機(jī)械制造工藝學(xué)第四章機(jī)械加工表面質(zhì)量

1、1 任何機(jī)械加工所得到的零件表面實(shí)際上都不是 完全理想的表面，實(shí)踐表明，機(jī)械零件的破壞一般總 是從表面層開始的。這說明零件的表面質(zhì)量是至關(guān)重要 的它對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量有很大影響。 研究加工表面質(zhì)量的目的，就是要掌握機(jī)械加工的 各種工藝因素對(duì)加工表面質(zhì)量影響的規(guī)律，以便應(yīng)用這 些規(guī)律控制加工過程最終達(dá)到提高加工表面質(zhì)量、提 高產(chǎn)品使用性能的目的。 2 零件表面質(zhì)量零件表面質(zhì)量 表面粗糙度表面粗糙度 表面波度表面波度 表面物理力學(xué)表面物理力學(xué) 性能的變化性能的變化 表面微觀幾何表面微觀幾何 形狀特征形狀特征 表面層冷作硬化表面層冷作硬化 表面層殘余應(yīng)力表面層殘余應(yīng)力 表面層金相組織的變化表面層金相組織的

2、變化 3 a）波度 b）表面粗糙度 零件加工表面的粗糙度與波度 RZ H RZ 表面粗糙度：加工表面的微觀幾何誤差，波長(zhǎng)與波高比 值小于50。 表面波度：加工表面不平度波長(zhǎng)與波高比值在501000的 幾何形狀誤差 紋理方向：表面刀紋的方向 傷痕：加工表面?zhèn)€別位置出現(xiàn)的缺陷 4 5 （1）表面粗糙度對(duì)零件耐磨性的影響）表面粗糙度對(duì)零件耐磨性的影響 v 表面粗糙度太大和太小都不耐磨表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如圖所示。如圖所示。 6 v表面粗糙度太大表面粗糙度太大，接觸表面的實(shí)際壓強(qiáng)增大，粗糙不平的，接觸表面的實(shí)際壓強(qiáng)增大，粗糙不平的 凸峰相互咬合、擠裂、切斷，凸峰相互咬合、擠裂、切斷，故磨損加

3、劇故磨損加劇； v表面粗糙度太小表面粗糙度太小，也會(huì)導(dǎo)致，也會(huì)導(dǎo)致磨損加劇磨損加劇。因?yàn)楸砻嫣饣?，。因?yàn)楸砻嫣饣?存不住潤(rùn)滑油，接觸面間不易形成油膜，容易造成干摩擦而存不住潤(rùn)滑油，接觸面間不易形成油膜，容易造成干摩擦而 加劇磨損。加劇磨損。 v表面粗糙度的最佳值表面粗糙度的最佳值與機(jī)器零件的工作情況有關(guān)，載荷加與機(jī)器零件的工作情況有關(guān)，載荷加 大時(shí)，磨損曲線向上、向右移動(dòng)，最佳表面粗糙度值也隨之大時(shí)，磨損曲線向上、向右移動(dòng)，最佳表面粗糙度值也隨之 右移。右移。 7 （2 2）表面層的冷作硬化對(duì)零件耐磨性的影響）表面層的冷作硬化對(duì)零件耐磨性的影響 v 加工表面的加工表面的冷作硬化，一般能提

4、高零件的耐磨性冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因。因 為它使磨擦副表面層金屬的顯微硬度提高，塑性降低，為它使磨擦副表面層金屬的顯微硬度提高，塑性降低， 減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和塑性變形。減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和塑性變形。 v 并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。這是因?yàn)檫^。這是因?yàn)檫^ 分的冷作硬化，將引起金屬組織過度分的冷作硬化，將引起金屬組織過度“疏松疏松”，在相對(duì)，在相對(duì) 運(yùn)動(dòng)中可能會(huì)產(chǎn)生金屬剝落，在接觸面間形成小顆粒，運(yùn)動(dòng)中可能會(huì)產(chǎn)生金屬剝落，在接觸面間形成小顆粒， 使零件加速磨損。使零件加速磨損。 8 2 2表面質(zhì)量對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影

