機械加工表面質量

1、機械制造基礎機械制造基礎第第7章章本次課目的本次課目的 明白表面質量的含義及其對零件使用性明白表面質量的含義及其對零件使用性能的影響能的影響 能寫出控制表面質量的工藝途徑和工藝能寫出控制表面質量的工藝途徑和工藝措施措施措施措施 能區(qū)分振動種類并能說出其相應的抑制能區(qū)分振動種類并能說出其相應的抑制振動的措施振動的措施6.2.1 6.2.1 基本概念基本概念1.1.機械加工表面機械加工表面質量的含義質量的含義 評價零件的質量指標除機械加工精評價零件的質量指標除機械加工精度外，還包括機械加工表面質量度外，還包括機械加工表面質量表面質量是指零件加工后的表面層狀態(tài)表面質量是指零件加工后的表面層狀態(tài)表面質

2、量影響零件的工作性能、可靠性、壽命表面質量影響零件的工作性能、可靠性、壽命表面微觀幾何形狀誤差表面微觀幾何形狀誤差表面切削加工刀表面切削加工刀紋的形狀和方向紋的形狀和方向介于宏觀幾何誤差與介于宏觀幾何誤差與表面粗糙度之間的周表面粗糙度之間的周期性幾何形狀誤差期性幾何形狀誤差加工表面?zhèn)€別位置出現(xiàn)的缺陷加工表面?zhèn)€別位置出現(xiàn)的缺陷表面層加工硬化表面層加工硬化（冷作硬化）（冷作硬化）表面層產(chǎn)生殘余應力表面層產(chǎn)生殘余應力表面層金相組織變化表面層金相組織變化2 2、加工表面質量對零件、加工表面質量對零件使用性能的影響使用性能的影響 表面粗糙度：表面粗糙度：表面冷作硬化：表面冷作硬化：有最佳有最佳Ra =

3、0.80.4Ra = 0.80.4%10000HHHNN N適當適當耐磨性耐磨性N N太嚴重太嚴重表層組織疏松、剝落表層組織疏松、剝落耐磨性耐磨性有最佳有最佳N N表面紋理方向：表面紋理方向：輕載：兩表面文理與相對運動方向一致輕載：兩表面文理與相對運動方向一致磨損最小磨損最小重載：未必重載：未必粗糙度粗糙度RaRa應力集中嚴重應力集中嚴重-1-1適當?shù)倪m當?shù)腘N阻止裂紋擴大阻止裂紋擴大-1-1殘余壓應力殘余壓應力-1-1殘余拉應力殘余拉應力+ +-1-1粗糙度粗糙度RaRa易存腐蝕液體易存腐蝕液體耐蝕性耐蝕性冷作硬化冷作硬化耐蝕性耐蝕性殘余壓應力殘余壓應力表面致密表面致密耐蝕性耐蝕性殘余拉應力

4、殘余拉應力+ +表面顯微裂紋表面顯微裂紋耐蝕性耐蝕性粗糙度粗糙度RaRa密封性能密封性能接觸剛度接觸剛度運動的靈活性運動的靈活性發(fā)熱損失發(fā)熱損失粗糙度粗糙度Ra Ra 冷作硬化冷作硬化表層金屬剝落表層金屬剝落配合性配合性質和精度破壞質和精度破壞殘余應力殘余應力零件變形零件變形影響配合性影響配合性質和精度質和精度) (rrkctgctgkfH+=028rfH6.2.26.2.2加工表面幾何特征的形成加工表面幾何特征的形成及其影響因素及其影響因素尖刀切削時尖刀切削時圓角刀切削時圓角刀切削時切削力和摩擦力切削力和摩擦力塑性變形過程中形成的積屑瘤塑性變形過程中形成的積屑瘤切削過程中工件表面上形成鱗刺切

