機械制造工藝學課件：機械加工表面質量 -

機械加工表面質量§6-1概述一、本講的內容

1.表面質量的評價指標；

2.表面質量對零件使用性能的影響；

3.影響加工表面質量的因素；

4.提高加工表面質量的方法；

5.切削加工過程中的機械振動與控制。二、學習的目的

1.了解表面質量形成機理，為提高表面加工質量應采取的工藝措施；

2.解決處理現場生產這中產品質量問題的分析方法；

3.掌握加工表面質量的評價。三、加工表面質量表面粗糙度波紋度紋理方向表面缺陷（劃痕、裂紋、砂眼等）表面質量表面幾何形狀精度(表面幾何形貌)表面缺陷層(力學物理性能和化學性能)表層加工冷作硬化表層金相組織變化表層殘余應力

1.定義：加工表面的幾何形貌和表面層金屬的力學物理性能和化學性能?！?/p>

2.零件加工表面微觀幾何形狀◆

3.零件宏觀幾何形狀誤差、波紋度、表面粗糙度宏觀幾何形狀誤差（平面度、圓度等）：波長/波高＞1000；波紋度：波長/波高=50～1000；有周期性；表面粗糙度：波長/波高＜50

；可從下列三項中選取:

輪廓算術平均偏差：Ra；

微觀不平度十點高度：Rz

輪廓最大高度：Ry

a）波紋度b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度與波度RZλHλRZ四、表面質量對零件使用性能的影響

1.對耐磨性影響Ra（μm）初始磨損量重載荷輕載荷表面粗糙度與初始磨損量1）表面粗糙度值小，耐疲勞性好；2）適當硬化可提高耐疲勞性。1）表面粗糙度值小，耐蝕性好；2）表面壓應力：有利于提高耐蝕性。表面粗糙度值大，配合質量差。1）表面粗糙度值大，耐磨性差，有一定限度（圖）；2.對耐疲勞性影響3.對耐蝕性影響4.對配合質量影響2）紋理形式與方向：圓弧狀、凹坑狀較好；3）適當硬化可提高耐磨性。零件表面質量粗糙度太大、太小都不耐磨。適度冷硬能提高耐磨性。對疲勞強度的影響對耐磨性影響對耐腐蝕性能的影響對工作精度的影響粗糙度越大，疲勞強度越差。適度冷硬、殘余壓應力能提高疲勞強度。粗糙度越大、工作精度降低。殘余應力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蝕性越差。壓應力提高耐腐蝕性，拉應力反之則降低耐腐蝕性。總結：注：

1）表面粗糙度對零件的密封和摩擦性能的影響很大。降低粗糙度值是保證良好密封、防止泄漏、降摩減摩、提高效率和節(jié)能降耗的有效途徑；

2）表面粗糙度對機械產品的精度、壽命等起重要作用。零件設計時，確定表面粗糙度要求時，應考慮使用、工藝方法的可行性和經濟性；3）圖紙上一般不規(guī)定表面層物理機械性能，當得到的表面粗糙度要求，表面層物理機械性能也合格。重要機械零件（如在高速、重載荷下工作，要求零件有較高的疲勞強度和耐磨性的零件）才作規(guī)定；4）零件精度等級與表面粗糙度值等級兩者應協(xié)調一致。

一、切削加工表面粗糙度影響因素

車削時殘留面積的高度1）直線刃車刀（圖a）2）圓弧刃車刀（圖b）3）影響因素：1.切削殘留面積§6-2

影響表面粗糙度工藝因素及改善措施

加工過程中存在塑性變形等。物理因素影響一般比較復雜，與加工表面形成過程有關，如積屑瘤、鱗刺和振動等。2.物理因素1）工件材料的影響（1）塑性材料：塑性、韌性愈好，塑性變形愈大，加工表面愈粗糙。中碳鋼和低碳鋼的工件，為改善切削性能，減小表面粗糙度，粗或精加工前正火或調質處理。（2）脆性材料：切屑的崩碎性，加工表面粗糙。2）切削速度的影響

加工塑性材料，切削速度對表面粗糙度的影響（對積屑瘤的影響）見如下圖所示。切削速度越高，塑性變形越不充分，表面粗糙度值越小。

低速寬刀和高速精切，表面粗糙度值小。3.工藝因素與改進措施

切削速度影響最大：v=10～50m/min范圍，易產生積屑瘤和鱗刺，表面粗糙度最差。切削45鋼時切削速度與粗糙度關系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（μm）481216202428收縮系數Ks1.52.02.53.0積屑瘤高度

h（μm）0200400600hKsRz3）進給量的影響

減少進給量可減小切削殘留面積高度，切削塑性變形減小，有利于表面粗糙度值下降。進給量太小，刀刃在切削過程形成擠壓效應不利，增加工件塑性變形，表面粗糙度值變大。3）切削深度的影響

