机械制造与自动化专业毕业论文影响机械加工表面质量的因素及采取的措施.docx
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机械制造与自动化专业毕业论文影响机械加工表面质量的因素及采取的措施
题目：
影响机械加工表面质量的因素及采取的措施
摘要：
机械产品的使用性能的提高和使用寿命的增加与组成产品的零件加工质量密切相关，零件的加工质量是保证产品质量基础。
衡量零件加工质量好坏的主要指标有：
加工精度和表面粗糙度。
本文主要通过对影响零件表面粗糙度的因素、零件表面层的物理力学性能（表面冷作硬化、残余应力、金相组织的变化与磨削烧伤）、表面质量影响零件使用性能等因素的分析和研究，来提高机械加工表面质量的工艺措施。
关键词：
机械加工表面质量影响因素控制措施
目录
前言.......................................................................1
1.概述......................................................................1
1.1基本概念..............................................................1
1.1.1机械加工............................................................1
1.1.2零件的失效..........................................................1
1.1.3磨削烧伤............................................................1
1.1.4表面冷作硬化........................................................2
2.影响工件表面质量的因素....................................................2
2.1加工过程对表面质量的影响................................................2
2．1．1工艺系统的振动对工件表面质量的影响.................................2
2．1．2刀具几何参数、材料和刃磨质量对表面质量的影.........................2
2.1.3切削液对表面质量的影响.............................................2
2.1.4工件材料对表面质量的影响...........................................2
2.1.5切削条件对工件表面质量的影响......................................3
2.1.6切削速度对表面粗糙度的影响.........................................3
2.1.7.磨削加工影响表面质量的素.........................................3
2.1.8影响工件表面物理机械性能的素......................................4
2.2使用过程中影响表面质量的因素.........................................6
2.2.1耐磨性对表面质量的影响.............................................6
2．2.2疲劳强度对表面质量的响............................................6
2．2.3耐蚀性对表面质量的响...............................................6