5、削過程中工件表面上形成鱗刺在加工過程中，工藝系統(tǒng)有時在加工過程中，工藝系統(tǒng)有時會發(fā)生振動會發(fā)生振動切切削削加加工工刀具參數(shù)刀具參數(shù)工件材料性能工件材料性能磨磨削削加加工工切削用量切削用量磨削用量磨削用量砂輪參數(shù)砂輪參數(shù)工件材料性能工件材料性能切削液切削液磨削液磨削液影響切削加工表面影響切削加工表面粗糙度的因素粗糙度的因素刀具幾何形狀刀具幾何形狀刀具材料、刃磨質量刀具材料、刃磨質量切削用量切削用量工件材料工件材料殘留面積 Ra前角 Ra后角摩擦Ra刃傾角會影響實際工作前角 v Raf Raap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

6、材料強度 Ra刃磨質量 Ra冷卻、潤滑 Ra減小切削表面粗糙減小切削表面粗糙度的工藝措施度的工藝措施適當增大前角、后角適當增大前角、后角增大刀尖圓弧半徑增大刀尖圓弧半徑減小主、副偏角減小主、副偏角減小材料塑性減小材料塑性（采取正（采取正火、調質等方法）火、調質等方法）細化材料晶粒細化材料晶粒（熱處理熱處理）合理選擇切削速度，避開積屑合理選擇切削速度，避開積屑瘤、鱗刺產(chǎn)生的切削速度區(qū)瘤、鱗刺產(chǎn)生的切削速度區(qū)適當減少進給量適當減少進給量切削深度不宜過小切削深度不宜過小乳化液、硫化油、植物油等乳化液、硫化油、植物油等性能各有不同，應合理選用性能各有不同，應合理選用常用的有：常用的有：研磨、珩磨、研磨

7、、珩磨、超精加工等超精加工等主運動和進給運動主運動和進給運動系統(tǒng)的精度要高系統(tǒng)的精度要高系統(tǒng)的剛度和抗振性好系統(tǒng)的剛度和抗振性好受力變形和熱變形要小受力變形和熱變形要小磨削表面質量磨削表面質量磨削精度高，通常作為終加工工序磨削精度高，通常作為終加工工序磨削過程比切削復雜，一般滑擦、磨削過程比切削復雜，一般滑擦、刻劃、切削作用是同時進行的刻劃、切削作用是同時進行的磨削速度高，通常磨削速度高，通常v砂砂=4050m/s，目前甚至高達目前甚至高達v砂砂=80200m/s磨削溫度高，磨削點附近的瞬時溫度可磨削溫度高，磨削點附近的瞬時溫度可高達高達8001000，會引起燒傷和裂紋，會引起燒傷和裂紋徑向切

8、削力大，會引起機床發(fā)生振動和彈性變形徑向切削力大，會引起機床發(fā)生振動和彈性變形砂輪線速度砂輪線速度粗糙度值粗糙度值工件線速度工件線速度粗糙度值粗糙度值縱向進給量縱向進給量粗糙度值粗糙度值光磨次數(shù)越多，光磨次數(shù)越多，粗糙度值越小粗糙度值越小應合理使用切削液應合理使用切削液砂輪的粒度砂輪的粒度砂輪的硬度砂輪的硬度砂輪的修整砂輪的修整硬度、塑性、導熱性等影響較大硬度、塑性、導熱性等影響較大工件材料太軟、太硬、太工件材料太軟、太硬、太韌都不容易減小粗糙度韌都不容易減小粗糙度影響磨削加工表面影響磨削加工表面粗糙度的因素粗糙度的因素粒度粒度Ra 金剛石筆鋒利金剛石筆鋒利，修正導程、，修正導程、徑向進給量徑

9、向進給量 Ra磨粒等高性磨粒等高性Ra硬度硬度鈍化磨粒脫落鈍化磨粒脫落 Ra硬度硬度磨粒脫落磨粒脫落Ra硬度合適、自勵性好硬度合適、自勵性好Ra太硬、太軟、韌性、導熱性差 Ra砂輪粒度砂輪粒度工件材料性質工件材料性質砂輪修正砂輪修正磨削用量磨削用量砂輪硬度砂輪硬度砂輪砂輪V Raap、工件、工件V 塑變塑變 Ra粗磨粗磨ap生產(chǎn)率生產(chǎn)率精磨精磨ap Ra(ap=0光磨光磨) 1 1、表面層的殘余應力、表面層的殘余應力當切削過程中表面層組織發(fā)生形狀當切削過程中表面層組織發(fā)生形狀變化和組織變化時，在表面層及其變化和組織變化時，在表面層及其與基體材料的交界處會產(chǎn)生互相平與基體材料的交界處會產(chǎn)生互相平

