【正文】 第四章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 概 述 掌握機(jī)械加工中各種工藝因素對(duì)表面質(zhì)量影響的規(guī)律，并應(yīng)用這些規(guī)律控制加工過程，以達(dá)到提高加工表面質(zhì)量、提高產(chǎn)品性能的目的。 實(shí)踐表明，零件的破壞一般總是從表面層開始的。產(chǎn)品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取決于其主要零件的表面質(zhì)量。 研究機(jī)械加工表面質(zhì)量的目的 機(jī)械產(chǎn)品的失效形式 因設(shè)計(jì)不周而導(dǎo)致強(qiáng)度不夠； 零件的表面破壞（磨損、腐蝕和疲勞破壞） ???少數(shù) 多數(shù) 167。 機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響 一、機(jī)械加工表面質(zhì)量的概念 1．表面的幾何特征 2．表面層物理力學(xué)、化學(xué)性能 (1)表面粗糙度 (2)表面波度 (3)紋理方向 (1)表面層加工硬化 (冷作硬化 )。 (2)表面層金相組織變化。 (3)表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 ????? ??????表面的幾何形狀特征 加工后表面形狀，總是以“峰”、“谷”的形式偏離其理想光滑表面。按偏離程度有宏觀和微觀 之分。 波距：峰與峰或谷與谷間的距離， 以 L表示； 波高：峰與谷間的高度，以 H 表示。 ???波距與波高 L/H1000時(shí)，屬于宏觀幾何形狀誤差； L/H50時(shí)，屬于微觀形狀誤差，稱作表面粗糙度； L/H=50～ 1000時(shí)，稱作表面波度； 紋理方向 是指表面刀紋的方向，取決于表面形成所采用的機(jī)械加工方法。一般 運(yùn)動(dòng)副或密封件 對(duì)紋理方向有要求。 傷痕 是指在加工表面?zhèn)€別位置出現(xiàn)的缺陷，如沙眼、氣孔、裂痕等。 表面層物理力學(xué)、化學(xué)性能 表示方法 (1)表面金屬層的冷作硬化 指工件在加工過程中，表面層金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，使工件加工表面層的強(qiáng)度和硬度都有所提高的現(xiàn)象。 冷硬層深度 h 硬化程度 N ???硬化程度： %1 0 00?? HHN其中： H—— 加工后表面層的顯微硬度 H0—— 材料原有的顯微硬度 (2)表面層金相組織變化 (3)表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力 指的是加工中， 由于切削熱的作用引起表層金屬金相組織發(fā)生變化的現(xiàn)象。 如磨削時(shí)常發(fā)生的磨削燒傷，大大降低表面層的物理機(jī)械性能。 指的是加工中， 由于切削變形和切削熱的作用，表層金屬晶格發(fā)生不同程度的塑性變形或產(chǎn)生金相組織的變化，使表層金屬產(chǎn)生殘余應(yīng)力 。 殘余應(yīng)力超過材料強(qiáng)度極限就會(huì)產(chǎn)生表面裂紋。 二、加工表面質(zhì)量對(duì)機(jī)器零件使用性能的影晌 1．表面質(zhì)量對(duì)零件耐磨性的影響 第一階段 初期磨損階段 第二階段 正常磨損階段 第三階段 急劇磨損階段 零件的磨損可分為三個(gè)階段 ??? 不是表面粗糙度值越小越耐磨，在一定工作條件下，摩擦副表面總是存在一個(gè)最佳表面粗糙度值，表面粗糙度 Ra值約為 ～ 。 表面粗糙度對(duì)摩擦副的影響 重載情況下 ，由于壓強(qiáng)、分子親和力和潤(rùn)滑液的儲(chǔ)存等因素的變化，其規(guī)律與上述有所不同。 表面紋理方向?qū)δ湍バ缘挠绊? 表面紋理方向影響金屬表面的 實(shí)際接觸面積 和 潤(rùn)滑液的存留情況 。 輕載時(shí) ，兩表面的紋理方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向一致時(shí)，磨損最??；當(dāng)兩表面紋理方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向垂直時(shí)，磨損最大。 過度的加工硬化會(huì)使金屬組織疏松，甚至出現(xiàn)疲勞裂紋和產(chǎn)生剝落現(xiàn)象，從而使耐磨性下降。 表面層的加工硬化對(duì)耐磨性的影響 由于加工硬化提高了表面層的強(qiáng)度，減少了表面進(jìn)一步塑性變形和咬合的可能。一般能提高耐磨性 ～ 1倍。 2．