3．机械加工表面质量对零件使用性能的影响......................................7
3.1表面质量对零件耐磨性的影响...........................................7
3.2表面质量对零件疲劳强度的影响.........................................7
3.3表面质量对零件耐腐蚀性能的影响.......................................8
3.4表面质量对零件间配合性质的影响.......................................8
3.5表面质量对零件其他性能的影响.........................................8
4．控制表面质量的途径.......................................................8
4.1降低表面粗糙度的加工方法.............................................8
4.2改善表面物理力学性能的加工方法......................................11
5．提高机械加工工件表面质量的措施..........................................12
6．结论....................................................................13
7．致谢.....................................................................14
8．参考文献................................................................15
前言
随着工业技术的飞速发展机械化生产以走进各大小企业，与之息息相关的就是各式各样的机器。
而机器是由机械零件装配而成,机器的失效是由个别零件的失效而造成的,其根本原因是零件丧失了其应具备的使用性能。
而通过研究与生产实践证明,零件的失效大都从表面开始,零件表面质量的高低是决定其使用性能好坏的重要因素。
因此,正确地理解零件表面质量内涵,分析机械加工过程中影响加工表面质量的各种工艺因素,通过改变这些因素从而改善工件表面质量，提高产品的使用性能及对未来机械行业的发展具有重要的意义。
随着机械行业在社会中占得地位越来越重，人们对机器的使用要求越来越高，一些重要零件在高压力、高速、高温等高要求条件下工作，零件表面的任何缺陷,不仅直接影响零件的工作性能,而且还可能引起应力集中、应力腐蚀等现象将进一步加速零件的失效,这一切都与加工表面质量有很大关系。
一个零件的失效或者突然间损坏，其原因除了少数因设计不周而强度不够，或者是由于偶然的事故引起超负荷而造成了失效或损坏以外，大多数都是由于磨损、受到外界环境的腐蚀或疲劳破坏。
磨损、腐蚀和疲劳损坏都是发生在零件的表面,或是从零件表面开始的。
因此,加工表面质量将直接影响到零件的使用性能，因而表面质量问题越来越受到各方面的重视。
1.概述
1.1基本概念
1.1.1机械加工
机械加工：
广意的机械加工就是凡能用机械手段制造产品的过程；狭意的是用车床、铣床、钻床、磨床、冲压机、压铸机机等专用机械设备制作零件的过程。
1.1.2零件的失效
零件的失效:
指零件丧失了原有的使用性能。
1.1.3磨削烧伤
磨削烧伤:
在磨削加工中，由于多数磨粒为负前角切削，磨削温度很高，产生的热量远远高于切削时的热量，而且磨削热有60~80%传给工件，所以极容易出现金相组织的转变，使得表面层金属的硬度和强度下降，产生残余应力甚至引起显微裂纹，这种现象称为磨削烧伤。
1.1.4表面冷作硬化
冷作硬化：
通过冷加工而是零件表面产生的表面应力，使零件的表面比加工前的表面硬度耐磨性等有所提高。
2．影响工件表面质量的因素
2.1加工过程对表面质量的影响
2.1.1工艺系统的振动对工件表面质量的影响
