機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 第8章

第八章：機(jī)械加工表面質(zhì)量

（約4學(xué)時(shí)）

本章提要本章旨在研究零件表面層在加工中的變化和發(fā)生變化的機(jī)理，掌握機(jī)械加工中各種工藝因素對(duì)表面質(zhì)量的影響規(guī)律，運(yùn)用這些規(guī)律來控制加工中的各種影響因素，以滿足表面質(zhì)量的要求。本章主要討論機(jī)械加工表面質(zhì)量的含義、表面質(zhì)量對(duì)使用性能的影響、表面質(zhì)量產(chǎn)生的機(jī)理等。對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中發(fā)生的表面質(zhì)量問題，如受力變形、磨削燒傷、裂紋和振紋等問題從理論上作出解釋，提出提高機(jī)械加工表面質(zhì)量的途徑。8.1機(jī)械加工后的表面質(zhì)量

8.1.1表面質(zhì)量的含義

表面質(zhì)量是指機(jī)器零件加工后表面層的狀態(tài)。它有下面兩部分：⑴表面層的幾何形狀表面粗糙度、表面波度。⑵表面層的物理機(jī)械性能

表面冷作硬化、表面層金相組織的變化、表面層殘余應(yīng)力表面層的冷作硬化機(jī)械加工過程中表面層金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，晶粒被拉長，這些都會(huì)使表面層金屬的硬度增加，塑性減小，統(tǒng)稱為冷作硬化。表面層殘余應(yīng)力機(jī)械加工過程中由于切削變形和切削熱等因素的作用在工件表面層材料中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，稱為表面層殘余應(yīng)力。表面層金相組織變化機(jī)械加工過程中，在工件的加工區(qū)域，溫度會(huì)急劇升高，當(dāng)溫度升高到超過工件材料金相組織變化的臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生金相組織變化。例如磨削淬火鋼件時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)回火燒傷、退火燒傷等金相組織變化，將嚴(yán)重影響零件的使用件能。8.1.2表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響

8.1.2.1對(duì)零件耐磨性的影響如圖7.17所示，最初接觸的只是一些凸峰頂部，實(shí)際接觸面積比名義接觸面積小得多。圖8.2所示是實(shí)驗(yàn)所得的不同表面粗糙度對(duì)初期磨損量的影響曲線。圖8.4所示兩摩擦表面粗糙度紋路方向?qū)α慵湍バ缘挠绊憽?.1.2.2對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響零件表面微觀不平與表面的缺陷一樣都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象；零件表面的冷硬層能夠阻礙裂紋的擴(kuò)大和新裂紋的出現(xiàn)，可以提高零件的疲勞強(qiáng)度(但冷硬層過深或過硬則容易產(chǎn)生裂紋，反而會(huì)降低疲勞強(qiáng)度)表面層殘余的壓應(yīng)力能夠部分地抵消工作載荷施加的拉壓力，延緩疲勞裂紋擴(kuò)展。而殘余拉應(yīng)力容易使已加工表面產(chǎn)生裂紋而降低疲勞強(qiáng)度。8.1.2.3對(duì)零件抗腐蝕性能的影響零件表面粗糙度值越大，抗腐蝕性能越差。表面冷硬和金相組織變化都會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。零件在應(yīng)力狀態(tài)下工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生腐蝕，降低零件的抗腐蝕性能。8.1.2.4對(duì)零件的其它影響表面質(zhì)量對(duì)零件的配合質(zhì)量、密封性能及磨擦系數(shù)都有很大的影響。表面粗糙度值越大，對(duì)動(dòng)配合來說，使用不久就會(huì)使配合性質(zhì)發(fā)生變化；對(duì)靜配合來說，壓裝時(shí)會(huì)減少過盈量。表面層有裂紋、加工痕跡等各種缺陷，在動(dòng)載荷的作用下，可能引起應(yīng)力集中等。8.2機(jī)械加工后的表面粗糙度

