第九章 已加工表面質(zhì)量

1、第九章 已加工表面質(zhì)量 9.1 已加工表面的形成過程 9.1 已加工表面的形成過程 切削層金屬經(jīng)過第一、二變形后流出變成了切屑，經(jīng)過 第三變形區(qū)則形成了已加工表面。認(rèn)為刀具切削刃絕對(duì)尖銳 且無磨損，實(shí)際上： （1）切削刃也會(huì)有鈍圓半徑rn存在，如圖9.1所示。高速 鋼的rn約為1018m，最小可達(dá)5m ；硬質(zhì)合金的rn 約為 1832m， （2）在毗鄰刃口的后刀面部分，經(jīng)切削后要磨損，形 成寬度為VB的窄棱面，該處后角變?yōu)榱愣?。這樣就使得第 三變形區(qū)的變形變的復(fù)雜了 。 如圖9.1所示 ，由于有rn 的存在,刀具則不能把切削層厚 度hD全部切下來，而留下了一薄層hD 即當(dāng)切削層hD 經(jīng)過 O點(diǎn)

2、時(shí)，點(diǎn)O之上部分沿前刀面流動(dòng)變成了切屑，之下部分 則在切削刃鈍圓半徑作用下被擠壓摩擦產(chǎn)生塑性變形，基 體深部則產(chǎn)生彈性變形，直到與后刀面完全脫離接觸又彈 性恢復(fù)了h，便留在已加工表面上 。 在此過程中，與后刀面的接觸長度則由VB變成了 VB+CD，從而增大了后刀面與已加工表面間的摩擦與擠壓， 把點(diǎn)O看成是切削層金屬的分流點(diǎn) ，點(diǎn)O以上部分變成切 屑，點(diǎn)O以下部分形成已加工表面。 9.2 已加工表面質(zhì)量概述 u9.2.1已加工表面質(zhì)量的衡量指標(biāo) 已加工表面質(zhì)量也稱表面完整性。主要包括兩方面內(nèi)容： 1、幾何方面的質(zhì)量 已加工表面幾何方面的質(zhì)量是指工件最外層表面的幾何 形狀，通常以表面粗糙度表示。

3、2、材料特性方面的質(zhì)量 已加工表面在一定深度層的性能與基體不同,常稱加工變 質(zhì)層。 已加工表面質(zhì)量可用下面四項(xiàng)內(nèi)容表述: (1)表面粗糙度 (2)表面層的加工硬化程度及硬化層深度 (3)表面層結(jié)晶組織變化情況 。 (4)表面層及一定深度層的殘余應(yīng)力情況 。 u9.2.2 表面質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品使用性能的影響 加工變質(zhì)層雖只發(fā)生在很薄的表面層，但它會(huì)對(duì)機(jī)械 零件的使用性能、對(duì)機(jī)器的性能和壽命產(chǎn)生很大的影響。 1、影響耐磨性 表面粗糙度大的零件，由于實(shí)際接觸面積小,單位壓力 大，耐磨性差. 接觸剛度低 , 影響機(jī)器的工作精度。粗糙 度值越小 ,實(shí)際接觸面積越大 ,耐磨性越好，過小反會(huì)破壞 潤滑油膜而造成劇

4、烈磨損.如機(jī)床導(dǎo)軌面一般以Ra1.60.8m 為宜。 2、影響疲勞強(qiáng)度 交變載荷作用時(shí)，表面粗糙度、劃痕、微細(xì)裂紋等均會(huì) 引起應(yīng)力集中，從而降低疲勞強(qiáng)度。如經(jīng)精細(xì)拋光或研磨 過的粗糙度值很小表面的疲勞強(qiáng)度為100%的話 ,精車后的表 面為90%，粗車表面僅為80%。 殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，可阻礙和延緩裂紋的產(chǎn)生或擴(kuò)大， 從而提高疲勞強(qiáng)度。拉應(yīng)力時(shí),易產(chǎn)生微裂紋，大大降低疲 勞強(qiáng)度。 如:中碳鋼零件經(jīng)滾壓加工后可比精車提高疲勞強(qiáng) 度30%80%.。 3、影響耐蝕性 表面粗糙度值大時(shí)容易使腐蝕性物質(zhì)（氣體或液體）滲 透到表面的凹凸不平處,從而產(chǎn)生化學(xué)或電化學(xué)作用而被腐 蝕。如表面呈殘余拉應(yīng)力,微裂紋處

