機(jī)械制造基礎(chǔ)第八章課件

保證機(jī)器的使用性能和延長使用壽命，需提高機(jī)器零件的耐磨性、疲勞強(qiáng)度、抗蝕性、密封性、接觸剛度等性能，主要取決于零件的表面質(zhì)量。機(jī)械加工表面質(zhì)量是機(jī)械零件加工質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。是以機(jī)械零件的加工表面和表面層作為分析和研究對象的。主要討論機(jī)械加工表面質(zhì)量的含義、表面質(zhì)量對使用性能的影響、表面質(zhì)量產(chǎn)生的機(jī)理等。對生產(chǎn)現(xiàn)場中發(fā)生的表面質(zhì)量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。本章提要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)。有兩部分：⑴表面層的幾何形狀表面粗糙度：是指表面微觀幾何形狀誤差，其波高與波長的比值在L1/H1＜40的范圍內(nèi)。表面波度：

是介于加工精度（宏觀幾何形狀誤差L3/H3＞1000）和表面粗糙度之間的一種帶有周期性的幾何形狀誤差，其波高與波長的比值在40≤L2/H2≤1000的范圍。機(jī)械加工后的表面質(zhì)量圖8.1表面幾何形狀機(jī)械加工后的表面質(zhì)量8.1.2表面質(zhì)量對零件使用性能的影響對零件耐磨性的影響在摩擦副的材料、熱處理情況和潤滑條件已經(jīng)確定的情況下，零件的表面質(zhì)量對耐磨性能起決定性的作用。兩個表面粗糙度值很大的零件接觸，最初接觸的只是一些凸峰頂部，實際接觸面積比名義接觸面積小得多，這樣單位接觸面積上的壓力就很大，當(dāng)壓力超過材料的屈服極限時，凸峰部分產(chǎn)生塑性變形；當(dāng)兩個零件作相對運動時，就會產(chǎn)生剪切、凸峰斷裂或塑性滑移，初期磨損速度很快。機(jī)械加工后的表面質(zhì)量圖8.2表面粗糙度與初期磨損量關(guān)系曲線存在最佳點，對應(yīng)零件最耐磨的粗糙度，此時零件的初期磨損量最小。若載荷加重或潤滑條件惡化，磨損曲線將向上向右移動，最佳粗糙度值也隨之右移。在表面粗糙度大于最佳值時，減小表面粗糙度值可減少初期磨損量。但當(dāng)表面粗糙度小于最佳值時，零件實際接觸面積就增大，接觸面積之間的潤滑油被擠出，金屬表面直接接觸，因金屬分子間的親和力而發(fā)生粘結(jié)（稱為冷焊），隨著相對運動的進(jìn)行，粘結(jié)處在剪切力的作用下發(fā)生撕裂破壞。有時還由于摩擦產(chǎn)生的高溫，使摩擦面局部熔化（稱為熱焊）等原因，使接觸表面遭到破壞，初期磨損量反而急劇增加。一對摩擦副在一定的工作條件下通常有一最佳粗糙度值，在確定機(jī)器零件的技術(shù)條件時應(yīng)該根據(jù)零件工作的情況及有關(guān)經(jīng)驗，規(guī)定合理的粗糙度。機(jī)械加工后的表面質(zhì)量表面層的冷硬可顯著地減少零件的磨損。原因：冷硬提高了表面接觸點處的屈服強(qiáng)度，減少了進(jìn)一步塑性變形的可能性，并減少了摩擦表面金屬的冷焊現(xiàn)象。但如果表面硬化過度，零件心部和表面層硬度差過大，會發(fā)生表面層剝落現(xiàn)象，使磨損加劇。表面層產(chǎn)生金相組織變化時，由于改變了基體材料原來的硬度，因而也直接影響其耐磨性。機(jī)械加工后的表面質(zhì)量對零件疲勞強(qiáng)度的影響

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)，因為由摩擦學(xué)可知疲勞源的位置在冷硬層的中部，因此冷硬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，反而會降低疲勞強(qiáng)度。所以冷硬要適當(dāng)。

