1、1,机械制造工艺过程 第九讲,本次课程目标,加工表面质量的概念 加工表面的几何形状误差 表面层金属的力学物理性能和化学性能 表面质量对耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性、零件配合质量的影响 切削加工表面粗糙度 削加工后的表面粗糙度,2,3,机加工表面质量决定机器的使用性能和延长使用寿命。 机械加工表面质量是以机械零件的加工表面和表面层作为分析和研究对象的。 旨在研究零件表面层在加工中的变化和发生变化的机理； 掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量的影响规律； 运用规律来控制加工中的影响因素，满足表面质量的要求。,4,表面质量是指机器零件加工后表面层的状态。 表面质量的主要内容面两部分：（1）表面层的几何形
2、状 （2）表面层的物理机械性能,5,表面粗糙度 波度 纹理方向 伤痕 (划痕、裂纹、砂眼等),表面质量,6,7,零件宏观几何形状误差、波度、表面粗糙度,宏观几何形状误差(平面度、圆度等)波长/波高1000； 波度 波长/波高=501000；且具有周期特性； 表面粗糙度 波长/波高50。,8,纹理方向：表面刀纹的方向，取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法。伤痕：加工表面上一些个别位置上出现的缺陷，砂眼、气孔、裂痕等。,9,10,表面质量对零件使用性能的影响,1 表面粗糙度对耐磨性的影响（1）微观不平度-有效接触面积-相对接触运动- 接触面小，压强大-凸峰处弹性、塑性变形及剪切-凸峰磨掉 -金
3、属微粒-接触点压强大-破坏油膜-干摩擦-磨损快。（2）有效接触面积增大-压强减小-磨损慢。（3）有效接触面积越来越大-金属分子亲和力增加-表面的机械咬合作用增大-急剧磨损。,11,分子粘接，润滑液不易存储,12,13,2 表面纹理对耐磨性的影响 纹理形状及刀纹方向-有效接触面积-润滑液。 圆弧状、凹坑状-耐磨性好 尖峰状 -摩擦副接触面压强大-耐磨性差 两刀纹方向与运动方向相同-耐磨性好垂直-耐磨性差,表面质量对零件使用性能的影响,3 冷作硬化对耐磨性的影响 冷作硬化-表层金属显微硬度提高-塑性降低-接触部分弹性、塑性变形减少-磨损减少。 过度硬化-金属组织疏松-相对运动-金属剥落-接触面间-
4、小颗粒-磨损加快。,14,表面质量对零件使用性能的影响,15,（二） 对零件疲劳强度的影响 1 表面粗糙度对耐疲劳性的影响 交变载荷作用-表面粗糙度凹谷部位-应力集中-疲劳裂纹。 表面粗糙度值小-表面缺陷少-耐疲劳性好。,16,（二） 对零件疲劳强度的影响 其他因素：材料对应力的敏感程度材料的强度极限钢材-最为敏感-强度极限高-对应力敏感程度大。铸铁和有色金属对应力集中的敏感性较弱。,17,18,2 力学物理性质对耐疲劳性的影响冷作硬化-阻碍裂纹生长-提高零件的疲劳强度。但冷硬层过深或过硬则容易产生裂纹，反而会降低疲劳强度。所以冷硬要适当。冷作硬化-产生残余应力-影响疲劳强度。压应力-部分抵消
5、工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹扩展。拉应力-使已加工表面产生裂纹而降低疲劳强度。,19,1 表面粗糙度对耐蚀性的影响表面粗糙度-接触面积-凹坑-潮湿空气和腐蚀介质堆积-发生化学腐蚀-或在凸峰间产生电化学作用-引起电化学腐蚀-抗腐蚀性差。 2 力学物理性质对耐蚀性的影响表面冷硬和金相组织变化都会产生内应力。残余压应力-阻止裂纹扩大-提高零件表面抗腐蚀能力。,表面质量对耐蚀性的影响,20,间隙配合-初期磨损显著-磨损量与粗糙度平均高度成正比-粗糙度大、变化量大-稳定性。过盈配合-粗糙度大-凸峰挤掉-过盈量减少。,表面质量对零件配合质量的影响,切削加工后的表面粗糙度: 主要取决于切削残留面积的高
