1、第五章 机械加工表面质量,5.1 机械加工表面质量概述5.2 影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制措施5.3 影响表面层物理、机械性能的主要因素5.4 机械加工中的振动,5.1 机械加工表面质量概述,5.1.1 表面质量的含义5.1.2 机械加工表面质量对零件使用性能的影响5.1.3 表面完整性的概念,5.1.1 表面质量的含义,1加工表面几何形状特征2 加工表面层的物理、机械性能的变化,1加工表面几何形状特征,（1）表面粗糙度表面粗糙度指已加工表面纹理波距在1mm以下的微观几何形状误差，其大小是以表面轮廓的算术平均偏差Ra或微观不平度的平均高度Rz表示的，它是由于加工过程中的残留面积、塑性变
2、形、积屑瘤、鳞刺以及工艺系统的高频振动等原因造成的。（2）表面波度表面波度指已加工表面纹理波距在110mm的几何形状误差，它是介于宏观形状误差与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差，其大小以波长和波高表示。它是由于加工过程中工艺系统的低频振动引起的。,2 加工表面层的物理、机械性能的变化,主要有以下三方面的内容：（1）表面层因塑性变形产生的加工硬化（亦称冷作硬化）（cold work hardening）；（2）表面层因切削或磨削热引起的金相组织（metallographic organism）变化；（3）表面层因力或热的作用产生的残余应力（remanent stress）。,5.1.2 机械加
3、工表面质量对零件使用性能的影响,1 表面质量对耐磨性的影响2表面质量对零件配合性质的影响3表面质量对疲劳(fatigue)性能的影响4 表面质量对零件抗腐蚀(corrosion-resisting)性能的影响5 其它影响,1 表面质量对耐磨性的影响,当零件受到正压力时，两表面的实际接触部分产生很大的压强，两表面相对运动时，实际接触的凸峰处产生弹性变形、塑性变形、剪切等现象，产生较大的摩擦阻力，引起表面的磨损，从而在一定程度上使零件原有精度有所丧失。实践表明，表面粗糙度对磨损的影响极大，适当的表面粗糙度可以有效减轻零件的磨损，但表面粗糙度值过低，也会导致磨损加剧。因为表面如此光滑，存储润滑油的能
4、力很差，金属分子的吸附力增大，难以获得良好的润滑条件，紧密接触的两表面便会发生分子粘合现象而咬合起来，金属表面发热而产生胶合，导致磨损加剧。表面加工纹理方向对摩擦也有很大影响，当表面纹理与相对运动方向重合时，摩擦阻力最大；当两者间呈一定角度或表面纹理方向无规则时，摩擦阻力最小。,机械加工表面几何特征,2表面质量对零件配合性质的影响,对于间隙配合的表面，如果粗糙度值过大，相对运动时摩擦磨损就大，经初期磨损后配合间隙就会增大很多，从而改变了应有的配合性质，甚至使得机器出现漏气、漏油或晃动而不能正常工作。对于过盈配合的表面，在将轴压入孔内时，配合表面的部分凸峰会被挤平，使实际过盈量减小，若表面粗糙度
5、值过大，即使设计时对过盈量进行一定补偿，并按此进行加工，取得有效的过盈量，但其配合的强度与具有同样有效过盈量的低粗糙度配合表面的过盈配合相比，仍要低得多。因此，有配合要求的表面一般都要求有适当小的表面粗糙度，配合精度越高，要求配合表面的粗糙度越小。,3表面质量对疲劳(fatigue)性能的影响,一般说来，表面粗糙度值越高，其疲劳强度(fatigue strength)也越低，并且，越是优质钢材，晶粒越细小、组织越致密，则表面粗糙度对疲劳强度的影响也越大。加工表面粗糙度的纹理方向对疲劳强度也有较大影响，当其方向与受力方向垂直时，则疲劳强度将明显下降。表面层一定程度的加工硬化能阻碍疲劳裂纹(fat
