表面質量課件

1機械制造工藝過程

第九講

1機械制造工藝過程

第九講

本次課程目標加工表面質量的概念加工表面的幾何形狀誤差表面層金屬的力學物理性能和化學性能表面質量對耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性、零件配合質量的影響切削加工表面粗糙度削加工后的表面粗糙度

2本次課程目標加工表面質量的概念23機加工表面質量決定機器的使用性能和延長使用壽命。機械加工表面質量是以機械零件的加工表面和表面層作為分析和研究對象的。旨在研究零件表面層在加工中的變化和發(fā)生變化的機理；掌握機械加工中各種工藝因素對表面質量的影響規(guī)律；運用規(guī)律來控制加工中的影響因素，滿足表面質量的要求。3機加工表面質量決定機器的使用性能和延長使用壽命。4表面質量是指機器零件加工后表面層的狀態(tài)。表面質量的主要內容面兩部分：（1）表面層的幾何形狀（2）表面層的物理機械性能4表面質量是指機器零件加工后表面層的狀態(tài)。5表面粗糙度波度紋理方向傷痕(劃痕、裂紋、砂眼等)表面質量表面幾何形狀精度表面物理、機械性能表層加工硬化表層金相組織變化表層殘余應力5表面粗糙度表面質量表面幾何形狀精度表層加工硬化667零件宏觀幾何形狀誤差、波度、表面粗糙度宏觀幾何形狀誤差(平面度、圓度等)—波長/波高＞1000；波度

—波長/波高=50～1000；且具有周期特性；表面粗糙度

—波長/波高＜50。a）波度b）表面粗糙度圖

零件加工表面的粗糙度與波度RZλHλRZ7零件宏觀幾何形狀誤差、波度、表面粗糙度宏觀幾何形狀誤差(平8紋理方向：表面刀紋的方向，取決于表面形成過程中所采用的機械加工方法。傷痕：加工表面上一些個別位置上出現(xiàn)的缺陷，砂眼、氣孔、裂痕等。

8紋理方向：表面刀紋的方向，取決于表面形成過程中所采9910

表面質量對零件使用性能的影響1表面粗糙度對耐磨性的影響（1）微觀不平度---有效接觸面積---相對接觸運動---接觸面小，壓強大---凸峰處彈性、塑性變形及剪切---凸峰磨掉---金屬微粒---接觸點壓強大---破壞油膜---干摩擦---磨損快。（2）有效接觸面積增大---壓強減小---磨損慢。（3）有效接觸面積越來越大---金屬分子親和力增加---表面的機械咬合作用增大---急劇磨損。

10表面質量對零件使用性能的影響11分子粘接，潤滑液不易存儲11分子粘接，潤滑液不易存儲121213

2表面紋理對耐磨性的影響紋理形狀及刀紋方向---有效接觸面積---潤滑液。圓弧狀、凹坑狀---耐磨性好尖峰狀---摩擦副接觸面壓強大---耐磨性差兩刀紋方向與運動方向相同---耐磨性好垂直---耐磨性差

