模塊三機(jī)械加工質(zhì)量課題二機(jī)械加工表面質(zhì)量

機(jī)械制造工藝與裝備課題一機(jī)械加工表面質(zhì)量模塊三機(jī)械加工質(zhì)量知識(shí)點(diǎn)機(jī)械加工表面質(zhì)量影響機(jī)械加工表面質(zhì)量的因素機(jī)械加工表面質(zhì)量的綜合分析技能點(diǎn)正確認(rèn)識(shí)產(chǎn)生機(jī)械加工表面質(zhì)量的問題的原因掌握提高機(jī)械加工表面質(zhì)量的方法一.任務(wù)引入

如圖3-13所示為某鏜床夾具側(cè)面定位板，零件材料為45號(hào)鋼，B面表面淬火HRC52，磨削加工后表面粗糙度達(dá)不到要求，淬火表面硬度下降，且表面出現(xiàn)顯微裂紋，試分析產(chǎn)生原因及提出改進(jìn)措施。材料：45；毛坯：鍛件；B面淬火硬度：HRC50圖2-33定位板二.任務(wù)分析

該定位板用于鏜床夾具中箱體側(cè)面定位，為保證加工工件的定位精度，其自身形狀精度和位置位精度要求較高，與工件接觸表面為避免過早磨損需要足夠的硬度。工件材料為45鋼，毛坯為鍛件，B面淬火硬度HRC50，平行度要求較高。如機(jī)床精度保證的前提下，零件的表面粗糙度達(dá)不到要求、出現(xiàn)顯微裂紋，淬火表面硬度下降，是磨具和磨削方法選擇不當(dāng)所引起。本課題主要學(xué)習(xí)影響機(jī)械加工表面質(zhì)量的因素和提高機(jī)械加工表面質(zhì)量的途徑。三.相關(guān)知識(shí)1、表面質(zhì)量的概念所謂加工表面質(zhì)量，是指機(jī)器零件在加工后的表面層狀態(tài)。加工表面質(zhì)量包括兩個(gè)方面：加工表面的幾何形狀特征和表面層的物理、力學(xué)性能的變化。

（一）機(jī)械加工表面質(zhì)量概述

（1）加工表面的幾何形狀特征主要由兩部分組成，表面粗糙度和表面波度。1）表面層的冷作硬化；2）表面層金相組織變化；3）表面層殘余應(yīng)力。（2）表面層物理、力學(xué)性能變化（1）對(duì)耐磨性的影響2、表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響

零件表面磨損過程一般可分為，初期磨損、正常磨損、快速磨損。

零件表面磨損過程一般可分為，初期磨損、正常磨損、快速磨損。零件表面在初期磨損階段，由于零件表面存在微觀不平度，當(dāng)兩個(gè)零件表面相互接觸時(shí)，有效接觸面積只占名義接觸面積的很小一部分，表面越粗糙，有效接觸面積就越小。初期磨損速度很快。隨著磨損的發(fā)展，有效接觸面積不斷增大，壓強(qiáng)逐漸減小，磨損將以較慢的速度進(jìn)行，進(jìn)入正常磨損階段。在這之后，由于有效接觸面積越來越大，零件間的金屬分子親和力增加，表面的機(jī)械咬合作用增大，使零件表面又產(chǎn)生急劇磨損而進(jìn)入快速磨損階段。

表面粗糙度對(duì)零件表面磨損的影響很大。一般說來，表面粗糙度值越小，其耐磨性越好。但是表面粗糙度值太小，因接觸面容易發(fā)生分子粘著，且潤(rùn)滑液不易儲(chǔ)存，磨損反而增加。因此，就磨損而言，存在一個(gè)最優(yōu)表面粗糙度值。圖3-2表面粗糙度與起始磨損量的關(guān)系1）表面粗糙度對(duì)耐疲勞性的影響表面粗糙度對(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，導(dǎo)致疲勞破壞。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，其抵抗疲勞破壞的能力越差。

2）表面層物理、力學(xué)性能對(duì)耐疲勞性的影響表面層存在一定程度的冷作硬化可以阻礙疲勞裂紋的產(chǎn)生和已有裂紋的擴(kuò)展，因而可提高疲勞強(qiáng)度，但冷硬程度過高時(shí)，常產(chǎn)生大量顯微裂紋而降低疲勞強(qiáng)度。（2）表面質(zhì)量對(duì)耐疲勞性的影響1）表面粗糙度對(duì)耐蝕性的影響零件在潮濕的空氣中或在腐蝕性介質(zhì)中工作時(shí)，會(huì)發(fā)生化學(xué)腐蝕或電化學(xué)腐蝕。減小表面粗糙度就可以提高零件的耐腐蝕性。

