04-2机械加工表面质量及其控制

第四节机械加工表面质量第六章机械加工表面质量概述掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高产品性能的目的。实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量。研究机械加工表面质量的目的机械产品的失效形式因设计不周而导致强度不够；磨损、腐蚀和疲劳破坏。少数多数233.1.1加工表面质量的概念表面粗糙度波度纹理方向伤痕(划痕、裂纹、砂眼等)表面质量表面几何形状精度表面物理、机械性能表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工质量加工质量包含的内容1、表面的几何形状特征加工后表面形状，总是以“峰”、“谷”的形式偏离其理想光滑表面。按偏离程度有宏观和微观之分。波距：峰与峰或谷与谷间的距离，以L表示；波高：峰与谷间的高度，以H表示。波距与波高L/H1000时，属于宏观几何形状误差；L/H50时，属于微观形状误差，称作表面粗糙度；L/H=50～1000时，称作表面波度；主要是由机械加工过程中工艺系统低频振动所引起。451、轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差62．微观不平度十点高度R微观不平度十点高度Rz示意图7轮廓最大高度Ry示意图8910工件被测表面工件RaRaap铣刀11纹理方向是指表面刀纹的方向，取决于表面形成所采用的机械加工方法。一般运动副或密封件对纹理方向有要求。伤痕是指在加工表面个别位置出现的缺陷，如沙眼、气孔、裂痕等。122、表面层物理力学、化学性能表示方法(1)表面金属层的冷作硬化指工件在加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形，使工件加工表面层的强度和硬度都有所提高的现象。冷硬层深度h硬化程度N13(2)表面层金相组织变化(3)表面层产生残余应力指的是加工中，由于切削热的作用引起表层金属金相组织发生变化的现象。如磨削时常发生的磨削烧伤，大大降低表面层的物理机械性能。指的是加工中，由于切削变形和切削热的作用，工件表层及其基体材料的交界处产生相互平衡的弹性应力的现象。残余应力超过材料强度极限就会产生表面裂纹。1415二、表面质量对零件使用性能的影响1．表面质量对零件耐磨性的影响（1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如图所示：16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。17（2）表面纹理对零件耐磨性的影响圆弧形、凹坑状表面纹理较耐磨。纹理与运动方向的关系18（3）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因为它使磨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。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。192．表面质量对零件疲劳强度的影响（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。20（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。残余应力有拉应力和压应力之分，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。21（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4．表面质量对零件耐腐蚀性的影响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；表面粗糙度的影响表面粗糙度值越大，越容易积聚腐蚀性物质；波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度表面残余应力对零件耐腐蚀性影响拉应力则降低耐腐蚀性2223表面质量对零件使用性能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粗糙度值越小，工件耐疲劳性越好24机械制造工艺学3.2影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施第三章机械加工表面质量及其控制253.2.1切削加工表面粗糙度影响因素与改进车削时残留面积的高度直线刃车刀（图a）（3-1）rrfHctgctg圆弧刃车刀（图b）28fHr（3-2）影响因素：刀尖圆弧半径，主偏角，副偏角，进给量。fκrHvfⅠⅡrεb）HⅠⅡfa）vfrr刀尖圆弧半径主偏角副偏角进给量§6.2影响表面粗糙度的工艺因素及其改善措施表面粗糙度的形成和影响因素几何因素物理因素一、切削加工表面粗糙度切削残留面积的高度金相组织:金相组织越大，粗糙度也越大；切削液的选用及刀具刃磨质量2627因素水平1234每齿进给量fz(μm)0.5124轴向切深ap(μm)10203040切削速度vc(m/min)4070100140表面粗糙度实验因素水平编码28序号每齿进给量fz(μm)轴向切深ap(μm)切削速度vc(m/min)表面粗糙度Ra(nm)10.51040176.320.52070185.630.530100206.440.540140223.1511070154.7612040142.37130140193.48140100176.69210100228.210220140242.41123040197.61224070218.613