機(jī)械制造工程學(xué)課件第5章機(jī)械加工表面質(zhì)量

第5章機(jī)械加工表面質(zhì)量5.1表面質(zhì)量的含義及其對零件使用性能的影響

5.2表面粗糙度及其影響因素

5.3控制加工表面質(zhì)量的措施

5.4振動對表面質(zhì)量的影響及其控制5.1.1表面質(zhì)量的基本概念產(chǎn)品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性，在很大程度上取決于其主要零件的表面質(zhì)量；所謂表面質(zhì)量是指零件在加工后表面層的狀態(tài)。機(jī)器零件的使用性能如耐磨性、疲勞強(qiáng)度、耐蝕性等等除與材料本身的性能和熱處理有關(guān)外，主要決定于加工后的表面質(zhì)量。5.1表面質(zhì)量的含義及其對零件使用性能的影響表面質(zhì)量的主要內(nèi)容：1.表面層的幾何形狀特征表面粗糙度：即表面微觀幾何形狀誤差表面幾何形狀：即表面宏觀不平度波度：介于宏觀幾何誤差與表面粗糙度之間的周期性幾何形狀誤差零件的表面質(zhì)量及其對使用性能的影響表面層微觀幾何形狀誤差加工后的表面幾何形狀，總是以“峰’，“谷”交替的形式偏離理想的表面。這是由于在機(jī)械加工過程中，刀痕、切削過程中的切屑分離時的塑性變形，工藝系統(tǒng)的某些振動，刀具與被加工表面的摩擦等造成的。根據(jù)偏離的誤差又有宏觀和微觀之分，表面粗糙度是微觀幾何形狀誤差，又稱之為微觀不平度。表面粗糙度，波度和形狀誤差三者的區(qū)分，通常都按波距(峰與峰或谷與谷的距離)來劃分。（1）表面粗糙度是指加工表面的微觀幾何形狀誤差（2）波度是介于加工精度（宏觀）和表面粗糙度（微觀）之間的周期性幾何形狀特性。主要由振動所引起。2.表面層物理機(jī)械性能的變化（1）表面層冷作硬化零件在機(jī)械加工過程中，表面層金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，使表層的硬度和強(qiáng)度都有提高，這種現(xiàn)象稱作冷作硬化。（2）表面層金相組織變化切削加工時，特別是磨削時的高溫，常會引起表層金屬發(fā)生相變。通常稱為磨削燒傷。（3）表面層殘余應(yīng)力零件加工過程中的切削冷塑性變形和切削熱塑性變形的影響，使加工表層會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。若殘余應(yīng)力超過了材料的極限強(qiáng)度，就會產(chǎn)生裂紋。微觀裂紋將給零件帶來嚴(yán)重的隱患。1表面質(zhì)量對零件耐磨性的影響零件磨損三個階段：初期磨損階段正常磨損階段劇烈磨損階段一般來說表面粗糙度值越小耐磨性越好。但太小不易儲油接觸面發(fā)生分子粘接，磨損增加。表面加工硬化使表層硬度增加耐磨性提高。但硬化過度會使表層剝落，加快零件的磨損。表面金相組織的變化會導(dǎo)致表層硬度發(fā)生變化，影響零件的耐磨性。5.1.2表面質(zhì)量對零件使用性能的影響表面冷作硬化對耐磨性的影響加工表面的冷作硬化，使摩擦副表面層金屬的顯微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。但也不是冷作硬化程度愈高耐磨性就愈高，這是因為過分的冷作硬化將引起金屬組織過度疏松，甚至出現(xiàn)裂紋和表層金屬的剝落，使耐磨性下降。如果表面層的金相組織發(fā)生變化，其表層硬度相應(yīng)地也隨之發(fā)生變化，影響耐磨性。金屬受交變載荷作用后產(chǎn)生的疲勞破壞往往發(fā)生在零件表面或表面冷硬層下面，因此零件的表面質(zhì)量對疲勞強(qiáng)度影響較大。