2）表面層物理、力學(xué)性能對(duì)耐蝕性的影響零件在應(yīng)力狀態(tài)下工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，加速了腐蝕作用。如表面存在裂紋，則更增加了應(yīng)力腐蝕的敏感性。（3）表面質(zhì)量對(duì)耐蝕性的影響

表面粗糙度對(duì)零件的接觸剛度有很大的影響，表面粗糙度越小，則接觸剛度越高。（4）表面質(zhì)量對(duì)配合質(zhì)量的影響

1）間隙配合初期磨損的影響最大，表面粗糙度越大，起始磨損量就越大，原有間隙將因急劇的初期磨損而改變，變化量與表面粗糙度的平均高度成正比，從而配合的穩(wěn)定性影響。

2）過盈配合表面粗糙度越大，兩表面相配合時(shí)表面凸峰易被擠掉，這樣使得過盈量減少，從而影響過盈配合的可靠性。

3）過渡配合則兼有上述兩種配合的影響。（5）表面質(zhì)量對(duì)接觸剛度的影響1、影響零件表面粗糙度的因素機(jī)械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可歸納為兩個(gè)因素：一是切削刃(或砂輪)與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡所形成的表面粗糙度——幾何因素；二是與工件材料性質(zhì)及切(磨)削機(jī)理有關(guān)的因素——物理因素。（二）影響機(jī)械加工表面質(zhì)量的因素（1）刀具切削加工表面粗糙度的形成圖3-19切削層殘留面積1）幾何因素在理想切削條件下，由于切削刃的形狀和進(jìn)給量的影響，在加工表面上遺留下來的切削層殘留面積就形成了理論表面粗糙度。

從切削過程的物理實(shí)質(zhì)考慮，刀具的刃口圓角及后面的擠壓與摩擦使金屬材料發(fā)生塑性變形，嚴(yán)重惡化了表面粗糙度。在加工塑性材料而形成帶狀切屑時(shí)，在前刀面上容易形成硬度很高的積屑瘤。它可以代替前刀面和切削刃進(jìn)行切削，使刀具的幾何角度、背吃刀量發(fā)生變化。其輪廓很不規(guī)則，因而使工件表面上出現(xiàn)深淺和寬窄都不斷變化的刀痕，有些積屑瘤嵌入工件表面，增加了表面粗糙度。切削加工時(shí)的振動(dòng)，使工件表面粗糙度值增大。2）物理因素

切削速度ν提高，切削過程中切屑和加工表面的塑性變形程度降低，因而表面粗糙度值減小。此外，采用更低或更高的切削速度可以避開刀瘤和鱗刺產(chǎn)生的速度范圍。圖8-6表示切削速度與表面粗糙度的關(guān)系曲線，實(shí)線表示只受塑性變形影響，虛線表示受刀瘤影響時(shí)的情況。（2）影響切削加工表面粗糙度的主要因素1）切削速度

刀具的幾何角度對(duì)塑性變形、刀瘤和鱗刺的產(chǎn)生均有很大的影響。前角γ0增大時(shí)，塑性變形減小，表面粗糙度變小。為負(fù)值時(shí)，塑性變形增大，表面粗糙度也增大。后角過小會(huì)增加摩擦，刃傾角的大小又會(huì)影響刀具的實(shí)際前角，因此它們都會(huì)影響表面粗糙度。2）刀具幾何角度

刀具的材料與刃磨質(zhì)量對(duì)產(chǎn)生刀瘤、鱗刺等現(xiàn)象影響甚大。如金剛石車刀精車鋁合金時(shí)，由于摩擦因數(shù)小，刀具與工件材料的親和力小，刀面上就不會(huì)產(chǎn)生切屑的粘附、冷焊現(xiàn)象，因此能減小表面粗糙度值。減小前、后刀面的刃磨表面粗糙度值，也能起到同樣作用。

3）刀具材料與刃磨質(zhì)量

1）幾何因素磨削加工中，由于工件表面是由砂輪上大量的磨粒切削、刻劃、滑擦共同作用所形成的，因此，在工件表面上也留下一定的殘留面積。一般認(rèn)為：通過工件表面單位面積上的磨粒數(shù)愈多且刻痕的等高性愈好，則表面粗糙度愈小。（3）砂輪磨削加工表面粗糙度的形成

