機械表面加工質(zhì)量課件

第七章機械加工表面質(zhì)量零件機械加工表面質(zhì)量：經(jīng)過機械加工后，工件表面上形成的微觀幾何形狀誤差和力學物理性能。當零件在高速、高溫及大負載的條件下工作時，加工表面質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的性能，尤其是可靠性和壽命。對于航空產(chǎn)品，其加工表面質(zhì)量尤其重要。第一節(jié)基本概念1．表面的幾何形狀特征（1）

表面粗糙度：一般用微觀不平度的算術(shù)平均偏差Ra。（2）

表面波度：一般常用測量長度上五個最大的波幅的算術(shù)平均值W來表示。（3）

表面加工紋理：指表面刀痕的類型和方向。（4）傷痕：指加工表面上一些個別位置上出現(xiàn)的缺陷，如沙眼，氣孔，裂痕，劃痕等。

一、機械加工表面質(zhì)量的主要內(nèi)容：2.表面層物理力學性能表面層加工硬化。表面層金相組織的變化。表面殘余應力。二、加工表面質(zhì)量對零件使用性能的影響表面質(zhì)量對耐磨性能、疲勞強度、耐腐蝕性、配合性質(zhì)等都有很大的影響。1.表面質(zhì)量對耐磨性的影響一般來說，表面粗糙度值越小，耐磨性越好。但并不是越小越耐磨。大的粗糙度使初期磨損嚴重，粗糙度過小，磨損反而加劇。加工硬化能提高耐磨性，但硬化過度，導致金屬層變脆，磨損會加劇，所以零件的硬化層也要控制在一定范圍之內(nèi)。2.表面質(zhì)量對疲勞強度的影響Ra愈小，抗疲勞性能愈好。一般冷作硬化提高抗疲勞強度，但也有的材料如鈦合金在一定的溫度下冷作硬化是不利的。3.表面質(zhì)量對耐腐蝕性能的影響表面粗糙度的Ra值愈小，耐蝕性能就愈強。有殘余拉應力和冷作硬化的零件表面，都會使零件的抗蝕性下降。4.表面質(zhì)量對配合性質(zhì)的影響對有配合性質(zhì)的表面，要規(guī)定較小的粗糙度值。第二節(jié)表面粗糙度的形成及其影響因素一、切削加工后的表面粗糙度１、表面粗糙度的形成(1)幾何因素：刀具幾何形狀：刀尖圓弧半徑rε↑,幾何角度Kr、K`r↓，能降低殘留面積的高度。切削運動：進給量f↓，能降低殘留面積的高度。(2)塑性變形積屑瘤：：①它能刻劃出縱向的溝紋來;②它還會在破碎脫落時沾附在已加工表面上。生成、長大和脫落將嚴重影響工件加工后的表面粗糙度。鱗刺：鱗刺對已加工表面質(zhì)量有嚴重的影響，它往往使表面粗糙度等級降低2～4級。(3)振動:切削過程中如果有振動，表面粗糙度就會顯著變大。

２、影響表面粗糙度的工藝因素及改善措施(1)切削用量:

進給量f↓減小進給量f可以降低殘留面積的高度。同時也可以降低積屑瘤和鱗刺的高度，因而減小進給量可以使表面粗糙度值減小。但進給量減小到一定值時，再減小，塑性變形要占主導地位，粗糙度值不會明顯下降。當進給量更小時，由于塑性變形程度增加，粗糙度反而會有所上升。