6、igue crack)的产生和已有裂纹的扩展，提高零件的疲劳强度，但加工硬化程度过高时，常产生大量显微裂纹而降低疲劳强度。表面层的残余应力对疲劳强度也有很大的影响。若表面层的残余应力为压应力，则可部分抵消交变载荷引起的拉应力，延缓疲劳裂纹的产生和扩展，从而提高零件的疲劳强度。若表面层的残余应力为拉应力，则易使零件在交变载荷作用下产生裂纹而降低零件的疲劳强度。,4 表面质量对零件抗腐蚀(corrosion-resisting)性能的影响,当零件在有腐蚀性介质的环境中工作时，腐蚀性介质容易吸附和积聚在粗糙表面的凹谷处，并通过微细裂纹向内渗透。表面粗糙度值越高，凹谷越深、越尖锐，尤其是当表面有裂纹时
7、，对零件的腐蚀作用就越强烈。当表面层存在残余压应力时，有助于表面微细裂纹的封闭，阻碍侵蚀作用的扩展。,5 其它影响,对于滑动零件，恰当的表面粗糙度能提高其运动灵活性，减少发热和功率损失，对于液压油缸和滑阀，较大的表面粗糙度值还会影响其密封性；残余应力可使加工好的零件因应力重新分布而在使用过程中逐渐变形，从而影响其尺寸和形状精度。对于两相互接触的表面，表面质量对接触刚度(contact stiffness)也有影响，表面粗糙度值越大，接触刚度越小。,5.1.3 表面完整性的概念,表面完整性的评价指标有以下五类： (1)表面形貌如粗糙度； (2)表面缺陷 如表面裂纹； (3)微观组织与表面层冶金学
8、、化学特性如金相组织、表层化学性能、微观裂纹； (4)表层物理机械性能如显微硬度； (5)表层的其它工程技术特性 如对光的反射性能,5.2 影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制措施,5.2.1 表面粗糙度的形成、影响因素及控制措施5.2.2 减小表面粗糙度的加工方法,5.2.1 表面粗糙度的形成、影响因素及控制措施,1切削加工2磨削加工,1切削加工,（1）表面粗糙度的形成原因。几何原因物理因素切削加工时的振动(vibration)（2）影响表面粗糙度的工艺因素刀具的几何参数、材料和刃磨质量 切削条件 工件材料工艺系统的精度和刚度,切削速度对粗糙度的影响（加工塑性材料时）,2磨削加工,（1）磨削
9、加工的特点磨削加工是利用砂轮（grinding wheel）表面的大量磨粒作为刀具的一种“切削”加工。 （2）影响磨削表面粗糙度的工艺因素砂轮的粒度砂轮的修整磨削用量与光磨次数砂轮的硬度 其它,5.2.2 减小表面粗糙度的加工方法,1超精密切削（superprecision cutting）2超精加工（superfinishing）3 珩磨（honing）4 研磨（lapping）5 抛光（buffing）,1超精密切削（superprecision cutting）,超精密切削是指加工精度高于亚微米（0.1m）级、表面粗糙度值Ra在0.025m以下的切削加工方法。 单晶金刚石刀具常用来加工铜
10、、铝或其它有色金属材料，获得超精密表面。金刚石车刀实现超精密切削的条件有：（1）金刚石车刀特殊的结构和几何角度。 （2）刀具的刃磨质量。 （3）切削用量的选择。 （4）工件材质。,金刚石车刀的结构,2超精加工（superfinishing）,超精加工是一种由切削过程过渡到摩擦抛光过程的加工方法，能获得表面粗糙度Ra值为0.010.1m的加工表面。,3 珩磨（honing）,珩磨是利用珩磨工具对工件表面施加一定压力，珩磨工具同时作相对旋转和往复直线运动，切削工件上极小余量的精加工方法，目前广泛应用于成批以至小批生产中孔的精加工。,4 研磨（lapping）,研磨是用研磨工具和研磨剂从工件表面上研