5、響表面質(zhì)量對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響 （1）表面粗糙度對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響 v 表面粗糙度越大，抗疲勞破壞的能力越差。 v 對(duì)承受交變載荷零件的疲勞強(qiáng)度影響很大。在交變載荷 作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞 裂紋。 v 表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲勞性越好； 反之，加工表面越粗糙，表面的紋痕越深，紋底半徑越小，其 抗疲勞破壞的能力越差。 9 （2）表面層冷作硬化與殘余應(yīng)力對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響 v 適度的表面層冷作硬化能提高零件的疲勞強(qiáng)度。 v 殘余應(yīng)力有拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之分，殘余拉應(yīng)力容易使 已加工表面產(chǎn)生裂紋并使其擴(kuò)展而降低疲勞強(qiáng)度。 v 殘余壓應(yīng)力則能夠部分地抵消

6、工作載荷施加的拉應(yīng)力， 延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展，從而提高零件的疲勞強(qiáng)度。 10 （1）表面粗糙度對(duì)零件配合精度的影響 表面粗糙度較大，則降低了配合精度。 （2）表面殘余應(yīng)力對(duì)零件工作精度的影響 表面層有較大的殘余應(yīng)力，就會(huì)影響它們精度的穩(wěn)定 性。 11 （1）表面粗糙度對(duì)零件耐腐蝕性能的影響 零件表面越粗糙，越容易積聚腐蝕性物質(zhì)，凹谷越深， 滲透與腐蝕作用越強(qiáng)烈。 因此減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能。 （2）表面殘余應(yīng)力對(duì)零件耐腐蝕性能的影響 零件表面殘余壓應(yīng)力使零件表面緊密，腐蝕性物質(zhì)不易 進(jìn)入，可增強(qiáng)零件的耐腐蝕性，而表面殘余拉應(yīng)力則降低零 件耐腐蝕性。 表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能還

7、有其它方面的影響：如減小 表面粗糙度可提高零件的接觸剛度、密封性和測(cè)量精度；對(duì) 滑動(dòng)零件，可降低其摩擦系數(shù)，從而減少發(fā)熱和功率損失。 12 表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響小結(jié)小結(jié)： 零件表面質(zhì)量零件表面質(zhì)量 粗糙度太大、太小都不耐磨粗糙度太大、太小都不耐磨 適度冷硬能提高耐磨性適度冷硬能提高耐磨性 對(duì)疲勞強(qiáng)度的對(duì)疲勞強(qiáng)度的 影響影響 對(duì)耐磨性影響對(duì)耐磨性影響 對(duì)耐腐蝕性能對(duì)耐腐蝕性能 的影響的影響 對(duì)工作精度的對(duì)工作精度的 影響影響 適度冷硬、殘余壓應(yīng)力能提高疲適度冷硬、殘余壓應(yīng)力能提高疲 勞強(qiáng)度勞強(qiáng)度 粗糙度越大、配合精度降低粗糙度越大、配合精度降低 殘余應(yīng)力越大，

8、加工精度降低殘余應(yīng)力越大，加工精度降低 粗糙度越大，耐腐蝕性越差粗糙度越大，耐腐蝕性越差 壓應(yīng)力提高耐腐蝕性，拉應(yīng)力反壓應(yīng)力提高耐腐蝕性，拉應(yīng)力反 之則降低耐腐蝕性之則降低耐腐蝕性 13 切削加工后表面粗糙度的值主要取決于切削殘留面 積的高度，影響殘留面積高度的因素有：刀尖圓弧半徑 r，主偏角kr、副偏角kr，進(jìn)給量f。如圖所示 1 1、刀尖的幾何因素的影響、刀尖的幾何因素的影響 14 . KrK r Y=f(x) L Kr K r X X 0 0 Y Y f f f/2 H H H/2 圖: 理論表面粗糙度 15 . 如右上圖所示，由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的如右上圖所示，由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的表面粗糙度定義

9、表面粗糙度定義， 輪廓的算術(shù)平均偏差：輪廓的算術(shù)平均偏差： 陰影部分面積陰影部分面積 / 測(cè)量長(zhǎng)度測(cè)量長(zhǎng)度 同理，如右下圖所示，取測(cè)量長(zhǎng)度為同理，如右下圖所示，取測(cè)量長(zhǎng)度為f的一段工件廓，則的一段工件廓，則 理論表面粗糙度為：理論表面粗糙度為： 陰影部分面積陰影部分面積 / 測(cè)量長(zhǎng)度測(cè)量長(zhǎng)度= 0 L a f ( x )dx R L 0 f a f ( x )dx R f 4 222 1 2 H f Hf 16 . 而三角形底邊長(zhǎng)度而三角形底邊長(zhǎng)度 即：即： 則則 而工件外圓的輪廓的算術(shù)平均偏差（理論表面粗糙而工件外圓的輪廓的算術(shù)平均偏差（理論表面粗糙 度）為：度）為： ， rr ctg H