切削速度Vc:塑性材料:加工塑性材料時，切削速度對積屑瘤和鱗刺的影響非常顯著。切削速度較低易產(chǎn)生鱗刺，低速至中速易形成積屑瘤，粗糙度也大。避開這個速度區(qū)域，表面粗糙度值會減小。加工脆性材料時，因為一般不會形成積屑瘤和鱗刺，所以切削速度對表面粗糙度基本無影響。背吃刀量aP一般來說，切削深度對加工表面粗糙度的影響是不明顯的，在實際工作中可以忽略不計。但當ap<0.02～0.03mm時，由于刀刃不是絕對尖銳而是有一定的圓弧半徑，這時正常切削就不能進行，常擠壓滑過加工表面而切不下切屑而將在加工表面上引起附加的塑性變形，從而使加工表面粗糙度增大。所以切削加工不能選用過小的切削深度。但過大的切削深度也會因切削力、切削熱劇增而影響加工精度和表面質(zhì)量。（2）刀具幾何方面和刃磨的影響刀具幾何參數(shù)中對表面粗糙度影響最大的是刀尖圓弧半徑rε、副偏角k‘r和修光刃。刀尖圓弧半徑rε對表面粗糙度有雙重影響：rε增大時，殘留高度減小，另一方面變形將增加。由于前一種影響較大，所以當?shù)都鈭A弧半徑rε增大時，表面粗糙度將降低。副偏角k‘r愈小，表面粗糙度愈低。但減小副偏角容易引起振動，故減小副偏角，必須視機床系統(tǒng)的剛度而定。采用一段長度稍大于進給量的修光刃(修光刃上k'r=0)是降低表面粗糙度的有效措施，利用增加修光刃來消除殘留面積是實際加工工件中常常采用的方法。刀具的刃磨質(zhì)量：刀刃前、后刀面，切削刃本身的粗糙度值直接影響被加工面的粗糙度。一般來說，刀刃前、后刀面的粗糙度應比加工面要求的粗糙度小1～2級。（3）被加工材料的影響一般來說，材料韌性越好，塑性變形傾向越大，在切削加工中，表面粗糙度就越大。被加工材料對表面粗糙度的影響與其金相組織狀態(tài)有關(guān)。（4）切削液的影響切削液的冷卻和潤滑作用能大大減少加工的表面粗糙度二、磨削加工后的表面粗糙度磨削加工表面粗糙度的形成，與磨削過程中的幾何因素、物理因素和工藝系統(tǒng)振動等有關(guān)。從純幾何角度考慮，可以認為在單位加工面積上，由磨粒的刻劃和切削作用形成的刻痕數(shù)越多、越淺，則表面粗糙度值越小?；蛘哒f，通過單位加工面積的磨粒數(shù)越多，表面粗糙度值越小。