在机械加工过程中工艺系统有时会发生振动，即在刀具的切削刃与工件上正在切削的表面之间除了名义上的切削运动之外，还会出现一种周期性的相对运动。
振动使工艺系统的各种成形运动受到干扰和破坏，使加工表面出现振纹，增大表面粗糙度值，恶化加工表面质量。
2.1.2刀具几何参数、材料和刃磨质量对表面质量的影响
刀具的几何参数中对表面粗糙度影响最大主要是副偏角、主偏角、刀尖圆弧半径。
在一定的条件下，减小副偏角、主偏角、刀尖圆弧半径都可以降低表面粗糙度。
在同样条件下，硬质合金刀具加工的表面粗糙度值低于高速钢刀具，而金刚石、立方氮化硼刀具又优于硬质合金，但由于金刚石与铁族材料亲和力大，故不宜用来加工铁族材料。
另外，刀具的前、后刀面、切削刃本身的粗糙度直接影响加工表面的粗糙度，因此，提高刀具的刃磨质量，使刀具前后刀面、切削刃的粗糙度值应低于工件的粗糙度值的1~2级。
2.1.3切削液对表面质量的影响
切削液的冷却和润滑作用能减小切削过程中的界面摩擦，降低切削区温度，使切削层金属表面的塑性变形程度下降，抑制积屑瘤和鳞刺的产生，在生产中对于不同材料合理选用切削液可大大减小工件表面粗糙度。
2.1.4工件材料对表面质量的影响
工件材料的性质；加工塑性材料时，由刀具对金属的挤压产生了塑性变形，加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。
工件材料韧性越好，金属的塑性变形越大，加工表面就愈越粗糙。
加工脆性材料时其切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点使表面粗糙。
一般韧性较大的塑性材料，加工后表面粗糙度较大，而韧性较小的塑性材料，加工后易得到较小的表面粗糙度。
对于同种材料，其晶粒组织越大，加工表面粗糙度越大。
因此，为了减小加工表面粗糙度，常在切削加工前对材料进行调质或正火处理，以获得均匀细密的晶粒组织和较高的硬度。
2.1.5切削条件对工件表面质量的影响
与切削条件有关的工艺因素，包括切削用量、冷却润滑情况。
中、低速加工塑性材料时，容易产生积屑瘤和鳞刺，所以，提高切削速度，可以减少积屑瘤和鳞刺，减小零件已加工表面粗糙度值；对于脆性材料，一般不会形成积屑瘤和鳞刺，所以，切削速度对表面粗糙度基本上无影响。
进给速度增大，塑性变形也增大，表面粗糙度值增大，所以，减小进给速度可以减小表面粗糙度值，但是，进给量减小到一定值时，粗糙度值不会明显下降。
正常切削条件下，切削深度对表面粗糙度影响不大，因此，机械加工时不能选用过小的切削深度。
2.1.6切削速度对表面粗糙度的影响
一般在粗加工选用低速车削，精加工选用高速车削可以减小表面粗糙度。
在中速切削塑性材料时，由于容易产生积屑瘤，且塑性变形较大，因此加工后零件表面粗糙度较大。
通常采用低速或高速切削塑性材料，可有效地避免积屑瘤的产生，这对减小表而粗糙度有积极作用。
2.1.7磨削加工对表面质量的影响
⑴砂轮的影响砂轮的粒度越细，单位面积上的磨粒数越多，在磨削表面的刻痕越细，表面粗糙度越小；但若粒度太细，加工时砂轮易被堵塞反而会使表面粗糙度增大，还容易产生波纹和引起烧伤。
砂轮的硬度应大小合适，其半钝化期愈长愈好；砂轮的硬度太高，磨削时磨粒不易脱落，使加工表面受到的摩擦、挤压作用加剧，从而增加了塑性变形，使得表面粗糙度增大，还易引起烧伤；但砂轮太软，磨粒太易脱落，会使磨削作用减弱，导致表面粗糙度增加，所以要选择合适的砂轮硬度。
砂轮的修整质量越高，砂轮表面的切削微刃数越多、各切削微刃的等高性越好，磨削表面的粗糙度越小。
⑵磨削用量的影响增大砂轮速度，单位时间内通过加工表面的磨粒数增多，每颗磨粒磨去的金属厚度减少，工件表面的残留面积减少；同时提高砂轮速度还能减少工件材料的塑性变形，这些都可使加工表面的表面粗糙度值降低。
降低工件速度，单位时间内通过加工表面的磨粒数增多，表面粗糙度值减小；但工件速度太低，工件与砂轮的接触时间长，传到工件上的热量增多，反面会增大粗糙度，还可能增加表面烧伤。
增大磨削深度和纵向进给量，工件的塑性变形增大，会导致表面粗糙度值增大。