表面層的內(nèi)應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響很大。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。帶有不同殘余應(yīng)力表面層的零件，其疲勞壽命可相差數(shù)倍至數(shù)十倍。機(jī)械加工后的表面質(zhì)量對零件抗腐蝕性能的影響零件表面粗糙度值越大，潮濕空氣和腐蝕介質(zhì)越容易堆積在零件表面凹處而發(fā)生化學(xué)腐蝕，或在凸峰間產(chǎn)生電化學(xué)作用而引起電化學(xué)腐蝕，故抗腐蝕性能越差。表面冷硬和金相組織變化都會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。零件在應(yīng)力狀態(tài)下工作時，會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，若有裂紋，則更增加了應(yīng)力腐蝕的敏感性。因此表面內(nèi)應(yīng)力會降低零件的抗腐蝕性能。機(jī)械加工后的表面質(zhì)量對零件的其它影響表面質(zhì)量對零件的配合質(zhì)量、密封性能及摩擦系數(shù)都有很大的影響。表面粗糙度值越大，初期磨損量越大，對動配合來說，使用不久就會使配合性質(zhì)發(fā)生變化；對靜配合來說，壓裝時會減少過盈量，降低配合強(qiáng)度。

機(jī)械加工后的表面質(zhì)量幾何因素由刀具相對于工件作進(jìn)給運動時在加工表面上遺留下來的切削層殘留面積。機(jī)械加工后的表面粗糙度物理因素由圖知，實際粗糙度與理論粗糙度差別較大。主要是與被加工材料的性能及切削機(jī)理有關(guān)的物理因素的影響。切削過程中刀具的刃口圓角及后刀面對工件擠壓與摩擦而產(chǎn)生塑性變形。韌性越好的材料塑性變形越大，且容易出現(xiàn)積屑瘤與鱗刺，使粗糙度嚴(yán)重惡化。還有切削用量、冷卻潤滑液和刀具材料等因素影響。圖8.6塑性材料加工后表面的實際輪廓和理論輪廓機(jī)械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度影響因素可歸納為三方面：

與磨削過程和砂輪結(jié)構(gòu)有關(guān)的幾何因素與磨削過程和被加工材料塑性變形有關(guān)的物理因素工藝系統(tǒng)的振動因素機(jī)械加工后的表面粗糙度為了降低表面粗糙度值，應(yīng)考慮以下主要影響因素：①砂輪的粒度砂輪的粒度愈細(xì)，則砂輪單位面積上的磨粒數(shù)愈多，在工件上的刻痕也愈密而細(xì)，所以粗糙度值愈低。②砂輪的修整砂輪的修整質(zhì)量越高，砂輪工作表面上的等高微刃（圖8.7）就越多，因而磨出的工件表面粗糙度值也就愈低。圖8.7磨粒上的微刃機(jī)械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度③砂輪速度提高砂輪速度可以增加單位時間內(nèi)工件單位面積上的刻痕數(shù)，同時塑性變形造成的隆起量隨著砂輪速度的增大而下降，原因是高速下塑性變形的傳播速度小于磨削速度，材料來不及變形，因而粗糙度可以顯著降低。④工件速度工件速度越大，單個磨粒的磨削厚度就越大，單位時間內(nèi)磨削工件表面的磨粒數(shù)減少，表面粗糙度值增大。機(jī)械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度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。通常在磨削過程開始時采用較大的徑向進(jìn)給量，以提高生產(chǎn)率，而在最后采用小徑向進(jìn)給量或無徑向進(jìn)給量磨削，以降低粗糙度值。⑥軸向進(jìn)給量磨削時采用較小的軸向進(jìn)給量，則磨削后表面粗糙度較低。機(jī)械加工后的表面粗糙度8.3機(jī)械加工后表面層的冷作硬化切削或磨削加工時，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。冷作硬化的特點：變形抵抗力（強(qiáng)度硬度）提高（屈服點提高），塑性降低（相對延伸率降低）。冷作硬化產(chǎn)生的原因機(jī)械加工后的表面層物理機(jī)械性能

