土木专业建筑学机械加工表面质量随堂讲义

第九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§9.1机械加工表面质量对零件使用性能的影响一、机械加工表面质量的含义1．表面的几何特征2．表面层物理力学、化学性能(1)表面粗糙度(2)表面波度(3)纹理方向(1)表面层加工硬化(冷作硬化)。(2)表面层金相组织变化。(3)表面层产生残余应力。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。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。2、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硬化程度：%1000HHN其中：H——加工后表面层的显微硬度H0——材料原有的显微硬度(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。二、加工表面质量对机器零件使用性能的影晌1．表面质量对零件耐磨性的影响第一阶段初期磨损阶段第二阶段正常磨损阶段第三阶段急剧磨损阶段零件的磨损可分为三个阶段不是表面粗糙度值越小越耐磨，在一定工作条件下，摩擦副表面总是存在一个最佳表面粗糙度值，表面粗糙度Ra值约为0.32～0.25μm较好。表面粗糙度对摩擦副的影响重裁情况下，由于压强、分子亲和力和润滑液的储存等因素的变化，其规律与上述有所不同。表面纹理方向对耐磨性的影响表面纹理方向影响金属表面的实际接触面积和润滑液的存留情况。轻载时，两表面的纹理方向与相对运动方向一致时，磨损最小；当两表面纹理方向与相对运动方向垂直时，磨损最大。过度的加工硬化会使金属组织疏松，甚至出现疲劳裂纹和产生剥落现象，从而使耐磨性下降。表面层的加工硬化对耐磨性的影响由于加工硬化提高了表面层的强度，减少了表面进一步塑性变形和咬焊的可能。一般能提高耐磨性0.5～1倍。一般地，加工精度要求↑，加工成本↑，生产效率↓。2．表面质量对零件疲劳强度的影响在交变载荷作用下，零件表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷员易形成应力集中，并发展成疲劳裂纹，导致零件疲劳破坏。因此，对于重要零件表面如连杆、曲轴等，应进行光整加工，减小表面粗糙度值，提高其疲劳强度。适当的加工硬化能阻碍已有裂纹的继续扩大和新裂纹的产生，有助于提高疲劳强度。但加工硬化程度过大，反而易产生裂纹，故加工硬化程度应控制在一定范围内。拉应力加剧疲劳裂纹的产生和扩展；残余压应力，能延缓疲劳裂纹的产生、扩展，而使零件疲劳强度提高。表面残余应力对疲劳强度的影响影响极大表面粗糙度的影响表面层的加工硬化对疲劳强度影响3．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4．表面质量对配合性质的影响表面残余应力会引起零件变形，使零件形状和尺寸发生变化，因此对配合性质有一定的影响。相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。表面粗糙度的影响对间隙配合而言，表面粗糙度值太大，会使配合表面很快磨损而增大配合间隙，改变配合性质，降低配合精度。对过盈配合而言，装配时配合表面的波峰被挤平，减小实际过盈量，降低了连接强度，影响了配合的可靠性。表面残余应力的影响刀尖圆弧半径主偏角副偏角进给量§9.2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两方面一、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图p233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）切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↓。2）砂轮的粒度和砂轮的修整对表面粗糙度的影响砂轮的粒度磨粒的大小磨粒间的距离砂轮的粒度号↑，参与磨削的磨粒↑，粗糙度↓；砂轮的粒度号越大，磨粒和磨粒间离越小修整砂轮时，纵向进给量对表面粗糙度的影响甚大；纵向进给量↓，砂轮表面的等高性越好，粗糙度↓；（2）金属表面层的塑性变形在磨削过程中，由于磨粒大多具有很大的负前角，很不锋利，所以大多数磨粒在磨削时只是对表面产生挤压作用而使表面出现塑性变形，磨削时的高温更加剧了塑性变形，增大了表面粗糙度值。砂轮转速↑，切削速度↑，工件材料来不及变形，塑性变形↓，粗糙度↓；工件转速↑，工件材料塑性变形↑，粗糙度↑；切削深度↑，工件材料塑性变形↑，粗糙度↑；合理选用砂轮和切削液，有利于减少塑性变形，精度粗糙度；另外：对磨削表面粗糙度来说，振动是主要影响因素。振动产生的原因很多，将在后面讲述。3．加工时的振动二、影响表面粗糙度的因素及其改进措施第一类是与磨削砂轮有关的因素第二类是与工件材质有关的因素第三类是与加工条件有关的因素影响表面粗糙度的因素砂轮太硬，磨粒磨损后不易脱落，使工件表面受到强烈的摩擦和挤压，增加了塑性变形，表面粗糙度值增大，同时还容易引起烧伤；砂轮太软，磨粒易脱落，磨削作用减弱，也会增大表面粗糙度值。