《机制工艺》ppt课件

1、第八章 机械加工表面质量,一台机器在正常的使用过程中，其零件的工作性能会逐渐变坏，甚至出现突然损坏而失效。究其原因往往不是因为强度不够或刚度不足，大多数是由于磨损、腐蚀或疲劳破坏所致。而磨损、腐蚀和疲劳破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工作性能，尤其是它的可靠性和使用寿命。因此，表面质量问题越来越受到各方面的重视。,第一节 机械加工表面质量概述,一、表面质量的含义 任何机械加工所得的表面，实际上不可能是理想的光滑表面，总是存在一定的微观几何形状偏差。表面层材料在加工时受切削力、切削热等的影响，也会使原有的物理机械性能发生变化。因此，所谓机械加工表面质量就是指表面几何形状和物理机械性能这两方面。,第八章 机械加工表面质量,1. 表面层的几何形状 加工后的表面几何形状总是以“峰”、“谷”交替出现的形式偏离其理想的光滑表面的，如图所示。其偏差又有宏观、微观之分，一般以波距（峰与峰或谷与谷间的距离）L和波高（峰、谷间的高度）H的比值加以区别。LH1000时属于宏观几何形状偏差，即形状误差，属于加工精度的研究范畴。LH40属于微观几何形状偏差，称

2、为表面粗糙度。LH401000，则称为表面波度。表面粗糙度和表面波度都属于加工表面质量范畴。 （1）表面粗糙度 它是指加工表面的微观几何形状误差，国家标准规定：表面粗糙度用在一定长度内（称为基本长度）轮廓的算术平均偏差值Ra或轮廓最大高度Rz作为评定指标。 （2）表面波纹度 它是介于宏观几何形状与微观几何形状误差（粗糙度）之间的周期性几何形状误差。表面波度通常是由于加工过程中工艺系统的低频振动造成的。,第八章 机械加工表面质量,2. 表面层的物理机械性能 表面层的材料在加工时会产生物理、机械和化学性质的变化，上图所示为加工表面层沿深度的变化。在最外层生成氧化膜或其他化合物，并吸收、渗进了气体粒子，故称为吸附层。在加工过程中由切削力造成的表面塑性变形区称为压缩区，厚度约在几十至几百微米内，随加工方法的不同而变化。其上部为纤维层，它由被加工材料与刀具间的摩擦力造成。另外切削热也会使表面层产生各种变化，如使材料产生相变以及晶粒大小发生变化等。所以表面层的物理机械性能不同于基体，它包括如下三方面。 （1）表面层的冷作硬化 工件在机械加工过程中，表面层金属产生了强烈的塑性变形，使表面层的强度和硬

3、度都高于加工前，这种现象称为表面冷作硬化。 （2）表面层的残余应力 在切削或磨削加工过程中，由于切削变形和切削热的影响，加工表面层会产生残余应力。 （3）表面层的金相组织变化 机械加工特别是磨削加工中，工件表面在切削热产生的高温的作用下，常会发生不同程度的金相组织的变化。,第八章 机械加工表面质量,第八章 机械加工表面质量,二、表面质量对零件使用性能的影响 1. 对零件耐磨性的影响 表面越粗糙，配合表面间的实际有效接触面积越小，单位面积压力增大，表面易磨损。但过于光滑的表面却不利于润滑油的贮存，还会增加两表面的分子吸附作用，磨损也会加剧。 零件的磨损过程与刀具磨损相类似，也分成三个阶段，即初期磨损阶段（跑合阶段）、正常磨损阶段和急剧磨损阶段。表面粗糙度对初期磨损量有直接的影响，在一定载荷情况下，摩擦副表面有一最佳粗糙度，过大或过小的粗糙度会使初期磨损量增大，使总的耐磨时间缩短，如下图所示。 另外，表面粗糙度对耐磨性的影响，还与粗糙度的轮廓形状和加工纹路方向有关，如下图所示。 表面层的冷作硬化可提高零件的耐磨性，但硬化过度，则由于表面层与基体金属的硬度相差过大，造成表面层金属的剥落，使磨

