机械加工质量.doc

第二章 机械加工表面质量第一节概述评价零件是否合格的质量指标除了机械加工精度外，还有机械加工表面质量机械加工表面质量是指零件经过机械加工后的表面层状态探讨和研究机械加工表面，掌握机械加工过程中各种工艺因素对表面质量的影响规律，对于保证和提高产品的质量具有十分重要的意 义一机械加工表面质量的含义机械加工表面质量又称为表面完整性，其含义包括两个方面的内容：1 •表面层的几何形状特征表面层的几何形状特征如图 3-1所示，主要由以下几部分组成：⑴表面粗糙度 它是指加工表面上较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特征，即加工表面的微观几何形状误差，其评定参数主要有轮廓算术平均偏差 Ra或轮廓微观不平度十点平均高度Rz；⑵ 表面波度 它是介于宏观形状误差与微观表面粗糙度之间的周期性形状误差，它 主要是由机械加工过程中低频振动引起的，应作为工艺缺陷设法消除⑶表面加工纹理 它是指表面切削加工刀纹的形状和方向，取决于表面形成过程中所采 用的机加工方法及其切削运动的规律⑷ 伤痕 它是指在加工表面个别位置上出现的缺陷，如砂眼、气孔、裂痕、划痕等，它 们大多随机分布图3-1 表面几何特征的组成2 .表面层的物理力学性能表面层的物理力学性能主要指以下三个方面的内容：⑴ 表面层的加工冷作硬化；⑵ 表面层金相组织的变化；⑶ 表面层的残余应力。

二 表面质量对零件使用性能的影响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．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5．表面质量对零件其他性能的影响 表面质量对零件的使用性能还有一些其他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，对于保证零件的的性能、提高零件的使用寿命是十分重要的第二节 影响表面质量的工艺因素一 影响机械加工表面粗糙度的因素及降低表面粗糙度的工艺措施1.影响切削加工表面粗糙度的因素在切削加工中，影响已加工表面粗糙度的因素主要包括几何因素、物理因素和加工中工 艺系统的振动下面以车削为例来说明⑴几何因素切削加工时表面粗糙度的值主要取决于切削面积的残留高度下面两式为 车削时残留面积高度的计算公式：当刀尖圆弧半径r =0时，残留面积高度 H为H f ( 3—1)ctgkr ctgkr当刀尖圆弧rp 0时，残留面积高度 H为H — (3— 2)8-从上面两式可知，进给量 f、主偏角kr、副偏角kr'和刀尖圆弧半径r e对切削加工表面粗糙 度的影响较大。

减小进给量 f、减小主偏角kr和副偏角kr'增大刀尖圆弧半径 都能减小残留面积的高度 H，也就减小了零件的表面粗糙度⑵物理因素 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⑶动态因素一一振动的影响 在加工过程中，工艺系统有时会发生振动，即在刀具与工件间出现的除切削运动之外的另一种周期性的相对运动振动的出现会使加工表面出现波纹， 增大加工表面的粗糙度，强烈的振动还会使切削无法继续下去除上述因素外，造成已加工表面粗糙不平的原因还有被切屑拉毛和划伤等2.减小表面粗糙度的工艺措施⑴在精加工时，应选择较小的进给量 f、较小的主偏角kr和副偏角kJ、较大的刀尖圆弧半径以得到较小的表面粗糙度⑵加工塑性材料时，采用较高的切削速度可防止积屑瘤的产生，减小表面粗糙度。