8.2.1切削加工后的表面粗糙度

8.2.1.1幾何因素*減小f、、及增大，均可減小殘留面積的高度R值。

8.2.1.2物理因素由圖8.6可知，切削加工后表面的實(shí)際粗糙度與理論粗糙度有比較大的差別，它與被加工材料的性能及切削機(jī)理有關(guān)物理因素的影響有關(guān)。韌性越好的材料塑性變形就越大，且容易出現(xiàn)積屑瘤與鱗刺，使粗糙度嚴(yán)重惡化。8.2.2磨削加工后表面粗糙度影響磨削后表面粗糙度的因素也可歸納為三個(gè)方面：①與磨削過程和砂輪結(jié)構(gòu)有關(guān)的幾何因素；②與磨削過程和被加工材料塑性變形有關(guān)的物理因素；③工藝系統(tǒng)的振動(dòng)因素為了降低表面粗糙度值，應(yīng)考慮以下主要影響因素：①砂輪的粒度(粒度愈細(xì))②砂輪的修整(修整質(zhì)量越高，等高微刃(圖8.7)就越多)③砂輪速度(提高砂輪速度增加工件刻痕數(shù)和材料來不及變形)④工件速度(工件速度越大，表面粗糙度值增大)⑤徑向進(jìn)給量(增大磨削徑向進(jìn)給量將增加塑性變形的程度從而增大粗糙度)⑥軸向進(jìn)給量(磨削時(shí)采用較小的軸向進(jìn)給量，則磨削后表面粗糙度較低)

另外，工藝系統(tǒng)的振動(dòng)引起粗糙度增大。8.3機(jī)械加工后的表面層物理機(jī)械性能

8.3.1機(jī)械加工后表面層的冷作硬化*

8.3.1.1冷作硬化產(chǎn)生的原因切削或磨削加工時(shí)，表面層金屬由于塑性變形使晶體間產(chǎn)生剪切滑移，晶格發(fā)生拉長、扭曲和破碎而得到強(qiáng)化。8.3.1.2影響冷作硬化的主要因素①刀具刀具的切削刃口圓角和后刀面的磨損量對(duì)于冷作硬層有很大影響。前角減少時(shí)，冷硬也增大。②切削用量VC冷硬

；f冷硬，但f較小冷硬③被加工工件材料被加工工件材料硬度愈低、塑性愈大，切削后的冷硬現(xiàn)象愈嚴(yán)重8.3.2機(jī)械加工后表面層金相組織的變化

8.3.2.1金相組織變化的原因磨削時(shí)，溫度可上升到400～1000oC，甚至更高。出現(xiàn)金相織的變化，強(qiáng)度和硬度下降，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，甚至引起裂紋，這就是磨削燒傷現(xiàn)象。磨削淬火鋼時(shí)表面層燒傷有以下三種：①回火燒傷磨削區(qū)溫度超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度而未超過相變溫度;②淬火燒傷磨削區(qū)溫度超過相變溫度(用冷卻液時(shí));③退火燒傷不用冷卻液進(jìn)行干磨削時(shí)，磨削區(qū)溫度超過相變溫度，工件表層被退火。

磨削燒傷嚴(yán)重影響零件的使用性能，必須采取措施加以控制。

控制磨削燒傷有兩個(gè)途徑：一是盡可能減少磨削熱的產(chǎn)生；二是改善冷卻條件，盡量減少傳人工件的熱量。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（如高壓大流量冷卻、噴霧冷卻、內(nèi)冷卻）等措施，都可以降低磨削區(qū)溫度，防止磨削燒傷。8.3.2.2影響磨削加工時(shí)金相組織變化的因素①工件材料為低碳鋼時(shí)不會(huì)發(fā)生相變。高合金鋼如軸承鋼、高速鋼、鎳鉻鋼等傳熱性特別差易出現(xiàn)磨削燒傷②磨削溫度、溫度梯度及冷卻速度等可引起工件表面金相組織發(fā)生不同變化。8.3.3機(jī)械加工后表面層的殘余應(yīng)力

