第8章机械加工表面质量

第八章机械加工表面质量保证机器的使用性能和延长使用寿命，需提高机器零件的耐磨性、疲劳强度、抗蚀性、密封性、接触刚度等性能，主要取决于零件的表面质量。机械加工表面质量是机械零件加工质量的一个重要指标。是以机械零件的加工表面和表面层作为分析和研究对象的。旨在研究零件表面层在加工中的变化和机理，掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量的影响规律，控制加工中的各种影响因素，以满足表面质量的要求。主要讨论机械加工表面质量的含义、表面质量对使用性能的影响、表面质量产生的机理等。对生产现场中发生的表面质量问题从理论上作出解释，提出提高机械加工表面质量的途径。本章提要表面质量的含义表面质量是指机器零件加工后表面层的状态。有两部分：⑴表面层的几何形状表面粗糙度：是指表面微观几何形状误差，其波高与波长的比值在L1/H1＜40的范围内。表面波度：是介于加工精度（宏观几何形状误差L3/H3＞1000）和表面粗糙度之间的一种带有周期性的几何形状误差，其波高与波长的比值在40≤L2/H2≤1000的范围。机械加工后的表面质量图8.1表面几何形状⑵表面层的物理机械性能表面层冷作硬化（简称冷硬）：零件在机械加工中表面层金属产生强烈的冷态塑性变形后，引起的强度和硬度都有所提高的现象。表面层金相组织的变化：由于切削热引起工件表面温升过高，表面层金属发生金相组织变化的现象。表面层残余应力：由于加工过程中切削变形和切削热的影响，工件表面层产生残余应力。机械加工后的表面质量表面质量对零件使用性能的影响对零件耐磨性的影响在摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件已经确定的情况下，零件的表面质量对耐磨性能起决定性的作用。两个表面粗糙度值很大的零件接触，最初接触的只是一些凸峰顶部，实际接触面积比名义接触面积小得多，这样单位接触面积上的压力就很大，当压力超过材料的屈服极限时，凸峰部分产生塑性变形；当两个零件作相对运动时，就会产生剪切、凸峰断裂或塑性滑移，初期磨损速度很快。机械加工后的表面质量图8.2表面粗糙度与初期磨损量关系曲线存在最佳点，对应零件最耐磨的粗糙度，此时零件的初期磨损量最小。若载荷加重或润滑条件恶化，磨损曲线将向上向右移动，最佳粗糙度值也随之右移。在表面粗糙度大于最佳值时，减小表面粗糙度值可减少初期磨损量。但当表面粗糙度小于最佳值时，零件实际接触面积就增大，接触面积之间的润滑油被挤出，金属表面直接接触，因金属分子间的亲和力而发生粘结（称为冷焊），随着相对运动的进行，粘结处在剪切力的作用下发生撕裂破坏。有时还由于摩擦产生的高温，使摩擦面局部熔化（称为热焊）等原因，使接触表面遭到破坏，初期磨损量反而急剧增加。一对摩擦副在一定的工作条件下通常有一最佳粗糙度值，在确定机器零件的技术条件时应该根据零件工作的情况及有关经验，规定合理的粗糙度。机械加工后的表面质量图8.3表示两个不同零件的表面，粗糙度值相同，但轮廓形状不同，其耐磨性相差可达3~4倍。试验表明，耐磨性决定于轮廓峰顶形状和凹谷形状。前者决定干摩擦时的实际接触面积，后者决定润滑摩擦时的容油情况。图8.4为两摩擦表面粗糙度纹路方向对零件耐磨性的影响。表面粗糙度对耐磨性能的影响，还与粗糙度的轮廓形状及纹路方向有关。机械加工后的表面质量表面层的冷硬可显著地减少零件的磨损。原因：冷硬提高了表面接触点处的屈服强度，减少了进一步塑性变形的可能性，并减少了摩擦表面金属的冷焊现象。但如果表面硬化过度，零件心部和表面层硬度差过大，会发生表面层剥落现象，使磨损加剧。表面层产生金相组织变化时，由于改变了基体材料原来的硬度，因而也直接影响其耐磨性。机械加工后的表面质量对零件疲劳强度的影响在周期性的交变载荷作用下，零件表面微观不平与表面的缺陷一样都会产生应力集中现象，而且表面粗糙度值越大，即凹陷越深和越尖，应力集中越严重，越容易形成和扩展疲劳裂纹而造成零件的疲劳损坏。钢件对应力集中敏感，钢材的强度越高，表面粗糙度对疲劳强度的影响越大。含有石墨的铸铁件相当于存在许多微观裂纹，与有色金属件一样对应力集中不敏感，表面粗糙度对疲劳强度的影响就不明显。加工纹路方向对疲劳强度的影响更大，如果刀痕与受力方向垂直，则疲劳强度将显著降低。