機械制造工藝學(xué)課件 第三章機械加工表面質(zhì)量

第三章機械加工表面質(zhì)量

第一節(jié)加工表面質(zhì)量及其對使用性能的影響一、機械加工表面質(zhì)量的含義1．表面的幾何特征(1)表面粗糙度(2)表面波度(3)紋理方向(4)傷痕——表面上一些個別位置上出現(xiàn)的缺陷2．表面層物理力學(xué)、化學(xué)性能(1)表面層加工硬化(冷作硬化)。(2)表面層金相組織變化。(3)表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。第一節(jié)加工表面質(zhì)量及其對使用性能的影響

第一節(jié)加工表面質(zhì)量及其對使用性能的影響二、加工表面質(zhì)量對機器零件使用性能的影響（一）表面質(zhì)量對耐磨性的影響

1．表面粗糙度對耐磨性的影響——存在一個最優(yōu)表面粗糙度值

第一節(jié)加工表面質(zhì)量及其對使用性能的影響2.表面紋理對耐磨性的影響圓弧狀、凹坑狀表面紋理的耐磨性好；尖峰狀的表面紋理耐磨性較差在運動副中，兩相對運動零件表面的刀紋方向均與運動方向相同時，耐磨性較好；兩者的刀紋方向均與運動方向垂直時，耐磨性最差。3．冷作硬化對耐磨性的影響一般都能使耐磨性有所提高,但并不是冷作硬化的程度越高，耐磨性越高

過度的加工硬化會使金屬組織疏松，甚至出現(xiàn)疲勞裂紋和產(chǎn)生剝落現(xiàn)象，從而使耐磨性下降。

第一節(jié)加工表面質(zhì)量及其對使用性能的影響（二）表面質(zhì)量對耐疲勞性的影響1．表面粗糙度對耐疲勞性的影響表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲勞性越好；（注意紋底半徑大小的影響）表面粗糙度對耐疲勞性的影響還與材料對應(yīng)力集中的敏感程度和材料的強度極限有關(guān)。鋼對應(yīng)力集中最為敏感，鑄鐵和有色金屬對應(yīng)力集中的敏感性較弱。2．表層金屬的冷作硬化的影響——能夠阻止疲勞裂紋的生長，可提高零件的耐疲勞強度。3.表面層金屬的殘余應(yīng)力的影響——拉伸殘余應(yīng)力將使耐疲勞強度下降；壓縮殘余應(yīng)力則可使耐疲勞強度提高。

第一節(jié)加工表面質(zhì)量及其對使用性能的影響（三）表面質(zhì)量對耐蝕性的影響1．表面粗糙度的影響——表面粗糙度值越大，耐蝕性能就越差。2．表面層力學(xué)物理性質(zhì)的影響——零件表面層有殘余壓應(yīng)力時，能夠阻止表面裂紋的進一步擴大，有利于提高零件表面抵抗腐蝕的能力。（四）表面質(zhì)量對零件配合質(zhì)量的影響——表面粗糙度影響配合的穩(wěn)定性和可靠性

1、對于間隙配合表面原有間隙將因急劇的初期磨損而改變，表面粗糙度越大，變化量就越大，從而從而影響配合的穩(wěn)定性。

2、對于過盈配合表面表面粗糙度越大，兩表面相配合時表面凸峰易被擠掉，這會使過盈量減少，影響配合的可靠性。第二節(jié)影響加工表面粗糙度的工藝因素及其改善措施第二節(jié)影響加工表面粗糙度的工藝因素及其改善措施一、影響切削加工表面粗糙度的因素1、車削、刨削、銑削等1）切削殘留面積的高度直接影響表面粗糙度大?。◣缀我蛩兀p小表面粗糙度的措施：減小f,kr，kr’