8.3.3.1殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因⑴冷態(tài)塑性變形機(jī)械加工時(shí)，表層金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈塑性變形。⑵熱態(tài)塑性變形機(jī)械加工時(shí)，切削或磨削熱使工件表面局部溫升過高，引起高溫塑性變形(圖8.10為因加工溫度而引起殘余應(yīng)力的示意圖)⑶金相組織變化切削時(shí)產(chǎn)生的高溫會(huì)引起表面的相變。實(shí)際機(jī)械加工后的表面層殘余應(yīng)力及其分布，是上述三方面因素綜合作用的結(jié)果，在一定條件下，其中某一或二種因素可能主導(dǎo)作用。(圖8.11所示為三類磨削條件下產(chǎn)生的表面層殘余應(yīng)力)另外：影響殘余應(yīng)力的工藝因素主要是刀具的前角、切削速度以及工件材料的性質(zhì)和冷卻潤滑液。8.3.3.2磨削裂紋的產(chǎn)生磨削加工中熱態(tài)塑性變形和金相織變化的影響較大，故大多數(shù)磨削零件的表面層往往有殘余拉應(yīng)力。當(dāng)殘余拉應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)，零件表面就會(huì)出現(xiàn)裂紋。(如圖8.12所示)8.4控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑

8.4.1減小殘余拉應(yīng)力、防止磨削燒傷和磨削裂紋的工藝途徑8.4.1.1選擇合理的磨削參數(shù)減少砂輪速度和背吃刀量；適當(dāng)提高進(jìn)給量和工件速度。8.4.1.2選擇有效的冷卻方法采用高壓大流量冷卻、內(nèi)冷卻或?yàn)闇p輕高速旋轉(zhuǎn)的砂輪表面的高壓附著氣流的作用，加裝空氣擋板(圖8.13)8.4.2采用冷壓強(qiáng)化工藝

8.4.2.1噴丸噴丸是一種用壓縮空氣或離心力將大量直徑細(xì)小(0.4～2㎜)的丸粒(鋼丸、玻璃丸)以30～50m/s的速度向零件表面噴射的方法(如圖8.14(a))8.4.2.2滾壓用工具鋼淬硬制成的鋼滾輪或鋼珠在零件上進(jìn)行滾壓，如圖8.14(b)8.4.3.采用精密和光整加工工藝精密和光整加工工藝是指經(jīng)濟(jì)加工精度在IT5~IT7級(jí)以上，表面粗糙度小于0.16，表面物理機(jī)械性能也處于十分良好狀態(tài)的各種加工工藝方法。8.4.3.1精密加工工藝

精密加工工藝方法有高速精鏜、高速精車、寬刃精刨和細(xì)密磨削等。8.4.3.2光整加工工藝

⑴珩磨⑵超精加工⑶研磨⑷拋光拋光是在布輪、布盤或砂帶等軟的研具上涂以拋光膏來加工工件的。8.5機(jī)械加工過程中的振動(dòng)問題簡介

8.5.1振動(dòng)的概念與類型金屬切削過程中，工件和刀具之間常常發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，它分為自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)三種。8.5.2機(jī)械加工中的強(qiáng)迫振動(dòng)強(qiáng)迫振動(dòng)是在外界周期干擾力的作用下產(chǎn)生的，但振動(dòng)本身并不能引起干擾力的變化。不管振動(dòng)系統(tǒng)本身的固有頻率如何，強(qiáng)迫振動(dòng)的固有頻率總是與外界干擾力的頻率相同。強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅大小在很大程度上取決于干擾力的頻率與系統(tǒng)固有頻率的比值。當(dāng)這個(gè)頻率比等于或接近1時(shí)，振幅達(dá)到最大值，出現(xiàn)“共振”現(xiàn)象。干擾力越大，系統(tǒng)剛度及阻尼系數(shù)越小，則強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅就越大8.5.3機(jī)械加工中的自激振動(dòng)自激振動(dòng)是由振動(dòng)過程本身引起切削力周期性變化，又由這個(gè)周期性變化的切削力反過來加強(qiáng)和維持振動(dòng)，使振動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)充了由阻尼作用消耗的能量，讓振動(dòng)維持下去。切削過程中的自激振動(dòng)可舉日常生活中常見的電鈴為例來說明(如圖8.24，8.25)金屬切削過程中自激振動(dòng)的原理如圖8.26所示。維持振動(dòng)的能量來源于機(jī)床的能源。自激振動(dòng)與強(qiáng)迫振動(dòng)相同，是一種不衰減的振動(dòng)。維持振動(dòng)的交變力是由振動(dòng)本身所產(chǎn)生和控制的，當(dāng)振動(dòng)一停止，則此交變力也隨之消失。只要停止切削過程，即使機(jī)床仍繼續(xù)空運(yùn)轉(zhuǎn)，自激振動(dòng)也就