第三章 机械加工表面质量及其控制

第三章机械加工表面质量及其控制机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（几微米-几十微米），但都错综复杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足够的重视。零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包括加工后的表面质量。零件表面质量表面粗糙度表面波度表面物理力学性能的变化表面微观几何形状特征表面层冷作硬化表面层残余应力表面层金相组织的变化一、表面质量的含义（内容）表面粗糙度太大和太小都不耐磨。1．表面质量对零件耐磨性的影响二、表面质量对零件使用性能的影响（1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响4表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。表面粗糙度与初期磨损量的关系表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因为它使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。（2）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响7并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。（1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。2．表面质量对零件疲劳强度的影响（2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。产生冷作硬化必然伴有残余应力，残余应力有拉应力和压应力之分。它们对零件的抗疲劳强度影响是不同的。10残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度。残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。（1）表面粗糙度对零件配合精度的影响表面粗糙度较大，则降低了配合精度。（2）表面残余应力对零件工作精度的影响表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。3.表面质量对零件工作精度的影响（1）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。4．表面质量对零件耐腐蚀性能的影响13（2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。14如减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。5、表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：零件表面质量粗糙度太大、太小都不耐磨适度冷硬能提高耐磨性对疲劳强度的影响对耐磨性影响对耐腐蚀性能的影响对工作精度的影响粗糙度越大，疲劳强度越差适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度粗糙度越大、工作精度降低残余应力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蚀性越差压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性表面质量对零件使用性能的影响机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面。•刀尖圆弧半径rε•主偏角kr、副偏角kr′•进给量fH=f/(cotκr+cotκr′)H=f2/(8rε)三、影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制H——残留面积高度H粗糙度1、几何因素车削、刨削时残留面积高度塑性材料：工件材料塑性、韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。脆性材料：加工脆性材料时，由于切屑的崩碎性，使加工表面粗糙。2、物理力学因素（1）工件材料的影响加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响（对积屑瘤的影响）见如图所示。（2）切削速度的影响20此外，切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度。减小进给量f固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势。（3）进给量的影响合理使用冷却润滑液；适当增大刀具的前角；提高刀具的刃磨质量等。（4）其它因素的影响均能有效地减小表面粗糙度值。影响切削加工表面粗糙度的因素刀具几何形状刀具材料、刃磨质量切削用量工件材料•残留面积↓→Ra↓•前角↑→Ra↓•后角↑→摩擦↓→Ra↓•刃倾角会影响实际工作前角•v↑→Ra↓•f↑→Ra↑•ap对Ra影响不大，太小会打滑，划伤已加工表面•材料塑性↑→Ra↑•同样材料晶粒组织大↑→Ra↑，常用正火、调质处理•刀具材料强度↑→Ra↓•刃磨质量↑→Ra↓•冷却、润滑↑→Ra↓影响切削加工表面粗糙度的因素影响表面层物理力学性能的主要因素表面物理力学性能影响金相组织变化因素影响显微硬度因素影响残余应力因素塑变引起的冷硬金相组织变化引起的硬度变化冷塑性变形热塑性变形金相组织变化切削热四、影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制定义：机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化和强化。1.表面层的冷作硬化（1）表面层加工硬化的产生衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项：1）表面层的显微硬度HV；2）硬化层深度h；3）硬化程度NN=(HV-HV0)/HV0×100％式中HV0——工件原表面层的显微硬度。（2）衡量表面层加工硬化的指标（3）影响表面层加工硬化的因素①刀具几何形状的影响②切削用量的影响③工件材料性能的影响切削刃rε↑、前角↓、后面磨损量VB↑→表层金属的塑变加剧→冷硬↑切削速度v↑→塑变↓→冷硬↓f↑→切削力↑→塑变↑→冷硬↑材料塑性↑→冷硬↑定义：机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层的残余应力。2.表面层残余应力1）冷态塑变2）热态塑变3）金相组织变化（1）表面层残余应力的产生工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑变，基体仍处于弹性变形状态。切削后，表层产生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力。表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力。比容大的组织→比容小的组织→体积收缩，产生拉应力，反之，产生压应力。（密度小，比容大）切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图机械加工后工件表面层的残余应力是冷态塑性变形、热态塑性变形和金相组织变化的综合结果。1）切削加工时起主要作用的往往是冷态塑性变形，表面层常产生残余压缩应力。2）磨削加工时起主要作用的通常是热态塑性变形或金相组织变化引起的体积变化，表面层常产生残余拉伸应力。（2）影响表面残余应力的主要因素滚压加工是利用经过淬火和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态下对金属表面进行挤压，使受压点产生弹性和塑性变形，表层的凸起部分向下压，凹下部分向上挤，逐渐将前工序留下的波峰压平，降低了表面粗糙度；同时它还能使工件表面产生硬化层和残余压应力。因此提高了零件的承载能力和疲劳强度。滚压加工可以加工外圆、孔、平面及成型表面，通常在普通车床、转塔车床或自动车床上进行。1．滚压加工五、提高表面层物理力学性能的加工方法滚压加工原理图喷丸强化是利用大量快速运动的珠丸打击被加工工件表面，使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力，可显著提高零件的疲劳强度。珠丸可以是铸铁的，也可以是切成小段的钢丝（使用一段时间后，自然变成球状）。对于铝质工件，为避免表面残留铁质微粒而引起电解腐蚀，宜采用铝丸或玻璃丸。珠丸的直径一般为0.2~4mm，对于尺寸较小、表面粗糙度值较小的工件，采用直径较小的珠丸。2.喷丸强化34喷丸强化主要用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，如板弹簧、螺旋弹簧、连杆、齿轮、焊缝等。经喷丸加工后的表面，硬化层深度可达0.7mm，零件表面粗糙度值可由Ra5~2.5μm减小到Ra0.63~0.32μm，可几倍甚至几十倍地提高零件的使用寿命。