表面質量對零件使用性能的影響132表面紋理對耐磨性的影響表面質量對零件使用性能的影3冷作硬化對耐磨性的影響

冷作硬化---表層金屬顯微硬度提高---塑性降低---接觸部分彈性、塑性變形減少---磨損減少。

過度硬化---金屬組織疏松---相對運動---金屬剝落---接觸面間---小顆粒---磨損加快。14

表面質量對零件使用性能的影響3冷作硬化對耐磨性的影響

冷作硬化---表層金屬顯微硬度1515（二）對零件疲勞強度的影響1表面粗糙度對耐疲勞性的影響交變載荷作用---表面粗糙度凹谷部位----應力集中---疲勞裂紋。表面粗糙度值小---表面缺陷少---耐疲勞性好。16（二）對零件疲勞強度的影響16（二）對零件疲勞強度的影響其他因素：材料對應力的敏感程度材料的強度極限鋼材---最為敏感---強度極限高---對應力敏感程度大。鑄鐵和有色金屬對應力集中的敏感性較弱。17（二）對零件疲勞強度的影響17182力學物理性質對耐疲勞性的影響冷作硬化---阻礙裂紋生長---提高零件的疲勞強度。但冷硬層過深或過硬則容易產(chǎn)生裂紋，反而會降低疲勞強度。所以冷硬要適當。冷作硬化---產(chǎn)生殘余應力---影響疲勞強度。壓應力---部分抵消工作載荷施加的拉應力，延緩疲勞裂紋擴展。拉應力---使已加工表面產(chǎn)生裂紋而降低疲勞強度。182力學物理性質對耐疲勞性的影響191表面粗糙度對耐蝕性的影響表面粗糙度---接觸面積----凹坑----潮濕空氣和腐蝕介質堆積---發(fā)生化學腐蝕---或在凸峰間產(chǎn)生電化學作用---引起電化學腐蝕----抗腐蝕性差。

2力學物理性質對耐蝕性的影響表面冷硬和金相組織變化都會產(chǎn)生內應力。殘余壓應力---阻止裂紋擴大----提高零件表面抗腐蝕能力。表面質量對耐蝕性的影響191表面粗糙度對耐蝕性的影響表面質量對耐蝕性的影響20間隙配合---初期磨損顯著---磨損量與粗糙度平均高度成正比---粗糙度大、變化量大---穩(wěn)定性。過盈配合---粗糙度大---凸峰擠掉---過盈量減少。表面質量對零件配合質量的影響20間隙配合---初期磨損顯著---磨損量與粗糙度平均高度成

切削加工后的表面粗糙度:

主要取決于切削殘留面積的高度。21幾何因素:刀尖圓弧半徑主偏角副偏角進給量物理因素:

加工中的塑性變形積屑瘤金相組織影響切削加工表面粗糙度的工藝因素

切削加工后的表面粗糙度:

22圖

車削時殘留面積的高度直線刃車刀（圖a）（1）圓弧刃車刀（圖b）（2）影響因素：刀尖圓弧半徑rg，主偏角k，副偏角'k

，進給量f。fκrHvfⅠⅡrεb）HⅠⅡfa）vf切削殘留面積22圖車削時殘留面積的高度直線刃車刀（圖a）（1）圓弧積屑瘤:

概念:

在切削速度不高而又能形成連續(xù)切屑的情況下,加工一般鋼料或其他塑性材料時,常在前刀面處粘著一塊剖面有時呈三角狀的硬塊.它的硬度很高,通常是工件材料的2-3倍,在處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)時,能夠代替刀刃進行切削,這塊冷焊在前刀面的金屬就稱為積屑瘤。23積屑瘤:

概念:

在切削速度不高而又能形成連續(xù)切屑

對加工表面粗糙度的影響:

積屑瘤的底部相對穩(wěn)定一些,其頂部則很不穩(wěn)定,容易破裂,一部分連附于切屑底部而排出,一部分殘留在加工表面上,積屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切的非常粗糙,因此在精加工時必須設法避免或減小積屑瘤。24

對加工表面粗糙度的影響:

