機械制造工藝學_第五章

1、5.0 機械加工表面質量及其控制表面質量是零件加工質量的重要方面，對零件使用性能有重要影響。本章在介紹加工表面質量概念的基礎上，重點討論影響加工表面粗糙度和表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改進措施。在影響機械加工表面質量的諸多因素中，切削用量、刀具幾何角度以及工件、刀具材料等起著非常重要的作用，學習者應了解這些因素對加工表面質量的影響規(guī)律，并應注意其與切削原理知識之間的相聯(lián)系。5.1 加工表面質量及其對零件使用性能的影響一 加工表面質量的概念加工表面的幾何形貌表面粗糙度 波長/波高50。波度 波長/波高=501000；且具有周期特性。宏觀幾何形狀誤差（平面度、圓度等） 波長/波高1000。紋

2、理方向 表面刀紋形式。表面缺陷 如砂眼、氣孔、裂紋等。a）波度b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度與波度5.1 加工表面質量及其對零件使用性能的影響一 加工表面質量的概念加工紋理方向及其符號標注a）紋理平行于標注代號的視圖平面；b）紋理垂直于標注代號的視圖平面；c）紋理呈交叉形；d）紋理呈近似同心圓；e）紋理呈迂回形；f）紋理呈近似放射形；g）紋理呈微粒，凸起，無方向5.1 加工表面質量及其對零件使用性能的影響一 加工表面質量的概念表面層金屬力學物理性能和化學性能表面層金屬冷作硬化：工件已加工表面的表層金屬在切削加工過程中發(fā)生了強烈的塑性變形，表程金屬內部晶粒受切削力的作用而產生了嚴重的扭曲畸變

3、，金屬組織變得更為密實，其顯微硬度明顯高于工件材料本身硬度。表面層金屬金相組織變化表面層金屬殘余應力加工變質層模型5.1 加工表面質量及其對零件使用性能的影響二 加工表面質量對零件使用性能的影響對耐磨性影響：由于一對剛加工好的摩擦副的兩個接觸表面之間，最初階段只是在峰部接觸，實際接觸面積遠小于理論面積，因此相互接觸的峰部受到非常大的壓力，其受到的剪切破壞嚴重，磨損快。之后實際接觸面積增大，摩擦速度減慢。最后隨著接觸面積的不斷增大，分子親和力增加，機械咬合作用增大，磨損加快。表面粗糙度值，耐磨性，但有限度。紋理：圓弧狀、凹坑狀較好，紋理方向與運動方向較好。適當冷作硬化可提高耐磨性。5.1 加工表

4、面質量及其對零件使用性能的影響二 加工表面質量對零件使用性能的影響對耐疲勞性影響表面粗糙度值，耐疲勞性。拉伸殘余應力易使疲勞裂紋增大，疲勞強度降低。壓縮殘余應力使疲勞強度增強。（影響較大）適當冷作硬化（產生表面壓應力）可提高耐疲勞性。（一般伴有殘余壓應力的產生）。但硬化過高，易產生較大的脆性裂紋，降低疲勞強度。對耐蝕性影響表面粗糙度值，耐蝕性。表面壓應力有利于提高耐蝕性。5.2影響加工表面的表面粗糙度的工藝因素及其改進措施一 切削加工表面的表面粗糙度殘留面積直線刃車刀直線刃車刀影響因素：刀尖圓弧半徑 r，主、副偏角r、r，進給量 f 。rH fcotr cotf 28rH 車削、刨削時殘留面積

5、的高度5.2影響加工表面的表面粗糙度的工藝因素及其改進措施一 切削加工表面的表面粗糙度殘留面積直線刃車刀直線刃車刀影響因素：刀尖圓弧半徑 r，主、副偏角r、r，進給量 f 。rH fcotr cotf 28rH 車削、刨削時殘留面積的高度5.2影響加工表面的表面粗糙度的工藝因素及其改進措施一 切削加工表面的表面粗糙度切削速度（積屑瘤）切削速度影響最大：v = 1050m/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5.2影響加工表面的表面粗糙度的工藝因素及其改進措施二 磨削加工表面的表面粗糙度磨削加工的特點砂輪表面的形貌復雜，磨粒在砂輪表面上的分布是隨機的，