5、也同樣容易被腐蝕；呈 應(yīng)壓力時(shí)，會(huì)阻礙侵蝕作用的擴(kuò)展，提高抗蝕能力。 4、影響配合性質(zhì) 各種配合性質(zhì)的機(jī)械零件，如粗糙度值超過規(guī)定值，經(jīng) “跑合”后，動(dòng)配合者的間隙加大，影響了配合的性質(zhì)及可 靠性。 9.3 表面粗糙度 u 9.3.1 概述 經(jīng)過切削加工后的工件表面總會(huì)有微觀幾何形不平度， 不平度的高度稱為粗糙度.粗糙度包括進(jìn)給方向和切削速度 方向的（圖9.3）,通常所說的粗糙度是指進(jìn)給方向的。 粗糙度分為理論粗糙度和實(shí)際粗糙度。后者比前者大 得多 。 加工表面實(shí)際粗糙度大約由五部分組成 : (1)理論粗糙度。由刀具切削刃形狀、進(jìn)給量及運(yùn)動(dòng)關(guān)系按 幾何關(guān)系求得的H1 (2)伴隨積屑瘤的生長、脫

6、落形成的H2 (3)由切削機(jī)理本身的不穩(wěn)定因素、材料隆起等產(chǎn)生的H3 。 (4)由切削刃與工件的相對(duì)位置變動(dòng)（振動(dòng)）產(chǎn)生的H4 。 (5)切削刃磨損、損壞造成的H5 。 u9.3.2 減小實(shí)際粗糙度的措施 1、減小理論粗糙度 把切削刃看成純幾何線時(shí)，相對(duì)于工件運(yùn)動(dòng)所形成的已 加工表面微觀不平度稱理論粗糙度。其數(shù)值取決于殘留面積 的高度。 理論粗糙度仍是實(shí)際粗糙度的基本構(gòu)成因素 。 下面以外圓車削為例研究理論粗糙度的大小及影響因素。 圖9.4給出了外圓車削表面殘留面積的高度。 (1)當(dāng)r =0時(shí)，殘留面積最大高度Rmax 值為: (9.1) (2)當(dāng)r 0時(shí)，則有 (9.2) 因?yàn)?所以 不難看

7、出，要減小理論粗糙度Rmax 值，可減小f、kr、kr 或 增大r。 2 2 max11 2 f Rooococrr max cotcot rr f R max Rr 2 max 8 f R r 2、抑制積屑瘤 （1）積屑瘤的形成條件。 積屑瘤形成的基本條件包括三個(gè) 方面： 工件方面。 切削塑性材料且呈帶狀切削時(shí) 。 刀具方面。 刀具前角0 =0o 或不大以及為負(fù)值時(shí)，刀具刃磨質(zhì)量不佳。 切削條件方面。 切削速度c 中等、進(jìn)給量f （或切削厚度hD )較大、不用切 削液或切削液不起潤滑減摩作用時(shí)。 （2）形成過程。 積屑瘤形成的主要原因在于切削底層與前刀面發(fā)生“冷焊 “（粘結(jié)）,再加之很高的壓

8、力和適當(dāng)?shù)臏囟茸饔谩?要防止積屑瘤產(chǎn)生必須破壞“冷焊”條件 ,不在該溫度范圍 內(nèi)切削,即不在產(chǎn)生積屑瘤的切削速度范圍內(nèi)切削。 （3）積屑瘤的特點(diǎn) 積屑瘤呈周期性地生成長大脫落再生成再長大 。 切削速度vc 不同，生成的積屑瘤高度Hb不同,如圖9.5所示 。 （4）對(duì)切削過程的影響。 由圖9.6不難看出,積屑瘤包圍了刀具刃口并覆蓋了部 分前刀面,從而代替了刀具切削,客觀上似乎起到了保護(hù)刀 具的作用。 積屑瘤前角b 可達(dá)30o ，使得工作前角oe增大了，變 形h 減小，從而減小了Fc 。 由于過切量hD 的存在，使得實(shí)際切削厚度在hD 與 （hD+hD ）之間變化，從而在切削速度方向刻畫出深淺 不