磨削加工表面的塑性變形要比切削加工表面的大得多。其原因是：①砂輪上的大多數(shù)磨粒都具有很大的負(fù)前角，且磨粒刃口極不尖銳(常有十幾個(gè)微米)，而磨粒的切削厚度僅0.2左右或更小，所以，磨粒切削作用不大，主要是刻劃和滑擦作用，這會(huì)使金屬材料沿著磨粒側(cè)面流動(dòng)，形成溝槽的隆起現(xiàn)象，因而增大了表面粗糙度值；②磨削速度遠(yuǎn)比刀具切削速度高得多，其磨粒的刻劃與滑擦將產(chǎn)生很高的磨削溫度，一般超過了材料的相變溫度，使表面金屬軟化甚至微熔，這樣更易于塑性變形，進(jìn)一步增大了表面粗糙度值。2）物理因素1）砂輪的粒度；2）砂輪的修整；3）砂輪的速度；4）磨削深度與工件速度；5）工件材料性質(zhì)。（4）影響磨削加工表面粗糙度的主要因素

在機(jī)械加工過程中，工件表層金屬受到切削力的作用產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形使晶體間產(chǎn)生剪切滑移，晶粒嚴(yán)重扭曲，并產(chǎn)生晶粒的拉長(zhǎng)、破碎和纖維化，這時(shí)工件表面的強(qiáng)度和硬度提高，塑性降低，這種現(xiàn)象稱作加工硬化，又稱冷作硬化。

影響表面層加工硬化的因素包括以下幾個(gè)方面考慮：①切削力切削力越大，塑性變形越大，則硬化程度和硬化層深度就越大。例如，當(dāng)進(jìn)給量、背吃刀量增大或刀具前角減小時(shí)，都會(huì)增大切削力，使加工硬化嚴(yán)重。②切削溫度切削溫度增高時(shí)，使得加工硬化程度減小。如切削速度很高或刀具鈍化后切削，都會(huì)使切削溫度不斷上升，部分地消除加工硬化，使得硬化程度減小。③工件材料被加工工件的硬度越低，塑性越大，切削后的冷硬現(xiàn)象越嚴(yán)重。2、影響零件表面層物理力學(xué)性能的因素（1）表面層的加工硬化

金屬切削所消耗的能量大部分轉(zhuǎn)化為切削熱，導(dǎo)致加工表面溫度升高。當(dāng)工件表面溫度超過金相組織變化的臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生金相組織的變化。一般的切削加工，單位切削截面所消耗的功率不是太大，所以產(chǎn)生金相組織變化的現(xiàn)象很少。磨削加工，由于單位面積上產(chǎn)生的切削熱比一般切削方法大幾十倍，易使工件表面層的金相組織發(fā)生變化，引起表面層的硬度和強(qiáng)度下降，產(chǎn)生殘余應(yīng)力甚至引起顯微裂紋，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。根據(jù)磨削燒傷時(shí)的溫度不同，有以下幾種類型：①回火燒傷②淬火燒傷③退火燒傷（2）表面層的金相組織變化與磨削燒傷1）表面層金相組織變化與磨削燒傷的原因①磨削用量當(dāng)磨削深度增大時(shí)，工件表面及表面下不同深度的溫度都將提高，容易造成燒傷；增大砂輪速度會(huì)加重磨削燒傷的程度。當(dāng)工件縱向進(jìn)給量增大時(shí)，磨削區(qū)溫度增高，但熱源作用時(shí)間減少，因而可減輕燒傷。提高工件速度會(huì)導(dǎo)致其表面粗糙度值變大，為彌補(bǔ)此不足，可提高砂輪速度。實(shí)踐證明，同時(shí)提高工件速度和砂輪速度可減輕工件表面燒傷。②砂輪材料對(duì)于硬度太高的砂輪，鈍化砂粒不易脫落，砂輪容易被切屑堵塞。砂輪結(jié)合劑最好采用具有一定彈性的材料，保證磨粒受到過大切削力時(shí)會(huì)自動(dòng)退讓，如樹脂、橡膠等。一般粗粒度不容易引起磨削燒傷。③冷卻方式采用切削液帶走磨削區(qū)熱量可避免燒傷。然而，現(xiàn)有的冷卻方式效果不理想。這是因?yàn)橛捎谛D(zhuǎn)的砂輪表面上產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流層，以致沒有多少切削液能進(jìn)入磨削區(qū)，因此，必須改進(jìn)冷卻方式以提高冷卻效果。2）影響磨削燒傷的因素1）冷塑變形引起的殘余應(yīng)力在機(jī)械加工過程中，因切削力的作用使工件表面受到強(qiáng)烈的塑性變形，尤其是切削刀具對(duì)已加工表面的擠壓和摩擦，使表面產(chǎn)生伸長(zhǎng)型塑性變形，表面積趨向增大，但受到里層的限制。產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，與里層產(chǎn)生的殘余拉伸應(yīng)力相平衡。