影響磨削加工表面粗糙度有如下因素：1.磨削用量的影響

1）提高砂輪速度Vc

砂輪速度Vc

越高，通過單位加工面積的磨粒數(shù)越多，表面粗糙度值越小。2）降低工件速度V工

工件速度V工越低，砂輪相對工件的進給量f越小，則磨后的表面粗糙度值越小。3）選擇小的磨削深度ap

2.砂輪的影響1）選擇適當粒度的砂輪砂輪粒度對加工表面粗糙度有影響，砂輪越細磨削表面粗糙度值越小。但砂輪太細，只能采用很小的磨削深度(ap＝0.0025mm以下)，還需時間很長的空走刀，否則砂輪易被堵塞，造成工件燒傷。為此，一般磨削所采用的砂輪粒度號都不超過80號，常用的是40～60號。2）精細修整砂輪工作表面當在磨削加工的最后幾次走刀之前，對砂輪進行一次精細修整，使每個磨粒產(chǎn)生多個等高的微刃，從而使工件的Ra值降低。第三節(jié)加工表面力學物理性能的變化及其影響因素一、表面層的加工硬化1.加工硬化的產(chǎn)生定義：機械加工過程中，工件表面層受到切削力的作用產(chǎn)生強烈的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)生滑移，晶粒被拉長，這些都會使表面層金屬的硬度增加，塑性降低，這種現(xiàn)象稱為加工硬化（或稱為強化）。表層金屬冷作硬化的結(jié)果，會增大金屬變形的阻力，減小金屬的塑性，金屬的物理性質(zhì)（如密度、導電性、導熱性等）也有所變化。金屬冷作硬化的結(jié)果，使金屬處于高能位不穩(wěn)定狀態(tài)，只要一有條件，金屬的冷硬結(jié)構(gòu)本能地向比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為弱化。機械加工過程中產(chǎn)生的切削熱，將使金屬在塑性變形中產(chǎn)生的冷硬現(xiàn)象得到恢復。由于金屬在機械加工過程中同時受到力因素和熱因素的作用，機械加工后表面層金屬的最后性質(zhì)取決于強化和弱化兩個過程的綜合。2.評定冷作硬化的指標有下列三項：1）表層金屬的顯微硬度HV；2）硬化層深度h（m）；3）硬化程度N。式中HV0--工件內(nèi)部金屬原來的硬度。3.影響切削加工表面層加工硬化的因素1）切削用量的影響切削用量中以進給量和切削速度的影響為最大。77圖7-9給出了在切削45鋼時，進給量和切削速度對冷作硬化的影響。由圖可知：加大進給量時，表層金屬的顯微硬度將隨之增加。這是因為隨著進給量的增大，切削力也增大，表層金屬的塑性變形加劇，冷硬程度增大。但是，這種情況只是在進給量比較大時才是正確的；如果進給量很小，比如切削厚度小于0.05～0.06mm時，若繼續(xù)減小進給量。則表層金屬的冷硬程度不僅不會減小，反而會增大。當切削速度增大時，刀具與工件的作用時間減少，使塑性變形的擴展深度減小，因而冷硬層深度減??；當然，切削速度增大時，切削熱在工件表面層上的作用時間也縮短了，將使冷硬程度增加。但在某些加工條件下，切削速度對冷硬的影響規(guī)律卻與此相反。例如，車削Q235A鋼在切削速度為14m／min時，冷硬層深度達到100μm；而切削速度提高到208m／min時，冷硬層深度才只有38μm，冷硬程度也顯著降低。切削速度對冷硬程度的影響是力因素和熱因素綜合作用的結(jié)果。背吃刀量對表層金屬冷作硬化的影響不大。72）刀具幾何形狀的影響切削刃鈍圓半徑的大小對切屑形成過程的進行有決定性影響。實驗證明，已加工表面的顯微硬度隨著切削刃鈍圓半徑的加大而明顯地增大。這是因為切削刃鈍圓半徑增大，徑向切削分力也將隨之加大，表層金屬的塑性變形程度加句劇，導致冷硬增大。前角在士20°圍內(nèi)變化時，對表層金屬的冷硬沒有顯著的影響。3）加工材料性能的影響工件材料的塑性越大，冷硬傾向越大，冷硬程度也越嚴重。碳鋼中含碳量越大，強度越高，其塑性越小，因而冷硬程序越小。有色合金金屬的熔點低，容易弱化，冷作硬化現(xiàn)象比鋼材輕得多。表7-1各種機械加工方法加工鋼件的表面層冷作硬化情況（P278）二、表面層金屬的金相組織變化與磨削燒傷1.金相組織的變化與磨削燒傷的產(chǎn)生機械加工過程中，在工件的加工區(qū)及其鄰近的區(qū)域，溫度會急劇升高，當溫度升高到超過工件材料金相組織變化的臨界點時，就會發(fā)生金相組織變化。 磨削燒傷，是指由于磨削時的瞬時高溫使工件表層局部組織發(fā)生變化，并在工件表面的某些部分出現(xiàn)氧化變色的現(xiàn)象。磨削燒傷會降低材料的耐磨性、耐腐蝕性和疲勞強度，燒傷嚴重時還會出現(xiàn)裂紋。磨削淬火鋼時，在工件表面層形成的瞬時高溫將使表層金屬產(chǎn)生以下三種金相組織變化：（l）回火燒傷：如果磨削區(qū)的溫度未超過淬火鋼的相變溫度（碳鋼的相變溫度為720°C），但已超過馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度（中碳鋼為300°C），工件表層金屬的馬氏體將轉(zhuǎn)化為硬底較低的回火組織（索氏體或托氏體），這稱為回火燒傷。（2）淬火燒傷：如果磨削區(qū)溫度超過了相變溫度，再加上冷卻液的急冷作用，表層金屬會出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織，硬度比原來的回火馬氏體高；在它的下層。由冷卻較慢，出現(xiàn)了硬度比原來的回火馬氏體低的回火組織（索氏體或托氏體），這稱為淬火燒傷。（3）退火燒傷：如果磨削區(qū)溫度超過了相變溫度，而磨削過程又沒有冷卻液，表層金屬將產(chǎn)生退火組織，表層金屬的硬度將急劇下降，這稱為退火燒傷。2.改善磨削燒傷的工藝途徑