10、衡的彈性應力，稱為表面殘余應力衡的彈性應力，稱為表面殘余應力冷塑性變形冷塑性變形（切削力的作用切削力的作用）熱塑性變形熱塑性變形（切削熱的作用切削熱的作用）+ +金相組織變化金相組織變化（切削高溫作用下，引起表面層金屬發(fā)生相變切削高溫作用下，引起表面層金屬發(fā)生相變）V V大大V V小小時時+通常是上述三種原因綜合作用的結果通常是上述三種原因綜合作用的結果2 2、表面層的加工硬化、表面層的加工硬化切削切削（含磨削）（含磨削）過程中，刀具前面迫使過程中，刀具前面迫使金屬受到擠壓而產(chǎn)生塑性變形，使晶體金屬受到擠壓而產(chǎn)生塑性變形，使晶體間產(chǎn)生剪切滑移，晶格嚴重扭曲，并使間產(chǎn)生剪切滑移，晶格嚴重扭曲，并

11、使晶粒拉長、破碎和纖維化，引起材料強晶粒拉長、破碎和纖維化，引起材料強化、硬度提高，這就是冷作硬化現(xiàn)象化、硬度提高，這就是冷作硬化現(xiàn)象表面冷作表面冷作硬化現(xiàn)象硬化現(xiàn)象HVHV-HVN0評定指標：評定指標：表面層的顯微硬度表面層的顯微硬度H H；硬化層深度硬化層深度h h；硬化程度硬化程度N N：%100HH-HN00表面層表面層硬化后硬化后的金屬的金屬性質的性質的具體特具體特點為點為晶體形狀改變晶體形狀改變（拉長、破碎）（拉長、破碎）晶體方向改變晶體方向改變（塑變后形成纖維化）（塑變后形成纖維化）變形抵抗力增加變形抵抗力增加（產(chǎn)生冷作硬化）（產(chǎn)生冷作硬化）導電、導磁、導熱性亦有變化導電、導磁、

12、導熱性亦有變化表面層產(chǎn)生殘余應力表面層產(chǎn)生殘余應力決定表決定表面層硬面層硬化程度化程度的因素的因素產(chǎn)生塑性變形的力產(chǎn)生塑性變形的力塑性變形的速度塑性變形的速度塑性變形時的溫度塑性變形時的溫度影響表面層加工影響表面層加工硬化的因素硬化的因素切削切削速度速度進給量進給量低速時，塑性變形大，冷硬大低速時，塑性變形大，冷硬大速度增加，冷硬減少；但速度速度增加，冷硬減少；但速度超過超過100m/min時，冷硬又增加時，冷硬又增加進給量增大，塑性變進給量增大，塑性變形增大，冷硬增加形增大，冷硬增加進給量太小，刀具擠壓進給量太小，刀具擠壓作用增大，冷硬增加作用增大，冷硬增加刀具的刃口圓角大和后刀面的磨刀具的

13、刃口圓角大和后刀面的磨損嚴重以及前刀面的粗糙度高，損嚴重以及前刀面的粗糙度高，都將使得刀具對工件表面層金屬都將使得刀具對工件表面層金屬的擠壓和摩擦作用增加，因而冷的擠壓和摩擦作用增加，因而冷硬程度和深度都增加硬程度和深度都增加工件材料硬度越低，切削時塑工件材料硬度越低，切削時塑性變形越大，冷硬現(xiàn)象越嚴重性變形越大，冷硬現(xiàn)象越嚴重切削力切削力冷作硬化冷作硬化切削熱切削熱冷作硬化冷作硬化利用淬過火的滾壓工具對工件表面施利用淬過火的滾壓工具對工件表面施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形，金屬表加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形，金屬表面晶格產(chǎn)生畸變，面晶格產(chǎn)生畸變，硬度增加，并使表硬度增加，并使表面冷和產(chǎn)生殘余（壓）應