10、ctg Hf 222 重要結(jié)論：刀具的幾何形狀影響工件的重要結(jié)論：刀具的幾何形狀影響工件的 表面粗糙度。生產(chǎn)中，一般應(yīng)減小表面粗糙度。生產(chǎn)中，一般應(yīng)減小 f 和和 來提高表面粗糙度。來提高表面粗糙度。 ） rr ctgctg f H ( 4 a rr f R (ctgctg ） r k )( ， rr Z ctgctg f HR 17 rr f H ctgctg 2 8 f H r 切削殘留面積的高度： 18 2 2、物理因素的影響、物理因素的影響 （1）工件材料的影響）工件材料的影響 v韌性材料：韌性材料： 工件材料工件材料韌性愈好韌性愈好，金屬塑性變形愈大，加工表面，金屬塑性變形愈大，加工

11、表面愈粗糙愈粗糙。 v材料金相組織：材料金相組織： 對(duì)同樣的材料，對(duì)同樣的材料，金相組織越粗大，加工表面粗糙度大金相組織越粗大，加工表面粗糙度大，故，故對(duì)對(duì) 中碳鋼和低碳鋼材料的工件中碳鋼和低碳鋼材料的工件，為改善切削性能，減小表面粗糙度，為改善切削性能，減小表面粗糙度， 常在常在粗加工或精加工前安排正火或調(diào)質(zhì)處理粗加工或精加工前安排正火或調(diào)質(zhì)處理。 v 脆性材料：脆性材料： 加工脆性材料時(shí)，其切削呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加加工脆性材料時(shí)，其切削呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加 工表面留下許多麻點(diǎn)，工表面留下許多麻點(diǎn)，使表面粗糙使表面粗糙。 19 （2 2）切削速度的影響）切削速度的影響 加

12、工塑性材料時(shí)，切削速度對(duì)表面粗糙度的影響隨切加工塑性材料時(shí)，切削速度對(duì)表面粗糙度的影響隨切 削速度的變化而變化（對(duì)積屑瘤和鱗刺的影響）削速度的變化而變化（對(duì)積屑瘤和鱗刺的影響） 積屑瘤和鱗刺對(duì)表面粗糙度的影響較大。積屑瘤和鱗刺對(duì)表面粗糙度的影響較大。 鱗刺鱗刺：工件表面上微小的魚鱗狀倒刺。：工件表面上微小的魚鱗狀倒刺。 鱗刺的生成機(jī)理：鱗刺的生成機(jī)理：在中低速切削塑性金屬材料且在中低速切削塑性金屬材料且 較大時(shí)，較大時(shí)，刀屑刀屑 之間之間由于冷焊而由于冷焊而產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，切屑在前刀面上流動(dòng)時(shí)，切屑在前刀面上流動(dòng)時(shí)周期性地受阻而周期性地受阻而 瞬時(shí)停留瞬時(shí)停留，切屑代替前刀面推擠切削

13、層，造成已加工表面上，切屑代替前刀面推擠切削層，造成已加工表面上出現(xiàn)拉應(yīng)力出現(xiàn)拉應(yīng)力 而導(dǎo)裂而導(dǎo)裂，生成鱗刺。，生成鱗刺。 c a 20 加工塑性材料時(shí)切削速度對(duì)表面粗糙度的影響加工塑性材料時(shí)切削速度對(duì)表面粗糙度的影響 切削速度越高，塑性變形越不充分，表面粗糙度值越?。呵邢魉俣仍礁撸苄宰冃卧讲怀浞?，表面粗糙度值越?。?選擇低速寬刀精切和高速精切，可以得到較小的表面粗糙度。選擇低速寬刀精切和高速精切，可以得到較小的表面粗糙度。 切削速度對(duì)脆性材料的影響不大。切削速度對(duì)脆性材料的影響不大。 21 （3 3）進(jìn)給量的影響）進(jìn)給量的影響 減小進(jìn)給量減小進(jìn)給量 f 固然可以減小表面粗糙度值，但進(jìn)給固然

