第三章 機(jī)械加工表面質(zhì)量(工藝學(xué))

第三章機(jī)械加工表面質(zhì)量本章要點(diǎn)概述

影響加工表面質(zhì)量的工藝因素提高機(jī)械加工表面質(zhì)量的工藝方法機(jī)械加工過(guò)程中的振動(dòng)2/25/20241第一節(jié)表面質(zhì)量的概念表面質(zhì)量的含義：加工表面的幾何形狀特征：表面粗糙度指加工表面的微觀幾何形狀誤差。波長(zhǎng)與波高(L3/H3)的比值小于50。表面粗糙度的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T131-93。表示方法：Ra、Rz、Ry。表面波度介于形狀誤差與表面粗糙度之間的周期性形狀誤差。波長(zhǎng)與波高(L2/H2)的比值一般為：50~1000。紋理方向指表面刀紋的方向。它取決于表面形成所采用的機(jī)械加工方法。2/25/20242表面質(zhì)量的含義：加工表面的物理力學(xué)性能的變化：表面層因塑性變形引起的加工硬化（冷作硬化）；表面層因力或熱的作用產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；表面層因切削熱或磨削熱的作用引起的金相組織變化；第一節(jié)表面質(zhì)量的概念最外層生成有氧化膜或其它化合物，并吸收、滲進(jìn)了氣體、液體和固體的粒子。+－2/25/20243表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響對(duì)零件耐磨性的影響：表面粗糙度對(duì)耐磨性的影響刀紋方向?qū)δ湍バ缘挠绊懤渥饔不瘜?duì)耐磨性的影響殘余應(yīng)力對(duì)耐磨性的影響對(duì)零件耐疲勞性的影響：表面粗糙度對(duì)耐疲勞性的影響殘余應(yīng)力對(duì)耐疲勞性的影響冷作硬化對(duì)耐疲勞性的影響表面為壓應(yīng)力時(shí)，耐疲勞性好。冷作硬化程度↗→耐疲勞性↗表面紋理對(duì)耐磨性的影響表面紋理的形狀,一般來(lái)說(shuō)，圓弧狀、凹坑狀表面紋理的耐磨性好；尖峰狀的表面紋理由于摩擦副接觸面壓強(qiáng)大，耐磨性較差。

輕載時(shí)，表面的紋理方向均與運(yùn)動(dòng)方向相間時(shí)，耐磨性較好；紋理方向均與運(yùn)動(dòng)方向相垂直時(shí)，耐磨性最差。冷作硬化對(duì)耐磨性的影響一般都能使耐磨性有所提高。原因是硬度高，塑性低，減少了作用表面的彈性和塑性變形，故減少了磨損。但硬度過(guò)渡時(shí)，表面層金屬變脆，磨損反而加劇。表面為壓應(yīng)力時(shí)，使表面緊密耐磨性高。2/25/20244表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響對(duì)零件耐腐蝕性的影響：Ra值↗耐腐蝕性↙表面壓應(yīng)力表面致密耐腐蝕性↗對(duì)零件配合精度的影響：實(shí)驗(yàn)研究表明：零件尺寸大于50mm時(shí)，推薦：Ra=(0.1~0.15)T零件尺寸在18~50mm時(shí)，推薦：Ra=(0.15~0.20)T零件尺寸小于18mm時(shí)，推薦：Ra=(0.20~0.25)T一定的精度應(yīng)有相應(yīng)的表面粗糙度！一定的尺寸公差要有相應(yīng)的表面粗糙度！2/25/20245第二節(jié)影響加工表面質(zhì)量的工藝因素切削加工中影響表面粗糙度的因素幾何因素：考慮刀尖圓弧角：Ra值↗加工時(shí)，有塑性變形發(fā)生。使實(shí)際表面比理論表面更粗糙。2/25/20246切削加工中影響表面粗糙度的因素物理因素：切削速度：脆性材料v↗→Ra↙工件材料性質(zhì)：刀具幾何形狀、材料：前角↗Ra值↙冷卻潤(rùn)滑：工藝系統(tǒng)的振動(dòng)：一般韌性較大的塑性材料，加工后表面粗糙度值較大。而脆性材料加工后易得到較小的表面粗糙度值。對(duì)于同樣材料，其晶粒組織越粗大，加工表面粗糙度值越大。切削塑性材料時(shí)，切削速度影響最大：v=20～50m/min范圍，易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，表面粗糙度最差。2/25/20247