机械加工后的表面质量对零件疲劳强度的影响零件表面的冷硬层能够阻碍裂纹的扩大和新裂纹的出现，因为由摩擦学可知疲劳源的位置在冷硬层的中部，因此冷硬可以提高零件的疲劳强度。但冷硬层过深或过硬则容易产生裂纹，反而会降低疲劳强度。所以冷硬要适当。表面层的内应力对疲劳强度的影响很大。表面层残余的压应力能够部分地抵消工作载荷施加的拉压力，延缓疲劳裂纹扩展。而残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹而降低疲劳强度。带有不同残余应力表面层的零件，其疲劳寿命可相差数倍至数十倍。机械加工后的表面质量对零件抗腐蚀性能的影响零件表面粗糙度值越大，潮湿空气和腐蚀介质越容易堆积在零件表面凹处而发生化学腐蚀，或在凸峰间产生电化学作用而引起电化学腐蚀，故抗腐蚀性能越差。表面冷硬和金相组织变化都会产生内应力。零件在应力状态下工作时，会产生应力腐蚀（材料在拉应力集中和特定的腐蚀环境共同作用下发生腐蚀裂纹扩展的现象），若有裂纹，则更增加了应力腐蚀的敏感性。因此表面内应力会降低零件的抗腐蚀性能。机械加工后的表面质量对零件的其它影响表面质量对零件的配合质量、密封性能及摩擦系数都有很大的影响。表面粗糙度值越大，初期磨损量越大，对动配合来说，使用不久就会使配合性质发生变化；对静配合来说，压装时会减少过盈量，降低配合强度。零件表面层状态对其使用性能有如此大的影响是因为：承受载荷应力最大的表面层是金属的边界，机械加工后破坏了晶粒的完整性，从而降低了表面的某些机械性能。表面层有裂纹、加工痕迹等各种缺陷，在动载荷的作用下，可能引起应力集中而导致破坏。零件表面经过加工后，表面层的物理、机械、冶金和化学性能都变得和基体材料不同了。机械加工后的表面质量切削加工后的表面粗糙度切削加工时表面粗糙度的形成，大致可归纳为三方面的原因：几何因素物理因素工艺系统的振动机械加工后的表面粗糙度几何因素由刀具相对于工件作进给运动时在加工表面上遗留下来的切削层残留面积（图8.5）。理论上的最大粗糙度Rmax可由刀具形状、进给量f，按几何关系求得。当不考虑刀尖圆弧半径时：kkfRcotcotmaxrfR82max当背吃刀量和进给量很小时，粗糙度主要由刀尖圆弧构成：机械加工后的表面粗糙度图8.5切削层残留面积机械加工后的表面粗糙度物理因素由图知，实际粗糙度与理论粗糙度差别较大。主要是与被加工材料的性能及切削机理有关的物理因素的影响。切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工件挤压与摩擦而产生塑性变形。韧性越好的材料塑性变形越大，且容易出现积屑瘤与鳞刺，使粗糙度严重恶化。还有切削用量、冷却润滑液和刀具材料等因素影响。图8.6塑性材料加工后表面的实际轮廓和理论轮廓机械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度影响因素可归纳为三方面：与磨削过程和砂轮结构有关的几何因素与磨削过程和被加工材料塑性变形有关的物理因素工艺系统的振动因素机械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度从几何因素看，砂轮上磨粒的微刃形状和分布对于磨削后的表面粗糙度是有影响的。磨削表面是由砂轮上大量的磨粒刻划出无数极细的构槽形成的，每单位面积上刻痕越多，即通过每单位面积的磨粒数越多，以及刻痕的等高性能好，粗糙度也就越低。从物理因素看，大多数磨粒只有滑擦、耕犁作用。在滑擦作用下，被加工表面只有弹性变形，不产生切屑；在耕犁作用下，磨粒在工件表面上刻划出一条沟痕，工件材料被挤向两边产生隆起，此时产生塑性变形但仍不产生切屑。磨削量是经过很多后继磨粒的多次挤压因疲劳而断裂、脱落，所以加工表面的塑性变形很大，表面粗糙度值越大。机械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度为了降低表面粗糙度值，应考虑以下主要影响因素：①砂轮的粒度砂轮的粒度愈细，则砂轮单位面积上的磨粒数愈多，在工件上的刻痕也愈密而细，所以粗糙度值愈低。②砂轮的修整砂轮的修整质量越高，砂轮工作表面上的等高微刃（图8.7）就越多，因而磨出的工件表面粗糙度值也就愈低。