第4講 已加工表面質量

第九章已加工表面質量翟鵬山東大學威海分校2008.04.202/3/20231第一節(jié)

已加工表面質量的概念一、已加工表面質量含義：1、表面幾何學方面：指零件最外層表面的幾何形狀，通常以表面粗糙度表示2、表面層材質的變化，如：塑性變形、硬度變化、微觀裂紋、殘余應力、晶粒變化、熱損傷區(qū)、化學性能、電磁特性的變化等。二、加工表面質量對零件性能的影響：1、表面粗糙度差的零件，零件接觸面積小，耐磨性差，容易磨損；2、零件受周期作用的載荷時，容易產(chǎn)生應力集中。3、加工硬化現(xiàn)象，加工表面硬度不均，并有裂紋，疲勞強度低4、殘余應力，降低零件耐疲勞、耐磨損、耐腐蝕性能。2/3/20232翟鵬第一節(jié)

已加工表面質量的概念已加工表面質量的標志工件經(jīng)過切削加工后，已加工表面質量的主要標志是：表面的粗糙度、表面層冷作硬化程度、表面層殘余應力的性質及其大小。已加工表面質量對工件成為機器零件后的使用性能有很大的影響。

2/3/20233翟鵬第二節(jié)

已加工表面的形成過程主要研究第三變形區(qū)的情況2/3/20234翟鵬

已加工表面的形成過程2/3/20235翟鵬左圖為剪切區(qū)應力分布圖，從圖中可以看出：正應力在O點處最大，兩側急劇減??；剪應力在O點處為零，在O點兩側逐漸增加。說明切屑層在O點分離2/3/20236翟鵬從三個變形區(qū)觀點，看已加工表面質量形成過程2/3/20237翟鵬從三個變形區(qū)觀點，看已加工表面質量形成過程2/3/20238翟鵬第三節(jié)

已加工表面粗糙度一、表面粗糙度產(chǎn)生的原因（1）幾何因素，主要決定于殘留面積高度；（2）切削過程不穩(wěn)定，其中包括：積屑瘤、鱗刺、切削變形、刀具的邊界磨損、刀刃與工件相互位置的變動（振動等）等。下面就每個原因進行分析：2/3/20239翟鵬1、殘留面積高度（理論粗糙度）切削刃相對于工件運動，能夠形成已加工表面。如果把切削刃看作幾何學的線，由相對于工件運動時，應該形成的已加工表面的粗糙度，稱為理論粗糙度。它的數(shù)值決定于殘留面積的高度。實際上，只有切削脆性材料或高速切削塑性材料時，已加工表面的粗糙度才比較接近理論組糙度，因為除此之外，還有許多其他因素，諸如鱗刺、積屑瘤、振動、切削刃不平整、工件材料組織的缺陷等等的影響，使已加工表面難以接近理論粗糙度。

2/3/202310翟鵬

殘留面積的高度abcdeRmaxRmax2f2fκrκ′r2/3/202311翟鵬殘留面積高度2/3/202312翟鵬殘留面積高度2/3/202313翟鵬2、積屑瘤積屑瘤對粗糙度影響的3個方面，如上分析2/3/202314翟鵬3、鱗刺（1）鱗刺，就是已加工表面上出現(xiàn)的鱗片狀毛刺。（2）加工塑性材料時，易出現(xiàn)。高速鋼、硬質合金、陶瓷刀具加工碳鋼、中碳鋼、鉻鋼、不銹鋼、鋁合金、銅合金等塑性材料時，易出現(xiàn)。2/3/202315翟鵬鱗刺及其對已加工表面粗糙度的影響

鱗刺就是已加工表面上的鱗片狀毛刺。生產(chǎn)實踐及科學實驗表明，在較低的及中等的切削速度下，用高速鋼、硬質合金或陶瓷刀具，切削一些常用的塑性金屬，如低碳鋼、中碳鋼、鉻鋼(40Cr、20Cr)、不銹鋼、鋁合金、紫銅等，在車、刨、插、鉆、拉、滾齒、螺紋車削、板牙鉸螺紋等工序中，都可能出現(xiàn)鱗刺。鱗刺的產(chǎn)生是切削加工中獲得較小粗糙度的表面的一大障礙。

2/3/202316翟鵬3、鱗刺—形貌2/3/202317翟鵬3、鱗刺—形貌2/3/202318翟鵬3、鱗刺（3）關于鱗刺產(chǎn)生的兩種觀點：1）積屑瘤說持這種觀點的人認為：積屑瘤底部穩(wěn)定，頂部不穩(wěn)定；不穩(wěn)定的頂部的生長與分裂，是導致鱗刺產(chǎn)生的主要原因。積屑瘤對已加工表面粗糙度的影響