磨削加工后的表面粗糙度正像切削加工時(shí)表面粗糙度的形成過(guò)程一樣，磨削加工表面粗糙度的形成也是由幾何因素和表面層金屬的塑性變形(物理因素)決定的，但磨削過(guò)程要比切削過(guò)程復(fù)雜得多。（一）幾何因素的影響磨削表面是由砂輪上大量的磨粒刻劃出的無(wú)數(shù)極細(xì)的溝槽形成的。單純從幾何因素考慮，可以認(rèn)為在單位面積上刻痕越多，即通過(guò)單位面積的磨粒數(shù)越多，刻痕的等高性越好，則磨削表面的粗糙度值越小。（二）物理因素的影響——表面層金屬的塑性變形砂輪的磨削速度遠(yuǎn)比一般切削加工的速度高得多，且磨粒大多為負(fù)前角，磨削比壓大，磨削區(qū)溫度很高，工件表層溫度有時(shí)可達(dá)900℃，工件表層金屬容易產(chǎn)生相變而燒傷。因此，磨削過(guò)程的塑性變形要比一般切削過(guò)程大得多。磨削加工中影響表面粗糙度的因素2/25/20248磨削加工中影響表面粗糙度的因素磨削用量砂輪的特性粒度：粒度號(hào)↗Ra值↙砂輪的硬度：硬度↗難脫落Ra值↗硬度↙易脫落不易保持形狀精度↙砂輪的修整：冷卻影響磨削表面層金屬塑性變形的因素，往往是影響表面粗糙度的決定因素。2/25/20249機(jī)械加工中，金屬被加工表面層受切削力的作用產(chǎn)生塑性變形，使晶格扭曲，晶粒間產(chǎn)生滑移剪切，晶粒被拉長(zhǎng)、纖維化甚至碎化，引起表面層的強(qiáng)度和硬度都提高的現(xiàn)象，稱加工硬化（冷作硬化）。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)就會(huì)本能地向比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，這現(xiàn)象統(tǒng)稱弱化。切削熱將使冷硬現(xiàn)象得到恢復(fù)（減輕）。影響表面層物理、力學(xué)性能變化的因素表面層的加工硬化評(píng)定指標(biāo)：表面層的顯微硬度HV硬化層深度h硬化程度N影響因素：刀具切削用量工件材料前角減少，刃口圓角和后刀面磨損量增大時(shí)，徑向切削分力也增大，塑性形變?cè)龃?，冷作層深度和硬度也隨之增大。切削速度影響復(fù)雜（切削力與切削熱綜合作用結(jié)果）某些加工條件下，切削速度增大，塑性變形減少，有減小冷硬程度的趨勢(shì)，但切削熱在工件表面層上的作用時(shí)間也縮短了，又有使冷硬程度增加的趨勢(shì)。因此最終冷硬程度增加。另一些加工條件下，切削速度增大，塑性變形減少，硬化層深度和硬度降低。工件硬度愈小，塑性愈大的材料，冷作硬化愈嚴(yán)重。圖f和v對(duì)冷硬的影響硬度(HV)0f(mm/r)0.20.40.60.8v=170(m/min)135(m/min)100(m/min)50(m/min)100200300400工件材料：45進(jìn)給速度增大，切削力增大，塑性變形加劇，硬化現(xiàn)象增大。很小進(jìn)給速度出現(xiàn)相反的現(xiàn)象。切削深度影響不大.2/25/202410磨削速度↑→冷硬程度↓（弱化作用增大）工件轉(zhuǎn)速↑→冷硬程度↑縱向進(jìn)給量影響復(fù)雜磨削深度↑→冷硬程度↑◆磨削用量◆砂輪砂輪粒度↑→冷硬程度↓砂輪硬度、組織影響不顯著◆工件材料材料塑性↑→冷硬傾向↑材料導(dǎo)熱性↑→冷硬傾向↑磨削深度對(duì)冷硬的影響ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削磨削加工中影響表面冷作硬化的因素