4、损加剧。当表面层金属的金相组织发生变化时，其物理机械性能也会发生相应的变化，从而影响零件的耐磨性。,第八章 机械加工表面质量,2. 对零件疲劳强度的影响 在交变载荷作用下，零件上的应力集中区最容易产生和发展成疲劳裂纹，导致疲劳损坏。由于表面粗糙度的谷部在交变载荷作用下容易形成应力集中，因此表面粗糙度对零件疲劳强度有较大的影响。表面粗糙度大（特别是在零件上应力集中区的粗糙度大）将大大降低零件的疲劳强度。下图为表面粗糙度对疲劳强度的影响。 对于不同的材料，表面粗糙度对疲劳强度的影响程度也不同，这是因为不同的材料对应力集中的敏感程度不同。 适当的硬作硬化可提高零件的疲劳强度，但硬化过度，则容易在零件表面产生微裂纹，造成疲劳扩展，反而降低疲劳强度。 表面层的残余应力状态对疲劳强度影响很大。当表面残余应力为压应力时，可延缓疲劳裂纹扩展。而残余应力为拉应力时，零件的疲劳强度降低。所以，在机械加工中常采用滚压、挤压或表面喷丸等表面加工方法来提高零件的疲劳强度。,第八章 机械加工表面质量,疲劳断裂的轧辊,失效原因: 表面有明显车削刀痕经交变应力作用疲劳断裂.,第八章 机械加工表面质量,3. 对零件耐腐

5、蚀性能的影响 零件的表面粗糙度对耐腐蚀性也有影响，当零件在潮湿的空气中或在腐蚀性介质中工作时。会发生化学腐蚀或电化学腐蚀。由于粗糙表面的凹谷处容易积聚腐蚀性介质而发生化学腐蚀，或在两种材料表面粗糙度的凸峰间容易产生电化学作用而引起电化学腐蚀。腐蚀过程会从波谷底部向材料深处扩展。所以。减少表面粗糙度可以提高零件的耐腐蚀性。 4. 对零件配合性质的影响 在间隙配合中，如果配合表面粗糙度较大，则在初期磨损阶段磨损量就大，造成零件的尺寸发生变化，使配合间隙增大，改变了配合性质。在过盈配合中，如果配合表面粗糙，则装配后表面的波峰产生塑性变形，从而使有效过盈量减小，减弱了过盈配合的结合强度。因此，在设计零件时，对于配合精度要求高的零件应该规定较小的表面粗糙度。 5. 对零件接触刚度的影响 表面粗糙度对零件的接触刚度有很大的影响，表面粗糙度越小，则接触刚度越高。 另外，表面粗糙度对零件间的密封性和摩擦系数也有很大的影响，粗糙度小则密封性好，摩擦系数小；反之则密封性差，摩擦系数大。,第二节 机械加工后的表面粗糙度,一、切削加工后的表面粗糙度 切削加工后工件表面粗糙度产生的因素主要有三方面，即：几何因素

6、、物理因素和加工中工艺系统的振动。 1. 几何因素 切削加工中由于进给运动的存在，在被加工表面上不可避免地要留下未曾切削的残留面积，如图所示。该残余面积中峰谷间的高度差H越大，所获得的表面将越粗糙。刀具给定后，高度差H理论上可通过计算求得。当不考虑刀具圆弧时（用尖刀时）：,用刀尖圆弧半径为re 的 刀 具 时 ：,第八章 机械加工表面质量,第八章 机械加工表面质量,第八章 机械加工表面质量,2. 物理因素 切削加工后工件表面的实际粗糙度往往比上述理论粗糙度大得多，如图所示。这是因为在切削力、切削热作用下，切削加工中伴随着诸如挤压、摩擦、弹塑性变形等多种物理现象，在这些物理因素的作用下会使表面粗糙度恶化。 （1）工件材料性质的影响 加工碳素钢等塑性材料时，加工表面会发生弹塑性变形。塑性变形会使残留面积变形或使沟纹加深，将塑性变形的痕迹残留在已加工表面上，使粗糙度加剧。加工如铸铁一类的脆性材料时，一般产生崩碎状切屑，在加工表面上出现微粒崩碎的痕迹，使已加工表面呈麻点状的不光洁现象。 （2）积屑瘤的影响 用一定的切削速度加工塑性材料时，常会在刀尖处形成积屑瘤。切削过程中积屑瘤在受到振动、冲击

7、时会发生断裂脱落现象，使粗糙度加大。 （3）摩擦力的影响 切削加工中，刀具刀尖圆角及后刀面将和被加工表面发生强烈摩擦，使工件表面产生塑性变形而增加粗糙度。所以，在切削加工中常使用切削液来改善摩擦状况，降低表面粗糙度。,3. 工艺系统的振动 工艺系统一旦发生振动，加工表面出现振纹，于是粗糙度将明显加大。 二、磨削加工后的表面粗糙度 磨削过程可看作是极多刀齿的铣刀实行特高速铣削。砂轮圆周突出而尖锐的砂粒对工件起着切削作用。较钝的砂粒由于切削深度浅就只能在工件上刻划出痕迹来，这就是砂粒的刻划作用。因此磨削过程与切削加工过程有共性，也有特殊性。影响磨削表面粗糙度的因素主要有以下三个方面。 砂粒刻划而造成的残留面积 砂粒的刻划作用比一般切削加工复杂。在工件的一小块表面上经历许多次砂粒的切削和刻划，所以残留面积就与砂轮的粒度、弹性、砂轮的修整、砂粒的崩落、磨钝、磨粒的切削厚度等有关。 金属表而的塑性变形 磨削时工件表面局部温度很高，表层可能软化甚至微熔，使粗糙度参数值增大。甚至还能造成友层烧伤、微裂和金属组织的破坏。 工艺系统的振动 对磨削表面粗糙度来说，振动是主要影响因素。振动产生的原因如砂轮不

