西工大機(jī)制工藝第三章表面質(zhì)量課件

第三章：表面質(zhì)量機(jī)械制造工藝學(xué)3.1基本概念表面質(zhì)量：指零件加工后表面層的狀態(tài)2.表面的物理和機(jī)械性能切削力和切削熱的作用，使表面層的物理機(jī)械性能發(fā)生變化，主要有：

表面的硬度加工表面因塑性變形而產(chǎn)生的冷作硬化。一般硬化層：0.05～0.3mm;滾壓可大幾個mm。

加工表面層的殘余應(yīng)力加工表面層因力和熱的作用產(chǎn)生的殘余應(yīng)力→零件變形、表面曾產(chǎn)生裂紋→疲勞強(qiáng)度↓

表面層的金相組織加工表面層因切削熱和磨削熱引起的金相組織的變化→表面硬度↑↓3.各種加工方法達(dá)到的表面粗糙度和加工精度3.2表面粗糙度表面粗糙度產(chǎn)生原因？對車削加工的表面（車、鏜、銑），主要有：刀具幾何因素、塑性變形、殘留面積、刀瘤、振動等刀具幾何因素影響殘留面積高度H的因素有：進(jìn)給量S、主偏角kr、副主偏角kr′刀尖圓弧半徑。原因：

①切削過程中刀具刀尖圓角及刀具后刀面的擠壓與摩擦，金屬材料發(fā)生塑性變形，使理想殘留面積擠歪或溝紋加深；

②存在被加工材料的性質(zhì)及切削基理有關(guān)的物理因素的變化。減少切削曾殘留面積的措施：①減少進(jìn)給量S：②減少刀具的主偏角kr、副主偏角kr′；③增大刀具半徑；④提高刀具刃磨質(zhì)量，避免刀口的粗糙度在工件表面“復(fù)映”；⑤增大刀具前角，降低切削過程中的振幅；⑥切削液，選擇合適的切削液；⑦控制磨損值VB。通常：增大kr或減小kr′來減小Ra切削用量的影響

切削速度V、進(jìn)給量f和切削深度ap對Ra有不同程度的影響切削速度V：積削瘤：當(dāng)以中等切削速度切削塑性教好的金屬時，切削區(qū)溫度在300℃左右，刀尖附近的滯留層被冷卻在前刀面上形成瘤狀硬金屬塊稱為積削瘤復(fù)習(xí)積削瘤的現(xiàn)象及形成條件

在金屬切削過程中，常常有一些從切削和工件上來的金屬冷焊并層積在前刀面上，形成一個非常堅硬的金屬堆積物，其硬度是工件材料硬度的2—3倍，能夠代替刀刃進(jìn)行切削，并且以一定的頻率生長和脫落。這種堆積物稱為積削瘤。積削瘤對切削過程的影響及控制影響：保護(hù)刀具、增大前角、增大切削厚度、增大已加工表面的粗糙度、加速刀具磨損。積削瘤有利有弊。粗加工時，對精度和表面粗糙度要求不高，如果積削瘤能穩(wěn)定生長，則可以代替刀具進(jìn)行切削，保護(hù)了刀具，同時減少了切削變形。精加工時，則絕對不希望積削瘤的出現(xiàn)。

3.3表面冷作硬化1、表層缺陷是怎么產(chǎn)生的？2、什么叫冷作硬化？在零件加工后，因加工過程中塑性變形及溫度高等原因，使表層金屬在物理機(jī)械性能，金相化學(xué)組織、化學(xué)性質(zhì)等方面與基體金屬不同。機(jī)械加工過程中因切削力作用產(chǎn)生的塑性變形，使晶格扭曲、畸變、晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，晶格被拉長或纖維化，甚至破碎；這些都會使表面金屬的硬度和強(qiáng)度提高，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化影響冷作硬化的主要因素

表面冷作硬化的程度取決于產(chǎn)生塑性變形的力、變形速度和變形時的溫度。力越大，塑性變形越大→硬化程度↑速度越大，塑性變形越不充分→硬化程度↓變形時的溫度：不僅影響塑性變形程度，還會影響變形后金相組織的恢復(fù)程度。3.4表面層的殘余應(yīng)力