擴大r；提高刀具刃磨質(zhì)量，從而減小復(fù)映效果。第二節(jié)影響加工表面粗糙度的工藝因素及其改善措施2）積削瘤、鱗刺、金屬材料的塑性變形影響加工表面粗糙度（1）選用合適的切削速度，采用低速或高速切削——減少或者避免產(chǎn)生積削瘤如低速寬刀精刨和高速精車、高速精銑（2）改善被加工材料的性質(zhì)——降低塑性，減少塑性變形，避免產(chǎn)生積削瘤切削加工前對工件進行調(diào)質(zhì)處理，以降低塑性，并得到均勻細密的晶粒組織。（3）適當(dāng)增大刀具的前角、提高刀具的刃磨質(zhì)量——使切削輕快，減少振動和鱗刺（4）合理選用冷卻潤滑液——避免產(chǎn)生積削瘤第二節(jié)影響加工表面粗糙度的工藝因素及其改善措施2、磨削加工通過單位面積的磨粒數(shù)越多，刻痕等高性越好，表面粗糙度值越小表面層金屬的塑性變形小，磨削表面的粗糙度值越小1）磨削用量的影響和選擇提高砂輪速度，降低工件轉(zhuǎn)速，減小縱向進給速度——增大單位面積的磨粒數(shù)減小磨削深度提，高砂輪速度，降低工件轉(zhuǎn)速——減少表層金屬塑性變形2）砂輪的影響和選擇合理選擇砂輪的粒度并勤修砂輪（砂輪的粒度號數(shù)越大，磨粒越選用合適的砂輪硬度砂輪太硬——磨粒不易脫落，“自銳”性差，使表面粗糙度增大；砂輪太軟——磨粒易脫落，“保形”性差，磨削作用減弱，也會使表面粗糙度值增大影響加工表面層冷作硬化的因素第三節(jié)．影響表層金屬力學(xué)物理性能的工藝因素及其改進措施一、影響加工表面層冷作硬化的因素

冷作硬化：加工過程中產(chǎn)生的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)生滑移，晶粒被拉長，使表面層金屬的硬度增加的現(xiàn)象，稱為冷作硬化（即強化）評定指標(biāo)：1)表層金屬的顯微硬度HV;2）硬化層深度h(Vm)；

3）硬化程度N

弱化：機械加工過程中產(chǎn)生的切削熱，將使金屬在塑性變形中產(chǎn)生的冷硬現(xiàn)象得到恢復(fù)的現(xiàn)象（金屬冷作硬化的結(jié)果，使金屬處于高能位不穩(wěn)定狀態(tài)，只要一有條件，金屬的冷硬結(jié)構(gòu)本能地向比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化）

注意：金屬在機械加工過程中同時受到力因素和熱因素的作用，機械加工后表面層金屬的最后性質(zhì)取決于強化和弱化兩個過程的綜合。

影響加工表面層冷作硬化的因素（一）影響車、刨、銑等加工表面冷作硬化的因素

——從變形和熱兩方面考慮1）被加工材料性能的影響——工件材料的塑性越大，冷硬傾向越大如低碳鋼；但有色合金金屬的熔點低容易弱化，冷作硬化現(xiàn)象比鋼材輕得多。2）切削用量的影響——進給量f和切削速度v的影響為最大，切削深度ap對表層金屬冷作硬化的影響不大切削速度對冷硬程度的影響是力因素和熱因素綜合作用的結(jié)果，視具體情況而定。3）刀具幾何形狀的影響——切削刃鈍圓半徑增大，表層金屬的塑性變形程度加劇，冷硬增大。為減小冷作硬化程度應(yīng)注意保持刀具切刃鋒利影響加工表面層冷作硬化的因素（二）影響磨削加工表面冷作硬化的因素——仍然從變形和熱兩方面考慮1）加工材料性能的影響——塑性越大，導(dǎo)熱性差，冷硬傾向大2）磨削用量的影響——磨削深度大，縱向進給速度大，工件轉(zhuǎn)速高，冷硬傾向大；磨削速度高，冷硬程度小3）砂輪粒度的影響——砂輪粒度號大，冷硬程度小影響加工表面層金相組織變化的因素二、表層金屬的金相組織變化（一）機械加工表面金相組織的變化主要存在于磨削加工——因磨削溫度高，超過工件材料金相組織變化的臨界點將發(fā)生表面金相組織的變化磨削淬火鋼時，表層金屬可能產(chǎn)生以下三種金相組織變化：

1）回火燒傷——工件加工區(qū)溫度超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，表層硬度降低

2）淬火燒傷——工件加工區(qū)溫度超過相變溫度且有冷卻液急冷，表層硬度升高

3）退火燒傷——工件加工區(qū)溫度超過相變溫度但沒有冷卻液冷卻，表層硬度降低影響加工表面層金相組織變化的因素（二）改善磨削燒傷的工藝途徑——從降低切削溫度考慮

