1、第三章 机械加工表面质量 第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响,一、机械加工表面质量的含义,1表面的几何特征,(1)表面粗糙度(2)表面波度(3)纹理方向(4)伤痕表面上一些个别位置上出现的缺陷,2表面层物理力学、化学性能,(1)表面层加工硬化(冷作硬化)。(2)表面层金相组织变化。(3)表面层产生残余应力。,第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响,第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响,二、加工表面质量对机器零件使用性能的影响（一）表面质量对耐磨性的影响 1表面粗糙度对耐磨性的影响存在一个最优表面粗糙度值,第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响,2.表面纹理对耐磨性的影响圆弧状、凹
2、坑状表面纹理的耐磨性好；尖峰状的表面纹理耐磨性较差在运动副中，两相对运动零件表面的刀纹方向均与运动方向相同时，耐磨性较好；两者的刀纹方向均与运动方向垂直时，耐磨性最差。,3冷作硬化对耐磨性的影响 一般都能使耐磨性有所提高,但并不是冷作硬化的程度越高，耐磨性越高 过度的加工硬化会使金属组织疏松，甚至出现疲劳裂纹和产生剥落现象，从而使耐磨性下降。,第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响,（二）表面质量对耐疲劳性的影响1表面粗糙度对耐疲劳性的影响 表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；（注意纹底半径大小的影响）表面粗糙度对耐疲劳性的影响还与材料对应力集中的敏感程度和材料的强度极限有关
3、。钢对应力集中最为敏感，铸铁和有色金属对应力集中的敏感性较弱。,2表层金属的冷作硬化的影响能够阻止疲劳裂纹的生长，可提高零件的耐疲劳强度。3. 表面层金属的残余应力的影响拉伸残余应力将使耐疲劳强度下降；压缩残余应力则可使耐疲劳强度提高。,第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响,（三）表面质量对耐蚀性的影响 1表面粗糙度的影响表面粗糙度值越大，耐蚀性能就越差。 2表面层力学物理性质的影响零件表面层有残余压应力时，能够阻止表面裂纹的进一步扩大，有利于提高零件表面抵抗腐蚀的能力。,（四）表面质量对零件配合质量的影响表面粗糙度影响配合的稳定性和可靠性 1、 对于间隙配合表面 原有间隙将因急剧的初期磨
4、损而改变，表面粗糙度越大，变化量就越大，从而从而影响配合的稳定性。 2、对于过盈配合表面 表面粗糙度越大，两表面相配合时表面凸峰易被挤掉，这会使过盈量减少，影响配合的可靠性。,第二节 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施,第二节 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施一、影响切削加工表面粗糙度的因素1、车削、刨削、铣削等 1）切削残留面积的高度直接影响表面粗糙度大小（几何因素）,减小表面粗糙度的措施：减小f, kr， kr 扩大r ；提高刀具刃磨质量，从而减小复映效果。,第二节 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施,2）积削瘤、鳞刺、金属材料的塑性变形影响加工表面粗糙度（1）选用合适
5、的切削速度，采用低速或高速切削减少或者避免产生积削瘤 如低速宽刀精刨和高速精车、高速精铣（2）改善被加工材料的性质降低塑性，减少塑性变形，避免产生积削瘤 切削加工前对工件进行调质处理，以降低塑性，并得到均匀细密的晶粒组织。（3）适当增大刀具的前角、提高刀具的刃磨质量使切削轻快，减少振动和鳞刺（4）合理选用冷却润滑液避免产生积削瘤,第二节 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施,2、磨削加工通过单位面积的磨粒数越多，刻痕等高性越好，表面粗糙度值越小表面层金属的塑性变形小，磨削表面的粗糙度值越小1）磨削用量的影响和选择 提高砂轮速度，降低工件转速，减小纵向进给速度增大单位面积的磨粒数减小磨削深度
6、提，高砂轮速度，降低工件转速减少表层金属塑性变形2）砂轮的影响和选择合理选择砂轮的粒度并勤修砂轮（砂轮的粒度号数越大，磨粒越选用合适的砂轮硬度 砂轮太硬磨粒不易脱落，“自锐”性差，使表面粗糙度增大； 砂轮太软磨粒易脱落，“保形”性差，磨削作用减弱，也会使表面粗糙度值增大,影响加工表面层冷作硬化的因素,第三节影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施一、影响加工表面层冷作硬化的因素 冷作硬化：加工过程中产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生滑移，晶粒被拉长，使表面层金属的硬度增加的现象，称为冷作硬化（即强化） 评定指标： 1)表层金属的显微硬度HV; 2）硬化层深度h (Vm)； 3）
7、硬化程度N,弱化：机械加工过程中产生的切削热，将使金属在塑性变形中产生的冷硬现象得到恢复的现象（金属冷作硬化的结果，使金属处于高能位不稳定状态，只要一有条件，金属的冷硬结构本能地向比较稳定的结构转化） 注意：金属在机械加工过程中同时受到力因素和热因素的作用，机械加工后表面层金属的最后性质取决于强化和弱化两个过程的综合。,影响加工表面层冷作硬化的因素,（一）影响车、刨、铣等加工表面冷作硬化的因素 从变形和热两方面考虑1）被加工材料性能的影响工件材料的塑性越大，冷硬倾向越大 如低碳钢；但有色合金金属的熔点低容易弱化，冷作硬化现象比钢材轻得多。2）切削用量的影响进给量f和切削速度v的影响为最大，切削