機(jī)械加工中工件表面層組織發(fā)生變化時，在表面層及其與基體材料的交界處會產(chǎn)生相互平衡的彈性力，這種力即為表面層的殘余應(yīng)力。切削加工時產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要原因——塑性變形的影響，溫度的影響，金相組織變化的影響表面層金相組織的變化

切削時，加工表面的溫度升高。當(dāng)溫度升高到超過金相組織變化的臨界點(diǎn)時，就會引起金相組織的變化。在改變金屬金相組織狀態(tài)的同時，會在金屬表面層的局部殘生不同比容（單位質(zhì)量的物質(zhì)所占有的容積稱為比容，用符號"V"表示。其數(shù)值是密度的倒數(shù)）的金相組織。因金屬的比容發(fā)生變化→殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。影響磨削時金相組織的變化因素有：工件材料、磨削溫度、溫度梯度及冷卻速度。如磨削淬火鋼：①回火燒傷：若磨削區(qū)的溫度超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度而未超過其相變臨界溫度（碳鋼的臨界溫度為723℃），這時工件表層金屬的金相組織，由原來的馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕容^低的回火組織（索氏體、珠光體），稱為回火燒傷。②淬火燒傷：若磨削區(qū)的溫度超過相變溫度，在切削液急冷作用下，使表面最外層的金屬出現(xiàn)二次淬火的馬氏體組織，硬度較原來的回火馬氏體高，其下層因冷卻速度較慢，仍為硬度降低的回火組織。③退火燒傷：若不用冷卻液進(jìn)行干磨時超過相變的臨界溫度，由于冷卻速度較慢，使磨削后表面的硬度急劇下降，產(chǎn)生退回?zé)齻?。對一些傳熱性能較差的高速鋼、軸承鋼等，在不能充分冷卻時，容易出現(xiàn)相當(dāng)深度的金相組織變化。減輕磨削熱損傷的途徑：①盡可能減少磨削熱的產(chǎn)生；②改善冷卻條件，盡量減少傳入工件的熱量。3.5表面質(zhì)量對零件使用性能的影響⑴對零件的耐磨性產(chǎn)生影響零件的耐磨性不僅與摩擦副的材料、熱處理情況和潤滑條件有關(guān)，還與摩擦副表面質(zhì)量有關(guān)表面層冷作硬化對耐磨性的影響⑵表面粗糙度對疲勞強(qiáng)度的影響表面層冷作硬化對疲勞強(qiáng)度的影響

表面冷作硬化能夠提高零件的疲勞強(qiáng)度原因：強(qiáng)化（硬化）過的表層會阻止已有的疲勞裂紋擴(kuò)大和阻止新的裂紋產(chǎn)生。硬化會減少零件表面缺陷和表面粗糙度帶來的有害影響。表面層殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響

殘余應(yīng)力有兩種，即殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力。所以有好有壞壓應(yīng)力有利，拉應(yīng)力有壞。其他影響3對零件耐腐蝕性的影響●表面粗糙度●表面硬化層●內(nèi)應(yīng)力4對配合性質(zhì)和配合精度的影響5對密封性的影響3.6磨削的表面質(zhì)量1磨削屬于什么加工（粗加工or精加工）？2粗磨屬于什么加工？3磨削刀具與切削刀具的區(qū)別？4切削加工有塑性變形區(qū)域，磨削加工有塑性變形嗎？關(guān)于磨削加工的幾點(diǎn)說明1磨削加工過程中，決定工件表面粗糙度之一的是砂輪的粒度。2磨削深度，即ap量，也是影響磨削加工表面粗糙度的主要因素之一。3磨削加工表面塑性變形嚴(yán)重，從而冷作硬化現(xiàn)象也比較嚴(yán)重。磨削加工中需要說明的問題1磨削深度和縱向走刀量的增加可以提高磨削效率，但是工件的塑性變形程度增加，冷作硬化現(xiàn)象更加嚴(yán)重，表面粗糙度也變大。2磨削加工時，瞬間磨削溫度較高，特別是切削深度和磨削速度較高的情況下，要特別注意磨削溫度的控制。3磨削溫度過高會發(fā)生工件表面燒傷，從而發(fā)生金相組織變化；同時溫度的劇烈變化，會導(dǎo)致工件內(nèi)部殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，如果是殘余拉應(yīng)力，應(yīng)力過大或者在工件受到交變力的作用下，產(chǎn)生裂紋，甚至是斷裂。4無論是零件發(fā)生燒傷還是裂紋都會導(dǎo)致零件報廢，無法返修，故磨削加工中應(yīng)該注意防范發(fā)生這類情況燒傷1燒傷發(fā)生的原因？2燒傷發(fā)生在工件上的位置？3燒傷發(fā)生后產(chǎn)生的影響？原因：加工溫度過高；位置：工件磨削表面；影響：金相組織改變，原始硬度改變。燒傷分類分為兩類：回火燒傷和夾心燒傷1回火燒傷：當(dāng)磨削淬火或低溫回火鋼工件時，如果用量偏大，冷卻不充分，表層溫度超過了淬火鋼工件的回火溫度，那么表層中的淬火組織（馬氏體）會轉(zhuǎn)變成回火組織（索氏體、屈氏體），表層的硬度和強(qiáng)度明顯降低，這就是回火燒傷?；鼗馃齻砻嬉话銕в醒趸?，其顏色因溫度的高低而不同。