6、高低不一，也很不規(guī)則。磨削速度高，且磨粒大多為負前角，單位切削力很大，所以切削溫度很高，可達15001600度，工件表面溫度也能高達900度，超過相變溫度。因此與切削加工相比，塑性變形大得多。被加工表面是由無數(shù)個高低不等的磨粒滑擦、刻劃和切削而成，因而衡量表面粗糙度的依據(jù)是單位時間內通過單位磨削面積的磨粒數(shù)多少（取出刻痕數(shù)多少）、刻痕的深淺及刻痕的均勻性。單位面積上的刻痕數(shù)越多、刻痕等高性越好、刻痕越均勻，則表面粗糙度越好。5.2影響加工表面的表面粗糙度的工藝因素及其改進措施二 磨削加工表面的表面粗糙度（從幾何因素和塑性變形兩方面影響）磨削用量砂輪速度v ，Ra工件速度vw，Ra砂輪縱向進給

7、f ，Ra磨削深度ap，Ra光磨次數(shù) ，Ra磨削用量對表面粗糙度的影響光磨次數(shù)-Ra關系5.2影響加工表面的表面粗糙度的工藝因素及其改進措施二 磨削加工表面的表面粗糙度砂輪及修整砂輪粒度細，Ra；但要適量。砂輪硬度適中， Ra ；常取中軟。砂輪組織適中，Ra ；常取中等組織。砂輪材料：與工件材料相適應（如氧化鋁適于磨鋼，碳化硅適于磨鑄鐵，金剛石砂輪適于磨陶瓷材料等）。采用超硬砂輪材料，Ra 砂輪精細修整， Ra 其他影響因素工件材料冷卻潤滑液等5.2影響加工表面的表面粗糙度的工藝因素及其改進措施二 磨削加工表面的表面粗糙度砂輪及修整砂輪粒度細，Ra；但要適量。砂輪硬度適中， Ra ；常取中軟。

8、砂輪組織適中，Ra ；常取中等組織。砂輪材料：與工件材料相適應（如氧化鋁適于磨鋼，碳化硅適于磨鑄鐵，金剛石砂輪適于磨陶瓷材料等）。采用超硬砂輪材料，Ra 砂輪精細修整， Ra 其他影響因素工件材料冷卻潤滑液等5.2影響加工表面的表面粗糙度的工藝因素及其改進措施三 表面粗糙度測量比較法觸針法： Ra0.025 m光切法： Rz0.560 m干涉法： Rz0.050.8 m工件驅動箱放大器處理器記錄器顯示表觸針傳感器觸針法工作原理5.2影響加工表面的表面粗糙度的工藝因素及其改進措施三 表面粗糙度測量比較法1光源 2聚光鏡 3窄縫 4工件表面 5目鏡透鏡 6分劃板 7目鏡雙管顯微鏡測量原理5.2影響

9、加工表面的表面粗糙度的工藝因素及其改進措施三 表面粗糙度測量比較法干涉顯微鏡測量原理1光源 2、10、15聚光鏡 3濾色片 4光闌 5透鏡 6、9物鏡7分光鏡 8補償 10、14、16反射鏡 12目鏡 13透光窗5.3影響表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改進措施一 加工表面層的冷作硬化加工硬化 ：加工表面表層金屬硬度高于里層金屬硬度的現(xiàn)象。加工硬化的產生：加工表面嚴重變形層內金屬晶格拉長、擠緊、扭曲、碎裂，使表層組織硬化。加工硬化度量表層金屬顯微硬度 HV硬化層深度 h（m）硬化程度 N式中 HV 硬化層顯微硬度（HV）； HV0 基體層顯微硬度（HV）。100%HVHV0HV0N 5.3影