積屑瘤自身能增大已加工表面粗糙度之外，它還在已加工表面上導致鱗刺的形成，進一步增大粗糙度。2/3/202319翟鵬3、鱗刺2）層積金屬說持此種觀點的人認為：形成鱗刺的過程經(jīng)過了4個階段：抹拭、導裂、層積、切頂。2/3/202320翟鵬4、切削過程的變形切削變形影響表面粗糙度的過程：1）切削單元帶有周期性的斷裂，這種斷裂深入到切削表面以下，從而在加工表面上留下擠壓的痕跡，而成為波浪形。2）由于切削刃兩端沒有來自側面的約束力，加工過程中工件材料被擠壓，產(chǎn)生隆起，降低了被加工表面的粗糙度。說明見下圖2/3/202321翟鵬4、切削過程的變形2/3/202322翟鵬5、刀具的邊界摩擦對粗糙度地影響刀具磨損后，有時會在副后面上產(chǎn)生溝槽形的邊界磨損，從而在已加工表面上形成鋸齒狀的凸出，影響被加工表面的粗糙度。2/3/202323翟鵬6刀刃與工件相對位置變動原因：1）主軸回轉精度不高；2）滑動導軌面的形狀誤差；3）材料的不均勻；4）切削過程不連續(xù)等。自激振動，使振幅發(fā)生變化，影響被加工表面的粗糙度。2/3/202324翟鵬二、影響表面粗糙度的因素1、刀具方面1)采用較大的刀尖圓弧半徑rε；采用較小的副偏角kγ’，尤其使用kγ’=0的修光刃。2）前角：一般情況下，前角對表面粗糙度影響不大；但在加工塑性材料時，采用較大的前角可減小積屑瘤和鱗刺，從而提高被加工零件的表面粗糙度。3）刀面及切削刃的表面粗糙度：提高刀具表面的粗糙度，減小摩擦，可抑制積屑瘤、鱗刺的產(chǎn)生。4）刀具材料：與工件材料的親和力不同，產(chǎn)生積屑瘤及粘結磨損的程度不同，產(chǎn)生的表面粗糙度不同。5）刀具的磨損情況不同，對粗糙度也有影響。2/3/202325翟鵬二、影響表面粗糙度的因素2、工件方面地影響1）材料塑性越大，加工粗糙度越大；2）材料金相組織的影響：對于中碳鋼、中碳合金鋼，在高速切削時，粒狀珠光體組織粗糙度高；低速切削時，片狀珠光體+細晶粒的鐵素體，有利于提高粗糙度；易切鋼中含硫、鉛等元素；被加工材料的韌性越大，粗糙度越低。2/3/202326翟鵬二、影響表面粗糙度的因素3、切削條件方面1）切削速度的影響（結合圖9-14講解）中低切削速度下，切削塑性材料易產(chǎn)生積屑瘤及鱗刺；提高切削速度，可使積屑瘤及鱗刺減小或消失，并可減小材料的塑性變形；切削脆性材料時，由于不產(chǎn)生積屑瘤，切削速度對表面粗糙度沒明顯的影響。2）進給量的影響：減小進給量，有利于提高粗糙度。3）切削液的影響：采用高效切削液，有利于提高粗糙度。2/3/202327翟鵬第四節(jié)加工硬化一、加工硬化產(chǎn)生的原因：1、金屬塑性變形的影響1）切削加工過程中，金屬的塑性變形區(qū)范圍擴展到切削表面以下，使已加工表面的一部分金屬也產(chǎn)生了塑性變形；2）刀具鈍圓半徑，使一部分金屬從刀刃鈍圓部分以下擠壓過去，產(chǎn)生更大的附加塑性變形；隨后由于彈性恢復，使刀具后刀面與已加工表面摩擦，再次發(fā)生剪切變形。結果：經(jīng)過以上幾次變形，使金屬晶格發(fā)生扭曲，晶粒拉長、破碎，阻礙了金屬的進一步變形，而使金屬進一步強化，硬度顯著提高。2/3/202328翟鵬第四節(jié)加工硬化2、切削溫度的影響切削溫度低于相變溫度，使金屬弱化，硬度降低；更高的溫度時，將發(fā)生相變。已加工表面的硬度，就是這種強化、弱化、相變綜合作用的結果。表示硬化程度N的兩種表示法（P151）：N=(H-H0)/H0x100%N=H0/Hx100%2/3/202329翟鵬第四節(jié)加工硬化二、影響加工硬化的原因1、刀具方面1）前角越大，硬化層深度越小。圖9-15所示。2）切削刃刀鈍圓半徑越大，加工硬化越大，圖9-16所示。3）后刀面磨損量VB越大，加工硬化深度越大，圖9-17所示。2/3/202330翟鵬第四節(jié)加工硬化2、工件方面的影響：1）工件材料的塑形越大，硬化越嚴重；2）高錳鋼材料強化指數(shù)大，加工硬化大;3）有色金屬熔點低，容易弱化，所以其硬化現(xiàn)象比鋼低。3、切削條件方面的影響1）切削速度的影響（圖9-18所示）：加工硬化，先是隨著速度的增加而減小；到較高速度后，又隨著速度的增加而增加。原因：開始變形硬化來不及，后來變形速度高于弱化速度。2/3/202331翟鵬第四節(jié)加工硬化2）進給量的影響：進給量的增加，加工硬化現(xiàn)象增加（圖9-19所示）