1）正確選擇砂輪

磨削導熱性差的材料（如耐熱鋼、軸承鋼及不銹鋼等）；容易產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象，應特別注意合理選擇砂輪的硬度、結(jié)合劑和組織。硬度太高的砂輪，砂輪鈍化之后不易脫落，容易產(chǎn)生燒傷。為避免產(chǎn)生燒傷，應選擇較軟的砂輪。選擇具有一定彈性的結(jié)合劑（如橡膠結(jié)合劑，樹脂結(jié)合劑），也有助于避免燒傷現(xiàn)象的產(chǎn)生。2）合理選擇磨削用量

磨削深度αp對磨削溫度影響極大，如圖7-14所示。從減輕燒傷的角度考慮，αp不宜過大。7加大橫向（軸向）進給量ft對減輕燒傷有好處。圖4-15給出了橫向進給量ft對磨削溫度分布影響的實驗結(jié)果，為了減輕燒傷，宜選用較大的ft。加大工件的回轉(zhuǎn)速度νw，磨削表面的溫度升高，但其增長速度與磨削深度αp。的影響相比小得多；且νw越大，熱量越不容易傳入工件內(nèi)層，具有減小燒傷層深度的作用。但增大工件速度νs。會使表面粗糙度增大，為了彌補這一缺陷，可以相應提高砂輪速度νs。實踐證明。同時提高砂輪速度νs和工件速度νw，可以避免燒傷。從減輕燒傷而同時又盡可能地保持較高的生產(chǎn)率考慮，在選擇磨削用量時，應選用較大的工件速度νw和較小的磨削深度ap。3）改善冷卻條件目前通用的冷卻方法（圖7-7）效果很差，實際上沒有多少磨削液能夠真正進入磨削區(qū)。7-7采用內(nèi)冷卻砂輪采用開槽砂輪在砂輪的圓周上開一些橫槽，能使砂輪將冷卻液帶入磨削區(qū)，對防止工件燒傷十分有效。三、表面金屬的殘余應力在機械加工過程中，當表層金屬組織發(fā)生形狀變化、體積變化或金相組織變化時，將在表面層的金屬與其基體間產(chǎn)生相互平衡的彈性應力，稱為殘余應力。1.表層金屬產(chǎn)生殘余應力的原因1）冷塑性變形引起殘余應力

機械加工時在加工表面的金屬層內(nèi)有塑性變形產(chǎn)生，使表層金屬的比容增大。由于塑性變形只在表面層中產(chǎn)生，而表面層金屬的比容增大和體積膨脹，不可避免地要受到與它相連的里層金屬的阻礙，這樣就在表面層內(nèi)產(chǎn)生了壓縮殘余應力，而在里層金屬中產(chǎn)生拉伸殘余應力。當?shù)毒邚谋患庸け砻嫔锨谐饘贂r，表層金屬的纖維被拉長，刀具后刀面與已加工表面的摩擦又加大了這種拉伸作用。刀具切離之后，拉伸彈性變形將逐漸恢復，而拉伸塑性變形則不能恢復。表面層金屬的拉伸塑性變形，受到與它相連的里層未發(fā)生塑性變形金屬的阻礙，因此就在表層金屬中產(chǎn)生了壓縮殘余應力，而在里層金屬中產(chǎn)生拉伸殘余應力。2）切削熱引起熱態(tài)塑性變形而產(chǎn)生殘余應力在機械加工中，切削區(qū)會產(chǎn)生大量的切削熱，工件表面的溫度往往很高。切削過程結(jié)束之后，工件表面的溫度開始下降。表層金屬因膨脹受阻或冷卻受阻而產(chǎn)生殘余應力。3）金相組織變化不同的金相組織具有不同的密度（γ馬氏體=7.75t／m3，γ奧氏體=7.96t／m3，γ鐵素體=7.88t／m3，γ珠光體=7.78／m3），也就會具有不同的比容。如果在機械加工中，表層金屬產(chǎn)生了金相組織的變化，表層金屬的比容將隨之發(fā)生變化，而表層金屬的這種比容變化必然會受到與之相連的基體金屬的阻礙，因此就會有殘余應力產(chǎn)生。3.影響表層金屬殘余應力的工藝因素