6、度。,21,几何因素:刀尖圆弧半径主偏角副偏角进给量,物理因素:加工中的塑性变形积屑瘤金相组织,影响切削加工表面粗糙度的工艺因素,22,图 车削时残留面积的高度,直线刃车刀（图 a）,（1）,圆弧刃车刀（图 b）,（2）,影响因素：刀尖圆弧半径rg，主偏角k，副偏角k ，进给量f。,切削残留面积,积屑瘤: 概念: 在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下,加工一般钢料或其他塑性材料时,常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块.它的硬度很高,通常是工件材料的2-3倍,在处于比较稳定的状态时,能够代替刀刃进行切削,这块冷焊在前刀面的金属就称为积屑瘤。,23,对加工表面粗糙度的影响: 积屑瘤的底部
7、相对稳定一些,其顶部则很不稳定,容易破裂,一部分连附于切屑底部而排出,一部分残留在加工表面上,积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切的非常粗糙,因此在精加工时必须设法避免或减小积屑瘤。,24,加工表面粗糙度的改善措施,25,选择较小的进给量和较大的刀尖圆弧半径 选择低速宽刀精切或高速精切 在精加工前进行调质等处理,目的在于得到均匀细密的晶粒组织和较高的硬度 合理选择切削液 适当增大刀具的前角,以减小切屑与前刀面接触区的压力 提高刀具的刃磨质量,26,27,切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工件挤压与摩擦而产生塑性变形。塑性材料-切削速度-积屑瘤-质量恶化 选择低速宽刀精切和宽刀精切，粗糙度小。,28,
8、脆性材料-速度对表面粗糙度影响不大-比塑性材料易达到要求。 同样材料-金相组织粗大-粗糙度大。 精加工前进行调质处理-均匀细密的晶粒组织和较高硬度。 切削液、增大刀具的前角、提高刀具刃磨质量-减小表面粗糙度值。,29,（一）几何因素的影响 1 磨削用量对表面粗糙度的影响砂轮速度高-通过磨粒数多-粗糙度值小。工件速度高-通过磨粒数少-粗糙度值大。砂轮纵向进给小-重复磨削次数增加-粗糙度小。,磨削加工后的表面粗糙度,30,2 砂轮粒度和砂轮修整对表面粗糙度的影响 粒度：磨粒大小和磨粒之间距离。 粒度号数大-参与磨削的磨粒多粗糙度小。 修整砂轮纵向进给量对粗糙度影响大。 金刚石笔的纵向进给量越小（0
9、.01mm）-砂轮表面磨粒的等高性越好-粗糙度小（0.1-0.2um）。,31,（二）表面层金属的塑性变形-物理因素 砂轮磨削速度很高-磨粒负前角-磨削比压大-磨削区温度高（900度）-相变-烧伤-塑性变形较切削多。 塑性变形-几何形状变化-力、热-晶粒横向拉长-裂口、金属堆积。 影响磨削表层金属塑性变形的因素-粗糙度的决定因素。,1 磨削用量,32,33,1 磨削用量-塑性变形-粗糙度 砂轮速度高-塑性变形传播速度 切削速度-工件材料来不及变形-表层金属塑性变形小-粗糙度小。 工件速度高-塑性变形增加-粗糙度高。 磨削深度增加-塑性变形增加-粗糙度高。,34,砂轮（粒度、硬度、组织和材料）选
10、择-塑性变形-粗糙度 粒度细（46-60）-粗糙度小-太细-砂轮被磨削堵塞-导热不好-烧伤-粗糙度大。 硬度（磨粒脱落的难易程度）太硬-不易脱落-磨钝磨粒难取代-粗糙度大。 硬度太软-磨粒易脱落-磨削作用减弱-粗糙度大。 选中软砂轮。,35,砂轮的组织：磨粒、结合剂和气孔的比例。 紧密组织：磨粒比例大-气孔小-（成形磨削和精密磨削）-高精度和小粗糙度。 疏松组织：砂轮不易堵塞-（磨削软金属、非金属、热敏性材料）-小粗糙度。 中等组织的砂轮。,36,砂轮材料-塑性变形-粗糙度 氧化物（刚玉）砂轮-适合于刚类零件。 碳化物（碳化硅、碳化硼）-铸铁、硬质合金。 高硬材料（人造金刚石、立方氮化硼）-极