(1)表面粗糙度對疲勞強(qiáng)度的影響

(2)殘余應(yīng)力、冷作硬化對疲勞強(qiáng)度的影響2.表面質(zhì)量對疲勞強(qiáng)度的影響3.表面質(zhì)量對耐蝕性的影響零件的耐蝕性在很大程度上取決于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，則凹谷中聚積腐蝕性物

質(zhì)就愈多，抗蝕性就愈差。

表面層的殘余拉應(yīng)力會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，降低零件的耐蝕性，而殘余壓應(yīng)力則能防止應(yīng)力

腐蝕開裂。4.表面質(zhì)量對配合質(zhì)量的影響表面粗糙度值的大小將影響配合表面的配合質(zhì)量。對于間隙配合，表面粗糙度值大會使磨損加大，間隙增大，破壞了要求的配合性質(zhì)。對于過盈配合，裝配過程中一部分表面凸峰被擠平，實際過盈量減小，降低了配合件間的聯(lián)接強(qiáng)度。影響表面粗糙度的因素1）刀具幾何形狀的影響H=f/(cotκr+cotκr′)H=rε(1-cosα)≈f

2/8rε減小f

、κr

、κr′及加大rε

，可減小殘留面積的高度5.2表面粗糙度及其影響因素5.2.1切削加工中影響表面粗糙度的因素2）工件材料的性質(zhì)工件材料塑性越好，塑性變形越大，易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，加工表面粗糙。適當(dāng)增大刀具前角，提高刃磨質(zhì)量，合理選擇切削液，抑制積屑瘤和鱗刺。3）切削用量切削速度對表面粗糙度影響很大，切削塑性材料時切削速度處在產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺范圍內(nèi)，加工表面粗糙。1）砂輪的粒度磨粒越細(xì)表面粗糙度值越小2）砂輪的硬度硬度適當(dāng)表面粗糙度值小6）圓周進(jìn)給速度和軸向進(jìn)給量↑粗糙度值增大5）徑向進(jìn)給量和光磨次數(shù)徑向進(jìn)給量增加，粗糙度值增大；光磨次數(shù)增多，粗糙度值減小4）磨削速度提高磨削速度粗糙度值小3）砂輪的修整微刃性等高性好粗糙度值小7）冷卻潤滑液降低表面粗糙度值5.2.2磨削加工中影響表面粗糙度的因素1．表面層的加工硬化切削（含磨削）過程中，刀具前面迫使金屬受到擠壓而產(chǎn)生塑性變形，使晶體間產(chǎn)生剪切滑移，晶格嚴(yán)重扭曲，并使晶粒拉長、破碎和纖維化，引起材料強(qiáng)化、硬度提高，這就是冷作硬化現(xiàn)象5.2.3影響表面層物理、力學(xué)性能變化的因素表面層硬化后的金屬性質(zhì)的具體特點為：晶體形狀改變（拉長、破碎）晶體方向改變（塑性變形后形成一定方向，纖維化）變形抵抗力增加（產(chǎn)生冷作硬化）導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、導(dǎo)熱性亦有變化表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力決定表面層硬化程度的因素產(chǎn)生塑性變形的力塑性變形的速度塑性變形時的溫度影響加工冷作硬化的因素切削用量（主要是切削速度、進(jìn)給量。切削速度的影響：低速時，塑性變形大，冷硬大；速度增加，冷硬減少；但速度超過100m/min時，冷硬又增加。進(jìn)給量增大，塑性變形增大，冷硬增加；進(jìn)給量太小，刀具擠壓作用增大，冷硬增加。）刀具（刀具的刃口圓角大和后刀面的磨損嚴(yán)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的擠壓和摩擦作用增加，因而冷硬程度和深度都增加。）工件材料的影響（工件材料硬度越低，切削時塑性變形越大，冷硬現(xiàn)象越嚴(yán)重。）2.表面層材料金相組織變化

