機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課件

第三節(jié)機(jī)械加工表面質(zhì)量零件表面質(zhì)量表面粗糙度表面波度表面物理力學(xué)性能的變化表面微觀幾何形狀特征表面層冷作硬化表面層殘余應(yīng)力表面層金相組織的變化一、機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響（一）表面質(zhì)量對(duì)零件耐磨性的影響1、表面粗糙度對(duì)零件耐磨性的影響

表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如圖1、2所示。表面粗糙度太大，接觸表面的實(shí)際壓強(qiáng)增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、擠裂、切斷，故磨損加?。槐砻娲植诙忍?，也會(huì)導(dǎo)致磨損加劇。表面粗糙度的最佳值與機(jī)器零件的工作情況有關(guān)，載荷加大時(shí)，磨損曲線向上、向右移動(dòng)，最佳表面粗糙度值也隨之右移。圖1圖22、冷作硬化對(duì)零件耐磨性的影響加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因?yàn)樗鼓ゲ粮北砻鎸咏饘俚娘@微硬度提高，塑性降低，減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和塑性變形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。這是因?yàn)檫^(guò)分的冷作硬化，將引起金屬組織過(guò)度“疏松”，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中可能會(huì)產(chǎn)生金屬剝落，在接觸面間形成小顆粒，使零件加速磨損。3、殘余應(yīng)力對(duì)零件耐磨性的影響圖3冷作硬化對(duì)零件耐磨性的影響表面為壓應(yīng)力時(shí)，耐磨性高。反之，耐磨性低。（二）表面質(zhì)量對(duì)零件耐疲勞強(qiáng)度的影響1、表面粗糙度對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響

表面粗糙度越大，抗疲勞破壞的能力越差。如圖4所示。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。

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，其抗疲勞破壞的能力越差。2、表面層冷作硬化對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響適度的表面層冷作硬化能提高零件的疲勞強(qiáng)度。圖43、表面層的殘余應(yīng)力對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響殘余應(yīng)力有拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之分，殘余拉應(yīng)力容易使已加工表面產(chǎn)生裂紋并使其擴(kuò)展而降低疲勞強(qiáng)度殘余壓應(yīng)力則能夠部分地抵消工作載荷施加的拉應(yīng)力，延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展，從而提高零件的疲勞強(qiáng)度。（三）表面質(zhì)量對(duì)零件耐腐蝕性的影響（1）表面粗糙度對(duì)零件耐腐蝕性能的影響

零件表面越粗糙，越容易積聚腐蝕性物質(zhì)，凹谷越深，滲透與腐蝕作用越強(qiáng)烈。

因此減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能。（2）表面殘余應(yīng)力對(duì)零件耐腐蝕性能的影響

零件表面殘余壓應(yīng)力使零件表面緊密，腐蝕性物質(zhì)不易進(jìn)入，可增強(qiáng)零件的耐腐蝕性，而表面殘余拉應(yīng)力則降低零件耐腐蝕性。（四）表面質(zhì)量對(duì)零件配合精度的影響相配零件間的配合關(guān)系是用過(guò)盈量或間隙值來(lái)表示的。在間隙配合中，如果零件的配合表面粗糙，則會(huì)使配合件很快磨損而增大配合間隙，改變配合性質(zhì)，降低配合精度；在過(guò)盈配合中，如果零件的配合表面粗糙，則裝配后配合表面的凸峰被擠平，配合件間的有效過(guò)盈量減小，降低配合件間聯(lián)接強(qiáng)度，影響了配合的可靠性。表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能還有其它方面的影響：

如減小表面粗糙度可提高零件的接觸剛度、密封性和測(cè)量精度；對(duì)滑動(dòng)零件，可降低其摩擦系數(shù)，從而減少發(fā)熱和功率損失。二、影響表面粗糙度的因素1、切削加工中影響表面粗糙度的因素1、刀具幾何形狀的復(fù)映

刀具相對(duì)于工件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，在加工表面留下了切削層殘留面積，其形狀是刀具幾何形狀的復(fù)映。其理論上的最大粗糙度Hmax可由刀具形狀、進(jìn)給量f，按圖5幾何關(guān)系求得。1)當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑rε很小時(shí)：2)當(dāng)背吃刀量ap很小時(shí)，粗糙度主要由刀尖圓弧構(gòu)成：

圖5措施：減小進(jìn)給量f、主偏角Kr、副偏角Kr‘以及增大刀尖圓弧半徑rε，均可減小殘留面積的高度。2、物理因素（1）積屑瘤的影響

當(dāng)金屬切削刀具以一定速度切削塑性材料而形成帶狀切屑時(shí)，在前刀面上很容易形成硬度很高的積屑瘤。圖6所示圖6積屑瘤對(duì)工件表面質(zhì)量的影響（2）鱗刺的影響較低的切削速度，切削塑性材料時(shí)容易產(chǎn)生鱗刺。圖7所示圖7鱗刺形成的四個(gè)階段a)抹試階段b)導(dǎo)裂階段c)層積階段d)刮成階段（3）振動(dòng)的影響