8、平衡、主轴的振摆、工作台的爬行等；砂轮的钝化和糊塞所引起的较大摩擦力，也会激发起自激振动。,第八章 机械加工表面质量,第八章 机械加工表面质量,第三节 机械加工后表面层物理机械性能,一、机械加工后表面层的冷作硬化 加工表面的硬化现象是指，加工表面经切削加工后表面层出现的强度和硬度都有所提高的现象。 1. 加工硬化产生的原因 机械加工中在切削力、摩擦力、挤压力的作用下，切削表面的一层材料会产生一定程度的塑性变形。材料发生塑性变形时，材料原本排列整齐的晶格将发生剪切、滑移、拉长、扭曲、破碎等现象。这些现象的产生增加了晶格进一步变形的抗力。这就使得材料在塑性变形后，欲使其进一步变形就显得更加固难，于是宏观上就表现为硬度强度的增加，使加工表面出现强化现象。由此可见，塑性变形是产生冷作硬化的根本原因。事实上，硬度越小塑性越大的材料（如低碳钢）切削后的冷硬现象越严重。 由于切削条件不同，在切削加工时表面层的加工硬化可能有以下两种情况。,第八章 机械加工表面质量,（1）完全强化 材料的晶格发生剪切、滑移、拉长、扭曲和破碎现象，同时出现纤维化组织结构，在宏观上表现为材料的硬度和强度明显增加。 （2）不

9、完全强化 冷硬层中已发生剪切、滑移、扭曲、破碎的晶格是不稳定的，在热作用下原子活动力增强。一般，材料的温度达到（0.250.3）T熔（材料的熔点）时，金相织织会发生回复、再结晶现象，即随着新晶核的产生、成长，会使原已排列杂乱无章的晶格重新变为排列整齐的晶格，材料的理性有所恢复，变形抗力有所减小，从而削弱了冷硬层的强度和硬度。切削加工中伴有切削热，当工件表面的温升足够高时，就会产生这种金相组织的回复、再结晶现象。当温度超过0.4 T熔时，则可产生完全的再结晶，表面层物理机械性能几乎可以完全恢复。 切削加工中，往往伴随着上述两种对立的过程。一次具体的切削加工后，工件表面的强化程度是这两种对立过程综合作用的结果。当材料塑性好、切削热少、导热好的情况下，工件表面强化现象较显著。或者说，凡是使塑性变形增加、切削热减少以及热作用时间短的因素都会使加工表面强化现象加剧。,第八章 机械加工表面质量,2. 影响冷作硬化的主要因素 影响冷作硬化的主要因素有刀具、切削用量和被加工材料。 刀具 刀具刀尖圆弧半径和后刀面的磨损对冷作硬化的影响较为显著，当刀尖圆弧半径加大或刀具后刀面磨损严重时冷硬程度增大。刀具前角减小时，冷硬程度也有所加大。 切削用量 切削速度增大时，刀具与工件作用时间短，塑性变形小，且切削温度升高，也使冷硬有所回复，所以硬化程度降低，如图所示。进给量加大时，切削力增大，塑性变形程度增加，所以冷硬程度加大，如图所示。背吃刀量对冷硬程度影响不大，但当背吃刀量过小时，刀具切削不下切屑，此时刀具变为纯粹的挤压，使冷硬程度大大增加。 被加工材料 一般来说，硬度越小塑性越大的材料切削后的冷硬现象越严重。,第八章 机械加工表面质量,第八章 机械加工表面质量,二、机械加工后表面层金相组织的变化 磨削烧伤 机械加工中伴随着切削热使工件温度升高，加工表层温升更加显著。当温度升高到一定程度时将发生金相组织变化，从而改变加工表面原有的物理机械性能，这种现象以磨削加工最为严重也最为常见。这种磨削加工中因金相组织发生变化而导致加工表面物理机械性能下降的现象称为磨削烧伤。这里侧重介绍磨削淬火钢时的烧伤问题。 1. 引起磨削烧伤的原因 磨轮主要起切削作用的是磨粒（砂粒），大部分磨粒带有很大的负前角，除切削作用外，对加工表面具有很大的刮擦挤压

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