11、去一层极薄金属的精加工方法，其目的是获得很高的表面质量和很高的加工精度。,5 抛光（buffing）,抛光加工是用涂敷有抛光膏的布轮、皮轮等软性器具，利用机械、化学或电化学的作用，去除工件表面微观凹凸不平处的峰顶，以获得光亮、平整表面的加工方法。,5.3 影响表面层物理、机械性能的主要因素,5.3.1 表面层加工硬化5.3.2 表面层的金相组织变化与磨削烧伤5.3.3 表面层的残余应力5.3.4 表面强化（surface strengthening）工艺,5.3.1 表面层加工硬化,1概述2表面层加工硬化的影响因素3减小表面层加工硬化的措施,1概述,在切削或磨削加工过程中，工件表面层在切削力作
12、用下产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶体间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至破碎，引起表面层硬度增加的现象，就是加工硬化现象（又称冷作硬化）。,2表面层加工硬化的影响因素,（1）刀具。 （2）切削用量。 （3）工件材料。,3减小表面层加工硬化的措施,（1）合理选择刀具的几何形状，采用较大的前角和后角，并在刃磨时尽量减小其切削刃口半径；刀具使用过程中合理控制其后刀面的磨损限度。（2）合理选择切削用量，采用较高的切削速度、较小的进给量和切削深度。（3）加工时采用有效的冷却润滑液。,5.3.2 表面层的金相组织变化与磨削烧伤,1 表面层的金相组织变化2 影响磨削烧伤的因素,1 表面层的金相组织变化
13、,机械加工过程中，在加工区由于加工时所消耗的能量绝大部分被转化为热能而使加工表面温度升高，当温度升高到金相组织变化的临界点时，就会产生金相组织的变化。,2 影响磨削烧伤的因素,（1）磨削用量 （2）砂轮参数（3）冷却方法采用内冷却砂轮 高压大流量冷却法 喷雾冷却润滑法 采用浸油砂轮 采用带空气挡板的喷嘴 （4）工件材料,内冷却砂轮,带空气挡板的喷嘴,5.3.3 表面层的残余应力,1 表面层残余应力的产生2 影响表层残余应力的主要因素,1 表面层残余应力的产生,（1）冷态塑性变形 （2）表层金属的热态塑性变形（3）表层金属金相组织的变化,2 影响表层残余应力的主要因素,不同的加工条件下，残余应力
14、的大小、符号及分布规律可能有明显的差别。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应力；磨削加工时，热塑性变形或金相组织的变化通常是产生残余应力的主要因素，表面层常存有残余拉应力。总的来说，凡能减小塑性变形和降低切削或磨削温度的因素都可使零件表面残余应力减小。,5.3.4 表面强化（surface strengthening）工艺,1滚压加工2喷丸强化3挤孔,1滚压加工,此方法是通过淬火钢滚柱或滚珠在零件表面上进行滚压，使零件表面硬度、强度提高并产生残余压应力，从而提高零件的承载能力和疲劳强度。,2喷丸强化,利用压缩空气或机械离心力将珠丸高速（3550m/s）喷出，打击工件表
15、面，使之形成冷硬层和残余压应力，有利于提高零件的疲劳强度和使用寿命。,3挤孔,挤孔可用挤刀挤孔，也可用滚珠挤孔。挤刀挤孔，可以是单环挤刀挤孔和多环挤刀挤孔，多环挤刀加工效果好、质量高。,5.4 机械加工中的振动,5.4.1 概述5.4.2 强迫振动及其控制5.4.3 自激振动及其控制,5.4.1 概述,1机械加工中的振动现象及其影响2机械加工中振动的类型,1机械加工中的振动现象及其影响,发生振动时，工艺系统的正常切削过程受到干扰和破坏，使零件加工表面产生振纹，降低了零件的加工精度和表面质量，低频振动增大波度，高频振动增加表面粗糙度。振动可能使刀刃崩碎，特别是对硬质合金、陶瓷、金刚石和立方氮化硼
16、等韧性差的刀具，从而影响刀具的寿命。振动会导致机床、夹具的零件连接松动，增大间隙，降低刚度和精度，并缩短其使用寿命。强烈的振动及伴随而来的噪音，污染环境，危害操作者的身心健康。,2机械加工中振动的类型,（1）自由振动（free running vibration） （2）强迫振动（forced vibration） （3）自激振动(self excited vibration),5.4.2 强迫振动及其控制,1切削加工过程中强迫振动产生的原因2强迫振动的描述3强迫振动振源查找的方法4 减小强迫振动的措施和途径,1切削加工过程中强迫振动产生的原因,（1）系统外部的周期性干扰力 （2）工艺系统内部