切削深度對表面粗糙度的影響不明顯。4）工藝系統(tǒng)振動

工藝系統(tǒng)低頻振動，產生表面波度，工藝系統(tǒng)高頻振動將會對粗糙度產生影響。確保工藝系統(tǒng)有足夠的剛度和采用積極的消振和減振措施，如適當增加阻尼、接觸剛度等。5）刀具的影響（1）刀具的幾何形狀及刃磨質量①減小刀具的主偏角、副偏角，增大刀尖圓弧半徑均能有效地降低表面粗糙度值；②適當增大刀具前角，刀具輕松切入，減少切屑塑性變形，可降低粗糙度值。前角不能太大，否則刀刃有嵌入傾向，會增大表面粗糙度值；③前角一定，增大后角，鈍圓半徑減小，刀刃磨鈍后，后刀面與已加工表面產生摩擦和擠壓，有利于減小的粗糙度值。刀具后角不能太大，否則刀刃強度下降，易產生切削振動，對表面粗糙度不利。（4）刀具的材料

化學成分不同，刀具與被加工材料分子親合程度、摩擦系數等均不同。相同切削條件下，用硬質合金加工的表面粗糙度要比用高速鋼好，金剛石刀具加工比用硬質合金好，金剛石刀具主要用于有色金屬及合金件的鏡面加工，其原因在于：

①金剛石硬度和強度高，能在高溫下保持其性能，長時間的切削，其刀尖圓弧半徑和刃口半徑均能保持不變，刃口鋒利；

②金剛石系共晶結合，與其它金屬材料親合力很小，切屑不會焊接或粘結在刀尖上(即不產生積屑瘤)；

③金剛石刀具前后刀面摩擦系數非常小，切削力及表面金屬塑性變形程度小，可降低加工表面粗糙度值。

6）其他因素：合理使用冷卻潤滑液等影響切削加工表面粗糙度的因素刀具幾何形狀刀具材料、刃磨質量切削用量工件材料殘留面積↓→Ra↓前角↑→Ra↓后角↑→摩擦↓→Ra↓刃傾角會影響實際工作前角v↑→Ra↓f↑→Ra↑ap對Ra影響不大，太小會打滑，劃傷已加工表面材料塑性↑→Ra↑同樣材料晶粒組織大↑→Ra↑，常用正火、調質處理刀具材料強度↑→Ra↓刃磨質量↑→Ra↓冷卻、潤滑↑→Ra↓總結：

1）砂輪速度v越高，Ra好；

2）工件速度vw越高，Ra差；

3）砂輪縱向進給f越大，Ra

差；

4）磨削深度ap越大，Ra

差。圖磨削用量對表面粗糙度的影響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,b）ap(mm)00.010.40.8Ra(μm)00.20.60.020.030.04c）二、磨削加工表面粗糙度影響因素

1.磨削用量影響光磨次數-Ra關系Ra(μm)01020300.020.040.06光磨次數粗粒度砂輪(WA60KV)細粒度砂輪(WA/GCW14KB)2)光磨次數越多，Ra越好。

1）砂輪粒度大，Ra?。粦m當；

2）砂輪硬度適中，Ra??；常取中軟；

3）砂輪組織適中，Ra小

；常取中等組織；

4）采用超硬砂輪材料，Ra

?。?/p>

5）砂輪精細修整，Ra??；2.砂輪影響3.其他影響因素

1）工件材料；

2）冷卻潤滑液等。四、表面粗糙度的測量1.表面粗糙度的測量表面粗糙度的測量比較法觸針法光切法干涉法◆1）比較法：將被測表面與表面粗糙度樣板進行對比，以確定被測表面的表面粗糙度等級。（2）方法簡便，適應在生產現場使用。

（3）準確度取決于檢測人員的經驗。（4）僅用于粗糙度值較大的工件表面。

（1）方法要求樣板的材料與加工紋理與被測表面盡可能一致?！?）觸針法：將觸針在被測表面移動時所作的上下運動經機→電轉換→放大后輸出表面輪廓參數值或表面輪廓圖形。

（1）接觸式測量

（2）測量精度的影響因素：

觸針針尖圓角半徑；觸針的作用力；傳感信號隨觸針移動的非線性等因素的影響。

3）適用檢測Ra=0.02~5μm。

◆3）光切法：利用光切原理測量表面粗糙度的方法。

（1）Rz值是在測量長度范圍內，n(n取5)個取樣長度的平均值。

（2）檢測精度Rz=0.5~60μm

。Zp2lrZv6Zv5Zp6Zp5Zp4Zp3Zv4Zv3Zp1Rz中線Zv1Zv2◆4）干涉法：應用光波干涉原理測量粗糙度。（1）Rz值是在測量長度范圍內，n（n取5）個取樣長度的平均值;（2）檢測精度Rz=0.05~0.8μm.