影響表面層物理、力學(xué)性能變化的因素2/25/202411影響表面層物理、力學(xué)性能變化的因素表面層的金相變化加工中產(chǎn)生θ℃達(dá)到相變溫度產(chǎn)生相變燒傷的形式：退火燒傷回火燒傷淬火燒傷工件表面溫度超過(guò)相變溫度AC3，但無(wú)冷卻液，工件表面被退火。工件干磨時(shí)易發(fā)生這種燒傷。工件表面溫度未達(dá)到相變溫度AC3，但超過(guò)馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度，工件表層組織為回火屈氏體或索氏體。工件表面溫度超過(guò)相變溫度AC3，冷卻充分，工件表面被二次淬火。但淬透層很薄，其下層仍為回火屈氏體或索氏體。表層金屬就會(huì)發(fā)生金相組織變化，從而使表面層強(qiáng)度和硬度降低，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，甚至出現(xiàn)微觀裂紋，表面呈現(xiàn)氧化膜顏色。這種現(xiàn)象被稱為磨削燒傷。2/25/202412表面層的金相變化影響磨削燒傷的因素：磨削用量aP↗工件表層溫度↗↗燒傷↗↗V砂輪↗工件表層溫度↗燒傷↗f↗工件表層溫度↙燒傷↙V工件↗工件表層溫度↗熱源作用時(shí)間↙燒傷↙工件材料砂輪特性冷卻工件材料硬度高、強(qiáng)度高、韌性和密度大都會(huì)使磨削區(qū)溫度升高，容易產(chǎn)生磨削燒傷。采用粗粒度砂輪、較軟的砂輪可避免磨削燒傷發(fā)生。2/25/202413影響表面層物理、力學(xué)性能變化的因素表面層的殘余應(yīng)力冷態(tài)塑性變形熱態(tài)塑性變形局部金相組織變化在切削力的作用下，已加工面受后刀面的擠壓，使晶格扭曲，表層金屬比容積增大，體積膨脹，而內(nèi)層金屬又阻止其伸長(zhǎng)。故加工后表面層殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力(-)，里層為拉應(yīng)力(+)。在切削熱的作用下，已加工面產(chǎn)生熱膨脹，此時(shí)表層產(chǎn)生熱壓應(yīng)力。加工后，表層已產(chǎn)生的熱塑性變形收縮受到內(nèi)層金屬的阻礙。故加工后表面層殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力(+)，里層為壓應(yīng)力(-)。不同的金相組織有不同的密度，如ρM=7.75g/cm3ρA=7.96g/cm3、ρP=7.78g/cm3、ρF=7.88g/cm3當(dāng)金相組織變化時(shí)，由于密度不同，體積會(huì)發(fā)生變化。如果表層金屬膨脹則殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力(-)，反之，如果表層金屬體積縮小則產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力(+)。例如：淬火鋼表面回火，表層金屬由馬氏體轉(zhuǎn)變成屈氏體或索氏體，密度由7.75變?yōu)?.78g/cm3

表層材料形狀變化、體積變化、金相組織變化時(shí)，將在表層材料與基體間產(chǎn)生相互平衡的殘余應(yīng)力。2/25/202414金屬熔化溫度金屬高塑性溫度標(biāo)準(zhǔn)室溫切削中（升溫?zé)崤蛎洉r(shí)）切削結(jié)束后冷卻收縮室溫下切削熱產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的示意圖沒(méi)有殘余應(yīng)力的完全塑性狀態(tài)受熱膨脹產(chǎn)生壓應(yīng)力不完全塑性狀態(tài)影響表面層物理、力學(xué)性能變化的因素2/25/202415

v↑→殘余應(yīng)力↑（熱應(yīng)力起主導(dǎo)作用）◆切削用量

f對(duì)殘余應(yīng)力的影響工件：45，切削條件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液殘余應(yīng)力(Gpa)0.2000.200100200300400距離表面深度(μm)

f=0.40mm/r

f

=0.25mm/r

f=0.12mm/r

f↑→殘余應(yīng)力↑切削深度影響不顯著

vc

對(duì)殘余應(yīng)力的影響γ0=5°,α0==5°,κr=75°,rε=0.8mm,工件：45切削條件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200距離表面深度(μm)殘余應(yīng)力(Gpa)-0.2000.20vc

=213m/minvc

=86m/minvc

=7.7m/min影響表面金屬殘余應(yīng)力的工藝因素影響表面層物理、力學(xué)性能變化的因素2/25/2024162/25/202417◆刀具前角+→－，殘余拉應(yīng)力↓刀具磨損↑→殘余應(yīng)力↑◆工件材料材料塑性↑→殘余應(yīng)力↑鑄鐵等脆性材料易產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力影響表面金屬殘余應(yīng)力的工藝因素影響表面層物理、力學(xué)性能變化的因素2/25/2024182/25/2024192/25/2024202/25/202421◆磨削用量的影響背吃刀量ap、砂輪速度vs