10、響表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改進措施一 加工表面層的冷作硬化影響切削加工表面冷作硬化的因素切削用量影響f ，冷硬程度 。切削速度影響復雜（力與熱綜合作用結果）。背吃刀量影響不大。切削層厚度對冷硬的影響f 和 v 對冷硬的影響5.3影響表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改進措施一 加工表面層的冷作硬化影響切削加工表面冷作硬化的因素刀具幾何形狀的影響rn，冷硬程度。0，冷硬程度。其他幾何參數(shù)影響不明顯。后刀面磨損影響顯著。5.3影響表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改進措施一 加工表面層的冷作硬化影響磨削加工表面冷作硬化因素磨削用量磨削深度 冷硬程度 。磨削速度 冷硬程度 （弱化作用加強）

11、。工件轉速 冷硬程度 。縱向進給量影響復雜。砂輪砂輪粒度 冷硬程度 。砂輪硬度、組織影響不顯著。 工件材料材料塑性 冷硬傾向 。材料導熱性 冷硬傾向 。磨削深度對冷硬的影響vw=7.5m/min，vft=3750mm/min5.3影響表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改進措施一 加工表面層的冷作硬化冷作硬化測量方法表層顯微硬度HV顯微硬度計：采用頂角為136金剛石壓頭，載荷2N。斜截面測量：可同時測出硬化層深度 h（下圖）。硬化層深度測量斜截面測量顯微硬度三 表面金屬的殘余應力殘余應力的原因：材料表層比容的變化塑性變形表層拉伸塑性變形不能回復，比容增大，受到與它相連的里層未發(fā)生塑性變形金屬的阻

12、礙。切削熱表層發(fā)生熱塑性變形，因此在冷卻過程中，受到里層金屬的限制，產生拉應殘余應力。金相組織變化表層比容增大，則表層金屬將產生壓縮殘余應力，而里層產生拉伸殘余應力；表層比容減小，則表層金屬將產生拉伸殘余應力，而里層產生壓縮殘余應力；5.3影響表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改進措施三 表面金屬的殘余應力殘余應力影響因素切削用量v 殘余應力 （熱應力起主導作用）。 殘余應力 。背吃刀量影響不顯著。工件材料材料塑性 殘余應力 。鑄鐵等脆性材料易產生殘余壓應力。不同材料差異明顯。vc對殘余應力的影響刀具：0=0=5，r=75，r=0.8， 工件：45切削條件：ap=0.3mm， f=0.05mm

13、/r，不加切削液f 對殘余應力的影響5.3影響表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改進措施三 表面金屬的殘余應力18CrNiMoA車削殘余應力低速（620m/min）：拉伸殘余應力（熱應力起主導作用）。中速（200250m/min）：壓縮殘余應力。高速（500850m/min）：壓縮殘余應力（金相組織變化起主導作用）。切削速度對殘余應力的影響5.3影響表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改進措施三 表面金屬的殘余應力磨削加工殘余應力磨削用量背吃刀量：很小壓應力（塑性變形起主要作用）；增大拉應力（熱變形起主要作用）；再增大壓應力（塑性變形起主要作用）。v ，工件轉速 拉應力 。背吃刀量對殘余應力影響

14、5.3影響表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改進措施三 表面金屬的殘余應力各種加工方法在工件表面上殘留的內應力加工方法殘余應力情況殘余應力值/MPa殘余應力層深度h/mm車削一般情況，表面受拉，里層受壓；vc=500m/min時，表面受壓，里層受拉200800，刀具磨損后可達1000一般情況，0.050.10；用大負前角（030）車刀，vc很大時，h可達0.65磨削一般情況，表面受壓，里層受拉20010000.050.30銑削同車削6001500碳鋼淬硬表面受壓，里層受拉400750鋼珠滾壓鋼件表面受壓，里層受拉700800噴丸強化鋼件表面受壓，里層受拉10001200滲碳淬火表面受壓，里層受拉10001100鍍鉻表面受拉，里層受壓400鍍銅表面受拉，里層受壓2005.3影響表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改進措施5.3影響表層金屬力學物