17、原因,2强迫振动的描述,特点：（1）如果作用在系统上的干扰力是简谐激振力，则强迫振动的稳态过程也是简谐振动，而且只要激振力存在，这一振动就不会被阻尼衰减掉。振动本身并不能引起干扰力的变化。（2）强迫振动的频率总是与外界激振力的频率相同，与系统的固有频率无关。（3）强迫振动的振幅大小主要取决于激振力的大小及频率比和阻尼比，而与初始条件无关。激振力越大，刚度及阻尼系数越小，则振幅越大。（4）强迫振动的振幅在很大程度上决定于干扰力（激振力）的频率与系统固有频率的比值。当等于或接近于1时，即干扰力的频率等于或十分接近于固有频率时，振幅将达到最大值，这种现象通常称为共振。,内圆磨削工艺振动系统简图a)
18、磨削示意图 b) 动力学模型 c) 受力图1主轴 2砂轮 5工件,3强迫振动振源查找的方法,在机械加工过程中出现的持续振动有可能是强迫振动，也有可能是自激激动。要区别强迫振动与自激振动，最简便的方法就是找出振动频率。一般情况下可从工件上振纹出现的频率推算出振动频率，再与振源频率相比较，如果两者一致或相近，则此振源可能就是引起振纹的主要原因。,4 减小强迫振动的措施和途径,（1）减小或消除振源的激振力 （2）提高工艺系统的刚度及阻尼 （3）隔振 （4）调节振源频率 （5）减小冲击切削振动的常用途径还有：按照需要，改变刀具转速或改变机床结构，以保证刀具冲击频率远离机床共振频率及其倍数；增加刀具齿数
19、；减小切削用量，以便减小切削力的大小；设计不等齿距的端铣刀，可以明显的减小冲击切削时引起的强迫振动。,5.4.3 自激振动及其控制,1自激振动的特征2产生自激振动的几种学说3减小或消除自激振动的方法,1自激振动的特征,（1）自激振动与强迫振动相比，虽然都是稳定的等幅振动，但维持自激振动的不是外加的激振力作用，而是由系统本身引起的交变力作用而产生的振动，系统若停止运动，交变力也随之消失，自激振动也就停止。（2）自激振动与自由振动相比，虽然都是在没有外界周期性干扰力作用下产生的，但自由振动在系统阻尼作用下会逐渐衰减下去，而自激振动则能在振动过程中吸取能量，补偿阻尼的消耗，使振动得以维持而不衰减。（
20、3）自激振动的频率和振幅是由系统本身的参数决定的。,2产生自激振动的几种学说,（1）再生颤振学说（2）振型耦合颤振学说 （3）负摩擦颤振,再生颤振示意图,加工方牙螺纹,振型耦合原理,负摩擦颤振原理示意图,3减小或消除自激振动的方法,（1）合理选择刀具几何参数（2）改革刀具结构采用弹簧刀具 采用弯头刨刀 削扁镗刀杆，即将圆柱形刀杆削扁 选择刀具安装方式 （3）选用合理的切削用量切削速度 进给量 背吃刀量ap,（4）提高工艺系统的抗振能力提高工艺系统的刚度，如减小主轴系统、进给系统的间隙，减小接触面的粗糙度；在加工细长轴、簿壁套筒等刚度低的工件或使用低刚度刀具时，可用增加辅助支承的方法，提高工艺系统的刚度等。增加振动系统的阻尼，如选用吸振能力强的材料（如铸铁等），增加结合面的摩擦，采用吸振能力强的润滑油层。合理设计工艺系统中各部件的固有频率，使其远离干扰力的频率。减小或消除振动干扰。加固机床地基、隔绝振源，采用防振地基和隔振垫等；对高速回转零部件进行精密动平衡，对零件加工余量和材质均匀性提出较高的要求等。,（5）采用各种减振、消振装置（也称减振器）阻尼式减振器。 动力式减振器。 冲击式减振器。,前角对振幅的影响,带消振棱的刀具,弹簧车刀,弯头刨刀,削扁镗刀杆,切削速度、进给量、背吃刀量与振幅的关系,车床用阻尼减振器1滚轮 2工件 3触杆 4推杆 5壳体 6密封圈 7弹簧 8调整螺母,