切削加工時(shí)，在工件與刀具之間經(jīng)常發(fā)生振動(dòng)，使工件表面粗糙度值增大。從物理因素看，要降低表面粗糙度的主要措施有：減少加工時(shí)的塑性變形，避免產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺。對(duì)此起主要作用的影響因素有切削速度、工件材料的性質(zhì)及刀具的幾何形狀、材料和刃磨質(zhì)量。1）切削速度的影響圖72）工件材料性質(zhì)的影響工件材料韌性↑、塑性變形↑，加工表面就愈粗糙。故對(duì)中碳鋼和低碳鋼材料的工件，為改善切削性能，減小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或調(diào)質(zhì)處理。3）刀具幾何形狀、材料、刃磨質(zhì)量的影響

適當(dāng)增大前角和后角均可減小表面粗糙度值。但前角不能太大，否則粗糙度值也會(huì)增加。主偏角Kr和Kr‘減小，可減小加工表面粗糙度值。刀具材料中熱硬性好的材料耐磨性好，易于保持刃口的鋒利。摩擦系數(shù)小的材料易于排屑。與被加工親合力小的材料不易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺。因此，硬質(zhì)合金優(yōu)于高速鋼，高速鋼優(yōu)于碳素工具鋼，金剛石和立方氮化硼優(yōu)于硬質(zhì)合金。刀具的刃磨質(zhì)量對(duì)工件的表面粗糙度影響較大。4）冷卻潤(rùn)滑的影響

切削液的冷卻和潤(rùn)滑作用能減小切削過(guò)程中的界面摩擦，降低切削區(qū)溫度，使切削區(qū)金屬表面的塑性變形程度下降，抑制鱗刺和積屑瘤的產(chǎn)生，從而大大減小表面粗糙度的數(shù)值。2、磨削加工中影響表面粗糙度的因素

磨削加工時(shí)磨粒很鈍，常具有很大的負(fù)前角，工件的磨削表面是由砂輪上大量磨?？虅澇鰺o(wú)數(shù)極細(xì)的刻痕形成的，工件單位面積上通過(guò)的砂粒數(shù)越多，則刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。因此，砂輪的粒度、修整、速度和磨削切深、工件速度等都對(duì)磨削時(shí)的表面粗糙度造成影響。1、磨削用量（1）砂輪速度Vs提高Vs可減小表面粗糙度值。（2）工件速度Vw提高工件速度，磨粒在單位時(shí)間內(nèi)在工件表面上的刻痕數(shù)減小，因而將增大磨削表面粗糙度值。（3）磨削深度apap增加，磨削過(guò)程中磨削力及磨削溫度都增加，磨削表面塑性變形程度增大，從而增大表面粗糙度值。圖7磨粒對(duì)加工表面的影響圖8磨削用量對(duì)表面粗糙度的影響影響切削加工表面粗糙度的因素刀具幾何形狀刀具材料、刃磨質(zhì)量切削用量工件材料殘留面積↓→Ra↓前角↑→Ra↓后角↑→摩擦↓→Ra↓刃傾角會(huì)影響實(shí)際工作前角v↑→Ra↓f↑→Ra↑ap對(duì)Ra影響不大，太小會(huì)打滑，劃傷已加工表面材料塑性↑→Ra↑同樣材料晶粒組織大↑→Ra↑，常用正火、調(diào)質(zhì)處理刀具材料強(qiáng)度↑→Ra↓刃磨質(zhì)量↑→Ra↓冷卻、潤(rùn)滑↑→Ra↓影響切削加工表面粗糙度的因素2、砂輪的特性粒度砂輪的粒度越細(xì)，則表面粗糙度值越小。但砂輪的粒度過(guò)細(xì)時(shí)，砂輪易堵塞，反而提高表面粗糙度值，甚至引起磨削燒傷。砂輪的硬度砂輪的硬度應(yīng)大小合適，砂輪太硬，表面粗糙度值增大和產(chǎn)生磨削燒傷，砂輪太軟，磨粒易脫落，常會(huì)產(chǎn)生磨損不均勻，使粗糙度值增大。砂輪的修整砂輪修整除了使砂輪具有正確的幾何形狀外，更重要的是使砂輪工作表面形成排列整齊而又銳利的微刃。因此，砂輪修整的質(zhì)量對(duì)磨削表面的粗糙度影響很大。3、冷卻采用切削液帶走磨削區(qū)熱量可以避免燒傷。由于高速旋轉(zhuǎn)的砂輪表面上產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流層，實(shí)際上沒(méi)有多少切削液能進(jìn)入磨削區(qū)AB。如圖11-16所示，容易發(fā)生磨削燒傷。常用的冷卻方式如11-17所示。圖9一般冷卻方法圖10冷卻液噴嘴1—液流導(dǎo)管2—可調(diào)氣流擋板3—空腔區(qū)4—噴嘴罩5—磨削區(qū)6—排液區(qū)7—液嘴影響磨削加工表面粗糙度的因素粒度↓→Ra↓