8、深度ap对表层金属冷作硬化的影响不大切削速度对冷硬程度的影响是力因素和热因素综合作用的结果，视具体情况而定 。3）刀具几何形状的影响切削刃钝圆半径增大，表层金属的塑性变形程度加剧，冷硬增大。 为减小冷作硬化程度应注意保持刀具切刃锋利,影响加工表面层冷作硬化的因素,（二）影响磨削加工表面冷作硬化的因素仍然从变形和热两方面考虑1）加工材料性能的影响塑性越大，导热性差，冷硬倾向大2）磨削用量的影响磨削深度大，纵向进给速度大，工件转速高，冷硬倾向大；磨削速度高，冷硬程度小3）砂轮粒度的影响砂轮粒度号大，冷硬程度小,影响加工表面层金相组织变化的因素,二、表层金属的金相组织变化（一）机械加工表面金相组织的
9、变化 主要存在于磨削加工因磨削温度高，超过工件材料金相组织变化的临界点将发生表面金相组织的变化 磨削淬火钢时，表层金属可能产生以下三种金相组织变化： 1）回火烧伤工件加工区温度超过马氏体转变温度，表层硬度降低 2）淬火烧伤 工件加工区温度超过相变温度且有冷却液急冷，表层硬度升高 3）退火烧伤 工件加工区温度超过相变温度但没有冷却液冷却，表层硬度降低,影响加工表面层金相组织变化的因素,（二）改善磨削烧伤的工艺途径从降低切削温度考虑 1）正确选择砂轮 从导热性、砂轮硬度、组织、结合剂等方面考虑 2）合理选择磨削用量 ap对烧伤影响最大；加大横向进给量有利于减轻烧伤；同时提高砂轮速度和工件速度可避免
10、烧伤； 3）改善冷却条件 4）使用开槽砂轮,影响表层残余应力的因素,三、表层金属的残余应力拉应力或者压应力（一）残余应力产生的原因 1）冷塑性变形使表层产生压缩残余应力，里层产生拉伸残余应力。 原因：加工表面受刀具或砂轮磨粒的挤压和摩擦，产生拉伸塑性变形 ，此时里层金属处于弹性变形状态，切削后里层金属趋于弹性恢复，但受到已产生塑性变形的表层金属牵制 2）热塑性变形表层产生拉伸残余应力，里层产生压缩残余应力。 原因：切削和磨削过程中，表层的温度比里层高，表层的热膨胀较大；加工后零件冷却至室温时，表层金属体积的收缩受到里层的牵制。,影响表层残余应力的因素,3）相变引起的体积变化 金相组织的变化引起
11、表层金属的比容增大，则表层金属将产生压缩残余应力，而里层金属产生拉伸残余应力； 金相组织的变化引起表层金属的比容减小，则表层金属产生拉伸残余应力，而里层金属产生压缩残余应力 。,已加工表面层残余应力的性质是以上几方面影响的综合结果。,影响表层残余应力的因素,（二）影响切削加工表层金属产生残余应力的工艺因素 从工艺过程中冷塑性变形、热塑性变形、相变谁占主导作用考虑1 切削速度和工件材料的影响低速切削易产生残余拉应力，高速时可能产生残余压应力2 前角的影响1）较大正前角车刀加工表面易产生拉伸残余应力2）前角由正变负，表层残余拉伸应力变小；负前角很大时表层产生压应力（三）影响磨削加工表层金属产生残余
12、应力的工艺因素 1）磨削用量 ap影响最大 ap很小时，主要受冷塑性变形影响，表层为残余压应力；增大ap ，热因素作用加大，表面为残余拉应力，且数值随ap增大而逐渐增大 砂轮速度提高将使冷塑变形影响小，热塑变形影响增大，产生拉伸应力 工件回转速度和进给速度提高将使热因素影响减小，热塑变形影响增大 2）工件材料的影响 工件材料强度越高、塑性越低、导热性越差产生残余拉应力的倾向越大,第三节影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施,（二）工件最终工序加工方法的选择1）在交变载荷的作用下 机器零件表面上存在的局部微观裂纹，由于拉应力的作用使原至裂纹扩大 ，最后导致零件断裂。从提高零件抵抗疲劳破坏
13、的角度考虑，最终工序应选择能在加工表面（尤其是应力集中区）产生压缩残余应力的加工方法。 2）两个零件作相对滑动时 从提高零件抵抗滑动摩擦引起的磨损考虑，最终工序应选择能在加工表面上产生拉伸残余应力的加工方法。从抵抗扩散磨损、化学磨损、粘接磨损考虑，对残余应力的性质无特殊要求，但残余应力的数值要小，使表面金属处于低能位状态。 3）两个零件做相对滚动时 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。,第三节影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施,第三节影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施,第三节影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改
14、进措施,四、表面强化工艺 （一）喷丸强化 喷丸强化是利用大量快速运动的珠丸打击被加工工件表面，使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力，可显著提高零件的疲劳强度和使用寿命。 （二）滚压加工 滚压加工是利用经过淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态下对金属表面进行挤压，将表层的凸起部分向下压，凹下部分往上挤逐渐将前工序留下的波峰压平，从而修正工件表面的微观几何形状。此外，它还能使工件表面金属组织细化，形成压缩残余应力。,小 结,本章学习主要解决了的问题机械加工表面质量的含义几何形貌和表层材料力学物理性能和化学性能为什么要控制机械加工表面质量?影响耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性、配合质量哪些因素会影响表面质量?切削用量、加工工具因素或刀具几何角度、被加工件材料、冷却条件怎样提高表面质量?针对影响因素提出改善和提高表面质量的措施,