2夾心燒傷——即表層進(jìn)行了二次淬火，所以表層和內(nèi)部硬度相對高，中間層硬度低。磨削淬火鋼工件時，溫度超過奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，表層內(nèi)的馬氏體會在瞬時轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，隨機(jī)充分冷卻，且冷卻速度超過淬火臨界速度，那么在表面又形成二次淬火組織。（很薄的一層馬氏體）

3退火燒傷：若不用冷卻液進(jìn)行干磨時超過相變的臨界溫度，由于冷卻速度較慢，使磨削后表面的硬度急劇下降，產(chǎn)生退火燒傷。對一些傳熱性能較差的高速鋼、軸承鋼等，在不能充分冷卻時，容易出現(xiàn)相當(dāng)深度的金相組織變化。減輕磨削熱損傷的途徑①盡可能減少磨削熱的產(chǎn)生；②改善冷卻條件，盡量減少傳入工件的熱量。如：采用硬度稍軟的砂輪；適當(dāng)減小磨削深度和磨削速度；適當(dāng)增加工件的回轉(zhuǎn)速度和軸向進(jìn)給量；采用高效冷卻方式等，都可降低磨削區(qū)溫度，防止磨削燒傷。裂紋裂紋產(chǎn)生原因？工件中的殘余應(yīng)力是拉應(yīng)力，其值超過了材料的極限強(qiáng)度，零件表面就會生產(chǎn)裂紋。裂紋的種類：平行裂紋和網(wǎng)狀裂紋平行裂紋特點(diǎn)：裂紋方向垂直磨削方向；磨削表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力超過材料強(qiáng)度極限；發(fā)生在界面的微觀裂紋。發(fā)現(xiàn)方式：探傷，酸洗破壞性：微觀裂紋可以引起宏觀裂紋，使零件發(fā)生破壞。平行裂紋產(chǎn)生原因1材料——塑性和脆性、抗拉強(qiáng)度、導(dǎo)熱性等2熱處理——含碳量高的鋼，磨削的時候也易產(chǎn)生裂紋，工件淬火后，如果存在殘余應(yīng)力，且為拉應(yīng)力，則即使在正常的磨削條件下也可能出現(xiàn)裂紋。網(wǎng)狀裂紋在滲碳、滲氮時如果工藝不當(dāng)則會在表面層晶界面上析出脆性的碳化物、氮化物。當(dāng)磨削時，在熱應(yīng)力的作用下就容易產(chǎn)生沿這些組織發(fā)生脆性破壞而出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋。避免裂紋產(chǎn)生的途徑1降低磨削溫度2改善散熱條件