表面層冷作硬化的程度決定于產(chǎn)生塑性變形的力、變形速度及變形時的溫度。

力越大，塑性變形越大，則硬化程度越大；速度越大，塑性變形越不充分，則硬化程度越??；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。冷作硬化產(chǎn)生的原因機(jī)械加工后的表面層物理機(jī)械性能切削加工時表面層的硬化可能有兩種情況：完全強(qiáng)化此時出現(xiàn)晶格歪扭以及纖維結(jié)構(gòu)和變形層物理機(jī)械性質(zhì)的改變；不完全強(qiáng)化若溫度超過（0.25~0.30）T熔（熔化絕對溫度），則除了強(qiáng)化現(xiàn)象外，同時還有回復(fù)現(xiàn)象，此時歪扭的晶格局部得到恢復(fù)，減低了冷硬作用；如果溫度超過0.30T熔就會發(fā)生金屬再結(jié)晶，此時由于強(qiáng)化而改變了的表面層物理機(jī)械性能幾乎可以完全恢復(fù)。冷作硬化產(chǎn)生的原因機(jī)械加工后的表面層物理機(jī)械性能機(jī)械加工后表面層金相組織的變化磨削加工時切削力比其它加工方法大數(shù)十倍，切削速度也非常高，所以功率消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它切削方法。由于砂輪導(dǎo)熱性差、切屑數(shù)量少，磨削過程中能量轉(zhuǎn)化的熱大部分都傳給了工件。磨削時，在很短的時間內(nèi)磨削區(qū)溫度可上升到400~1000oC，甚至更高。這樣大的加熱速度，促使加工表面局部形成瞬時熱聚集現(xiàn)象，有很高溫升和很大的溫度梯度，出現(xiàn)金相組織的變化，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。金相組織變化的原因機(jī)械加工后的表面層物理機(jī)械性能磨削淬火鋼時，由于磨削燒傷，工件表面產(chǎn)生氧化膜并呈現(xiàn)出黃、褐、紫、青、灰等不同顏色，相當(dāng)于鋼的回火色。不同的燒傷色表示受到不同溫度的作用與產(chǎn)生不同的燒傷深度。有時表面雖看不出變色，但并不等于表面未受熱損傷。例如在磨削過程中由于采用過大的磨削用量，造成了很深的燒傷層，以后的無進(jìn)給磨削中磨去了表面的燒傷色，而未能除去燒傷層，則留在工件上的燒傷層就會成為使用中的隱患。金相組織變化的原因機(jī)械加工后的表面層物理機(jī)械性能⑵熱態(tài)塑性變形機(jī)械加工時，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。⑶金相組織變化 切削時產(chǎn)生的高溫會引起表面的相變。由于不同的金相組織有不同的比容，表面層金相變化的結(jié)果將造成體積的變化。表面層體積膨脹時，因為受到基體的限制，產(chǎn)生了壓應(yīng)力；反之產(chǎn)生拉應(yīng)力。殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因機(jī)械加工后的表面層物理機(jī)械性能實際機(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起主導(dǎo)作用。例如：切削時切削熱不多則以冷態(tài)塑性變形為主，若切削熱多則以熱態(tài)塑性變形為主。磨削時表面層殘余應(yīng)力歲磨削條件不同而不同，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。輕磨削條件產(chǎn)生淺而小的殘余壓應(yīng)力，因為此時沒有金相組織變化，溫度影響也很小，主要是塑性變形的影響在起作用。中等磨削條件產(chǎn)生淺而大的拉應(yīng)力。淬火鋼重磨削條件則產(chǎn)生深而大的拉應(yīng)力（最外表面可能出現(xiàn)小而淺的壓應(yīng)力），這里顯然是由于熱態(tài)塑性變形和金相組織變化的影響在起主導(dǎo)作用的緣故。殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因機(jī)械加工后的表面層物理機(jī)械性能影響殘余應(yīng)力的主要工藝因素：刀具的前角切削速度工件材料的性質(zhì)和冷卻潤滑液。