径向进给量增加，磨削过程中磨削力和磨削温度都会增加，磨削表面塑性变形程度增大，从而会增大表面粗糙度值。
为在保证加工质量的前提下提高磨削效率，可将要求较高的表面的粗磨和精磨分开进行，粗磨时采用较大的径向进给量，精磨时采用较小的径向进给量，最后进行无进给磨削，以获得表面粗糙度值很小的表面。
⑶工件材料工件材料的硬度、塑性、导热性等对表面粗糙度的影响较大。
塑性大的软材料容易堵塞砂轮，导热性差的耐热合金容易使磨料早期崩落，都会导致磨削表面粗糙度增大。
另外，由于磨削温度高，合理使用切削液既可以降低磨削区的温度，减少烧伤，还可以冲去脱落的磨粒和切屑，避免划伤工件，从而降低表面粗糙度值。
2.1.8影响工件表面物理机械性能的因素
1.表面层冷作硬化。
切削刃钝圆半径增大,对表层金属的挤压作用增强,塑性变形加剧,导致冷硬增强。
刀具后刀面磨损增大,后刀面与被加工表面的摩擦加剧,塑性变形增大,导致冷硬增强。
切削速度增大,刀具与工件的作用时间缩短,使塑性变形扩展深度减小,冷硬层深度减小。
切削速度增大后,切削热在工件表面层上的作用时间也缩短了,将使冷硬程度增加。
进给量增大,切削力也增大,表层金属的塑性变形加剧,冷硬作用加强。
工件材料的塑性愈大,冷硬现象就愈严重。
2.表面层材料金相组织变化。
当切削热使被加工表面的温度超过相变温度后,表层金属的金相组织将会发生变化。
（1）磨削烧伤当被磨工件表面层温度达到相变温度以上时,表层金属发生金相组织的变化,使表层金属强度和硬度降低,并伴有残余应力产生甚至出现微观裂纹,这种现象称为磨削烧伤。
（2）改善磨削烧伤的途径磨削热是造成磨削烧伤的根源,故改善磨削烧伤由两个途径:
一是尽可能地减少磨削热的产生;二是改善冷却条件,尽量使产生的热量少传入工件。
正确选择砂轮合理选择切削用量改善冷却条件。
3.表面层残余应力。
（1）产生残余应力的原因:
①切削时在加工表面金属层内有塑性变形发生,使表面金属的比容加大;②切削加工中,切削区会有大量的切削热产生;③不同金相组织具有不同的密度,亦具有不同的比容的变化必然要受到与相连的基体金属的阻碍,因而就有残余应力产生。
（2）工件主要工作表面最终工序加工方法的选择。
选择零件主要工作表面最终工序加工方法,须考虑该零件主要工作表面的具体工作条件和可能的损坏形式。
在交变载荷作用下,机器零件表面上的局部微观裂纹,会因拉应力的作用使原生裂纹扩大,最后导致零件断裂。
从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑,该表面最终工序应选择能在该表面产生残余压应力的加工方法。
在切削加工过程中，刀具对工件的挤压和摩擦使金属材料发生塑性变形，引起原有的残留面积扭曲或沟纹加深，增大表面粗糙度。
当采用中等或中等偏低的切削速度切削塑性材料时，在前刀面上容易形成硬度很高的积屑瘤，它可以代替刀具进行切削，但状态极不稳定，积屑瘤生成、长大和脱落将严重影响加工表面的表面粗糙度值。
另外，在切削过程中由于切屑和前刀面的强烈摩擦作用以及撕裂现象，还可能在加工表面上产生鳞刺，使加工表面的粗糙度增加。
4磨削表面层金相组织变化——磨削烧伤
1．磨削表面层金相组织变化与磨削烧伤
机械加工过程中产生的切削热会使得工件的加工表面产生剧烈的温升，当温度超过工件材料金相组织变化的临界温度时，将发生金相组织转变。
在磨削加工中，由于多数磨粒为负前角切削，磨削温度很高，产生的热量远远高于切削时的热量，而且磨削热有60~80%传给工件，所以极容易出现金相组织的转变，使得表面层金属的硬度和强度下降，产生残余应力甚至引起显微裂纹，这种现象称为磨削烧伤。
产生磨削烧伤时，加工表面常会出现黄、褐、紫、青等烧伤色，这是磨削表面在瞬时高温下的氧化下膜颜色。
不同的烧伤色，表明工件表面受到的烧伤程度不同。
磨削淬火钢时，工件表面层由于受到瞬时高温的作用，将可能产生以下三种金相组织变化：
1）如果磨削表面层温度未超过相变温度，但超过了马氏体的转变温度，这时马氏体将转变成为硬度较低的回火索氏体或索氏体，这叫回火烧伤。
2）如果磨削表面层温度超过相变温度，则马氏体转变为奥氏体，这时若无切削液，则磨削表面硬度急剧下降，表层被退火，这种现象称为退火烧伤。