(1)与磨削砂轮有关的因素主要是砂轮的粒度、硬度以及对砂轮的修整等。砂轮的粒度越细，则砂轮单位面积上的磨粒数越多，磨削表面的刻痕越细，表面粗糙度值越小；但较度过细，砂轮易堵塞，使表面组糙度值增大，同时还易产生波纹和引起烧伤。砂轮的粒度要适度砂轮硬度要合适砂轮的硬度是指磨粒受磨削力后从砂轮上脱落的难易程度。越小，修出的微刃越多，等高性越好，粗糙度值低。砂轮的修整质量修整工具修整砂轮的纵向进给量砂轮的修整质量砂轮的修整是用金刚石除去砂轮外层己钝化的磨粒，使磨粒切削刃锋利，降低磨削表面的表面粗糙度值。与这两者有密切关系铝、铜合金等软材料易堵塞砂轮，比较难磨。塑性大、导热性差的耐热合金易使砂粒早期崩落，导致磨削表面粗糙度值增大。(2)与工件树质有关的因素包括材料的硬度、塑性、导热性等。对表面粗糙度有显著影响(3)与加工条件有关的因素包括磨削用量、冷却条件及工艺系统的精度与抗振性等。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§9.3影响零件表面层物理力学性能的因素及其改善措施加工表面除受力变形外，还受到机械加工中产生的切削热的影响。切削热在一定条件下会使金属在塑性变形中产生回复现象，使金属失去加工硬化中所得到的物理力学性能，这种现象称为软化。一、表面层的加工硬化1．加工硬化的产生硬化软化机械加工过程中，工件表面后金属受切削力作用，产生强烈的塑性变形、使金属的晶格扭曲，晶粒被拉长、纤维化甚至破碎而引起的表面层的强度和硬度增加，塑性降低，物理性能（如密度、导电性、导热性等）也有所变化。这种现象称为加工硬化，又称作冷作硬化或强化。因此，金属在加工过程中最后的加工硬化，取决于硬化速度与软化速度的比率。1)表面层的显微硬度HV2)硬化层深度h03)硬化程度N2．加工硬化的衡量指标HV0——金属原来的显微硬度磨削时，磨削深度和纵向进给速度↑，磨削力↑，塑性变形加剧，表面冷硬趋向↑。4．影响加工硬化的因素1)切削力↑，塑性变形↑，硬化程度和硬化层深度↑。如：切削时进给量↑，切削力↑，塑性变形程度↑，硬化程度↑；刀具的刃口圆角和后刀面的磨损量增大，塑性变形↑，冷硬层深度和硬化程度随之↑。各种机械加工方法在加工钢件时表面加工硬化的情况如下表所示。2)切削温度↑，软化作用↑，冷硬作用↓。如：切削速度增大，会使切削温度升高，有利于软化；磨削时提高磨削速度和纵向进给速度，有时会使磨削区产生较大热量而使冷硬减弱。3)被加工材料的硬度低、塑性好，则切削时塑性变形越大，冷硬现象就越严重。二、表面层的残余应力(1)冷态塑性变形引起的残余应力(2)热态塑性变形引起的残余应力(3)金相组织变化引起的残余应力l、表面层残余应力及其产生的原因表面层残余应力外部载荷去除后，工件表面层及其与基体材料的交界处仍残存的互相平衡的应力。表面层残余应力产生的原因(1)冷态塑性变形引起的残余应力当刀具从被加工表面上去除金属时，由于后刀面的挤、压和摩擦作用，加大了表面层伸长的塑性变形，表面层的伸长变形受到基体金属的限制，也在表面层产生了残余压应力。在切削力作用下，已加工表面产生强烈的塑性变形。表面层金属比容增大，体积膨胀，与它相连的里层金属的阻止其体积膨胀；里层产生残余拉应力表面层产生残余压应力结果：(2)热态塑性变形引起的残余应力磨削温度越高，热塑性变形越大，残余拉应力也越大，有时甚至产生裂纹。在切削热作用下产生热膨胀金属基体温度较低工件加工表面表层产生热压应力切削时切削过程结束时温度下降，已产生热塑性变形的表层收缩基体表层收缩结果表面产生残余拉应力(3)金相组织变化引起的残余应力如：马氏体密度为7.75g/cm3，奥氏体密度为7.96g/cm3，珠光体密度为7.78g/cm3，铁索体密度为7.88g/cm3；切削时产生的高温会引起表面层金相组织变化。因为不同的金属组织，它们的密度不同，因而引起的残余应力。以淬火钢磨削为例淬火钢原来的组织是马氏体7.75g/cm3磨削加工后表层可能产生回火，马氏体变为珠光体7.78g/cm3密度增大而体积减小表面产生残余拉应力导致结果2、影响表面层残余应力及磨削裂纹的因素机械加上后表面层的残余应力，是由冷态塑性变形、热态塑性变形和金相组织变化这三方面原因引起的综合结果。在一定条件下，其中某种或两种因素可能起主导作用。磨削时起主导作用的是“热”。磨削用量工件材料及热处理规范首要因素影响磨削裂纹的因素磨削碳钢时，含碳量越高，越容易产生裂纹；当碳的质量小于0.6％至0.7％时，几乎不产生裂纹；淬火钢晶界脆弱，渗碳、渗氮钢受温度影响大，磨削时易产生裂纹。磨削用量对磨削裂纹影响粗磨时，表面产生极浅的残余压应力，接着就是较深且较大的残余拉应力，这说明表面产生了一薄层一次淬火层，下层是回火组织。精细磨削时，温度影响很小、更没有金相组织变化，主要是冷态塑性变形的影响，故表面产生浅而小的残余压应力；精磨时，热塑性变形起了主导作用，表面产生很浅的残余拉应力；磨削裂纹与工件材料及热处理规范的关系三、表面层金相组织变化与磨削烧伤对于磨削加工来说，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