具體的情況則看其對切削時的塑性變形、切削溫度和金相組織變化的影響程度而定。影響殘余應(yīng)力的工藝因素機(jī)械加工后的表面層物理機(jī)械性能總的來說，磨削加工中熱態(tài)塑性變形和金相組織變化的影響較大，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，零件表面就會出現(xiàn)裂紋。有的磨削裂紋也可能不在工件的外表面，而是在表面層下成為肉眼難以發(fā)現(xiàn)的缺陷。磨削裂紋一般很淺（0.25~.050mm），大多數(shù)垂直于磨削方向或成網(wǎng)狀（磨螺紋時有時也有平行于磨削方向的裂紋）。裂紋總是拉應(yīng)力引起的，且常與燒傷同時出現(xiàn)。磨削裂紋的產(chǎn)生機(jī)械加工后的表面層物理機(jī)械性能圖8.12磨削裂紋機(jī)械加工后的表面層物理機(jī)械性能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控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑對零件使用性能危害甚大的殘余拉應(yīng)力、磨削燒傷和磨削裂紋均起因于磨削熱，所以如何降低磨削熱并減少其影響是生產(chǎn)上的一項重要問題。解決的原則：一是減少磨削熱的發(fā)生，二是加速磨削熱的傳出。8.4.1.1選擇合理的磨削參數(shù)8.4控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑為了直接減少磨削熱的發(fā)生，降低磨削區(qū)的溫度，應(yīng)合理選擇磨削參數(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。但這會使粗糙度值增大而造成矛盾。8.4.1.2選擇有效的冷卻方法8.4.2采用冷壓強(qiáng)化工藝8.4控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑8.4.2.1噴丸8.4控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑噴丸是一種用壓縮空氣或離心力將大量直徑細(xì)小（?０.４～２mm）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?？梢杂糜谌魏螐?fù)雜形狀的零件。噴丸的結(jié)果在表面層產(chǎn)生很大的塑性變形，造成表面的冷作硬化和殘余壓應(yīng)力。硬化深度可達(dá)０.７mm,表面粗糙度可自３.２降到０.４。噴丸后零件的使用壽命可提高數(shù)倍至數(shù)十倍。例如，齒輪可提高４倍，螺旋彈簧可提高５５倍以上。8.4.2.2滾壓8.4控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑用工具鋼淬硬制成的鋼滾輪或鋼珠在零件上進(jìn)行滾壓，使表層材料產(chǎn)生塑性流動，形成新的光潔表面。表面粗糙度可自１.６降至０.１，表面硬化深度達(dá)０.２～１.５mm硬化程度１０％～４０％。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。采用精密加工工藝能全面地提高加工精度和表面質(zhì)量，而光整加工工藝主要是為了獲得較高的表面質(zhì)量。8.4.3.1精密加工工藝8.4控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑精密加工工藝的加工精度主要由高精度的機(jī)床保證。精密加工的切削深度和進(jìn)給量一般極小，切削速度則很高或極低，加工時盡可能進(jìn)行充分的冷卻和潤滑，以有利于最大限度地排除切削力，切削熱對加工質(zhì)量的影響，并有利于降低表面粗糙度。精密加工切削效率不高，故加工余量不能太大，所以對前道工序有較高的要求。8.4.3.2光整加工工藝

8.4控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑光整加工是用粒度很細(xì)的磨料對工件表面進(jìn)行微量切削和擠壓的過程.光整加工是按照隨機(jī)創(chuàng)制成形原理,加工中磨具與工件的相對運動盡可能復(fù)雜,盡可能使磨料不走重復(fù)的軌跡,讓工件加工表面各點都受到具有很大隨機(jī)性的接觸條件,以突出它們間的高點,進(jìn)行相互修整,使誤差逐步均化而得到消除,從而獲得極光的表面和高于磨具原始精度的加工精度.8.4.3.2光整加工工藝

8.4控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑珩磨珩磨是利用珩磨頭上得細(xì)粒砂條對孔進(jìn)行加工得方法，在大批生產(chǎn)中應(yīng)用很普遍．其工作原理如圖所示，珩磨頭上裝有４～８條砂石，砂條由張開機(jī)構(gòu)作用沿徑向張開在孔壁上產(chǎn)生一定得壓力對工件進(jìn)行微量切削\擠壓和擦光.珩磨時,珩磨頭作旋轉(zhuǎn)運動和往復(fù)運動,由于珩磨頭的轉(zhuǎn)速與每分鐘往復(fù)次數(shù)不通約,故被加工表面上呈現(xiàn)交叉而互不重復(fù)的網(wǎng)狀痕跡,造成了儲存潤滑油的良好條件.8.4.3.2光整加工工藝

8.4控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑2超精加工超精加工是用細(xì)粒度的砂條以一定的壓力壓在作低速旋轉(zhuǎn)運動的工件表面上，并在軸向作往復(fù)運動，工件或砂條還作軸向進(jìn)給運動以進(jìn)行微量切削（圖８．１5）的加工方法，超精加工后的表面粗超度低（０.0012~0.08），留有網(wǎng)狀的痕跡,造成了良好的儲油條件，故表面耐磨性好．超精加工常用于加工內(nèi)外圓柱＼圓錐面和滾動軸承套圈的溝道．