机械加工表面质量.docx

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机械加工表面质量

第四章机械加工表面质量

任何机械加工所得到的零件表面．实际上都不是完全理想的表面，实践表明，机械零件的破坏．一般总是从表面层开始的。

这说明零件的表面质量是至关重要的．它对产品的质量有很大影响。

研究加工表面质量的目的，就是要掌握机械加工的各种工艺因素对加工表面质量影响的规律，以便应用这些规律控制加工过程．最终达到提高加工表面质量、提高产品使用性能的目的。

4、1加工表面质量对使用性能的影响

一、加工表面质量的概念

1、表面的几何形状误差

表面粗糙度：

加工表面的微观几何误差，波长与波高比值小于50。

表面波度：

加工表面不平度波长与波高比值在50~1000的几何形状误差

纹理方向：

表面刀纹的方向

伤痕：

加工表面个别位置出现的缺陷

2、表层金属的力学物理性能和化学性能。

表面层金属的冷作硬化

表面层的残余应力

表面层金相组织的变化

二、表面质量对零件使用性能的影响

（一）表面质量对零件耐磨性的影响

1．表面粗糙度对零件耐磨性的影响

1）表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；

2）表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。

因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。

3）表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。

2．表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响

1）加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。

因为它使磨擦副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。

2）并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。

这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“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，使零件加速磨损。

3．表面纹理零件耐磨性的影响

1）表面纹理的形状和刀纹方向对耐磨性也有影响，原因是纹理形状和刀纹方向影响有效接触面积和润滑液的存留，一般，圆狐状、凹坑状表面纹理的耐磨性好，尖峰状的耐磨性差。

2）在运动副中，两相对运动零件的刀纹方向和运动方向相同时，耐磨性较好，两者的刀纹方向和运动方向垂直时，耐磨性最差。

（二）表面质量对零件疲劳强度的影响

1．表面粗糙度对零件疲劳强度的影响

1）表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。

2）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。

3）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，其抗疲劳破坏的能力越差。

2．表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响

1）适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。

2）残余应力有拉应力和压应力之分，残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度

3）残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。

（三）表面质量对零件工作精度的影响

1．表面粗糙度对零件配合精度的影响

表面粗糙度较大，则降低了配合精度。

2．表面残余应力对零件工作精度的影响

表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。

（四）表面质量对零件耐腐蚀性能的影响

1．表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响

零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。

因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。

2．表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响

零件表面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，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。

减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失

4、2影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施

一、切削加工表面粗糙度

（一）几何因素的影响

切削加工后表面粗糙度的值主要取决于切削残留面积的高度，影响残留面积高度的因素有：

刀尖圆弧半径rε，主偏角kr、副偏角kr′，进给量f。

如图4-2所示

直线刃车刀如图4-2（a）所示：

圆弧刃车刀如图4-2（b）所示：

（二）物理因素的影响

1．工件材料的影响

1）韧性材料：

工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。

2）材料金相组织：

对同样的材料，金相组织越粗大，加工表面粗糙度大，故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。

3）脆性材料：

加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。

2．切削速度的影响

1）加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响随切削速度的变化而变化（对积屑瘤和鳞刺的影响）。

2）切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小

3）选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度。

4）切削速度对脆性材料的影响不大。

3．进给量的影响

减小进给量f固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势，效率降低。

4．其它因素的影响

合理使用冷却润滑液，适当增大刀具的前角，提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。

二、磨削加工表面粗糙度

（一）磨削中影响粗糙度的几何因素

工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的刻痕形成的，工件单位面积上通过的砂粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。

1．砂轮的磨粒

磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨粒越细，刃口的等高性越好。

则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越细密均匀，表面粗糙度值就越小。

2．砂轮修整

砂轮修整除了使砂轮具有正确的几何形状外，更重要的是使砂轮工作表面形成排列整齐而又锐利的微刃。

因此，砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大。

3．磨削用量

1）砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多，表面粗糙度值就越小。

2）工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影响相反。

工件的转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，因此表面粗糙度值增大。

3）砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被重叠切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小。

（二）磨削中影响粗糙度的物理因素

磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多数是负前角，切削刃又不锐利，大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压，没有切削作用。

加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起，又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。