(1)磨削燒傷當(dāng)被磨工件表面層溫度達(dá)到相變溫度以上時，表層金屬發(fā)生金相組織的變化，使表層金屬強(qiáng)度、硬度降低，并伴隨有殘余應(yīng)力產(chǎn)生，甚至出現(xiàn)微觀裂紋，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。

1)回火燒傷

2)淬火燒傷

3)退火燒傷

(2)改善磨削燒傷的途徑磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷有兩個途徑：一是盡可能地減少磨削熱的產(chǎn)生；二是改善冷卻條件，盡量使產(chǎn)生的熱量少傳入工件。

1)正確選擇砂輪

2)合理選擇磨削用量

3)改善冷卻條件2.表面層材料金相組織變化圖5-17帶空氣擋板冷卻噴嘴3.加工表面層的殘余應(yīng)力1）形成表面殘余應(yīng)力的原因

冷塑性變形的影響熱塑性變形的影響金相組織變化的影響2）影響表面殘余應(yīng)力的主要因素

切削力、切削溫度和切削條件。

1)切削時在加工表面金屬層內(nèi)有塑性變形發(fā)生，使表層金屬的比體積加大，由于塑性變形只在表層金屬中產(chǎn)生，而表層金屬比體積增大，體積膨脹，不可避免地要受到與它相連的里層金屬的阻止，因此就在表面金屬層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，而在里層金屬中產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。(1)產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因2)切削加工中，切削區(qū)會有大量的切削熱產(chǎn)生圖5-49由于切削熱在表層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的分析圖(1)產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因

3)不同的金相組織具有不同的密度(ρ馬氏體=7.75t/m3，ρ奧氏體=7.96t/m3，ρ鐵素體=7.88t/m3，ρ珠光體=7.78t/m3)，亦即具有不同的比體積。(1)產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因(2)零件主要工作表面最終工序加工方法的選擇選擇零件主要工作表面最終工序加工方法，須考慮該零件主要工作表面的具體工作條件和可能的破壞形式。在交變載荷作用下，機(jī)器零件表面上的局部微觀裂紋，會因拉應(yīng)力的作用使原生裂紋擴(kuò)大，最后導(dǎo)致零件斷裂。從提高零件抵抗疲勞破壞的角度考慮，該表面最終工序應(yīng)選擇能在該表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的加工方法。提高加工表面質(zhì)量的加工方法有兩大類：尋求各工藝參數(shù)的最佳組合，以降低表面粗糙度著重改善表面的物理力學(xué)性能，提高工件的表面質(zhì)量5.3控制加工表面質(zhì)量的措施1．降低表面粗糙度的加工方法超精密切削和低粗糙度磨削采用超精加工、珩磨、研磨、拋光等方法作為終工序加工2．改善表面物理力學(xué)性能的加工方法滾壓加工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，金屬表面晶格產(chǎn)生畸變，硬度增加，并使表面冷和產(chǎn)生殘余（壓）應(yīng)力，從而提高零件的承載能力和疲勞強(qiáng)度噴丸強(qiáng)化利用大量的珠丸（φ0.4~φ2的鑄鐵、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(yīng)力，從而提高零件的疲勞強(qiáng)度圖5-31滾壓加工原理圖5.4振動對表面質(zhì)量的影響及其控制機(jī)械加工過程中振動的危害

影響加工表面粗糙度，振動頻率較低時會產(chǎn)生波度影響生產(chǎn)效率加速刀具磨損，易引起崩刃影響機(jī)床、夾具的使用壽命產(chǎn)生噪聲污染，危害操作者健康

工藝系統(tǒng)受到初始干擾力而破壞了其平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)僅靠彈性恢復(fù)力來維持的振動稱為自由振動。

由于系統(tǒng)中總存在由阻尼，自由振動將逐漸衰弱，對加工影響不大。機(jī)械加工過程中振動的類型自由振動自由振動強(qiáng)迫振動自激振動強(qiáng)迫振動產(chǎn)生原因