；背吃刀量對加工硬化現(xiàn)象影響不大（圖9-20所示）。3）切削液的影響采用有效的切削液，可降低硬化層深度。2/3/202332翟鵬第五節(jié)殘余應力殘余應力的基本概念：殘余應力是指在沒有外力的作用下，在物體內部保持平衡而存留的應力。一、造成殘余應力的原因（悟語：明確機理，才能尋找解決途徑。殘余應力是影響加工精度的重要因素，如何避免或降低）1、機械應力引起的塑性變形1）切削過程中，切削刃前方的晶體一部分隨切屑流出另一部分停留在已加工表面，在分離出的水平方向晶粒受壓，而在垂直方向，晶粒受拉，這樣就形成了殘余拉應力；2）在已加工表面形成過程中，刀具后刀面與已加工表面

產(chǎn)生很大的擠壓與摩擦，使表層金屬產(chǎn)生拉伸塑性變形，刀具離開后，在里層金屬的作用下，表層金屬產(chǎn)生殘余拉應力。2/3/202333翟鵬第五節(jié)殘余應力2、熱應力引起的塑性變形切削過程產(chǎn)生熱，切削層溫度里低外高，變形不一致使表層金屬產(chǎn)生熱應力，熱應力超過屈服極限使表層金屬產(chǎn)生壓縮塑性變形；切削后冷卻至室溫后，表層金屬的收縮又受到里層金屬的限制，使表層金屬產(chǎn)生殘余拉應力。問題：請同學們想一想解決問題的辦法？2/3/202334翟鵬第五節(jié)殘余應力3、相變引起的體積變化切削時，若表層溫度大于相變溫度，則表層組織可能發(fā)生相變；由于各種金相組織的體積不同，從而產(chǎn)生殘余應力。對于碳鋼而言：相對奧氏體體積小，馬氏體體積大，屈氏體或索氏體體積小。奧氏體體積→馬氏體體積時，表層產(chǎn)生殘余壓應力，里層產(chǎn)生殘余拉應力；奧氏體→屈氏體或索氏體時（金屬表面退火），表層產(chǎn)生殘余拉應力。切削碳鋼時，一般在已加工表面層常為殘余拉應力。2/3/202335翟鵬第五節(jié)殘余應力二、影響殘余應力的因素1、刀具方面1）當?shù)毒咔敖怯烧抵饾u變?yōu)樨撝禃r，表層的殘余拉應力逐漸減小，但殘余應力深度逐漸增加。原因：前角越小，切削刃鈍圓半徑越大，刀具對已加工表面的擠壓與摩擦作用越大，從而降低了了殘余拉應力。圖9-21~22（+為拉應力，-為壓應力）在切削用量一定的情況下，采用較大的副前角，可得到殘余應力為壓應力的加工表面，提高零件表面性能。2/3/202336翟鵬第五節(jié)殘余應力2）刀具后刀面磨損量VB增加時，可使已加工表面殘余拉應力增大，殘余應力層深度也增加。原因：刀具后刀面磨損量VB增加時，使已加工表面切削溫度上升，熱應力引起的殘余應力逐漸增加。圖9-23所示，VB的增加，拉應力增大。2/3/202337翟鵬第五節(jié)殘余應力2、工件材料方面1）工件材料塑性越大，殘余拉應力越大；2）切削灰鐵等脆性材料時，加工表面產(chǎn)生殘余壓應力。原因：切削加工時，后到面的擠壓與摩擦起主導作用，使加工表面產(chǎn)生拉伸變形。2/3/202338翟鵬第五節(jié)殘余應力3、切削條件方面1）切削速度增加時，熱應力引起的殘余拉應力起主導作用。速度越高，殘余拉應力越大；速度越高，殘余應力深度越淺。原因：塑性變形區(qū)減小。速度越高，超過相變溫度時，情況不同，如前述。2）進給量的影響：進給量的增加，加工表面殘余拉應力及深度增加。原因：熱應力引起的殘余應力占優(yōu)勢3）背吃刀深度對殘余應力影響不大。2/3/202339翟鵬第六節(jié)精密切削加工的表面質量精密切削加工，指表面粗糙度Ra1.25~0.63的切削加工。提高精密切削加工表面質量的措施：1、刀具方面的措施1）刀具切削刃的微觀不平度必須小，不能有鋸齒，崩口，卷刃等缺陷；2）刀具材料：硬度、摩擦系數(shù)、親和性等綜合考慮金剛石刀具較好；請同學們想一下原因？采用硬質合金時，應采用細顆粒的，提高被加工零件的粗糙度。2/3/202340翟鵬第六節(jié)精密切削加工的表面質量二、切削條件方面1、切削用量1）切削速度：精密加工塑性材料