積屑瘤的底部相對穩(wěn)定一加工表面粗糙度的改善措施25選擇較小的進給量和較大的刀尖圓弧半徑選擇低速寬刀精切或高速精切在精加工前進行調質等處理,目的在于得到均勻細密的晶粒組織和較高的硬度合理選擇切削液適當增大刀具的前角,以減小切屑與前刀面接觸區(qū)的壓力提高刀具的刃磨質量加工表面粗糙度的改善措施25選擇較小的進給量和較大的刀尖圓弧262627切削過程中刀具的刃口圓角及后刀面對工件擠壓與摩擦而產(chǎn)生塑性變形。塑性材料----切削速度---積屑瘤---質量惡化選擇低速寬刀精切和寬刀精切，粗糙度小。27切削過程中刀具的刃口圓角及后刀面對工件擠壓與摩擦而產(chǎn)生塑28脆性材料---速度對表面粗糙度影響不大---比塑性材料易達到要求。同樣材料---金相組織粗大---粗糙度大。精加工前進行調質處理---均勻細密的晶粒組織和較高硬度。切削液、增大刀具的前角、提高刀具刃磨質量---減小表面粗糙度值。28脆性材料---速度對表面粗糙度影響不大---比塑性材料易29（一）幾何因素的影響1磨削用量對表面粗糙度的影響砂輪速度高---通過磨粒數(shù)多---粗糙度值小。工件速度高---通過磨粒數(shù)少---粗糙度值大。砂輪縱向進給小---重復磨削次數(shù)增加---粗糙度小。磨削加工后的表面粗糙度29（一）幾何因素的影響磨削加工后的表面粗糙度302砂輪粒度和砂輪修整對表面粗糙度的影響粒度：磨粒大小和磨粒之間距離。粒度號數(shù)大---參與磨削的磨粒多—粗糙度小。修整砂輪縱向進給量對粗糙度影響大。金剛石筆的縱向進給量越?。?.01mm）----砂輪表面磨粒的等高性越好----粗糙度小（0.1-0.2um）。302砂輪粒度和砂輪修整對表面粗糙度的影響31（二）表面層金屬的塑性變形---物理因素砂輪磨削速度很高---磨粒負前角---磨削比壓大---磨削區(qū)溫度高（900度）---相變---燒傷---塑性變形較切削多。塑性變形---幾何形狀變化---力、熱---晶粒橫向拉長---裂口、金屬堆積。影響磨削表層金屬塑性變形的因素---粗糙度的決定因素。31（二）表面層金屬的塑性變形---物理因素1磨削用量321磨削用量32331磨削用量---塑性變形---粗糙度砂輪速度高---塑性變形傳播速度>切削速度----工件材料來不及變形---表層金屬塑性變形小---粗糙度小。工件速度高---塑性變形增加---粗糙度高。磨削深度增加---塑性變形增加---粗糙度高。331磨削用量---塑性變形---粗糙度34砂輪（粒度、硬度、組織和材料）選擇---塑性變形---粗糙度粒度細（46-60）---粗糙度小---太細---砂輪被磨削堵塞---導熱不好---燒傷---粗糙度大。硬度（磨粒脫落的難易程度）太硬---不易脫落---磨鈍磨粒難取代---粗糙度大。硬度太軟---磨粒易脫落---磨削作用減弱---粗糙度大。選中軟砂輪。34砂輪（粒度、硬度、組織和材料）選擇---塑性變形---粗35砂輪的組織：磨粒、結合劑和氣孔的比例。緊密組織：磨粒比例大---氣孔小---（成形磨削和精密磨削）---高精度和小粗糙度。疏松組織：砂輪不易堵塞---（磨削軟金屬、非金屬、熱敏性材料）---小粗糙度。中等組織的砂輪。35砂輪的組織：磨粒、結合劑和氣孔的比例。36砂輪材料----塑性變形---粗糙度氧化物（剛玉）砂輪---適合于剛類零件。碳化物（碳化硅、碳化硼）---鑄鐵、硬質合金。高硬材料（人造金剛石、立方氮化硼）---極小粗糙度---成本很高。磨削液---溫度高---熱因素主導。36砂輪材料----塑性變形---粗糙度小結37加工表面質量的概念加工表面的幾何形狀誤差表面層金屬的力學物理性能和化學性能表面質量對耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性、零件配合質量的影響切削加工表面粗糙度削加工后的表面粗糙度小結37加工表面質量的概念第二部分1加工表面層的冷作硬化2表層金屬的金相組織的變化3實戰(zhàn)演練38第二部分1加工表面層的冷作硬化38冷作硬化的定義

機械加工過程中產(chǎn)生的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)生滑移，晶粒被拉長，這些都會使表面層金屬的硬度增加，統(tǒng)稱為冷作硬化。