14、力，面冷和產(chǎn)生殘余（壓）應力，從而提從而提高零件的承載能力和疲勞強度高零件的承載能力和疲勞強度典型滾壓加工典型滾壓加工外圓滾壓工具外圓滾壓工具利用金剛石擠壓，壓光利用金剛石擠壓，壓光后后Ra可達可達0.4 0.02m利用大量的珠丸（利用大量的珠丸（0.42的鑄鐵、的鑄鐵、砂石或鋼丸）高速打擊已加工表面，砂石或鋼丸）高速打擊已加工表面，使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余（壓）應力，使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余（壓）應力，從而提高零件的疲勞強度從而提高零件的疲勞強度利用液體和磨料的混合物高速噴利用液體和磨料的混合物高速噴射到已加工表面，射到已加工表面，以強化工件表以強化工件表面，提高工件的耐磨性、抗蝕性面，提高工件

15、的耐磨性、抗蝕性和抗疲勞強度和抗疲勞強度液體磨料噴液體磨料噴射加工原理射加工原理在工具和工件之間接一脈沖在工具和工件之間接一脈沖電源，使工具和工件之間不電源，使工具和工件之間不斷產(chǎn)生火花放電，使零件表斷產(chǎn)生火花放電，使零件表面產(chǎn)生物理化學變化，從而面產(chǎn)生物理化學變化，從而強化表面，改善其表面性能強化表面，改善其表面性能 當激光束照射到金屬表面時，當激光束照射到金屬表面時，其能量被吸收并轉化為熱，其能量被吸收并轉化為熱，由于激光轉化為熱的速率是由于激光轉化為熱的速率是金屬材料傳導率的數(shù)倍乃至金屬材料傳導率的數(shù)倍乃至數(shù)十倍，材料表面所獲得的數(shù)十倍，材料表面所獲得的熱量還來不及向基體擴散，熱量還來不

16、及向基體擴散，就使得表面迅速達到相變溫就使得表面迅速達到相變溫度以上；當激光束移開被處度以上；當激光束移開被處理表面的瞬間，表面熱量很理表面的瞬間，表面熱量很快被擴散傳至基體，即自激快被擴散傳至基體，即自激冷卻產(chǎn)生冷卻產(chǎn)生淬火效應淬火效應 激光激光強化強化的的工藝工藝特點特點熱影響區(qū)小，表面變形極小熱影響區(qū)小，表面變形極小 一般不受工件形狀及部位一般不受工件形狀及部位的限制，適應性較強的限制，適應性較強 加熱與冷卻均在正?？諝庵羞M行，不用加熱與冷卻均在正?？諝庵羞M行，不用淬火介質，工件表面清潔，操作簡便淬火介質，工件表面清潔，操作簡便 淬硬淬硬層組織細密，具有較高的硬層組織細密，具有較高的硬度

17、（達度（達800HV），），強度、韌性、強度、韌性、耐磨性及耐腐蝕性耐磨性及耐腐蝕性也較高也較高 表面硬化表面硬化層較淺，通常為層較淺，通常為0.31.1mm 設備費用高，應用受到一定限制設備費用高，應用受到一定限制 磨削磨削過程過程中的中的燒傷燒傷問題問題磨削過程中，由于磨削溫度很高，磨削過程中，由于磨削溫度很高，而且磨削熱有而且磨削熱有6080%傳給工件，傳給工件，當磨削溫度超過相變臨界點時，則當磨削溫度超過相變臨界點時，則會引起工件表面的金相組織發(fā)生變會引起工件表面的金相組織發(fā)生變化，此時表面層的顯微硬度也相應化，此時表面層的顯微硬度也相應發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷發(fā)生變化，這種現(xiàn)象