1．磨削用量

1）砂轮的转速↑→材料塑性变形↓→Ra↓；

2）磨削深度↑、工件速度↑→塑性变形↑→Ra↑；

3）为提高磨削效率，通常在开始磨削时采用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表面粗糙度值。

2．工件材料

1）太硬易使磨粒磨钝→Ra↑；

2）太软容易堵塞砂轮→Ra↑；

3）韧性太大，热导率差会使磨粒早期崩落→Ra↑。

3．砂轮粒度与硬度

1）磨粒太细，砂轮易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，若导热情况不好，还会烧伤工件表面

2）砂轮太硬，磨粒不易脱落，磨钝后不能及时被新的磨粒代替，使表面粗糙度增大；

3）砂轮选得太软，磨粒易脱落，磨削作用削弱，使表面粗糙度值增大。

4．冷却润滑液

4、3影响表面层力学物理性能的工艺因素及其改进措施

一.加工表面层的冷作硬化

（一）概述：

1．定义

机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化和强化。

2．衡量表面层加工硬化的指标

衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项：

1）表面层的显微硬度HV；

2）硬化层深度h；

3）硬化程度N

N=（HV-HV0）/HV0×100％

式中HV0——工件原表面层的显微硬度。

（二）影响表面冷作硬化的因素

1．切削加工

1）切削用量影响

f↑，切削力↑，塑性变形↑，冷硬程度↑

切削速度影响复杂（力与热综合作用结果）

切削深度影响不大

切削速度v↑→塑变↓→冷硬↓

f↑→切削力↑→塑变↑→冷硬↑

2）刀具几何形状的影响

切削刃钝圆半径rε↑，冷硬程度↑

其他几何参数影响不明显

刀具磨损影响显著（力和热互相作用）

3）工件材料

材料塑性↑，冷硬倾向↑

2．磨削加工（综合考虑切削力的强化和磨削热的弱化作用）

1）工件材料

材料塑性↑→冷硬倾向↑

材料导热性↑→弱化倾向↓→冷硬倾向↑

2）磨削用量

磨削深度↑→冷硬程度↑

磨削速度↑→冷硬程度↓

工件转速↑→冷硬程度↑

纵向进给量影响复杂

3）砂轮

砂轮粒度↑→冷硬程度↓

砂轮硬度、组织影响不显著

二表层金属的金相组织的变化

（一）表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生

切削加工中，由于切削热的作用，在工件的加工区及其邻近区域产生了一定的温升。

产生磨削烧伤现象。

磨削烧伤：

磨削加工时，表面层有很高的温度，当温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组织变化，强度和硬度降低、产生残余应力、甚至出现微观裂纹。

同时出现彩色氧化膜这种现象称为磨削烧伤。

淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的磨削烧伤有三种形式。

（二）磨削烧伤的三种形式

1．淬火烧伤：

磨削时工件表面温度超过相变临界温度（碳钢为720）时，则马氏体转变为奥氏体。

在冷却液作用下，工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织。

其硬度比原来的回火马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体。

由于二次淬火层极薄，表面层总的硬度是降低的，这种现象称为淬火烧伤。

2．回火烧伤

磨削时，如果工件表面层温度只是超过原来的回火温度，则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象而转变为硬度较低的回火组织（索氏体或屈氏体），这种现象称为回火烧伤

3．退火烧伤

磨削时，当工件表面层温度超过相变临界温度（中碳钢为300）时，则马氏体转变为奥氏体。

若此时无冷却液，表层金属空气冷却比较缓慢而形成退火组织。

硬度和强度均大幅度下降。

这种现象称为退火烧伤。

（三）影响磨削烧伤的因素及改善途径

1．砂轮与工件材料

1）磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃口锋利↑→磨削力↓→磨削区的温度↓

2）磨削导热性差的材料（耐热钢、轴承钢、不锈钢）↓→磨削烧伤↑

3）应合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织→磨削烧伤↓

2．磨削用量

1）砂轮转速↑→磨削烧伤↑

2）径向进给量ap↑→磨削烧伤↑

3） 轴向进给量fa↑→磨削烧伤↓

4）工件速度vw↑→磨削烧伤↓

3．改善冷却条件

采用内冷却法→磨削烧伤↓

4．采用开槽砂轮

间断磨削→受热↓→磨削烧伤↓

能将冷却液直接带入磨削区，还能起扇风作用，改善散热条件

二表层金属的残余应力

机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力。

这种应力即为表面层的残余应力。

（一）表面层金属产生残余应力的原因

1．冷态塑性变形

工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑性变形，基体仍处于弹性变形状态。

切削后，表层产生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力。

2．热态塑性变形

表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力，如图4-3所示。

工件表面在切削热的作用下，产生热膨胀，此时基体温度较低，因此表面层热膨胀受集体的限制产生压应力，当表面曾的温度超过材料的弹性变形范围时，会产生热塑性变形，当切削结束，温度下降到与基体温度一致时，因为表面曾已产生热塑性变形，但受基体的限制产生了残余拉应力，里层产生压应力。

