3.1表面质量概述及表面粗糙度的影响因素

第3章机械加工表面质量及其控制3.1加工表面质量及其对使用性能的影响3.1.1加工表面质量的概念1.加工表面的几何形貌是由加工过程中刀具与被加工工件的摩擦、切屑分离时的塑性变形以及加工系统的振动等因素的作用，在工件表面上留下的表面结构。它包括以下4方面内容：（1)表面粗糙度加工表面的微观几何轮廓。其波长与波高比值一般小于50。（2)波纹度加工表面上波长与波高的比值等于50-1000的几何轮廓，由机械加工中的振动引起的。（3)纹理方向表面刀纹的方向，取决于表面形成过程中所采用的加工方法。（4)表面缺陷加工表面上出现的缺陷，如砂眼、气孔、裂痕等。2．表面层金属的力学物理性能和化学性能由于机械加工中力因素和热因素的综合作用，加工表面层金属的力学物理性能和化学性能将发生一定的变化，主要反映在以下几方面：（1)表面层金属的冷作硬化机械加工过程中，工件表面层金属都会有一定程度的冷作硬化，使表面层金属的显微硬度有所提高。（2)表面层金属的金相组织变化由机械加工过程中的切削热引起的。（3)表面层金属的残余应力由机械加工过程中的切削热和切削力综合作用的结果。3.1.2加工表面质量对机器零件使用性能的影响1．表面质量对耐磨性的影响（1）表面粗糙度对耐磨性的影响一般说来，表面粗糙度值越小，其耐磨性越好。但是表面粗糙度值太小，因接触面容易发生分子粘接，且润滑液不易储存，磨损反而增加。因此，就磨损而言，存在一个最优表面粗糙度值，此值与零件的工作载荷有关（如图1）。如机床导轨面的粗糙度值，一般以Ra1.6μm～0.8μm为好。图1表面粗糙度与磨损量的关系（2）表面纹理对耐磨性的影响一般来说，圆弧状、凹坑状表面纹理的耐磨性好；尖峰状的表面纹理由于摩擦副接触面压强大，耐磨性较差。在运动副中，两相对运动零件表面的刀纹方向均与运动方向相同时，耐磨性较好；两者的刀纹方向均与运动方向垂直时，耐磨性最差。（3）冷作硬化对耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，一般都能使耐磨性有所提高。但并不是说冷作硬化的程度越高，耐磨性就越高。因硬化程度再大反会使结晶组织出现过度变形，甚至产生裂纹或剥落，使磨损加剧，耐磨性反而降低。图2冷硬程度与耐磨性的关系2.表面质量对耐疲劳性的影响（1）表面粗糙度对耐疲劳性的影响表面粗糙度值越小，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，其抵抗疲劳破坏的能力越差。影响还与材料对应力集中的敏感程度和材料的强度极限有关。钢材对应力集中最为敏感，铸铁和非铁金属对应力集中的敏感性较弱。（2）表面层金属的力学物理性质对耐疲劳性的影响①表面层金属的冷作硬化的影响能够阻止疲劳裂纹的生长，可提高零件的耐疲劳强度。②表面层金属的残余应力的影响拉伸残余应力将使耐疲劳强度下降；压缩残余应力则使耐疲劳强度提高。3.表面质量对耐蚀性的影响（1）表面粗糙度的影响表面粗糙度值越大，加工表面与气体、液体接触的面积越大，腐蚀物质越容易沉积于凹坑中，耐蚀性能就越差。（2）表面层金属力学物理性质的影响零件表面层有残余压应力时，能够阻止表面裂纹的进一步扩大，有利于提高零件表面抵抗腐蚀的能力。4.表面质量对零件配合质量的影响(1)对于间隙配合表面原有间隙将因急剧的初期磨损而改变，表面粗糙度越大，变化量就越大，从而影响配合的稳定性。(2)对于过盈配合表面表面粗糙度越大，两表面相配合时表面凸峰易被挤掉，这会使过盈量减少，影响配合的可靠性。