11、小粗糙度-成本很高。 磨削液-温度高-热因素主导。,小结,37,加工表面质量的概念 加工表面的几何形状误差 表面层金属的力学物理性能和化学性能 表面质量对耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性、零件配合质量的影响切削加工表面粗糙度 削加工后的表面粗糙度,第二部分,1 加工表面层的冷作硬化 2 表层金属的金相组织的变化3 实战演练,38,冷作硬化的定义,机械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，这些都会使表面层金属的硬度增加，统称为冷作硬化。位错密度及其它晶体缺陷的增加是导致加工硬化的主要原因。,39,40,位错：晶体中某处一列或数列原子发生有规律的位置错动。常见类型为刃型位
12、错和螺型位错。,冷作硬化的结果,冷作硬化会增大金属变形的阻力，使得金属的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，金属的物理性质（如密度、导点性、导热性等）发生变化。,41,冷作硬化的消除,42,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，这些现象称为弱化。如机械加工中产生切削热，使原子活动能力增大，晶粒的形状发生变化，在原先亚晶界上的位错大量聚集处，形成了新的位错密度低的结晶核心，并不断长大为稳定的等轴晶粒，取代被拉长及破碎的旧晶粒。,43,一 加工表面层的冷作硬化（一）定义 塑性变形-晶格扭曲、畸变-晶粒间滑移动-晶粒拉长-表层硬度增加-冷
13、作硬化。 冷作硬化-增大金属变形的阻力-减小塑性物理性质（密度、导电导热性）变化。 冷作硬化-高能位不稳定状态-有条件-冷硬结构本能向稳定转化-弱化。如切削热。,影响表层金属力学物理性能的工艺因素,冷硬三个指标： 1）表层金属的显微硬度HV; 2) 硬化深度h(um); 3) 硬化程度N。,44,影响切削加工表面冷作硬化的因素:切削用量,45,46,1 切削用量 进给量大-切削力大-塑性变形大-显微硬度大（只是在进给量比较大的情况下）。 如果进给量很小-如切削厚度小于0.05-0.06mm时-继续减小进给量-冷硬程度增加（见下图）,影响切削加工表面冷作硬化的因素:切削用量,47,48,切削速度
14、大-刀具与工件作用时间短-塑性变形扩展深度减少-冷硬层深度减小； 切削速度增大-切削热作用时间短-冷硬程度增加。 有时候，切削速度增加-冷硬程度增加；有时相反。 力因素和热因素综合作用的结果。 切削深度对表层金属冷作硬化的影响不大。,影响切削加工表面冷作硬化的因素:切削用量,49,切削刃钝圆半径的大小对切削形成过程的形成有决定性影响。 切削刃钝圆半径大-径向切削分力大-表层塑性大-冷硬增大。 刀具磨损对表层金属冷硬影响很大。 后刀面磨损宽度加大-后刀面与工件摩擦加剧-塑性增加-冷硬增大。 磨损宽度继续加大-摩擦热急剧增大-弱化增大-显微硬度逐渐下降-稳定到一定水平（见下图）。,刀具几何形状的影
15、响,50,51,3 加工材料性能的影响 材料塑性大-冷硬程度严重。 碳刚中含碳量大-强度高-塑性小-冷硬程度小。 有色合金金属熔点低-容易弱化-冷硬程度轻。,52,1 工件材料性能的影响 塑性、导热两方面 磨削高碳工具刚T8，冷硬程度60%-65%; 磨削纯铁，冷硬程度75%-80%； 纯铁的塑性好-磨削时塑性变形大-强化倾向大； 纯铁导热性不高碳工具刚高，热不容易集中-弱化倾向小。,磨削加工表面冷作硬化的因素,2 磨削用量的影响,53,54,2 磨削用量的影响磨削深度大-磨削力大-塑性变形加剧-冷硬倾向增大。 纵向进给速度加大-磨粒切削厚度增大-磨削力加大-冷硬增大。纵向进给速度加大-有时产