1）正確選擇砂輪——從導(dǎo)熱性、砂輪硬度、組織、結(jié)合劑等方面考慮

2）合理選擇磨削用量——ap對燒傷影響最大；加大橫向進給量有利于減輕燒傷；同時提高砂輪速度和工件速度可避免燒傷；

3）改善冷卻條件

4）使用開槽砂輪影響表層殘余應(yīng)力的因素三、表層金屬的殘余應(yīng)力——拉應(yīng)力或者壓應(yīng)力（一）殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因

1）冷塑性變形——使表層產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，里層產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力。

原因：加工表面受刀具或砂輪磨粒的擠壓和摩擦，產(chǎn)生拉伸塑性變形，此時里層金屬處于彈性變形狀態(tài)，切削后里層金屬趨于彈性恢復(fù)，但受到已產(chǎn)生塑性變形的表層金屬牽制

2）熱塑性變形——表層產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力，里層產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。

原因：切削和磨削過程中，表層的溫度比里層高，表層的熱膨脹較大；加工后零件冷卻至室溫時，表層金屬體積的收縮受到里層的牽制。

影響表層殘余應(yīng)力的因素3）相變引起的體積變化金相組織的變化引起表層金屬的比容增大，則表層金屬將產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，而里層金屬產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力；金相組織的變化引起表層金屬的比容減小，則表層金屬產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力，而里層金屬產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。

已加工表面層殘余應(yīng)力的性質(zhì)是以上幾方面影響的綜合結(jié)果。影響表層殘余應(yīng)力的因素（二）影響切削加工表層金屬產(chǎn)生殘余應(yīng)力的工藝因素從工藝過程中冷塑性變形、熱塑性變形、相變誰占主導(dǎo)作用考慮1切削速度和工件材料的影響低速切削易產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，高速時可能產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力2前角的影響1）較大正前角車刀加工表面易產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力2）前角由正變負，表層殘余拉伸應(yīng)力變??；負前角很大時表層產(chǎn)生壓應(yīng)力（三）影響磨削加工表層金屬產(chǎn)生殘余應(yīng)力的工藝因素

1）磨削用量ap影響最大——

ap很小時，主要受冷塑性變形影響，表層為殘余壓應(yīng)力；增大ap，熱因素作用加大，表面為殘余拉應(yīng)力，且數(shù)值隨ap增大而逐漸增大

砂輪速度——提高將使冷塑變形影響小，熱塑變形影響增大，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力

工件回轉(zhuǎn)速度和進給速度——提高將使熱因素影響減小，熱塑變形影響增大

2）工件材料的影響工件材料強度越高、塑性越低、導(dǎo)熱性越差——產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的傾向越大第三節(jié)．影響表層金屬力學(xué)物理性能的工藝因素及其改進措施（二）工件最終工序加工方法的選擇1）在交變載荷的作用下機器零件表面上存在的局部微觀裂紋，由于拉應(yīng)力的作用使原至裂紋擴大，最后導(dǎo)致零件斷裂。從提高零件抵抗疲勞破壞的角度考慮，最終工序應(yīng)選擇能在加工表面（尤其是應(yīng)力集中區(qū)）產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力的加工方法。

2）兩個零件作相對滑動時從提高零件抵抗滑動摩擦引起的磨損考慮，最終工序應(yīng)選擇能在加工表面上產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力的加工方法。從抵抗擴散磨損、化學(xué)磨損、粘接磨損考慮，對殘余應(yīng)力的性質(zhì)無特殊要求，但殘余應(yīng)力的數(shù)值要小，使表面金屬處于低能位狀態(tài)。3）兩個零件做相對滾動時從提高零件抵抗?jié)L動摩擦引起的磨損考慮，最終工序應(yīng)選擇能在表面層下h深處產(chǎn)生壓應(yīng)力的加工方法。第三節(jié)．影響表層金屬力學(xué)物理性能的工藝因素及其改進措施第三節(jié)．影響表層金屬力學(xué)物理性能的工藝因素及其改進措施第三節(jié)．影響表層金屬力學(xué)物理性能的工藝因素及其改進措施四、表面強化工藝

（一）噴丸強化噴丸強化是利用大量快速運動的珠丸打擊被加工工件表面，使工件表面產(chǎn)生冷硬層和壓縮殘余應(yīng)力，可顯著提高零件的疲勞強度和使用壽命。

（二）滾壓加工滾壓加工是利用經(jīng)過淬硬和精細研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)下對金屬表面進行擠壓，將表層的凸起