9、同的犁溝，影響了表面粗糙度。 積屑瘤脫落的一部分附在切屑底部排除，另一部分 碎片鑲嵌在已加工表面上，影響表面質(zhì)量。 b 的變化引起oe 的變化，使得切削力產(chǎn)生波動(dòng)，將 引起加工過程的振動(dòng)。 因?yàn)榉e屑瘤的硬度比刀具高，因此積屑瘤的脫落會(huì) 加劇刀具的粘結(jié)磨損。 可見，積屑瘤對(duì)粗加工有利，特別是對(duì)精加工不利， （5）抑制措施 抑制積屑瘤的根本措施在于破壞切屑底層與前刀面產(chǎn)生 “冷焊”的條件。 具體措施是： 通過熱處理減小工件材料的塑性。 增大刀具前角o 35o ，使積屑瘤基礎(chǔ)不能形成。 減小進(jìn)給量f（或切削厚度hD）,從而減小對(duì)前刀面的 正壓力，使“冷焊”不易產(chǎn)生 。 改變切削速度vc . 采用加熱

10、切削或低溫切削 。 提高刀具刃磨質(zhì)量，破壞“冷焊”條件。 使用潤滑性能好的切削液，破壞“冷焊”條件。 3、抑制鱗刺生成 已加工表面上在切削速度方向出現(xiàn)的如魚鱗片狀的毛刺 稱鱗刺（圖9.7） 它在各種切削速度vc 時(shí)都可能產(chǎn)生, 使表面粗糙度值加 大 ,因此它是加工塑性金屬材料獲得良好表面質(zhì)量的一大障 礙 。其抑制措施與抑制積屑瘤的措施差不多。 如 : 改變工件材料熱處理狀態(tài)，使其減小塑性 。 改變刀具前角o 。 改變切削速度vc 。 減小進(jìn)給量f。 使用潤滑性能好的切削液。 4、控制振動(dòng)產(chǎn)生 切削過程中振動(dòng)是不可避免的。振動(dòng)使得加工表面在微 觀不平度基礎(chǔ)上又產(chǎn)生了波紋。強(qiáng)迫振動(dòng)往往是影響表 面

11、粗糙度的重要因素。因此，要解決振動(dòng)問題，必須首 先找出振源是機(jī)內(nèi)的還是機(jī)外的。 所謂強(qiáng)迫振動(dòng)，是由周期作用力,如電動(dòng)機(jī)、齒輪、皮 帶輪、轉(zhuǎn)軸、聯(lián)軸節(jié)等機(jī)件的質(zhì)量不平衡引起的 。 切削力的周期變化，多由積屑瘤、鱗刺、切屑折斷等造 成，不連續(xù)切削、多刀切削均產(chǎn)生此力。要控制振動(dòng)產(chǎn)生就 是要對(duì)機(jī)內(nèi)的傳動(dòng)零件作好動(dòng)平衡。 另外，自激振動(dòng)（顫動(dòng)）是刀具與工件間在無外力作用 時(shí)產(chǎn)生的，它會(huì)在加工表面上生成節(jié)距一定的振紋。其控制 措施是:除改善機(jī)床動(dòng)態(tài)特性外, 還必須正確選擇工件支承、刀具形狀及固定形式、切削 用量以及采用消振裝置。 綜上所述，減小實(shí)際粗糙度的措施可歸納為兩條: 一條是從切削用量、刀具方面減

12、小理論粗糙度，如：減 小進(jìn)給量f、刀具主偏角kr 和副偏角kr或增大刀尖圓弧半徑r 等； 另一條是抑制積屑瘤、鱗刺及振動(dòng)的產(chǎn)生,凡是能抑制他 們產(chǎn)生的因素均可減小實(shí)際粗糙度。 u9.4.1概述 1、概念 經(jīng)切（磨）削過的表面，其硬度往往高出基體硬度1-2 倍，即表面硬化了，硬化深度從幾十微米至幾百微米，這 種不經(jīng)熱處理而由切（磨）削加工造成的硬化現(xiàn)象稱加工 硬化或冷作硬化。表面層的加工硬化，可使零件耐磨性提 高，但脆性增加了，抗沖擊性能下降，硬化了的表面層給 后續(xù)工序加工增加了難度，也增加了刀具磨損。 9.4 加 工 硬 化 2、產(chǎn)生的原因 工件表面層以下的一部分金屬也將產(chǎn)生塑性變形；再 加上