提高冷卻效果，合理選擇切削用量，選擇合適的砂輪等3.7表面噴丸工藝什么叫噴丸工藝呢？噴丸，使用壓縮空氣作動力，將鋼丸，鐵丸等高速拋射出去，打擊工件表面，從而提高零件機(jī)械強(qiáng)度以及耐磨性、抗疲勞和耐腐蝕性以及消除鑄、鍛、焊件的殘余應(yīng)力等的一種工藝。1、目的：噴丸能使零件避免表面殘留高的張應(yīng)力，產(chǎn)生壓應(yīng)力而提高其疲勞強(qiáng)度。2、使用范圍：一般鋼鐵零件使用溫度超過260℃，鋁制品零件使用溫度超過170℃，不需要做噴丸處理。因?yàn)槭褂脺囟忍?，會使噴丸產(chǎn)生的壓應(yīng)力被消除而失去預(yù)期的效果。丸種類的選擇：鑄鋼丸硬度一般為HRC40～50，加工硬金屬時，可把硬度提高到HRC57～62。鑄鋼丸韌性較好，使用廣泛，其使用壽命為鑄鐵丸的幾倍。鑄鐵丸硬度一般為HRC58～65，質(zhì)脆而易于破碎，壽命短，使用廣泛，主要用于需噴丸強(qiáng)度高的場合。噴丸——玻璃丸硬度較鋼鐵丸兩者低，主要用于不銹鋼、鈦、鋁、鎂及其它不允許鐵質(zhì)污染的材料，也可在鋼鐵丸噴丸后作第二次加工之用，以除去鐵質(zhì)污染和降低零件的表面粗糙度。噴丸用玻璃丸和其他用途的玻璃丸是兩個不同的概念。噴丸玻璃丸最大的特點(diǎn)是它的硬度最低不小于6—7莫氏而且有一定的韌性，成圓率最低不小于90%。兩種價格差別很大，但外觀卻相差無幾，如果將普通玻璃丸用于噴丸加工，貌似成本較低，而在噴丸加工時破碎率較高，且加工強(qiáng)度較高的工件時幾乎是一次破碎，相比之下，總成本反而提高了許多。噴丸工藝的效果在噴丸過程中，工件表層發(fā)生塑性變形，可以產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，從而提高零件的疲勞強(qiáng)度。當(dāng)零件在承受交變載荷的情況下，壓應(yīng)力會緩慢釋放。為了維持工件表面具有一定的壓應(yīng)力，可以對工件進(jìn)行多次噴丸處理。噴丸工藝的效果1提高零件疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕強(qiáng)度2提高電鍍零件的疲勞強(qiáng)度3消除有害的拉應(yīng)力，產(chǎn)生有益的壓應(yīng)力4增加滲碳滲氮或高溫處理鋼件的疲勞強(qiáng)度，減少脆性破壞機(jī)率。5防止涂層零件的疲勞強(qiáng)度降低機(jī)械加工過程中的振動1振動的危害2振動的類型3振動的原因4振動的控制1振動的危害機(jī)械加工過程中的振動使正常的切削過程受到干擾和破壞，不僅僅會惡化工件的加工精度和表面質(zhì)量，而且還會縮短機(jī)床和刀具的使用壽命。振動產(chǎn)生噪音污染，損害工人健康。影響加工效率的提高2振動的類型自由振動、強(qiáng)迫振動、自激振動自由振動是系統(tǒng)所受的外界干擾力去除后系統(tǒng)本身的衰減運(yùn)動

強(qiáng)迫振動是由外界周期性干擾力所支持的不衰減振動切削過程本身引起的切削力周期性變化的振動稱為自激振動

3振動的原因產(chǎn)生強(qiáng)迫振動的原因：1離心慣性力引起的振動2傳動機(jī)構(gòu)的缺陷3切削過程的間歇性具體表現(xiàn)在一下方面：

機(jī)床：零件的制造精度不高及缺陷，如皮帶接頭太粗；

刀具：多刃、多齒刀具切削時，刀口誤差引起的振動；

工件：加工表面有斷續(xù)表面或表面余量不均、硬度不等；

夾具：夾緊自鎖性差、夾具體剛性差。強(qiáng)迫振動的特點(diǎn)

a.強(qiáng)迫振動的穩(wěn)溫態(tài)過程是諧振動，只要干擾力存在，振動不會被阻尼衰減掉，去除干擾力，振動停止；b.強(qiáng)迫振動的頻率等于干擾力的頻率；c.阻尼愈小，振幅愈大，諧波響應(yīng)的軌跡范圍大；d.在共振區(qū)，較小頻率變化會引起較大振幅和頻率的變化。消除強(qiáng)迫振動的途徑

1.消振與隔振

2.消除回轉(zhuǎn)零件的不平衡；3.提高傳動件的制造精度；

4.提高系統(tǒng)剛度、增加阻尼。5調(diào)節(jié)振源頻率，避免共振自激振動切削過程本身引起的切削力周期