18、稱為磨削燒傷磨削燒傷磨削燒傷的類型的類型磨削淬火鋼時，會產(chǎn)磨削淬火鋼時，會產(chǎn)生三種金相組織變化生三種金相組織變化磨削溫度超過相變溫磨削溫度超過相變溫度度Ac3，未予冷卻時，未予冷卻時磨削溫度超過相變溫磨削溫度超過相變溫度度Ac3，充分冷卻時，充分冷卻時磨削溫度低于相變溫度磨削溫度低于相變溫度Ac3，但超過，但超過350時時磨削后，磨削后，表面常出表面常出現(xiàn)黃、褐、現(xiàn)黃、褐、紫、青等紫、青等燒傷色，燒傷色，這是工件這是工件在瞬時高在瞬時高溫下產(chǎn)生溫下產(chǎn)生的氧化膜的氧化膜顏色，相顏色，相當于回火當于回火時的顏色時的顏色影響燒傷影響燒傷的因素的因素磨削深度增加，燒傷增加磨削深度增加，燒傷增加縱向進給

19、量增加，燒傷減少縱向進給量增加，燒傷減少工件轉速增大，發(fā)熱量增工件轉速增大，發(fā)熱量增大，但接觸時間縮短大，但接觸時間縮短冷卻、散熱條件越差，冷卻、散熱條件越差，越易發(fā)生燒傷越易發(fā)生燒傷材料強度高，耗功多，發(fā)材料強度高，耗功多，發(fā)熱量大，易燒傷熱量大，易燒傷材料硬度高，磨削熱量多，易燒傷材料硬度高，磨削熱量多，易燒傷材料過軟，易堵塞砂輪而產(chǎn)生燒傷材料過軟，易堵塞砂輪而產(chǎn)生燒傷材料韌性好，磨削力大，材料韌性好，磨削力大，發(fā)熱量大，易燒傷發(fā)熱量大，易燒傷材料導熱性能差，易燒傷材料導熱性能差，易燒傷砂輪硬度太高，自礪砂輪硬度太高，自礪性差，易發(fā)生燒傷性差，易發(fā)生燒傷樹脂結合劑比陶瓷結樹脂結合劑比陶瓷結

20、合劑容易產(chǎn)生燒傷合劑容易產(chǎn)生燒傷橡膠結合劑比樹脂結橡膠結合劑比樹脂結合劑更易產(chǎn)生燒傷合劑更易產(chǎn)生燒傷砂輪粒度越細，越容易發(fā)生燒傷砂輪粒度越細，越容易發(fā)生燒傷避免避免燒傷燒傷的的途徑途徑設法減少磨削熱量的產(chǎn)生、加速熱設法減少磨削熱量的產(chǎn)生、加速熱量的傳出，采取強有力冷卻方式量的傳出，采取強有力冷卻方式合理選擇磨削用量，合理選擇磨削用量，適當提高工件的轉速適當提高工件的轉速考慮工件材料的硬度、塑考慮工件材料的硬度、塑性、韌性、熱導率的影響性、韌性、熱導率的影響合理選擇砂輪的硬度和粒度合理選擇砂輪的硬度和粒度帶有空氣擋板的帶有空氣擋板的切削液噴嘴切削液噴嘴內(nèi)冷卻砂輪結構內(nèi)冷卻砂輪結構防止磨削燒傷和裂

21、紋的關鍵防止磨削燒傷和裂紋的關鍵減少發(fā)熱減少發(fā)熱加強散熱加強散熱磨削磨削過程過程中殘中殘余應余應力的力的產(chǎn)生產(chǎn)生磨粒切削刃為負前角，法向切削力一般磨粒切削刃為負前角，法向切削力一般為切向切削力的為切向切削力的23倍，磨粒對加工表倍，磨粒對加工表面作用，引起冷塑性變形，產(chǎn)生壓應力面作用，引起冷塑性變形，產(chǎn)生壓應力磨削溫度高，易引起熱塑性變形，磨削溫度高，易引起熱塑性變形，表面出現(xiàn)拉應力表面出現(xiàn)拉應力磨削時，殘余應力可能超過材料的磨削時，殘余應力可能超過材料的強度極限，零件會產(chǎn)生裂紋，有的強度極限，零件會產(chǎn)生裂紋，有的在外表層，有的在內(nèi)層下在外表層，有的在內(nèi)層下磨削磨削裂紋裂紋產(chǎn)生產(chǎn)生的的原因原因