图8.7磨粒上的微刃机械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度③砂轮速度提高砂轮速度可以增加单位时间内工件单位面积上的刻痕数，同时塑性变形造成的隆起量随着砂轮速度的增大而下降，原因是高速下塑性变形的传播速度小于磨削速度，材料来不及变形，因而粗糙度可以显著降低。④工件速度工件速度越大，单个磨粒的磨削厚度就越大，单位时间内磨削工件表面的磨粒数减少，表面粗糙度值增大。机械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度⑤径向进给量增大磨削径向进给量将增加塑性变形的程度从而增大粗糙度。通常在磨削过程开始时采用较大的径向进给量，以提高生产率，而在最后采用小径向进给量或无径向进给量磨削，以降低粗糙度值。⑥轴向进给量磨削时采用较小的轴向进给量，则磨削后表面粗糙度较低。机械加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度另外，引起磨削表面粗糙度增大的主要原因还往往是工艺系统的振动所致。增加工艺系统刚度和阻尼，做好砂轮的动平衡以及合理地修整砂轮可显著降低粗糙度。机械加工后的表面粗糙度机械加工后表面层的冷作硬化切削或磨削加工时，表面层金属由于塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格发生拉长、扭曲和破碎而得到强化。冷作硬化的特点：变形抵抗力提高（屈服点提高），塑性降低（相对延伸率降低）。冷硬的指标:通常用冷硬层的深度h、表面层的显微硬度H以及硬化程度N来表示（图8.8），其中N=H/H0，H0为原来的显微硬度。冷作硬化产生的原因机械加工后的表面层物理机械性能图8.8切削加工后表面层的冷硬机械加工后的表面层物理机械性能表面层冷作硬化的程度决定于产生塑性变形的力、变形速度及变形时的温度。力越大，塑性变形越大，则硬化程度越大；速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度越小；变形时的温度不仅影响塑性变形程度，还会影响变形后金相组织的恢复程度。冷作硬化产生的原因机械加工后的表面层物理机械性能切削加工时表面层的硬化可能有两种情况：完全强化此时出现晶格歪扭以及纤维结构和变形层物理机械性质的改变；不完全强化若温度超过（0.25~0.30）T熔（熔化绝对温度），则除了强化现象外，同时还有回复现象，此时歪扭的晶格局部得到恢复，减低了冷硬作用；如果温度超过0.30T熔就会发生金属再结晶，此时由于强化而改变了的表面层物理机械性能几乎可以完全恢复。冷作硬化产生的原因机械加工后的表面层物理机械性能机械加工时表面层的冷作硬化就是强化作用和回复作用的综合结果。切削温度越高、高温持续时间越长、强化程度越大，则回复作用也就越强。因此对高温下工作的零件，能保证疲劳强度的最佳表面层是没有冷硬层或者只有极小（10~20μm）冷作硬化的表面层。冷作硬化产生的原因机械加工后的表面层物理机械性能①刀具刀具的切削刃口圆角和后刀面的磨损量对于冷硬层有很大的影响，此两值增大时，冷硬层深度和硬度也随之增大。前角减少时，冷硬也增大。②被加工材料被加工材料硬度愈低、塑性愈大，切削后的冷硬现象愈严重。影响冷作硬化的主要因素机械加工后的表面层物理机械性能③切削用量切削速度增大时，刀具与工件接触时间短，塑性变形程度减少，同时会使温度增高，有助于冷硬的回复，所以硬化层深度和硬度都有所减少。进给量增大时，切削力增大，塑性变形程度也增大，因此硬化现象增大。但在进给量较小时，由于刀具的刃口圆角在加工表面单位长度上的挤压次数增多，因此硬化倾向也会增大。径向进给量增大时，冷硬层深度也有所增大，但其影响程度不显著。影响冷作硬化的主要因素机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后表面层金相组织的变化磨削加工时切削力比其它加工方法大数十倍，切削速度也非常高，所以功率消耗远远大于其它切削方法。由于砂轮导热性差、切屑数量少，磨削过程中能量转化的热大部分都传给了工件。磨削时，在很短的时间内磨削区温度可上升到400~1000ºC，甚至更高。这样大的加热速度，促使加工表面局部形成瞬时热聚集现象，有很高温升和很大的温度梯度，出现金相组织的变化，强度和硬度下降，产生残余应力，