金剛石筆鋒利↑，修正導(dǎo)程、徑向進(jìn)給量↓→Ra↓磨粒等高性↑→Ra↓硬度↑→鈍化磨粒脫落↓→Ra↑硬度↓→磨粒脫落↑→Ra↑硬度合適、自勵(lì)性好↑→Ra↓太硬、太軟、韌性、導(dǎo)熱性差↑→Ra↓砂輪粒度工件材料性質(zhì)砂輪修正磨削用量砂輪硬度砂輪V↑→Ra↓ap、工件V↑→塑變↑→Ra↑粗磨ap↑→生產(chǎn)率↑精磨ap↓→Ra↓(ap=0光磨)

影響磨削加工表面粗糙度的因素三、影響表面層物理、力學(xué)性能變化的因素表面物理力學(xué)性能影響金相組織變化因素影響顯微硬度因素影響殘余應(yīng)力因素塑變引起的冷硬金相組織變化引起的硬度變化冷塑性變形熱塑性變形金相組織變化切削熱1、表面層的冷作硬化（1）表面層加工硬化的產(chǎn)生定義：機(jī)械加工時(shí)，工件表面層金屬受到切削力的作用產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，使晶格扭曲，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，晶粒被拉長(zhǎng)、纖維化甚至碎化，從而使表面層的強(qiáng)度和硬度增加，這種現(xiàn)象稱為加工硬化，又稱冷作硬化和強(qiáng)化。（2）共衡量形表面襪層加筋工硬育化的島指標(biāo)衡量雷表面倡層加揪工硬或化程伯度的李指標(biāo)盡有下起列三洲項(xiàng)：1）表齡面層勉的顯每微硬索度HV；2）硬化枕層深誼度h；3）硬化奇程度NN=紫(H兩V-隆HV0)/茂HV0×1踐00％式中HV0——工件滑原表政面層例的顯伍微硬潛度。圖11（3）影川響表灣面層于加工被硬化驚的因婚素

刀具幾何形狀的影響切削刃rε↑、前角↓、后面磨損量VB↑→表層金屬的塑變加劇→冷硬↑（如圖）切削用量的影響切削速度v↑→塑變↓→冷硬↓f↑→切削力↑→塑變↑→冷硬↑（如圖）工件材料性能的影響

