第4講 已加工表面質(zhì)量

1、2022-7-31第九章第九章 已加工表面質(zhì)量已加工表面質(zhì)量翟鵬翟鵬山東大學威海分校山東大學威海分校2008.04.202022-7-3翟鵬2第一節(jié) 已加工表面質(zhì)量的概念已加工表面質(zhì)量的概念一、已加工表面質(zhì)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(zhì)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(zhì)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

2、應力，降低零件耐疲勞、耐磨損、耐腐蝕性能。2022-7-3翟鵬3第一節(jié) 已加工表面質(zhì)量的概念已加工表面質(zhì)量的概念已加工表面質(zhì)量的標志已加工表面質(zhì)量的標志工件經(jīng)過切削加工后，已加工表面質(zhì)量的工件經(jīng)過切削加工后，已加工表面質(zhì)量的主要標志是：主要標志是：表面的粗糙度、表面層冷表面的粗糙度、表面層冷作硬化程度、表面層殘余應力的性質(zhì)及作硬化程度、表面層殘余應力的性質(zhì)及其大小其大小。已加工表面質(zhì)量對工件成為機。已加工表面質(zhì)量對工件成為機器零件后的使用性能有很大的影響。器零件后的使用性能有很大的影響。 2022-7-3翟鵬4第二節(jié) 已加工表面的形成過程已加工表面的形成過程主要研究第三變形區(qū)的情況2022-7

3、-3翟鵬5 已加工表面的形成過程已加工表面的形成過程2022-7-3翟鵬6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(cè)急劇減??；剪應力在O點處為零，在O點兩側(cè)逐漸增加。說明切屑層在O點分離2022-7-3翟鵬7從三個變形區(qū)觀點，看已加工表面質(zhì)量形成過程2022-7-3翟鵬8從三個變形區(qū)觀點，看已加工表面質(zhì)量形成過程2022-7-3翟鵬9第三節(jié) 已加工表面粗糙度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：20

4、22-7-3翟鵬101 1、殘留面積高度（理論粗糙度）、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于工件運動時，應該形成的已加工表面的粗糙度，稱為度，稱為理論粗糙度理論粗糙度。它的數(shù)值決定于殘留面。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，還有許多其接近

5、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。加工表面難以接近理論粗糙度。 2022-7-3翟鵬11 殘留面積的高度殘留面積的高度maxctgctgrrfRabcdeRmaxRmax2f2frr2022-7-3翟鵬12殘留面積高度2022-7-3翟鵬13殘留面積高度2022-7-3翟鵬142、積屑瘤積屑瘤對粗糙度影響的積屑瘤對粗糙度影響的3 3個個方面，如上分析方面，如上分析2022-7-3翟鵬153、鱗刺（1）鱗刺，

6、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(zhì)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)。2022-7-3翟鵬16鱗刺及其對已加工表面粗糙度的影響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)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(zhì)合金或陶瓷刀具，切速度下，用高速鋼、硬質(zhì)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、削一些常用的塑性金屬，如低碳鋼、中碳鋼、鉻鋼鉻鋼(40Cr(40Cr、20

7、Cr)20Cr)、不銹鋼、鋁合金、紫銅等，、不銹鋼、鋁合金、紫銅等，在車、刨、插、鉆、拉、滾齒、螺紋車削、板在車、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產(chǎn)生是切削加工中獲得較小粗糙度的表面的一大障礙。大障礙。 2022-7-3翟鵬173、鱗刺形貌2022-7-3翟鵬183、鱗刺形貌2022-7-3翟鵬193、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

8、的影響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。加工表面上導致鱗刺的形成，進一步增大粗糙度。2022-7-3翟鵬203、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。ac鱗刺形成過程各階段的示意圖ac2022-7-3翟鵬214、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擠壓的痕跡的痕跡，而成為波浪形波浪形。2）由于切削刃兩端沒有來

9、自側(cè)面的約束力沒有來自側(cè)面的約束力，加工過程中工件材料被擠壓，產(chǎn)生隆起隆起，降低了被加工表面的粗糙度。 說明見下圖2022-7-3翟鵬224、切削過程的變形2022-7-3翟鵬235、刀具的邊界摩擦對粗糙度地影響、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。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。2022-7-3翟鵬246 刀刃與工件相對位置變動刀刃與工件相對位置變動原因：1）主軸回轉(zhuǎn)精度不高；2）滑動導軌面的形狀誤差；3）材料的不

10、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。2022-7-3翟鵬25二、影響表面粗糙度的因素二、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r； 采用較小的副偏角k，尤其使用k=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(jié)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。202

11、2-7-3翟鵬26二、影響表面粗糙度的因素二、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。2022-7-3翟鵬27二、影響表面粗糙度的因素二、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(jié)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)

12、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。2022-7-3翟鵬28第四節(jié)第四節(jié) 加工硬化加工硬化一、加工硬化產(chǎn)生的原因一、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(jié)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，

13、而使金屬進一步強化，硬度顯著提高。2022-7-3翟鵬29第四節(jié)第四節(jié) 加工硬化加工硬化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(jié)果。表示硬化程度N的兩種表示法（P151）： N=(H-H0)/H0 x100% N=H0/Hx100%2022-7-3翟鵬30第四節(jié)第四節(jié) 加工硬化加工硬化二、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。2022-7-3

14、翟鵬31第四節(jié)第四節(jié) 加工硬化加工硬化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。2022-7-3翟鵬32第四節(jié)第四節(jié) 加工硬化加工硬化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。20

15、22-7-3翟鵬33第五節(jié)第五節(jié) 殘余應力殘余應力殘余應力的基本概念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(nèi)部保持平衡而存留的應力。一、造成殘余應力的原因一、造成殘余應力的原因（悟語：明確機理，才能尋找解決途明確機理，才能尋找解決途徑徑。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

16、形，刀具離開后，在里層金屬的作用下，表層金屬產(chǎn)生殘余拉應力殘余拉應力。2022-7-3翟鵬34第五節(jié)第五節(jié) 殘余應力殘余應力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，使表層金屬表層金屬產(chǎn)生殘余拉應力產(chǎn)生殘余拉應力。問題：請同學們想一想解決問題的辦法？問題：請同學們想一想解決問題的辦法？2022-7-3翟鵬35第五節(jié)第五節(jié) 殘余應力殘余應力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，

17、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切削碳鋼時，一般在已加工表面層常為殘余拉應力殘余拉應力。2022-7-3翟鵬36第五節(jié)第五節(jié) 殘余應力殘余應力二、影響殘余應力的因素二、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

18、。圖9-2122（+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。2022-7-3翟鵬37第五節(jié)第五節(jié) 殘余應力殘余應力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。2022-7-3翟鵬38第五節(jié)第五節(jié) 殘余應力殘余應力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。2022-7-3翟鵬39第五節(jié)第五節(jié) 殘余應力殘余應力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)