掃描隧道顯微測量（STM）（1）掃描隧道顯微鏡1981年由在IBM瑞士蘇黎世實驗室工作的G.Binning和H.Rohrer發(fā)明，可用于觀察物體級的表面形貌。被列為20世紀80年度世界十大科技成果之一，1986年因此獲諾貝爾物理學獎。

（2）STM工作原理基于量子力學的隧道效應。當兩電極之間距離縮小到1nm時，由于粒子波動性，電流會在外加電場作用下，穿過絕緣勢壘，從一個電極流向另一個電極。當一個電極為非常尖銳的探針時，由于尖端放電使隧道電流加大。G.BinningH.Rohrer2.表面微觀形貌的測量STM圖bSTM工作過程演示圖aSTM實物照片

通過掃描隧道顯微鏡操縱氙原子用35個原子排出的“IBM”字樣

石墨三維圖像

AFM實物照片掃描探針磁盤圖像影響表面層物理力學性能的主要因素表面物理力學性能影響金相組織變化因素影響顯微硬度因素影響殘余應力因素塑變引起的冷硬金相組織變化引起的硬度變化冷塑性變形熱塑性變形金相組織變化切削熱§6-3影響表面物理力學性能的工藝因素及其控制一、表面層的冷作硬化

1.

產生原因

機械加工時，工件表面層金屬受到切削力的作用產生強烈的塑性變形，使晶格扭曲、剪切滑移、晶粒拉長、纖維化甚至碎化，使表面層的強度和硬度增加。2.評定指標

1）表面層的顯微硬度HV；

2）硬化層深度h；

3）硬化程度NN=(HV-HV0)/HV0×100％式中：HV0—工件原表面層的顯微硬度。二、

影響表面冷作硬化的因素1.切削加工

進給量增大，冷硬程度明顯；◆1）切削用量影響◆2）刀具影響

刀尖半徑越大，冷硬程度越明顯；其他幾何參數影響不明顯；后刀面磨損影響顯著。00.20.40.60.81.0磨損寬度VB(mm)100180260340硬度(HV)50鋼，v

=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)后刀面磨損對冷硬影響◆3）工件材料

材料塑性越大，冷硬傾向越明顯。切削速度影響復雜（力與熱綜合作用結果）；

切削深度影響不大。

f和v對冷硬的影響硬度(HV)0f(mm/r)0.20.40.60.8v=170(m/min)135(m/min)100(m/min)50(m/min)100200300400工件材料：45磨削速度越高，冷硬程度不明顯（弱化作用加強）；工件轉速越高，冷硬程度越明顯；縱向進給量影響復雜。磨削深度越大，冷硬程度越明顯；◆1）磨削用量◆2）砂輪

砂輪粒度越大，冷硬程度不明顯；砂輪硬度、組織影響不顯著?！?）工件材料

材料塑性越高，冷硬傾向越明顯；材料導熱性越好，冷硬傾向不明顯。磨削深度對冷硬的影響ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削2.磨削加工三、表面金屬的金相組織變化

1）合理選擇砂輪；

2）合理選擇磨削用量；

3）改善冷卻條件。

工件表層溫度達到或超過材料相變溫度，表層金相組織、顯微硬度發(fā)生變化，伴隨殘余應力產生，出現彩色氧化膜。1.磨削燒傷

磨削表面殘余拉應力達到材料強度極限，在表層或表面層下產生微裂紋。裂紋方向常與磨削方向垂直或呈網狀，常與燒傷同時出現。帶空氣擋板冷卻噴嘴3.磨削燒傷與磨削裂紋的控制2.磨削裂紋四、影響層金屬殘余應力的因素

1）切削速度越高，殘余應力越大（熱應力起主導作用）。◆1.切削用量◆2.刀具1）前角越小，殘余拉應力越大；2）刀具磨損嚴重，殘余應力大。

◆3.工件材料1）材料塑性越高，殘余應力越大；2）鑄鐵等脆性材料易產生殘余壓應力。

f對殘余應力的影響工件：45，切削條件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液殘余應力(Gpa)0.2000.200100200300400距離表面深度(μm)f

