。磨削燒傷會(huì)降低材料的耐磨性、耐腐蝕性和疲勞強(qiáng)度，燒傷嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)裂紋。磨削淬火鋼時(shí)，在工件表面層形成的瞬時(shí)高溫將使表層金屬產(chǎn)生以下三種金相組織變化：（l）回火燒傷：如果磨削區(qū)的溫度未超過(guò)淬火鋼的相變溫度（碳鋼的相變溫度為720°C），但已超過(guò)馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度（中碳鋼為300°C），工件表層金屬的馬氏體將轉(zhuǎn)化為硬底較低的回火組織（索氏體或托氏體），這稱(chēng)為回火燒傷。（2）淬火燒傷：如果磨削區(qū)溫度超過(guò)了相變溫度，再加上冷卻液的急冷作用，表層金屬會(huì)出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織，硬度比原來(lái)的回火馬氏體高；在它的下層。由冷卻較慢，出現(xiàn)了硬度比原來(lái)的回火馬氏體低的回火組織（索氏體或托氏體），這稱(chēng)為淬火燒傷。（3）退火燒傷：如果磨削區(qū)溫度超過(guò)了相變溫度，而磨削過(guò)程又沒(méi)有冷卻液，表層金屬將產(chǎn)生退火組織，表層金屬的硬度將急劇下降，這稱(chēng)為退火燒傷。2.改善磨削燒傷的工藝途徑

1）正確選擇砂輪

磨削導(dǎo)熱性差的材料（如耐熱鋼、軸承鋼及不銹鋼等）；容易產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象，應(yīng)特別注意合理選擇砂輪的硬度、結(jié)合劑和組織。硬度太高的砂輪，砂輪鈍化之后不易脫落，容易產(chǎn)生燒傷。為避免產(chǎn)生燒傷，應(yīng)選擇較軟的砂輪。選擇具有一定彈性的結(jié)合劑（如橡膠結(jié)合劑，樹(shù)脂結(jié)合劑），也有助于避免燒傷現(xiàn)象的產(chǎn)生。2）合理選擇磨削用量

磨削深度αp對(duì)磨削溫度影響極大，如圖7-14所示。從減輕燒傷的角度考慮，αp不宜過(guò)大。7加大橫向（軸向）進(jìn)給量ft對(duì)減輕燒傷有好處。圖4-15給出了橫向進(jìn)給量ft對(duì)磨削溫度分布影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為了減輕燒傷，宜選用較大的ft。加大工件的回轉(zhuǎn)速度νw，磨削表面的溫度升高，但其增長(zhǎng)速度與磨削深度αp。的影響相比小得多；且νw越大，熱量越不容易傳入工件內(nèi)層，具有減小燒傷層深度的作用。但增大工件速度νs。會(huì)使表面粗糙度增大，為了彌補(bǔ)這一缺陷，可以相應(yīng)提高砂輪速度νs。實(shí)踐證明。同時(shí)提高砂輪速度νs和工件速度νw，可以避免燒傷。從減輕燒傷而同時(shí)又盡可能地保持較高的生產(chǎn)率考慮，在選擇磨削用量時(shí)，應(yīng)選用較大的工件速度νw和較小的磨削深度ap。3）改善冷卻條件目前通用的冷卻方法（圖7-7）效果很差，實(shí)際上沒(méi)有多少磨削液能夠真正進(jìn)入磨削區(qū)。7-7采用內(nèi)冷卻砂輪采用開(kāi)槽砂輪在砂輪的圓周上開(kāi)一些橫槽，能使砂輪將冷卻液帶入磨削區(qū)，對(duì)防止工件燒傷十分有效。三、表面金屬的殘余應(yīng)力在機(jī)械加工過(guò)程中，當(dāng)表層金屬組織發(fā)生形狀變化、體積變化或金相組織變化時(shí)，將在表面層的金屬與其基體間產(chǎn)生相互平衡的彈性應(yīng)力，稱(chēng)為殘余應(yīng)力。1.表層金屬產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因1）冷塑性變形引起殘余應(yīng)力

機(jī)械加工時(shí)在加工表面的金屬層內(nèi)有塑性變形產(chǎn)生，使表層金屬的比容增大。由于塑性變形只在表面層中產(chǎn)生，而表面層金屬的比容增大和體積膨脹，不可避免地要受到與它相連的里層金屬的阻礙，這樣就在表面層內(nèi)產(chǎn)生了壓縮殘余應(yīng)力，而在里層金屬中產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力。當(dāng)?shù)毒邚谋患庸け砻嫔锨谐饘贂r(shí)，表層金屬的纖維被拉長(zhǎng)，刀具后刀面與已加工表面的摩擦又加大了這種拉伸作用。刀具切離之后，拉伸彈性變形將逐漸恢復(fù)，而拉伸塑性變形則不能恢復(fù)。表面層金屬的拉伸塑性變形，受到與它相連的里層未發(fā)生塑性變形金屬的阻礙，因此就在表層金屬中產(chǎn)生了壓縮殘余應(yīng)力，而在里層金屬中產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力。2）切削熱引起熱態(tài)塑性變形而產(chǎn)生殘余應(yīng)力在機(jī)械加工中，切削區(qū)會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，工件表面的溫度往往很高。切削過(guò)程結(jié)束之后，工件表面的溫度開(kāi)始下降。表層金屬因膨脹受阻或冷卻受阻而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。3）金相組織變化不同的金相組織具有不同的密度（γ馬氏體=7.75t／m3，γ奧氏體=7.96t／m3，γ鐵素體=7.88t／m3，γ珠光體=7.78／m3），也就會(huì)具有不同的比容。如果在機(jī)械加工中，表層金屬產(chǎn)生了金相組織的變化，表層金屬的比容將隨之發(fā)生變化，而表層金屬的這種比容變化必然會(huì)受到與之相連的基體金屬的阻礙，因此就會(huì)有殘余應(yīng)力產(chǎn)生。3.影響表層金屬殘余應(yīng)力的工藝因素