由外界周期性的干擾力（激振力）作用引起強(qiáng)迫振動振源：機(jī)外＋機(jī)內(nèi)。機(jī)外振源均通過地基把振動傳給機(jī)床。機(jī)內(nèi)：

1）回轉(zhuǎn)零部件質(zhì)量的不平衡

2）機(jī)床傳動件的制造誤差和缺陷

3）切削過程中的沖擊

頻率特征：與干擾力的頻率相同，或是干擾力頻率整倍數(shù)

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

相角特征：強(qiáng)迫振動位移的變化在相位上滯后干擾力一個φ角，其值與系統(tǒng)的動態(tài)特性及干擾力頻率有關(guān)。強(qiáng)迫振動的特征自激振動的概念

在沒有周期性外力作用下，由系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)反饋產(chǎn)生的周期性振動自激振動過程可用傳遞函數(shù)概念說明（圖5-36）

自激振動是一種不衰減振動自激振動的頻率等于或接近于系統(tǒng)的固有頻率自激振動能否產(chǎn)生及振幅的大小取決于振動系統(tǒng)在每一個周期內(nèi)獲得和消耗的能量對比情況（圖5-37）。圖5-37自激振動系統(tǒng)能量關(guān)系A(chǔ)BC能量EQE－E＋0振幅電動機(jī)(能源)交變切削力F(t)振動位移X(t)圖5-36自激振動閉環(huán)系統(tǒng)機(jī)床振動系統(tǒng)（彈性環(huán)節(jié)）調(diào)節(jié)系統(tǒng)（切削過程）自激振動的特征◆再生機(jī)理：切削過程由于偶然干擾，使加工系統(tǒng)產(chǎn)生振動并在加工表面上留下振紋。第二次走刀時,刀具將在有振紋的表面上切削，使切削厚度發(fā)生變化，導(dǎo)致切削力周期性地變化，產(chǎn)生自激振動自激振動機(jī)理圖6-24-0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◆產(chǎn)生條件（圖6-24-0）：a）b）c）系統(tǒng)無能量獲得；d）y滯后于y0，即0＞φ＞-π

，此時切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出時切削力所作正功（獲得能量）大于切入時所作負(fù)功，系統(tǒng)有能量獲得，產(chǎn)生自激振動◆振型耦合機(jī)理：將車床刀架簡化為兩自由度振動系統(tǒng)，等效質(zhì)量m用相互垂直的等效剛度分別為k1與k2兩組彈簧支撐（設(shè)x1為低剛度主軸，圖6-24-1）圖6-24-1車床刀架振型耦合模型Fmabcdx1x1x2x2βk2k1α1α2X◆自激振動的產(chǎn)生：①k1=k2，x1與x2無相位差,軌跡為直線，無能量輸入②k1＞k2，x1超前x2

，軌跡d→c→b→a為一橢圓，切入半周期內(nèi)的平均切削厚度比切出半周期內(nèi)的大，系統(tǒng)無能量輸入③k1＜k2，x1滯后于x2

，軌跡為一順時針方向橢圓，即：a→b→c→d。此時，切入半周期內(nèi)的平均切削厚度比切出半周期內(nèi)的小，有能量獲得，振動能夠維持。機(jī)械加工中振動的防治

減小機(jī)內(nèi)干擾力的幅值調(diào)整振源的頻率，一般要求：◆調(diào)整振動系統(tǒng)小剛度主軸的位置（圖6-25-0）消除或減弱產(chǎn)生強(qiáng)迫振動的條件式中f和fn分別為振源頻率和系統(tǒng)固有頻率

隔振βx2x2x1x1x1x1x2x2圖6-25-0兩種尾座結(jié)構(gòu)消除或減弱產(chǎn)生自激振動的條件機(jī)械加工中振動的防治◆減小切削或磨削時的重疊系數(shù)