位錯密度及其它晶體缺陷的增加是導致加工硬化的主要原因。39冷作硬化的定義機械加工過程中產(chǎn)生的塑性40位錯：晶體中某處一列或數(shù)列原子發(fā)生有規(guī)律的位置錯動。常見類型為刃型位錯和螺型位錯。

40位錯：冷作硬化的結果冷作硬化會增大金屬變形的阻力，使得金屬的強度、硬度升高，塑性、韌性下降，金屬的物理性質（如密度、導點性、導熱性等）發(fā)生變化。41冷作硬化的結果冷作硬化會增大金屬變形的阻力，使冷作硬化的消除42金屬冷作硬化的結果，使金屬處于高能位不穩(wěn)定狀態(tài)，只要一有條件，金屬的冷硬結構本能地向比較穩(wěn)定的結構轉化，這些現(xiàn)象稱為弱化。如機械加工中產(chǎn)生切削熱，使原子活動能力增大，晶粒的形狀發(fā)生變化，在原先亞晶界上的位錯大量聚集處，形成了新的位錯密度低的結晶核心，并不斷長大為穩(wěn)定的等軸晶粒，取代被拉長及破碎的舊晶粒。冷作硬化的消除42金屬冷作硬化的結果，使金屬處于高能43一加工表面層的冷作硬化（一）定義塑性變形---晶格扭曲、畸變---晶粒間滑移動---晶粒拉長---表層硬度增加---冷作硬化。冷作硬化---增大金屬變形的阻力---減小塑性—物理性質（密度、導電導熱性）變化。冷作硬化---高能位不穩(wěn)定狀態(tài)---有條件---冷硬結構本能向穩(wěn)定轉化---弱化。如切削熱。影響表層金屬力學物理性能的工藝因素