14、可以減小表面粗糙度值，但進(jìn)給 量過小，表面粗糙度會(huì)有增大的趨勢(shì)，效率量過小，表面粗糙度會(huì)有增大的趨勢(shì)，效率降低。 （4 4）其它因素的影響）其它因素的影響 此外，合理使用此外，合理使用冷卻潤(rùn)滑液冷卻潤(rùn)滑液，適當(dāng)，適當(dāng)增大增大刀具的刀具的前角前角，提，提 高刀具的高刀具的刃磨質(zhì)量刃磨質(zhì)量等，均能有效地減小表面粗糙度值。等，均能有效地減小表面粗糙度值。 22 機(jī)械加工時(shí)，機(jī)械加工時(shí)，工件表面層金屬工件表面層金屬受到切削力的作用受到切削力的作用產(chǎn)產(chǎn) 生強(qiáng)烈的塑性變形生強(qiáng)烈的塑性變形，使晶格扭曲，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，使晶格扭曲，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移， 晶粒被拉長(zhǎng)、纖維化甚至碎化，晶粒被拉長(zhǎng)、纖維化甚至碎

15、化，從而使表面層的強(qiáng)度和從而使表面層的強(qiáng)度和 硬度增加硬度增加，這種現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為加工硬化稱為加工硬化，又稱冷作硬化和強(qiáng)，又稱冷作硬化和強(qiáng) 化?；?。 1 1、定義、定義 23 2、 切削用量影響切削用量影響 ff切削力切削力塑變塑變冷硬冷硬 f 和 v 對(duì)冷硬的影響 硬度(HV) 0 f (mm /r) 0.20.40.60.8 v =170(m/min) 135(m/min) 100(m/min ) 50(m/min) 100 200 300 400 工件材料：45 一方面：一方面：切削速度切削速度v塑變塑變 冷硬冷硬 另一方面：另一方面：切削熱作用時(shí)間短，切削熱作用時(shí)間短， 使冷硬程度

16、有所增加使冷硬程度有所增加 24 00.20.40.60.81.0 磨損寬度VB(mm) 100 180 260 340 硬度(HV) 50鋼，v = 40(m/min) f = 0.120.2(mm/z) 刀具后刀面磨損對(duì)冷硬影響 工件材料工件材料 刀具幾何形狀的影響刀具幾何形狀的影響 25 1.1.表面層金相組織變化與磨削燒傷的產(chǎn)生表面層金相組織變化與磨削燒傷的產(chǎn)生 切削加工中，由于切削熱的作用，在工件的加工區(qū)及其 鄰近區(qū)域產(chǎn)生了一定的溫升。產(chǎn)生磨削燒傷現(xiàn)象。 磨削燒傷：磨削燒傷： 磨削加工時(shí)，表面層有很高的溫度，當(dāng)溫度達(dá)到相變臨 界點(diǎn)時(shí)，表層金屬就發(fā)生金相組織變化，強(qiáng)度和硬度降低、 產(chǎn)生

17、殘余應(yīng)力、甚至出現(xiàn)微觀裂紋。同時(shí)出現(xiàn)彩色氧化膜 這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。 淬火鋼在磨削時(shí)，由于磨削條件不同，產(chǎn)生的磨削燒傷 有三種形式。 26 2. 2. 磨削燒傷的三種形式磨削燒傷的三種形式 淬火燒傷：淬火燒傷： 磨削時(shí)工件表面溫度超過相變臨界溫度（碳鋼為720） 時(shí)，則馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在冷卻液作用下，工件最外在冷卻液作用下，工件最外 層金屬會(huì)出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織層金屬會(huì)出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織。其硬度比原來的回火 馬氏體高，但很薄，其下為硬度較低的回火索氏體和屈氏 體。由于二次淬火層極薄，表面層總的硬度是降低的，這 種現(xiàn)象稱為淬火燒傷。 27 回火燒傷回火燒傷 磨削時(shí)，如果工件表面層溫度