3.2影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改进措施3.2.1切削加工表面粗糙度其值主要取决于切削残留面积的高度。影响切削残留面积高度的因素主要有：刀尖圆弧半径r、主偏角kr、副偏角kr’及进给量f等。图3车削、刨削时残留面积的高度车削、刨削时残留面积高度的计算示意图如图3。其中图a是用尖刀切削的情况，切削残留面积的高度为：（公式1）'cotcotrrkkfH图b是用圆弧刀刃切削的情况，切削残留面积的高度为：（公式2）可见，切削加工时，选择较小的进给量f和较大的刀尖圆弧半径r将会使表面粗糙度得到改善。rfH82切削加工后表面粗糙度的实际轮廓形状，一般与纯几何因素所形成的理论轮廓有较大的差别，这是由于切削加工中有塑性变形发生的缘故。切削速度v（m/min)图4加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响图4描述了加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响。在实际生产中，用低速宽刀精切和高速精切，往往可以得到较小的表面粗糙度值加工脆性材料，切削速度对表面粗糙度的影响不大。对于同样的材料，金相组织越粗大，切削加工后的表面粗糙度值也越大，所以为减小切削加工后的表面粗糙度值，常在精加工前对工件进行调质等处理。此外，合理选用切削液、适当增大刀具的前角、提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。3.2.2磨削加工后的表面粗糙度1．几何因素的影响单纯从几何因素考虑，可以认为：在单位面积上刻痕越多，即通过单位面积的磨粒数越多，刻痕的等高性越好，则磨削表面的粗糙度值越小。（1）磨削用量对表面粗糙度值的影响砂轮的速度越高、工件速度越低、砂轮的纵向进给减小，工件表面的每个部位被砂轮重复磨削的次数增加，被磨表面的粗糙度值将减小。（2）砂轮粒度和砂轮修整对表面粗糙度的影响在相同的磨削条件下，砂轮的粒度号数越大（磨粒越细），参加磨削的磨粒越多,表面粗糙度值就越小。修整砂轮时，金刚石笔的纵向进给量越小，砂轮表面磨粒的等高性越好，被磨工件的表面粗糙度值就越小。2．物理因素的影响——表面层金属的塑性变形磨削加工中，往往是影响表面粗糙度的决定性因素。（1）磨削用量的影响砂轮速度越高，表层金属的塑性变形减小，磨削表面的粗糙度值将明显减小；工件速度增加，塑性变形增加，表面粗糙度值将增大；磨削深度增大，塑性变形将随之增大，被磨的表面粗糙度值会增大。（2）砂轮的选择粒度：单纯从几何因素考虑，砂轮磨粒越细，磨削的表面粗糙度值越小。但磨粒太细时，砂轮易被磨屑堵塞，若导热情况不好，反而会在加工表面产生烧伤等现象，使表面粗糙度值增大。砂轮粒度常取为46-60号。砂轮的硬度（不是磨料的硬度）：磨粒在磨削力作用下从砂轮上脱落的难易程度。砂轮选得太硬，磨粒不易脱落，“自锐”性差，磨钝的磨粒不能及时被新磨粒替代，使表面粗糙度值增大；砂轮选得太软，磨粒易脱落，“保形”性差，磨削作用减弱，也会使表面粗糙度值增大。通常选用中软砂轮。砂轮的材料：选择适当，可获得满意的表面粗糙度。氧化物（刚玉）砂轮适于磨削钢类零件；碳化物（碳化硅、碳化硼）砂轮适于磨削铸铁、硬质合金等材料；用高硬材料（人造金刚石、立方氮化硼）砂轮磨削可获得极小的表面粗糙度值，但加工成本高。此外，磨削液的作用也十分重要。由于温度很高，必须采取切实可行的措施，将磨削液送入磨削区。谢谢大家！