43一加工表面層的冷作硬化影響表層金屬力學物理性能的工藝因冷硬三個指標：1）表層金屬的顯微硬度HV;2)硬化深度h(um);3)硬化程度N。44冷硬三個指標：44影響切削加工表面冷作硬化的因素:切削用量45影響切削加工表面冷作硬化的因素:切削用量45461切削用量進給量大---切削力大---塑性變形大---顯微硬度大（只是在進給量比較大的情況下）。如果進給量很小----如切削厚度小于0.05-0.06mm時---繼續(xù)減小進給量---冷硬程度增加（見下圖）影響切削加工表面冷作硬化的因素:切削用量461切削用量影響切削加工表面冷作硬化的因素:切削用量474748切削速度大---刀具與工件作用時間短---塑性變形擴展深度減少---冷硬層深度減?。磺邢魉俣仍龃?--切削熱作用時間短---冷硬程度增加。有時候，切削速度增加---冷硬程度增加；有時相反。力因素和熱因素綜合作用的結果。切削深度對表層金屬冷作硬化的影響不大。影響切削加工表面冷作硬化的因素:切削用量48切削速度大---刀具與工件作用時間短---塑性變形擴展深49切削刃鈍圓半徑的大小對切削形成過程的形成有決定性影響。切削刃鈍圓半徑大---徑向切削分力大---表層塑性大---冷硬增大。刀具磨損對表層金屬冷硬影響很大。后刀面磨損寬度加大---后刀面與工件摩擦加劇---塑性增加---冷硬增大。磨損寬度繼續(xù)加大---摩擦熱急劇增大---弱化增大---顯微硬度逐漸下降----穩(wěn)定到一定水平（見下圖）。刀具幾何形狀的影響49切削刃鈍圓半徑的大小對切削形成過程的形成有決定性影響。刀5050513加工材料性能的影響材料塑性大---冷硬程度嚴重。碳剛中含碳量大---強度高---塑性小---冷硬程度小。有色合金金屬熔點低---容易弱化---冷硬程度輕。513加工材料性能的影響521工件材料性能的影響塑性、導熱兩方面磨削高碳工具剛T8，冷硬程度60%-65%;磨削純鐵，冷硬程度75%-80%；純鐵的塑性好---磨削時塑性變形大---強化傾向大；純鐵導熱性不高碳工具剛高，熱不容易集中----弱化傾向小。磨削加工表面冷作硬化的因素521工件材料性能的影響磨削加工表面冷作硬化的因素2磨削用量的影響532磨削用量的影響53542磨削用量的影響磨削深度大---磨削力大---塑性變形加劇---冷硬傾向增大?？v向進給速度加大---磨粒切削厚度增大---磨削力加大---冷硬增大?？v向進給速度加大---有時產(chǎn)生大熱量---冷硬減弱。（要考慮兩方面的情況）542磨削用量的影響552磨削用量的影響工件轉速高---縮短砂輪對工件熱作用時間---軟化傾向減弱---冷硬增大。磨削速度高---磨粒切削厚度小---塑性變形小----溫度高---弱化傾向大。高速磨削----冷硬程度低。3砂輪粒度的影響粒度大---每顆磨粒的載荷小---冷硬程度小552磨削用量的影響56（四）冷作硬化的測量顯微硬度計測量：原理與維氏硬度計相同。金剛石頭---打印痕---印痕大小----硬度。載荷大小不同。56（四）冷作硬化的測量575758（一）機械加工表面層金相組織的變化原因:機械加工---加工區(qū)、鄰近區(qū)---溫度急劇升高---超過工件材料金相組織變化的臨界點---發(fā)生金相組織變化（一般切削方法沒有如此嚴重）。磨削加工：磨削比壓大—磨削速度高---切除金屬的功率消耗大---消耗能量轉化為熱---80%熱傳給被加工表面，表面溫度升很高。表層金屬的金相組織變化58（一）機械加工表面層金相組織的變化表層金屬的金相組織59（一）機械加工表面層金相組織的變化淬火剛件：很高磨削溫度---表層金相組織變化---表層金屬硬度下降---表面呈現(xiàn)氧化膜顏色----“磨削燒傷”。磨削加工容易導致加工表面金相組織變化。表層金屬的金相組織變化59（一）機械加工表面層金相組織的變化表層金屬的金相組織60磨削淬火鋼時表面層產(chǎn)生的燒傷有以下三種：①回火燒傷:磨削區(qū)溫度超過馬氏體轉變溫度（300攝氏度）而未超過相變溫度（720攝氏度），工件表層金屬的馬氏體轉化成硬度較低的回火組織（索氏體或托氏體）。②淬火燒傷:磨削區(qū)溫度超過相變溫度，再加上冷卻液的急冷作用，表層金屬出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織，硬度比原來的回火馬氏體高；而它的下層則因為冷卻緩慢出現(xiàn)了硬度比原來回火馬氏體低的回火組織（索氏體或托氏體）。表層金屬的金相組織變化60磨削淬火鋼時表面層產(chǎn)生的燒傷有以下三種：表層金屬的金相③退火燒傷不用冷卻液進行干磨削時，磨削區(qū)溫度超過相變溫度，表層金屬產(chǎn)生退火組織，馬氏體轉變?yōu)閵W氏體，表層金屬硬度急劇下降。61③退火燒傷61621正確選擇砂輪磨削導熱性差的材料（如耐熱剛、軸承剛、不銹剛）---容易產(chǎn)生燒傷---合理選擇砂輪的硬度、結合劑和組織。砂輪硬度太高---砂輪鈍化后不易脫落---容易燒傷。避免燒傷：a較軟的砂輪

b具有一定彈性的結合劑（橡膠、樹脂結合劑）

c在砂輪孔隙內浸入潤滑物質（石蠟等）---減少摩擦熱---降低溫度---防止燒傷。改善磨削燒傷的工藝途徑621正確選擇砂輪改善磨削燒傷的工藝途徑63

合理選擇磨削用量63合理選擇磨削用量642合理選擇磨削用量642合理選擇磨削用量2合理選擇磨削用量從兩圖可以看出：磨削深度大----容易導致燒傷；橫向進給量增