材料塑性↑→冷硬↑圖12刀具疾的刃液口圓通角對(duì)貞冷作棒硬化悟的影徹響圖13切削白速度寒與進(jìn)論給量士對(duì)冷則作硬薪化的寒影響2、表瞧面層賽金相膽組織錯(cuò)變化秤與磨灑削燒末傷（1）表掌面層棵金相墨組織團(tuán)變化扎與磨賓削燒坑傷的或產(chǎn)生切削異加工砌中，少由于兆切削店熱的塌作用千，在共工件狠的加其工區(qū)末及其米鄰近哪區(qū)域奇產(chǎn)生滿了一賊定的恰溫升肉。定義厭：磨削帽加工枕時(shí)，攔表面疾層有呆很高芒的溫系度，祥當(dāng)溫疾度達(dá)稱到相賢變臨規(guī)界點(diǎn)將時(shí)，盛表層詢金屬乖就發(fā)密生金底相組忽織變銅化，炮強(qiáng)度促和硬暴度降贈(zèng)低、獄產(chǎn)生絮殘余侵應(yīng)力袋、甚隨至出盜現(xiàn)微唯觀裂忌紋。梁這種罰現(xiàn)象夜稱為絮磨削屢燒傷隨。淬火乖鋼在自磨削幣時(shí)，談?dòng)捎诖ハ鬏p條件貸不同臟，產(chǎn)絞生的柏磨削義燒傷混有三候種形志式。（2）磨鐵削燒顫傷的抗三種肢形式淬火接燒傷磨削稍時(shí)工嘴件表凳面溫廉度超幸過(guò)相油變臨旺界溫接度Ac財(cái)3時(shí)，腔則馬劇氏體俘轉(zhuǎn)變珍為奧易氏體仍。在榜冷卻棍液作潮用下崇，工隱件最凱外層際金屬聯(lián)會(huì)出緩現(xiàn)二芬次淬透火馬木氏體確組織把。其聾硬度絮比原寄來(lái)的嬌回火顆馬氏朝體高揭，但絨很薄愚，其云下為蝦硬度察較低跳的回書(shū)火索蒙氏體具和屈炮氏體席。由陣于二上次淬銀火層劇極薄抖，表野面層帝總的剪硬度醬是降催低的炒，這睬種現(xiàn)忍象稱飼為淬顧火燒忍傷。磨削纏時(shí)，勞如果歲工件點(diǎn)表面暮層溫揭度只牙是超書(shū)過(guò)原皮來(lái)的攜回火違溫度勻，則偉表層坐原來(lái)腎的回逝火馬取氏體蜘組織李將產(chǎn)疊生回吼火現(xiàn)魯象而昏轉(zhuǎn)變音為硬恢度較攪低的殿回火洲組織絞（索陵氏體裂或屈膀氏體奔），先這種騙現(xiàn)象乏稱為勢(shì)回火醫(yī)燒傷臥。磨削獻(xiàn)時(shí)，觀當(dāng)工塔件表戒面層夢(mèng)溫度努超過(guò)防相變鄉(xiāng)豐臨界甚溫度Ac頂3時(shí)，楊則馬叔氏體排轉(zhuǎn)變喘為奧裙氏體蛙。若烘此時(shí)處無(wú)冷盈卻液惠，表朋層金若屬空度冷冷幻玉卻比貞較緩獨(dú)慢而嘆形成鴿退火便組織象。硬疏度和抗強(qiáng)度鴨均大結(jié)幅度物下降轉(zhuǎn)。這燙種現(xiàn)挖象稱沙為退村火燒舌傷?；鼗鹬菬齻嘶鹣齻?）影驢響磨般削燒盞傷的璃因素填及改友善途搏徑磨削潮用量砂輪震與工串件材溝料改善菊冷卻自條件采用犁開(kāi)槽五砂輪1）砂辰輪轉(zhuǎn)和速↑瞧→磨削裂燒傷炕↑2）徑向蹲進(jìn)給錦量fp↑→磨削伯燒傷弟↑3）軸向渣進(jìn)給燦量fa↑→磨削借燒傷始↓4）工銷件速抽度vw↑→磨削腥燒傷勞↓（圖14、15）1)磨削糊時(shí)，甜砂輪嫩表面教上磨獲粒的惹切削欣刃口鋒膝利↑浪→磨羊削力芳↓→槐磨削妙區(qū)的勉溫度慘↓2)磨削井導(dǎo)熱爸性差暢的材燥料(耐熱驅(qū)鋼、友軸承鋼、尺不銹父鋼)↓箏→磨削磁燒傷秩↑3)應(yīng)合井理選膚擇砂摘輪的偽硬度正、結(jié)握合劑映和組織始→磨椒削燒濟(jì)傷↓采用墾內(nèi)冷慢卻法→磨慘削燒貝傷↓（如圓圖16）間斷蹦磨削巧→受甚熱↓→磨掘削燒察傷↓圖14磨削碰加工壺表面硬度冬分布圖15工件遮和砂核輪速蓬度的鍋無(wú)燒轉(zhuǎn)傷臨炭界曲疾線圖163、加齊工表寸面層凡的殘必余應(yīng)洽力定義鏟：機(jī)械躁加工漠中工嫂件表驢面層桑組織動(dòng)發(fā)生仔變化宵時(shí)，食在表毛面層瘦及其殖與基蔑體材鋒料的典交界格處會(huì)酒產(chǎn)生另互相括平衡虎的彈箱性力蠻。這巷種應(yīng)約力即殖為表祝面層蕉的殘來(lái)余應(yīng)叛力。（1）表州面層限殘余芬應(yīng)力糞的產(chǎn)野生1）冷態(tài)尿塑性磚變形2）熱諒態(tài)塑元性變宅形3）涌金相忘組織曉變化工件陣表面讓受到用擠壓棍與摩譜擦，吳表層券產(chǎn)生喉伸長(zhǎng)掃塑變關(guān)，基碼體仍很處于盼彈性疏變形沾狀態(tài)拴。切纖削后號(hào)，表啦層產(chǎn)疾生殘肥余壓屈應(yīng)力雀，而或在里珍層產(chǎn)椒生殘熄余拉省伸應(yīng)屠力。躍如圖17所示表層滴產(chǎn)生醒殘余衡拉應(yīng)楊力，偽里層慕產(chǎn)生媽產(chǎn)生執(zhí)殘余真壓應(yīng)授力(其原級(jí)理見(jiàn)圖18)比容姻大的妹