工件的轉(zhuǎn)速vw和進(jìn)給f1◆工件材料強(qiáng)度↑、導(dǎo)熱性↓、塑性↓→殘余拉應(yīng)力↑影響磨削殘余應(yīng)力的工藝素因

熱變形和塑性變形對(duì)殘余應(yīng)力影響很大熱因素起主導(dǎo)作用→殘余拉應(yīng)力塑性變形起主導(dǎo)作用→殘余壓應(yīng)力淬火燒傷時(shí)，金相組織變化起主導(dǎo)作用→殘余壓應(yīng)力ap對(duì)殘余應(yīng)力的影響磨削工業(yè)鐵和T8的殘余應(yīng)力2/25/202422工件最終工序加工方法的選擇加工方法殘余應(yīng)力符號(hào)

/MPa應(yīng)力層深度h/mm車削一般外拉內(nèi)壓

外壓內(nèi)拉200～800刀具磨損1000一般外拉內(nèi)壓0.05～0.1高速、負(fù)前角時(shí)0.65磨削一般外壓內(nèi)拉200～10000.05～0.30銑削外壓內(nèi)拉600～1500碳鋼淬硬外壓內(nèi)拉400～750鋼珠滾壓鋼件外壓內(nèi)拉700～800噴丸強(qiáng)化鋼件外壓內(nèi)拉1000～1200滲碳淬火外壓內(nèi)拉1000～1100鍍鉻外拉內(nèi)壓400鍍銅外拉內(nèi)壓200各種加工方法在工件表面殘余的內(nèi)應(yīng)力2/25/202423第三節(jié)提高機(jī)械加工表面質(zhì)量的工藝方法采用光整加工方法降低表面粗糙度表面強(qiáng)化工藝改善物理力學(xué)性能滲氮、滲碳等化學(xué)熱處理激光表面處理技術(shù)機(jī)械強(qiáng)化工藝：滾壓加工；噴丸強(qiáng)化；液體磨料強(qiáng)化；2/25/202424利用淬硬和精細(xì)研磨過(guò)的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)擠壓金屬表面，將凸起部分下壓下，凹下部分上凸，修正工件表面的微觀幾何形狀,形成壓縮殘余應(yīng)力，提高耐疲勞強(qiáng)度（圖4-71）利用大量快速運(yùn)動(dòng)珠丸打擊工件表面,使工件表面產(chǎn)生冷硬層和壓應(yīng)力,↑疲勞強(qiáng)度（圖4-70）噴丸強(qiáng)化圖4-71滾壓加工原理圖用于強(qiáng)化形狀復(fù)雜或不宜用其它方法強(qiáng)化的工件，例如板彈簧、螺旋彈簧、齒輪、焊縫等滾壓加工圖4-70珠丸擠壓引起殘余應(yīng)力

壓縮拉伸塑性變形區(qū)域第三節(jié)提高機(jī)械加工表面質(zhì)量的工藝方法2/25/202425機(jī)械加工過(guò)程中振動(dòng)的危害影響加工表面粗糙度，振動(dòng)頻率較低時(shí)會(huì)產(chǎn)生波度影響生產(chǎn)效率加速刀具磨損，易引起崩刃影響機(jī)床、夾具的使用壽命產(chǎn)生噪聲污染，危害操作者健康工藝系統(tǒng)受到初始干擾力而破壞了其平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)僅靠彈性恢復(fù)力來(lái)維持的振動(dòng)稱為自由振動(dòng)。

由于系統(tǒng)中總存在由阻尼，自由振動(dòng)將逐漸衰弱，對(duì)加工影響不大。機(jī)械加工過(guò)程中振動(dòng)的類型自由振動(dòng)自由振動(dòng)強(qiáng)迫振動(dòng)自激振動(dòng)

第四節(jié)機(jī)械加工過(guò)程中的振動(dòng)2/25/202426強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生原因由外界周期性的干擾力（激振力）作用引起強(qiáng)迫振動(dòng)振源：機(jī)外＋機(jī)內(nèi)。機(jī)外振源均通過(guò)地基把振動(dòng)傳給機(jī)床。機(jī)內(nèi)：