22、磨削深度和縱向走刀量磨削深度和縱向走刀量大，則塑性變形大，切大，則塑性變形大，切削溫度高，拉應力過大，削溫度高，拉應力過大，可能產(chǎn)生裂紋可能產(chǎn)生裂紋含碳量高者易裂紋含碳量高者易裂紋與淬火方式、速度與淬火方式、速度及操作方法有關及操作方法有關消除消除和減和減少磨少磨削裂削裂紋的紋的措施措施合理選材合理選材正確制訂熱處理工藝正確制訂熱處理工藝合理選擇砂輪合理選擇砂輪逐漸減小切除量逐漸減小切除量改善散熱條件，加強冷卻效果，改善散熱條件，加強冷卻效果，設法降低切削熱設法降低切削熱6.2.4 6.2.4 機械加工振動機械加工振動機械加工過程中，工藝系統(tǒng)有時機械加工過程中，工藝系統(tǒng)有時會發(fā)生振動，即在刀具

23、的切削刃會發(fā)生振動，即在刀具的切削刃與工件上正在切削的表面之間，與工件上正在切削的表面之間，除了名義上的切削運動之外，還除了名義上的切削運動之外，還會出現(xiàn)一種周期性的相對運動會出現(xiàn)一種周期性的相對運動機械機械振動振動破壞破壞正常正常切削切削運動運動的的表現(xiàn)表現(xiàn)使成形運動受到干擾，使加工表面使成形運動受到干擾，使加工表面出現(xiàn)振紋，惡化加工表面質量出現(xiàn)振紋，惡化加工表面質量引起崩刃，引起機床、夾具松動，引起崩刃，引起機床、夾具松動，縮短刀具及機床、夾具的使用壽命縮短刀具及機床、夾具的使用壽命限制切削用量的提高，降低生產(chǎn)效限制切削用量的提高，降低生產(chǎn)效率，甚至使切削加工無法繼續(xù)進行率，甚至使切削加工

24、無法繼續(xù)進行發(fā)出的噪聲會污染環(huán)境，發(fā)出的噪聲會污染環(huán)境，有害工人的身心健康有害工人的身心健康受迫受迫振動振動自激自激振動振動自由自由振動振動在外界周期性變化的干擾力在外界周期性變化的干擾力作用下產(chǎn)生的振動作用下產(chǎn)生的振動切削過程本身引起切削過程本身引起切削力周期性變化切削力周期性變化而產(chǎn)生的振動而產(chǎn)生的振動由于切削力突然變化或其它由于切削力突然變化或其它外界偶然原因引起的振動外界偶然原因引起的振動機械加工過程中主要是機械加工過程中主要是強迫振動和自激振動強迫振動和自激振動機機床床刀刀具具工工件件多刀、多刃、刃高誤差、多刀、多刃、刃高誤差、斷續(xù)切削引起的沖擊斷續(xù)切削引起的沖擊斷續(xù)表面、表面余量不

25、均或硬度不一斷續(xù)表面、表面余量不均或硬度不一傳動零件制造精度不高傳動零件制造精度不高主軸與軸承間隙過大主軸與軸承間隙過大往復機構的轉向和沖擊往復機構的轉向和沖擊皮帶接頭太粗皮帶接頭太粗某些零件缺陷、回轉件不平衡某些零件缺陷、回轉件不平衡地地基基干擾力：干擾力：F F（t t）=F=F0 0 sint sint 振動：振動：x x（t t）=Asin(t=Asin(t)2220)2()1 (DAA靜位移KFA00頻率比0系統(tǒng)固有頻率mK0阻尼比0rrm2rKDr-r-阻尼系數(shù)阻尼系數(shù)m-m-振動系統(tǒng)的質量振動系統(tǒng)的質量r r0 0-臨界阻尼系數(shù)臨界阻尼系數(shù)1 1）排除振源）排除振源2 2）隔振）隔振3 3）避開共振區(qū)）避開共振區(qū)4 4）提高系統(tǒng)抗振性）提高系統(tǒng)抗振性當系統(tǒng)受到外界當系統(tǒng)受到外界或本身某些偶然或本身某些偶然的瞬時干擾力作的瞬時干擾力作用而觸發(fā)的振動用而觸發(fā)的振動由振動過