⑶ 根据工件材料、 加工要求， 合理选择刀具材料， 有利于减小表面粗糙度⑷ 适当的增大刀具前角和刃倾角，提高刀具的刃磨质量，降低刀具前、后刀面的表面粗 糙度均能降低工件加工表面的粗糙度⑸ 对工件材料进行适当的热处理，以细化晶粒，均匀晶粒组织，可减小表面粗糙度⑹ 选择合适的切削液，减小切削过程中的界面摩擦，降低切削区温度，减小切削变形， 抑制鳞刺和积屑瘤的产生，可以大大关小表面粗糙度二 影响表面物理力学性能的工艺因素1．表面层残余应力 外载荷去除后，仍残存在工件表层与基体材料交界处的相互平衡的应力称为残余应力产生表面残余应力的原因主要有：⑴ 冷态塑性变形引起的残余应力 切削加工时，加工表面在切削力的作用下产生强烈的 塑性变形，表层金属的比容增大，体积膨胀，但受到与它相连的里层金属的阻止，从而在表 层产生了残余压应力，在里层产生了残余拉应力当刀具在被加工表面上切除金属时，由于 受后刀面的挤压和摩擦作用，表层金属纤维被严重拉长，仍会受到里层金属的阻止，而在表 层产生残余压应力，在里层产生残余拉应力⑵ 热态塑性变形引起的残余应力 切削加工时，大量的切削热会使加工表面产生热膨 胀，由于基体金属的温度较低，会对表层金属的膨胀产生阻碍作用，因此表层产生热态压应 力。

当加工结束后，表层温度下降要进行冷却收缩，但受到基体金属阻止，从而在表层产生 残余拉应力，里层产生残余压应力⑶ 金相组织变化引起的残余应力 如果在加工中工件表层温度超过金相组织的转变温 度，则工件表层将产生组织转变，表层金属的比容将随之发生变化，而表层金属的这种比容 变化必然会受到与之相连的基体金属的阻碍，从而在表层、里层产生互相平衡的残余应力 例如在磨削淬火钢时，由于磨削热导致表层可能产生回火，表层金属组织将由马氏体转变成 接近珠光体的屈氏体或索氏体，密度增大，比容减小，表层金属要产生相变收缩但会受到基 体金属的阻止，而在表层金属产生残余拉应力，里层金属产生残余压应力如果磨削时表层 金属的温度超过相变温度，且冷却以充分，表层金属将成为淬火马氏体，密度减小，比容增 大，则表层将产生残余压应力，里层则产生残余拉应力2 .表面层加工硬化⑴加工硬化的产生及衡量指标 机械加工过程中，工件表层金属在切削力的作用下产生强烈的塑性变形，金属的晶格扭曲，晶粒被拉长、纤维化甚至破碎而引起表层金属的强度和 硬度增加，塑性降低，这种现象称为加工硬化(或冷作硬化) 另外，加工过程中产生的切削热会使得工件表层金属温度升高，当升高到一定程度时，会使得已强化的金属回复到正常状 态，失去其在加工硬化中得到的物理力学性能，这种现象称为软化。

因此，金属的加工硬化 实际取决于硬化速度和软化速度的比率评定加工硬化的指标有下列三项：① 表面层的显微硬度 HV ;② 硬化层深度h ( ^m);③ 硬化程度NHV - HV0N 0 (3—3)HVo式中：HV ――金属原来的显微硬度⑵影响加工硬化的因素① 切削用量的影响力 切削用量中进给量和切削速度对加工硬化的影响较大增大进给量，切削力随之增大，表层金属的塑性变形程度增大，加工硬化程度增大；增大切削速度， 刀具对工件的作用时间减少，塑性变形的扩展深度减小，故而硬化层深度减小另外，增大切削速度会使切削区温度升高，有利于减少加工硬化② 刀具几何形状的影响 刀刃钝圆半径对加工硬化影响最大实验证明，已加工表面的显微硬度随着刀刃钝圆半径的加大而增大，这是因为径向切削分力会随着刀刃钝圆半径的增 大而增大，使得表层金属的塑性变形程度加剧，导致加工硬化增大此外，刀具磨损会使得 后刀面与工件间的摩擦加剧，表层的塑性变形增加，导致表面冷作硬化加大③加工材料性能的影响工件的硬度越低、塑性越好，加工时塑性变形越大，冷作硬化越严重第三节控制表面质量的工艺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，以提高其表面质量一、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 RaO.O4 m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 0.1 pm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。