1）回轉(zhuǎn)零部件質(zhì)量的不平衡

2）機(jī)床傳動(dòng)件的制造誤差和缺陷

3）切削過(guò)程中的沖擊

頻率特征：與干擾力的頻率相同，或是干擾力頻率整倍數(shù)

幅值特征：與干擾力幅值、工藝系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性有關(guān)。當(dāng)干擾力頻率接近或等于工藝系統(tǒng)某一固有頻率時(shí)，產(chǎn)生共振

相角特征：強(qiáng)迫振動(dòng)位移的變化在相位上滯后干擾力一個(gè)φ角，其值與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及干擾力頻率有關(guān)。強(qiáng)迫振動(dòng)的特征

第四節(jié)機(jī)械加工過(guò)程中的振動(dòng)2/25/202427自激振動(dòng)的概念在沒(méi)有周期性外力作用下，由系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)反饋產(chǎn)生的周期性振動(dòng)自激振動(dòng)過(guò)程可用傳遞函數(shù)概念說(shuō)明（圖4-72）自激振動(dòng)是一種不衰減振動(dòng)自激振動(dòng)的頻率等于或接近于系統(tǒng)的固有頻率自激振動(dòng)能否產(chǎn)生及振幅的大小取決于振動(dòng)系統(tǒng)在每一個(gè)周期內(nèi)獲得和消耗的能量對(duì)比情況（圖4-73）。圖4-73自激振動(dòng)系統(tǒng)能量關(guān)系A(chǔ)BC能量EQE－E＋0振幅電動(dòng)機(jī)(能源)交變切削力F(t)振動(dòng)位移X(t)圖4-72自激振動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)機(jī)床振動(dòng)系統(tǒng)（彈性環(huán)節(jié)）調(diào)節(jié)系統(tǒng)（切削過(guò)程）自激振動(dòng)的特征

第四節(jié)機(jī)械加工過(guò)程中的振動(dòng)2/25/202428◆再生機(jī)理：切削過(guò)程，由于偶然干擾，使加工系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)并在加工表面上留下振紋。第二次走刀時(shí)，刀具將在有振紋的表面上切削，使切削厚度發(fā)生變化，導(dǎo)致切削力周期性地變化，產(chǎn)生自激振動(dòng)自激振動(dòng)機(jī)理圖4-74再生自激振動(dòng)原理圖f切入切出y0ya）b）φy0y切入切出fc）φf(shuō)y0y切入切出d）切入切出fy0yφ◆產(chǎn)生條件（圖4-74）：a）b）c）系統(tǒng)無(wú)能量獲得；d）y滯后于y0，即0＞φ＞-π

，此時(shí)切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出時(shí)切削力所作正功（獲得能量）大于切入時(shí)所作負(fù)功，系統(tǒng)有能量獲得，產(chǎn)生自激振動(dòng)

第四節(jié)機(jī)械加工過(guò)程中的振動(dòng)2/25/202429◆振型耦合機(jī)理：將車床刀架簡(jiǎn)化為兩自由度振動(dòng)系統(tǒng)，等效質(zhì)量m用相互垂直的等效剛度分別為k1、k2兩組彈簧支撐（設(shè)x1為低剛度主軸，圖4-75）圖4-75車床刀架振型耦合模型Fmabcdx1x1x2x2βk2k1α1α2X◆自激振動(dòng)的產(chǎn)生：①k1=k2，x1與x2無(wú)相位差,軌跡為直線，無(wú)能量輸入②k1＞k2，x1超前x2

，軌跡d→c→b→a為一橢圓，切入半周期內(nèi)的平均切削厚度比切出半周期內(nèi)的大，系統(tǒng)無(wú)能量輸入③k1＜k2，x1滯后于x2

，軌跡為一順時(shí)針?lè)较驒E圓，即：a→b→c→d。此時(shí)，切入半周期內(nèi)的平均切削厚度比切出半周期內(nèi)的小，有能量獲得，振動(dòng)能夠維持。

第四節(jié)機(jī)械加工過(guò)程中的振動(dòng)2/25/202430減小機(jī)內(nèi)干擾力的幅值調(diào)整振源的頻率，一般要求：◆調(diào)整振動(dòng)系統(tǒng)小剛度主軸的位置（圖4-76）消除或減弱產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的條件式中f和fn分別為振源頻率和系統(tǒng)固有頻率隔振βx2x2x1x1x