3．表面层金相组织变化

比容大的组织→比容小的组织→体积收缩，产生拉应力，反之，产生压应力。

（密度小，比容大）

回火烧伤：

马氏体→托氏体（或索氏体），密度增大，比容减小，表层金属产生残余拉应力，里层产生残余压应力。

淬火烧伤：

马氏体→二次淬火的马氏体，密度减小，比容增大，表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力。

退火烧伤

磨削时，当工件表面层温度超过相变临界温度（中碳钢为300）时，则马氏体转变为奥氏体。

若此时无冷却液，表层金属空气冷却比较缓慢而形成退火组织。

硬度和强度均大幅度下降。

这种现象称为退火烧伤。

（二）影响车削表面残余应力的主要因素

机械加工后工件表面层的残余应力是冷态塑性变形、热态塑性变形和金相组织变化的综合结果。

切削加工时起主要作用的往往是冷态塑性变形，表面层常产生残余压缩应力。

磨削加工时起主要作用的通常是热态塑性变形或金相组织变化引起的体积变化，表面层常产生残余拉伸应力。

1．切削用量

1）切削速度v↑→残余拉应力↑（45#钢，热应力起主导作用，其他低碳钢材料有所不同）

2）f↑→塑性变形和切削热↑→残余压应力↑

切削深度影响不显著

2．刀具

1）前角+→－，残余拉应力↓用很大负前角时，会产生残余压应力，采用正前角刀具，产生残余拉应力。

2）刀具磨损↑→残余压应力↑

3．工件材料

材料塑性↑→残余压应力↑

（三）影响磨削表面残余应力的主要因素

磨削加工中，热变形和塑性变形对磨削表面的残余应力影响很大，若热因素起主导作用，工件表面产生残余拉应力，若塑性变形起主导作用，工件表面将产生残余压应力，若工件出现淬火烧伤时，此时，金相组织的变化起主导作用，工件表面产生残余压应力。

精细磨削时，塑性变形起主导作用，工件表面产生残余压应力。

1．磨削用量

1）磨削深度ap：

以铸铁为例，深度小时，塑性变形起主导作用，表面产生残余压应力，深度增大时，热因素起主导地位。

表层金属产生残余拉应力。

当深度很大时，由于不会产生淬火现象，塑性变形有起主导作用，表面又产生残余压应力。

2）砂轮速度↑：

热因素起主导作用，表面产生残余拉应力。

3）工件速度和进给量↑：

砂轮和工件热作用时间缩短，塑性变形起主导作用，表面产生残余压应力。

2．工件材料

工件材料强度越高，导热性越差，塑性越低，磨削时易产生残余拉应力。

（四）工件最终加工工序加工方法的选择

工件表面的残余应力将直接影响机器零件的使用性能，一般工件表面残余应力的数值和性质主要取决于工件最终加工工序的加工方法。

如何选择工件最终工序的加工方法，要考虑该零件的具体工作条件及零件可能产生的破坏形式。

零件在交变载荷的作用时，最终工序选择能产生压应力的加工方法

两相对滑动的零件，从提高零件抵抗滑动摩擦引起的磨损考虑，最终工序应选择产生拉应力的加工方法

两相对滚动的零件，从提高零件抵抗滚动摩擦引起的磨损考虑，最终工序应选择能在表面层下h深处产生压应力的加工方法。

四、表面强化工艺

表面强化工艺是指通过冷压加工方法使表面层金属发生冷态塑性变形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面层产生残余压应力的表面强化工艺。

常见的冷压加工方法有：

喷丸强化，滚压加工等，

1、喷丸强化

1）利用大量快速运动珠丸打击工件表面,使工件表面产生冷硬层和压应力,疲劳强度↑

2）用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，例如板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等

3）珠丸可以是铸铁的，也可以是切成小段的钢丝（使用一段时间后，自然变成球状）。

对于铝质工件，为避免表面残留铁质微粒而引起电解腐蚀，宜采用铝丸或玻璃丸。

珠丸的直径一般为0.2~4mm，对于尺寸较小、表面粗糙度值较小的工件，采用直径较小的珠丸。

2、滚压加工

1）利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态挤压金属表面，将凸起部分下压下，凹下部分上凸，修正工件表面的微观几何形状,形成压缩残余应力，提高耐疲劳强度。

2）滚压加工可以加工外圆、孔、平面及成型表面，通常在普通车床、转塔车床或自动车床上进行