2）熱塑變形引起的殘余應(yīng)力切削加工過程中，表面受到切削熱的作用使表層局部溫度高于里層，因此表層金屬產(chǎn)生的熱膨脹變形也大于里層。當(dāng)切削過程結(jié)束時(shí)，表層溫度下降較快，故收縮變形大于里層，由于受到里層金屬的限制，工件表面將產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。其切削溫度愈高，則殘余拉應(yīng)力愈大，甚至?xí)霈F(xiàn)裂紋。（3）表面殘余應(yīng)力3）金相組織變化引起的殘余應(yīng)力切削時(shí)產(chǎn)生的高溫會(huì)引起表面層金相組織的變化。由于不同的金相組織有不同的密度，如馬氏體密度=7.75g/cm3，奧氏體密度=7.96g/cm3，珠光體密度=7.78g/cm3，鐵素體密度=7.88g/cm3，表面層金相組織變化的結(jié)果造成了體積的變化，表面層體積膨脹時(shí)，因?yàn)槭艿交w的限制，產(chǎn)生了壓應(yīng)力；反之，則產(chǎn)生拉應(yīng)力。

綜上所述，冷塑變形、熱塑變形及金相組織變化均會(huì)使得工件表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力。實(shí)際上，已加工表面殘余應(yīng)力是這三者綜合作用的結(jié)果。切削加工時(shí)起主要作用的常常是冷態(tài)塑性變形，所以工件表面常產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。磨削加工時(shí)，熱態(tài)塑性變形或金相組織變化通常是產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要因素，所以表面層常產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。

1）減小殘留面積高度減小殘留面積高度的方法，首先是改變刀具的幾何參數(shù)：增大刀尖圓弧半徑rε，減小副偏角。采用帶有Kr′=0的修光刃的刀具或?qū)捜芯俚?、精車刀也是生產(chǎn)中減小加工表面粗糙度所常用的方法。在采用這些措施時(shí)，必須注意避免振動(dòng)。

2）合理選擇切削速度切削塑性大的材料時(shí)，適當(dāng)?shù)靥岣咔邢魉俣?，以防止積屑瘤和鱗刺的產(chǎn)生，從而減小表面粗糙度。（三）提高機(jī)械加工表面質(zhì)量的方法（1）減小表面粗糙度的工藝措施3）改善材料的切削性能通過適當(dāng)?shù)臒崽幚恚邕M(jìn)行正火、調(diào)質(zhì)等熱處理，以提高材料的硬度、降低塑性和韌性，防止鱗刺的產(chǎn)生。

4）正確選擇切削液正確選擇切削液不但能提高刀具的使用壽命，而且由于切削液的冷卻作用使切削溫度降低，切削液的潤(rùn)滑作用使刀具和被加工表面間的摩擦狀況得到改善，因而對(duì)降低加工表面粗糙度值有明顯的作用。

5）磨削時(shí)采取的措施磨削時(shí)可從正確選擇砂輪、磨削用量和磨削液等方面采取措施來減小表面粗糙度。1）減少表面層冷作硬化為減少表面層冷作硬化，應(yīng)合理選擇刀具的幾何形狀，采用較大的前角和后角，并在刃磨時(shí)盡量減小其切削刃口半徑，使用時(shí)，盡量減小刀具后面的磨損限度，合理選擇切削用量。采用較高的切削速度和較小的進(jìn)給量。加工中采用有效的冷卻潤(rùn)滑液。

2）防止磨削燒傷為防止磨削燒傷應(yīng)注意控制磨削用量，提高工件線速度與砂輪圓周速度的比值，適當(dāng)加大橫向進(jìn)給量，并選取較小的磨削深度。

3）控制加工表面的殘余應(yīng)力為控制加工表面的殘余應(yīng)力，一般需另加一道專門的工序，如采用人工時(shí)效方法來消除表面殘余應(yīng)力。（2）改善表面物理、力學(xué)性能的工藝措施

提高表面質(zhì)量的加工方法可分為兩大類，一類著重于減小加工表面的粗糙度，另一類著重改善表面層的物理一力學(xué)性能。

1）采用減小表面粗糙度的加工方法主要有精密、超精密加工和光整。

2）改善表面物理、力學(xué)性能的加工方法

改善表面物理、力學(xué)性能的加工方法常用的有滾壓加工、擠(脹)孔、噴丸強(qiáng)化、金剛石壓光等冷壓加工方法。通過使表面層金屬發(fā)生冷態(tài)塑性變形，以提高表面硬度，在表面層產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，同時(shí)也降低表面粗糙度值。冷壓加工既簡(jiǎn)便又有明顯效果，應(yīng)用十分廣泛。（3）提高表面質(zhì)量的加工方法

表面粗糙度值達(dá)不