《机械制造工艺学》第二版 王先奎 课件机械制造工艺学ch4-1 表面质量

第四章机械加工表面质量第一节加工表面质量及其对使用性能的影响一、加工表面质量的概念（一）加工表面的几何形貌（二）表面层金属的力学物理性能和化学性能二、加工表面质量对机器零件使用性能的影响（一）表面质量对耐磨性的影响（二）表面质量对耐疲劳性的影响（三）表面质量对耐蚀性的影响（四）表面质量对零件配合质量的影响一、加工表面质量的概念1.加工表面的几何形貌；2.表面层材料的力学物理性能和化学性能。1、加工表面的几何形貌加工表面的几何形状形貌，包括如下四个部分：1）表面粗糙度2）波纹度3）纹理方向4）表面缺陷1）表面粗糙度表面粗糙度是加工表面的微观几何形状误差。其波长与波高比值一般小于50。2）波纹度加工表面不平度中波长与波高的比值等于50～1000的几何形状误差称为波度，它是由机械加工中的振动引起的。当波长与波高比值大于1000时，称为宏观几何形状误差。例如：圆度误差。圆柱度误差等，它们属于加工精度范畴，不在本章讨论之列。3）纹理方向纹理方向是指表面刀纹的方向，它取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法。图3-2纹理方向及其符号标注4）表面缺陷伤痕是在加工表面上一些个别位置上出现的缺陷。一例如砂眼、气孔、裂痕等。2、表面层材料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，主要反映在以下几个方面：1）表面层金属的冷作硬化–表面层金属硬度的变化用硬化程度和深度两个指标来衡量–在机械加工过程中，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。一般情况下，硬化层的深度可达0.05～0.30mm；若采用滚压加工，硬化层的深度可达几个毫米。2）表面层金属的金相组织变化–机械加工过程中，由于切削热的作用会引起表面层金属的金相组织发生变化。在磨削淬火钢时，由于磨削热的影响会引起淬火钢的马氏体的分解，或出现回火组织等等。3）表面层金属的残余应力–由于切削力和切削热的综合作用，表面层金属晶格会发生不同程度的塑性变形或产生金相组织的变化，使表层金属产生残余应力。（一）表面质量对耐磨性的影响（二）表面质量对耐疲劳性的影响（三）表面质量对耐蚀性的影响（四）表面质量对零件配合质量的影响二、对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零件表面存在微观不平度，两零件相互接触，实际上有效接触面积只是名义接触面积的一小部分。表面越粗糙，有效接触面积就越小在两个零件做相对运动时，开始阶段由于接触面小，压强大，在接触点的凸峰处会产生弹性变形、塑性变形及剪切等现象，这样凸峰很快就会被磨掉被磨掉的金属微粒落在相配合的摩擦表面之间，会加速磨损过程.即使在有润滑液存在的情况下，也会因为接触点处压强过大，破坏油膜，形成干摩擦。零件表面在初期磨损阶段的磨损速度很快，起始磨损量较大随着磨损的发展，有效接触面积不断增大，压强也逐渐减小，磨损将以较慢的速度进行，进人正常磨损阶段之后，由于有效接触面积越来越大，零件间的金属分子亲和力增加，表面的机械咬合作用增大，使零件表面又产生急剧磨损而进入快速磨损阶段表面粗糙度值越小，其耐磨性越好表面粗糙度值太小，因接触面容易发生分子粘接且润滑液不易储存、磨损反而增加存在一个最优表面粗糙度值图3-4表面粗糙度与起始磨损量的关系2.表面纹理对耐磨性的影响表面纹理的形状及刀纹方向对耐磨性也有一定影响，其原因在于：–纹理形状及刀纹方向将影响有效接触面积与润滑液的存留圆弧状，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其主要原因是：冷作硬化使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，故可减少磨损图3-5所示为T7A钢的磨损量随冷作硬化程度的变化而变化的情况，当冷作硬化硬度达380HBS左右时，耐磨性最佳；如进一步加强冷作硬化，耐磨性反而降低。这是因为过度的硬化将引起金属组织的疏松，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，这会加速零件的磨损。（二）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，其抵抗疲劳破坏的能力越差表面粗糙度对耐疲劳性的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，钢材的强度极限越高，对应力集中的敏感程度就越大。而铸铁和有色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表面层金属的冷作硬化能够阻止疲劳裂纹的生长，可提高零件的耐疲劳强度。在实际加工中，加工表面在发生冷作硬化的同时，必然伴随产生残余应力。残余应力有拉应力和压应力之分，拉伸残余应力将使耐疲劳强度下降，而压缩残余应力则可使耐疲劳强度提高。（三）表面质量对耐蚀性的影响1．表面粗糙度对耐蚀性的影响零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度大气里所含气体和液体与金属表面接触时，会凝聚在金属表面上而使金属腐蚀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．表面层力学物理性质对耐蚀性的影响当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（三）表面质量对零件配合质量的影响间隙配合表面，初期磨损的影响最为显著，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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