18、只是超過原來的回火 溫度，則表層原來的回火馬氏體組織將產(chǎn)生回火現(xiàn)象而 轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕容^低的回火組織（索氏體或屈氏體），這種 現(xiàn)象稱為回火燒傷 退火燒傷退火燒傷 磨削時(shí)，當(dāng)工件表面層溫度超過相變臨界溫度時(shí)，則 馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。若此時(shí)無冷卻液，表層金屬空氣 冷卻比較緩慢而形成退火組織。硬度和強(qiáng)度均大幅度下 降。這種現(xiàn)象稱為退火燒傷。 28 3.3.影響磨削燒傷的因素及改善途徑影響磨削燒傷的因素及改善途徑 1）砂輪與工件材料）砂輪與工件材料 （1)磨削時(shí)，砂輪表面上磨粒的切削刃口鋒利磨削力 磨削區(qū)的溫度 （2)磨削導(dǎo)熱性差的材料(耐熱鋼、軸承鋼、不銹鋼) 磨削燒傷 （3)應(yīng)合理選擇砂輪的硬度、結(jié)合劑

19、和組織磨削燒傷 29 2 2）磨削用量）磨削用量 （1）砂輪轉(zhuǎn)速 磨削燒傷 （2）徑向進(jìn)給量ap 磨削燒傷 （3） 軸向進(jìn)給量fa磨削燒傷 （4）工件速度vw磨削燒傷 3）改善冷卻條件）改善冷卻條件 采用內(nèi)冷卻法磨削燒傷 內(nèi)冷卻裝置內(nèi)冷卻裝置 1錐形蓋錐形蓋 2通道孔通道孔 3中心孔中心孔 4有徑向小孔的薄壁套有徑向小孔的薄壁套 30 機(jī)械加工中工件表面層組織發(fā)生變化時(shí)，在表面層及其 與基體材料的交界處會(huì)產(chǎn)生互相平衡的彈性力。這種應(yīng)力 即為表面層的殘余應(yīng)力。 1、表面層金屬產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因、表面層金屬產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因 工件表面受到擠壓與摩擦，表層產(chǎn)生伸長(zhǎng)塑性變形 ，基體仍處于彈性變形狀態(tài)。

20、切削后，表層產(chǎn)生殘余壓 應(yīng)力，而在里層產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力。 1 1） 冷態(tài)塑性變形冷態(tài)塑性變形 31 2 2）熱態(tài)塑性變形）熱態(tài)塑性變形 表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力產(chǎn)生產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力 切削熱在表層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的示意圖切削熱在表層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的示意圖 32 工件表面在切削熱的作用下，產(chǎn)生熱膨脹，此時(shí)基體 溫度較低，因此表面層熱膨脹受基體的限制產(chǎn)生壓應(yīng)壓應(yīng) 力；力； 當(dāng)表面層的熱膨脹程度超過材料的彈性變形范圍 時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱塑性變形。當(dāng)切削結(jié)束，表層溫度下降 到與基體溫度一致時(shí)，因?yàn)楸砻鎸右旬a(chǎn)生熱塑性變形 而不能彈性恢復(fù)，表面層收縮時(shí)受彈性變形基體的限 制產(chǎn)生了殘余拉應(yīng)力，

21、里層產(chǎn)生壓應(yīng)力。 33 3） 表面層金相組織變化表面層金相組織變化 磨削淬火鋼時(shí)，工件表層金屬溫度極高，表層金屬出磨削淬火鋼時(shí)，工件表層金屬溫度極高，表層金屬出 現(xiàn)回火或退火，工件表層金屬的金相組織發(fā)生變化（馬氏現(xiàn)回火或退火，工件表層金屬的金相組織發(fā)生變化（馬氏 體向奧氏體或回火馬氏體轉(zhuǎn)化），體向奧氏體或回火馬氏體轉(zhuǎn)化），相變的金屬體積收縮，相變的金屬體積收縮， 但受到未相變的內(nèi)層金屬的牽制但受到未相變的內(nèi)層金屬的牽制，故工件表面，故工件表面產(chǎn)生殘余拉產(chǎn)生殘余拉 應(yīng)力。應(yīng)力。 34 2 2、由于刀具鈍圓刃切削時(shí)的金屬塑性變形所產(chǎn)由于刀具鈍圓刃切削時(shí)的金屬塑性變形所產(chǎn) 生的殘余應(yīng)力的機(jī)理。生的殘余應(yīng)力的機(jī)理。 acac 如上右圖所示，具有鈍圓刃的刀具切削工件時(shí)，有一厚如上右圖所示，具有鈍圓刃的刀具切削