13、刃口鈍圓半徑rn 的擠壓產(chǎn)生了很大的附加塑性變形。 由于基體的彈性恢復(fù)，刀具后刀面繼續(xù)與已加工表面接觸 摩擦，使已加工表面再次產(chǎn)生剪切變形. 經(jīng)過以上幾次變形， 使得金屬晶格發(fā)生了扭曲，晶粒被拉長、破碎，阻礙了金 屬進(jìn)一步變形而使金屬強(qiáng)化 ,硬度顯著提高。當(dāng)大的深度， 越接近已加工表面， 另一方面，已加工表面除了上述的受力變形過程外，還 受到切削溫度的影響，如果切削溫度低于相變點(diǎn)Ac1 時(shí)，將 使金屬弱化，即硬度降低；更高的溫度還將引起相變。因此， 已加工表面的硬度是這種強(qiáng)化、弱化及相變綜合作用的結(jié)果： 從切削層剖面的顯微照片中可看出：在已加工表面形成 過程中，塑性變形已達(dá)到了表面層以下相 變

14、形硬化越嚴(yán)重。最表層為非晶質(zhì)層，塑性變形非常劇烈， 晶格均遭破壞。往下一次是塑性變形層、彈性變形層與基 體。 3、表示方法 加工硬化通常以硬化程度N和硬化層hd 來表示。 （1）硬化程度N為 （9.3） 式中 H0 基體的顯微硬度值（HV）； H 硬化層顯微硬度值（HV）； 0 100% H N H 0 0 100% HH N H 或 （2）硬化層深度hd ,即硬化層深入基體的距離，以u(píng)m計(jì)。 一般N和hd 與工件材料及加工方法有關(guān)，見表9.2。 4、減小加工硬化的措施 （1）選擇較大的o 、0 及較小的rn 。 （2）確定合理VB值。 （3）合理選擇切削用量：vc 盡量高，f盡量小。 （4）

15、使用有效切削液。 9.5 殘余應(yīng)力 u9.5.1 概述 1、概述 當(dāng)切削力的作用取消后，工件表面保持平衡而存在的 應(yīng)力稱殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力有大小和方向之分。 2、殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因 （1）塑性變形引起的應(yīng)力。 金屬經(jīng)塑性變形后體積將脹大，由于受到里層未變形 金屬的牽制，故表層呈殘余壓應(yīng)力，里層呈殘余拉應(yīng)力。 已加工表面形成過程中 ,位于刀具刃口前方工件材料的晶粒 一部分隨切屑流出，另一部分留在已加工表面上。 晶粒在刃口分離處的水平方向受壓，在垂直方向受拉。表 層金屬與后刀面擠壓摩擦?xí)r產(chǎn)生拉伸塑性變形，與刀具脫 離接觸后，在里層金屬的彈性恢復(fù)作用下，表層呈殘余壓 應(yīng)力。 （2）切削溫度引起的熱應(yīng)

16、力。 切削時(shí)，由于強(qiáng)烈摩擦與塑性變形，使已加工表面層溫 度很高，而里層溫度很低，因而形成不均勻的溫度分布。 溫度高的表層，體積膨脹將受到里層金屬的阻礙,使表層金 屬產(chǎn)生熱應(yīng)力： 當(dāng)熱應(yīng)力超過材料屈服極限時(shí)，將使表層金屬產(chǎn)生壓 縮塑性變形。切削后冷卻至溫室時(shí)，表層金屬體積的收縮 又受到里層金屬的牽制，故而表層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。 （3）相變引起的體積應(yīng)力。 切削時(shí)，若表層溫度高于相變溫度，則表層組織可能 發(fā)生相變；由于各種金相組織的體積不同，從而產(chǎn)生殘余 應(yīng)力。如高速切削碳鋼時(shí)，刀具與工件表面接觸區(qū)溫度可 達(dá)600-800,而碳鋼的相變溫度在720。 此時(shí)表層就可能發(fā)生相變，由珠光體轉(zhuǎn)變稱奧氏體，冷卻 后又轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。而馬氏體的體積比奧氏體大，故而表 層金屬膨脹，但要受到里層金屬的阻礙，才使得表層金屬 受壓，即產(chǎn)生