干磨时很容易产生这种现象。
3）如果磨削表面层温度超过相变温度，但有充分的切削液对其进行冷却，则磨削表面层将急冷形成二次淬火马氏体，硬度比回火马氏体高，不过该表面层很薄，只有几微米厚，其下为硬度较低的回火索氏体和索氏体，使表面层总的硬度仍然降低，称为淬火烧伤。
2．磨削烧伤的改善措施
影响磨削烧伤的因素主要是磨削用量、砂轮、工件材料和冷却条件。
由于磨削热是造成磨削烧伤的根本原因，因此要避免磨削烧伤，就应尽可能减少磨削时产生的热量及尽量减少传入工件的热量。
具体可采用下列措施：
1）合理选择磨削用量不能采用太大的磨削深度，因为当磨削深度增加时，工件的塑性变形会随之增加，工件表面及里层的温度都将升高，烧伤亦会增加；工件速度增加，磨削区表面温度会增高，但由于热作用时间减少，因而可减轻烧伤。
2）工件材料工件材料对磨削区温度的影响主要取决于它的硬度、强度、韧性和热导率。
工件材料硬度、强度越高，韧性越大，磨削时耗功越多，产生的热量越多，越易产生烧伤；导热性较差的材料，在磨削时也容易出现烧伤。
3）砂轮的选择硬度太高的砂轮，钝化后的磨粒不易脱落，容易产生烧伤，因此用软砂轮较好；选用粗粒度砂轮磨削，砂轮不易被磨削堵塞，可减少烧伤；结合剂对磨削烧伤也有很大影响，树脂结合剂比陶瓷结合剂容易产生烧伤，橡胶结合剂比树脂结合剂更易产生烧伤。
4）冷却条件为降低磨削区的温度，在磨削时广泛采用切削液冷却。
为了使切削液能喷注到工件表面上，通常增加切削液的流量和压力并采用特殊喷嘴，并在砂轮上安装带有空气挡板的切削液喷嘴，这样既可加强冷却作用，又能减轻高速旋转砂轮表面的高压附着作用，使切削液顺利地喷注到磨削区。
此外，还可采用多孔砂轮、内冷却砂轮和浸油砂轮，切削液被引入砂轮的中心腔内，由于离心力的作用，切削液再经过砂轮内部的孔隙从砂轮四周的边缘甩出，这样切削液即可直接进入磨削区，发挥有效的冷却作用。
2.2使用过程中影响表面质量的因素
2.2.1耐磨性对表面质量的影响
每个刚加工好的摩檫副的两个接触表面之间,最初阶段在表面粗糙的峰部触,实际接触面积远小于理论接触面积,在相互接触的部有非常大的单位应力,使实际接触面积处产生塑性变形、弹性变形和峰部之间的剪切破坏,引起严重磨损。
2.2.2疲劳强度对表面质量的影响
在交变载荷作用,表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中产生疲劳纹。
表面粗糙度值愈大,表面的纹痕愈深,纹底半径愈小,抗疲劳破坏的能力就愈差。
2.2.3耐蚀性对表面质量的影响
零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。
表面粗糙度值愈大,则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多。
抗蚀性就愈差。
表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂,降低零件的耐磨性,而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。
3．机械加工表面质量对零件使用性能的影响
在机械加工中，零件的加工表面产生微观不平、残余应力等各种缺陷，虽然仅存于零件极薄的表面层中，却严重影响着机械零件的精度、耐磨性、配合性、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而进一步影响机械的使用性能和使用寿命。
3.1表面质量对零件耐磨性的影响
零件的耐磨性是零件的一项重要性能指标，当摩擦副的材料、润滑条件和加工精度确定之后，零件的表面质量对耐磨性将起着关键性的作用。
由于零件表面存在着表面粗糙度，当两个零件的表面开始接触时，接触部分集中在其波峰的顶部，因此实际接触面积远远小于名义接触面积，并且表面粗糙度越大，实际接触面积越小。
在外力作用下，波峰接触部分将产生很大的压应力。