410140319.514420100294.11543070273.81644040257.4表面粗糙度正交实验测量结果29048160180200220240260280300表面粗糙度Ra/nm水平数048160180200220240260280300表面粗糙度Ra/nm水平数048160180200220240260280300表面粗糙度Ra/nm水平数轴向切深切削速度每齿进给量300.250.511.522.533.54200210220230240250260270280表面粗糙度Ra/nm每齿进给量fz/m31(b)fz=4(a)fz=1320.250.511.522.533.54200240280320360400440480表面粗糙度Ra/nm每齿进给量fz/mrn=2rn=3rn=533切削速度影响最大：v=10～50m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差。切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（μm）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度h（μm）0200400600hRz3.2.1切削加工表面粗糙度切削表面塑性变形和积屑瘤34槽宽槽宽＋跳动量35其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量、切削液金相组织的影响几何原因塑性变形机械加工振动二、磨削过程中表面粗糙度的形成1、形成因素切削用量砂轮的粒度和砂轮的修整情况(1)几何原因1）磨削用量对表面粗糙度的影响砂轮的速度↑，单位时间内的磨削量↑，粗糙度↓；工件的速度↑，单位时间内的磨削量↓，粗糙度↑；砂轮纵向进给速度↓，每部位重复磨削次数↑，粗糙度↓。3637在工件表面上的磨痕就越细密，表面粗糙度值也就越小。3.2.2磨削加工后的表面粗糙度2、砂轮工作表面的几何形态由磨削机理知，砂轮磨料的粒度越细，在单位时间，通过工件单位面积上的磨粒数越多，3839砂轮粒度号↑，Ra↓；但要适量；砂轮硬度适中，Ra↓；常取中软；砂轮组织适中，Ra↓；常取中等组织；采用超硬砂轮材料，Ra↓；砂轮精细修整，Ra↓。3.2.2磨削加工后的表面粗糙度砂轮影响除了从上述几个方面考虑采取措施外，还可从加工方法上着手改善，如用研磨、珩磨、超精加工、抛光等。切削液砂轮磨削时温度高，热的作用占主导地位。采用切削液可以降低磨削区温度，减少烧伤，冲去脱落的砂粒和切屑，以免划伤工件，从而降低表面粗糙度度值。但必须选择适当的冷却方法和切削液。减少加工表面的表面粗糙度的其它方法4041第三章机械加工表面质量3.3影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施422.3.1加工表面层的冷作硬化%10000HVHVHVN一）概述机械加工过程中产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面金属的硬度增加，统称为冷作硬化（强化）。金属冷作硬化的结果，使金属处于高能位不稳定状态，只要一有条件，金属的冷硬结构就会本能地向比较稳定的结构转化，这些现象称为弱化。由于金属在机械加工过程中同时受到力因素和热因素的作用，机械加工后表面层金属的最后性质取决于强化和弱化两个过程的综合。评价冷作硬化的指标有下列三项：（1）表层金属的显微硬度HV（2）硬化层深度h（um）（3）硬化程度N：二）影响切削加工表面冷作硬化的因素432.3.1加工表面层的冷作硬化切削加工f↑，冷硬程度↑；◆切削用量影响◆刀具影响rn↑，冷硬程度↑;其他几何参数影响不明显后刀面磨损影响显著。00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)后刀面磨损对冷硬影响◆工件材料材料塑性↑，冷硬倾向↑;切削速度影响复杂(力与热综合作用结果)；切削深度影响不大。f和v对冷硬的影响硬度(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：4544冷作硬化的测量方法用显微硬度计测量45对于磨削加工来说，由于单位面积上产生的切削热比一般切削方法要大几十倍，易使工件表面层的金相组织发生变化，从而使表面层的硬度和强度下降，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜。这种现象称为磨削烧伤。1．表面层金相组织变化与磨削烧伤原因机械加工过积中，在工件的加工区及其邻近的区域，温度会急剧升高，当温度超过工件材料金相组织变化的临界点，就会发生金相组织变化。对于一般切削加工而言，温度还不会上升到如此程度。磨削烧伤将严重地影响零件的使用性能。3.3.2表面金属的金相组织变化461)如果工件表面层温度未超过淬火钢相变温度(一般中碳钢为720℃，但超过马氏体的转变温度(一般中碳钢为300℃)，这时马氏体将转变为硬度较低的回火屈氏体或索氏体，这叫回火烧伤。2)当工件表面层温度超过相变温度，如果这时有充分的切削液，则表面层将急冷形成二次淬火马氏体，硬度比回火马氏体高，但很薄，只有几微米厚。其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体，导致表面层总的硬度降低，这称为淬火烧伤。3)当工件表面层温度超过相变温度，如果这时无切削液，则表面硬度急剧下降，工件表层被退火，这种现象称为退火烧伤。磨淬火钢时，在工件表面层上形成的瞬时高温将使表面金属产生以下三种金相组织变化：47工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜。磨削烧伤磨削表面残余拉应力达到材