16、生大热量-冷硬减弱。 （要考虑两方面的情况）,55,2 磨削用量的影响 工件转速高-缩短砂轮对工件热作用时间-软化倾向减弱-冷硬增大。 磨削速度高-磨粒切削厚度小-塑性变形小-温度高-弱化倾向大。 高速磨削-冷硬程度低。 3 砂轮粒度的影响粒度大-每颗磨粒的载荷小-冷硬程度小,56,（四）冷作硬化的测量显微硬度计测量：原理与维氏硬度计相同。金刚石头-打印痕-印痕大小-硬度。载荷大小不同。,57,58,（一） 机械加工表面层金相组织的变化原因: 机械加工-加工区、邻近区-温度急剧升高-超过工件材料金相组织变化的临界点-发生金相组织变化（一般切削方法没有如此严重）。磨削加工：磨削比压大磨削速度高-
17、切除金属的功率消耗大-消耗能量转化为热-80%热传给被加工表面，表面温度升很高。,表层金属的金相组织变化,59,（一） 机械加工表面层金相组织的变化 淬火刚件：很高磨削温度-表层金相组织变化-表层金属硬度下降-表面呈现氧化膜颜色-“磨削烧伤”。 磨削加工容易导致加工表面金相组织变化。,表层金属的金相组织变化,60,磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下三种： 回火烧伤 :磨削区温度超过马氏体转变温度（300摄氏度）而未超过相变温度（720摄氏度），工件表层金属的马氏体转化成硬度较低的回火组织（索氏体或托氏体）。 淬火烧伤 :磨削区温度超过相变温度，再加上冷却液的急冷作用，表层金属出现二次淬火马氏体
18、组织，硬度比原来的回火马氏体高；而它的下层则因为冷却缓慢出现了硬度比原来回火马氏体低的回火组织（索氏体或托氏体）。,表层金属的金相组织变化,退火烧伤 不用冷却液进行干磨削时，磨削区温度超过相变温度，表层金属产生退火组织，马氏体转变为奥氏体，表层金属硬度急剧下降。,61,62,1 正确选择砂轮 磨削导热性差的材料（如耐热刚、轴承刚、不锈刚）-容易产生烧伤-合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织。 砂轮硬度太高-砂轮钝化后不易脱落-容易烧伤。 避免烧伤：a 较软的砂轮b 具有一定弹性的结合剂（橡胶、树脂结合剂）c 在砂轮孔隙内浸入润滑物质（石蜡等）-减少摩擦热-降低温度-防止烧伤。,改善磨削烧伤的工艺途
19、径,63,合理选择磨削用量,64,2 合理选择磨削用量,2 合理选择磨削用量 从两图可以看出： 磨削深度大-容易导致烧伤；横向进给量增大-减轻烧伤； 工件回转速度增大-磨削表面温度升高-但其增长速度与磨削深度的影响相比小得多； 工件回转速度大-热量不易传入工件内层-烧伤层深度减小。但工件回转速度大-粗糙度增大-则同时提高砂轮速度-避免烧伤。 通常：大的工件速度、小的磨削深度-减轻烧伤。,65,3 改善冷却条件 磨削液进入磨削区-充分冷却-防止烧伤。,66,67,内冷却： 原理：离心力作用 缺点：水雾、操作不便、试验磨对刀难,4 开槽砂轮,68,69,4 开槽砂轮 将冷却液直接带入磨削区，有效改
20、善冷却条件。 砂轮间断磨削，工件受热时间短，金相组织来不及转变。 扇风作用，改善散热条件。 有效防止烧伤。,70,例题：为什么有色金属用磨削加工得不到小粗糙度？通常为获得小粗糙度的加工表面应采用哪些加工方法？若需要磨削有色金属，为减小表面粗糙度应采取什么措施？,71,参考：由于有色金属材料塑性大，导热好，故磨削时工件表面层的塑性变形大，温升高，切磨屑堵塞砂轮，因此加工表面经常磨不光。通常采用高速精车或金钢镗的方法来加工小粗糙度的有色金属零件。若需要磨削有色金属，可利用合金元素使有色金属的韧性下降，以减小磨削表面的粗糙度。,例题：工件材料为15钢，经磨削加工后要求表面粗糙度为0.4是否合理？若要满足此加工要求，应采用什么措施？,72,73,参考：由于低碳钢材料塑性大，磨削时加工表面层的塑性变形大，且易堵塞砂轮，加工表面磨不光， 0.4的表面粗糙度难以达到。为满足图纸的要求，可使加工表面在磨削前渗碳淬火，以提高表面硬度，减少加工表面层塑性变形对表面粗糙度的影响。,小结,1 加工表面层的冷作硬化 2 表层金属的金相组织的变化3 实战演练,74,