当两个零件作相对运动时，开始阶段由于接触面积小、压应力大，在接触处的波峰会产生较大的弹性变形、塑性变形及剪切变形，波峰很快被磨平，即使有润滑油存在，也会因为接触点处压应力过大，油膜被破坏而形成干摩擦，导致零件接触表面的磨损加剧。
当然，并非表面粗糙度越小越好，如果表面粗糙度过小，接触表面间储存润滑油的能力变差，接触表面容易发生分子胶合、咬焊，同样也会造成磨损加剧。
表面层的冷作硬化可使表面层的硬度提高，增强表面层的接触刚度，从而降低接触处的弹性、塑性变形，使耐磨性有所提高。
但如果硬化程度过大，表面层金属组织会变脆，出现微观裂纹，甚至会使金属表面组织剥落而加剧零件的磨损。
3.2表面质量对零件疲劳强度的影响
表面粗糙度对承受交变载荷的零件的疲劳强度影响很大。
在交变载荷作用下，表面粗糙度波谷处容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。
并且表面粗糙度越大，表面划痕越深，其抗疲劳破坏能力越差。
表面层残余压应力对零件的疲劳强度影响也很大。
当表面层存在残余压应力时，能延缓疲劳裂纹的产生、扩展，提高零件的疲劳强度；当表面层存在残余拉应力时，零件则容易引起晶间破坏，产生表面裂纹而降低其疲劳强度。
表面层的加工硬化对零件的疲劳强度也有影响。
适度的加工硬化能阻止已有裂纹的扩展和新裂纹的产生，提高零件的疲劳强度；但加工硬化过于严重会使零件表面组织变脆，容易出现裂纹，从而使疲劳强度降低。
3.3表面质量对零件耐腐蚀性能的影响
表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响很大。
零件表面粗糙度越大，在波谷处越容易积聚腐蚀性介质而使零件发生化学腐蚀和电化学腐蚀。
表面层残余压应力对零件的耐腐蚀性能也有影响。
残余压应力使表面组织致密，腐蚀性介质不易侵入，有助于提高表面的耐腐蚀能力；残余拉应力的对零件耐腐蚀性能的影响则相反。
3.4表面质量对零件间配合性质的影响
相配零件间的配合性质是由过盈量或间隙量来决定的。
在间隙配合中，如果零件配合表面的粗糙度大，则由于磨损迅速使得配合间隙增大，从而降低了配合质量，影响了配合的稳定性；在过盈配合中，如果表面粗糙度大，则装配时表面波峰被挤平，使得实际有效过盈量减少，降低了配合件的联接强度，影响了配合的可靠性。
因此，对有配合要求的表面应规定较小的表面粗糙度值。
在过盈配合中，如果表面硬化严重，将可能造成表面层金属与内部金属脱落的现象，从而破坏配合性质和配合精度。
表面层残余应力会引起零件变形，使零件的形状、尺寸发生改变，因此它也将影响配合性质和配合精度。
3.5表面质量对零件其他性能的影响
如对间隙密封的液压缸、滑阀来说，减小表面粗糙度Ra可以减少泄漏、提高密封性能；较小的表面粗糙度可使零件具有较高的接触刚度；对于滑动零件，减小表面粗糙度Ra能使摩擦系数降低、运动灵活性增高，减少发热和功率损失；表面层的残余应力会使零件在使用过程中继续变形，失去原有的精度，机器工作性能恶化等。
总之，提高加工表面质量，对于保证零件的使用性能、提高零件的使用寿命是十分重要的。
4．控制表面质量的途径
随着科学技术的发展，对零件的表面质量的要求已越来越高。
为了获得合格零件，保证机器的使用性能，人们一直在研究控制和提高零件表面质量的途径。
提高表面质量的工艺途径大致可以分为两类：
一类是用低效率、高成本的加工方法，寻求各工艺参数的优化组合，以减小表面粗糙度；另一类是着重改善工件表面的物理力学性能，以提高其表面质量。
4.1降低表面粗糙度的加工方法
1．超精密切削和低粗糙度磨削加工
⑴超精密切削加工超精密切削是指表面粗糙度为Ra0.04μm以下的切削加工方法。
超精密切削加工最关键的问题在于要在最后一道工序切削0.1μm的微薄表面层，这就既要求刀具极其锋利，刀具钝圆半径为纳米级尺寸，又要求这样的刀具有足够的耐用度，以维持其锋利。
目前只有金刚石刀具才能达到要求。
超精密切削时，走刀量要小，切削速度要非常高，才能保证工件表面上的残留面积小，从而获得极小的表面粗糙度。
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