=0.40mm/rf

=0.25mm/rf

=0.12mm/r2）進給量越大，殘余應力越大。3）切削深度影響不顯著。

vc對殘余應力的影響γ0=5°,α0==5°,κr=75°,rε=0.8mm,工件：45切削條件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200距離表面深度(μm)殘余應力(Gpa)-0.2000.20vc

=213m/minvc

=86m/minvc

=7.7m/min五、表面強化工藝

方法：用淬硬和精細研磨的滾輪或滾珠，在常溫下擠壓金屬表面，壓下凸起部分，修正下凹、微觀幾何形狀，形成壓應力，提高耐疲勞強度。

1）方法：用大量快速運動珠丸打擊工件表面,工件表面產生冷硬層和壓應力，疲勞強度好。1.噴丸強化

滾壓加工原理圖

2）應用：強化形狀復雜或不宜用其它方法強化的工件，如板彈簧、螺旋彈簧、齒輪、焊縫等。2.滾壓加工

珠丸擠壓引起殘余應力

壓縮拉伸塑性變形區(qū)域§6-3機械加工過程中的振動

1.機械加工過程中振動的危害

1）影響加工表面粗糙度，振動頻率較低時會產生波度；

2）影響生產效率；

3）加速刀具磨損，易引起崩刃；

4）影響機床、夾具的使用壽命；

5）產生噪聲污染，危害操作者健康。

1）定義：工藝系統(tǒng)受初始干擾力影響破壞了其平衡狀態(tài)，系統(tǒng)僅靠彈性恢復力來維持的振動。

2）特點：系統(tǒng)總存在阻尼，自由振動將逐漸衰弱，對加工影響不大。2.機械加工過程中振動的類型3.自由振動自由振動強迫振動自激振動一、概述3.強迫振動產生原因

1）定義：由外界周期性的干擾力（激振力）作用引起。

2）強迫振動振源：機外與機內。機外通過地基將振動傳給機床。機內：（1）回轉零部件質量的不平衡；（2）機床傳動件的制造誤差和缺陷；（3）切削過程中的沖擊。

1）頻率特征：與干擾力頻率相同，或是干擾力頻率整倍數。

2）幅值特征：與干擾力幅值、工藝系統(tǒng)動態(tài)特性有關。當干擾力頻率接近或等于工藝系統(tǒng)某一固有頻率時，產生共振。

3）相角特征：強迫振動位移變化在相位上滯后干擾力φ角，其值與系統(tǒng)動態(tài)特性及干擾力頻率有關。4.強迫振動的特征二、機械加工過程中自激振動1.自激振動的概念

1）在沒有周期外力作用下，系統(tǒng)內部激發(fā)反饋產生的周期性振動；

2）自激振動過程可用傳遞函數概念說明。

1）不衰減振動；

2）頻率等于或接近于系統(tǒng)的固有頻率；

3）自激振動產生及振幅大小取決于系統(tǒng)在每一周期內獲得和消耗的能量對比情況。自激振動系統(tǒng)能量關系ABC能量EQE－E＋0振幅電動機(能源)交變切削力F(t)振動位移X(t)自激振動閉環(huán)系統(tǒng)機床振動系統(tǒng)（彈性環(huán)節(jié)）調節(jié)系統(tǒng)（切削過程）2.自激振動的特征◆1）再生機理：偶然干擾，使系統(tǒng)產生振動并在加工表面留下振紋。第二次走刀，刀具將在有振紋的表面切削，切削厚度發(fā)生變化，導致切削力周期性變化。3.自激振動機理

再生自激振動原理圖f切入切出y0ya）b）φy0y切入切出fc）φfy0y切入切出d）切入切出fy0yφ◆2）產生條件（圖例）：系統(tǒng)無獲得能量；y滯后于y0，即0＞φ＞-π

，切出比切入半周期的平均切削厚度大，切出切削力作正功（獲得能量）大于切入作負功，系統(tǒng)獲得能量?！?）振型耦合機理：車床刀架簡化為兩自由度振動系統(tǒng)，等效質量m用相互垂直的等效剛度分別為k1、k2兩組彈簧支撐（設x1為低剛度主軸）。

車床刀架振型耦合模型Fmabcdx1x1x2x2βk2k1α1α2X◆4）自激振動的產生：（1）k1=k2，x1與x2無相位差,軌跡為直線，無能量輸入（2