表面質(zhì)量對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響 在交變載荷作用下，零件表面粗糙度、劃痕、裂紋等缺陷員易形成應(yīng)力集中，并發(fā)展成疲勞裂紋，導(dǎo)致零件疲勞破壞。因此，對(duì)于重要零件表面如連桿、曲軸等，應(yīng)進(jìn)行光整加工，減小表面粗糙度值，提高其疲勞強(qiáng)度。 適當(dāng)?shù)募庸び不茏璧K已有裂紋的繼續(xù)擴(kuò)大和新裂紋的產(chǎn)生，有助于提高疲勞強(qiáng)度。但加工硬化程度過大，反而易產(chǎn)生裂紋，故加工硬化程度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。 拉應(yīng)力加劇疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展； 殘余壓應(yīng)力，能延緩疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展，而使零件疲勞強(qiáng)度提高。 表面殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響 影響極大 ???表面粗糙度的影響 表面層的加工硬化對(duì)疲勞強(qiáng)度影響 3．表面質(zhì)量對(duì)零件耐腐蝕性的影響 殘余壓應(yīng)力使零件表面緊密，腐蝕性物質(zhì)不易進(jìn)入，可增強(qiáng)零件的耐腐蝕性； 表面粗糙度的影響 表面粗糙度值越大，越容易積聚腐蝕性物質(zhì)； 波谷越深，滲透與腐蝕作用越強(qiáng)烈。 ???零件的耐腐蝕性在很大程度上取決于表面粗糙度 表面殘余應(yīng)力對(duì)零件耐腐蝕性影響 拉應(yīng)力則降低耐腐蝕性 ??? 4．表面質(zhì)量對(duì)配合質(zhì)量的影響 表面殘余應(yīng)力會(huì)引起零件變形，使零件形狀和尺寸發(fā)生變化，因此對(duì)配合性質(zhì)有一定的影響。 相配零件間的配合關(guān)系是用過盈量或間隙值來表示的。 表面粗糙度的影響 對(duì)間隙配合而言，表面粗糙度值太大，會(huì)使配合表面很快磨損而增大配合間隙，改變配合性質(zhì)，降低配合精度。 對(duì)過盈配合而言，裝配時(shí)配合表面的波峰被擠平，減小實(shí)際過盈量，降低了連接強(qiáng)度，影響了配合的可靠性。 ?????表面殘余應(yīng)力的影響 表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響 零件表面質(zhì)量 粗糙度太大、太小都不耐磨 適度冷硬能提高耐磨性 對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響 對(duì)耐磨性影響 對(duì)耐腐蝕性能的影響 對(duì)配合質(zhì)量的影響 粗糙度越大，疲勞強(qiáng)度越差 適度冷硬、殘余壓應(yīng)力能提高疲勞強(qiáng)度 粗糙度越大、配合精度降低 殘余應(yīng)力越大，配合精度降低 粗糙度越大，耐腐蝕性越差 壓應(yīng)力提高耐腐蝕性，拉應(yīng)力反之則降低耐腐蝕性 刀尖圓弧半徑 主偏角 副偏角 進(jìn)給量 ??? 167。 影響表面粗糙度的工藝因素及其改善措施 表面粗糙度的形成和影響因素 幾何因素 物理因素 兩方面 一、切削加工表面粗糙度 切削殘留面積的高度 金相組織 金相組織越大，粗糙度也越大； 切削液的選用及刀具刃磨質(zhì)量 ?????????? 圖 p102 機(jī)械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可歸納為幾何因素和物理力學(xué)因素兩個(gè)方面。 一、切削加工表面粗糙度 幾何因素 ?刀尖圓弧半徑 rε ?主偏角 kr、副偏角 kr′ ?進(jìn)給量 f（圖 4－ 40） H=f/(cotκr+cotκr′) H=f 2/(8rε) 物理力學(xué)因素 （ 1）工件材料的影響 ?韌性材料：工件材料韌性愈好，金屬塑性變形愈大，加工表面愈粗糙。 故對(duì)中碳鋼和低碳鋼材料的工件，為改善切削性能，減小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或調(diào)質(zhì)處理。 ? 脆性材料：加工脆性材料時(shí)，其切削呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點(diǎn)，使表面粗糙。 （ 2）切削速度的影響 加工塑性材料時(shí)，切削速度對(duì)表面粗糙度的影響（對(duì) 積屑瘤和鱗刺 的影響）見如 圖 441所示。 此外，切削速度越高，塑性變形越不充分，表面粗糙度值越小 選擇低速寬刀精切和高速精切，可以得到較小的表面粗糙度 。 （ 4）其它因素的影響 此外，合理使用冷卻潤(rùn)滑液，適當(dāng)增大刀具的前角，提高刀具的刃磨質(zhì)量等，均能有效地減小表面粗糙度值。 （ 3）進(jìn)給量的影響 減小進(jìn)給量 f固然可以減小表面粗糙度值，但 進(jìn)給量過小，表面粗糙度會(huì)有增大的趨勢(shì)。 加工塑性材料時(shí)切削速度對(duì)表面粗糙度的影響 由上圖可見，用較高的切削速度既可提高生產(chǎn)效率，又可使表面粗糙度下降，所以提高切削速度是提高工藝水平的重要方向 影響切削加工表面粗糙度的因素 刀具幾何形狀 刀具材料、刃磨質(zhì)量 切削用量 工件材料 ?殘留面積高度 ↓ →Ra↓ ?前角 ↑→ Ra↓ ?后角 ↑→摩擦 ↓→Ra↓ ? v↑→ Ra↓ ?f↑→ Ra↑ ?ap對(duì) Ra影響不大，太小會(huì)打滑，劃傷已加工表面 ?材料塑性 ↑→ Ra↑ ?同樣材料晶粒組織大 ↑→ Ra↑，常用正火、調(diào)質(zhì)處理 ?刀具材料強(qiáng)度 ↑→ Ra↓ ?刃磨質(zhì)量 ↑→ Ra↓ ?冷卻、潤(rùn)滑 ↑→ Ra↓ 幾何原因 塑性變形 機(jī)械加工振動(dòng) 二、磨削過程中表面粗糙度的形成 形成因素 切削用量 砂輪的粒度和砂輪的修整情況 ???? 磨削中影響粗糙度的幾何因素 工件的磨削表面是由砂輪上大量磨粒刻劃出無數(shù)極細(xì)的刻痕形成的，工件單位面積上通過的砂粒數(shù)越多，則刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。 磨粒在砂輪上的分布越均勻、磨粒越細(xì)，刃口的等高性越好。則砂輪單位面積上參加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越細(xì)密均勻，表面粗糙度值就越小。 （ 1）砂輪的磨粒 ?砂輪轉(zhuǎn)速越高，單位時(shí)間內(nèi)通過被磨表面的磨粒數(shù)越多，表面粗糙度值就越小。 ?工件轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度值的影響剛好與砂輪轉(zhuǎn)速的影響相反。 工件的轉(zhuǎn)速增大，通過加工表面的磨粒數(shù)減少，因此表面粗糙度值增大 。 ?砂輪的縱向進(jìn)給量小于砂輪的寬度時(shí)，工件表面將被重疊切削，而被磨次數(shù)越多，工件表面粗糙度值就越小。 （ 3）磨削用量 （ 2）砂輪修整 砂輪修整除了使砂輪具有正確的幾何形狀外，更重要的是使砂輪工作表面形成排列整齊而又銳利的微刃（ 圖 4－ 47）。因此，砂輪修整的質(zhì)量對(duì)磨削表面的粗糙度影響很大。 磨削用量對(duì)表面粗糙度的影響 砂輪的速度 ↑ ，單位時(shí)間內(nèi)的磨削量 ↑ ，粗糙度 ↓ ； 工件的速度 ↑ ，單位時(shí)間內(nèi)的磨削量 ↓ ，粗糙度 ↑ ； 砂輪縱向進(jìn)給速度 ↑ ，每部位重復(fù)磨削次數(shù) ↑ ，粗糙度 ↓。 圖 4－ 47 砂輪上的磨粒 磨削中影響粗糙度的物理因素 磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多數(shù)是負(fù)前角，切削刃又不銳利，大多數(shù)磨粒在磨削過程中只是對(duì)被加工表面擠壓，沒有切削作用。加工表面在多次擠壓下出現(xiàn)溝槽與隆起，又由于磨削時(shí)的高溫更加劇了塑性變形，故表面粗糙度值增大。 （ 1）磨削用量 ? 砂輪的轉(zhuǎn)速 ↑ →材料塑性變形 ↓ → 表面粗糙度值 ↓ ； ?工件速度 ↑ → 塑性變形 ↑ →表面粗糙度值 ↑ ； ?背吃刀量 ↑→ 塑性變形 ↑ →表面粗糙度值 ↑ ； （ 2）工件材料 ?太硬易使磨粒磨鈍 →Ra ↑ ； ?太軟容易堵塞砂輪 →Ra ↑ ； ?韌性太大，熱導(dǎo)率差會(huì)使磨粒早期崩落 →Ra ↑ 。 （ 3）砂輪粒度與硬度 ?磨粒太細(xì)，砂輪易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，若導(dǎo)熱情況不好，還會(huì)燒傷工件表面。 ?砂輪太硬，使表面粗糙度增大； ?砂輪選得太軟，使表面粗糙度值增大。 影響磨削加工表面粗糙度的因素 ?粒度 ↓→Ra↓ ? 金剛石筆鋒利 ↑，修正導(dǎo)程、徑向進(jìn)給量 ↓→ Ra↓ ?磨粒等高性 ↑→Ra↓ ?硬度 ↑→鈍化磨粒脫落 ↓→ Ra↑ ?硬度 ↓→磨粒脫落 ↑→Ra↑ ?硬度合適、自勵(lì)性好 ↑→Ra↓ ?太硬、太軟、韌性、導(dǎo)熱性差↑→ Ra↓ 砂輪粒度 工件材料性質(zhì) 砂輪修正 磨削用量 砂輪硬度 ?砂輪 V↑→ Ra↓ ?ap、工件 V↑→ 塑變 ↑→ Ra↑ ?粗磨 ap↑→生產(chǎn)率 ↑ ?精磨 ap↓→ Ra↓(ap=0光磨 ) 第一類是與磨削砂輪有關(guān)的因素 第二類是與工件材質(zhì)有關(guān)的因素 第三類是與加工條件有關(guān)的因素 影響表面粗糙度的因素 ??? 砂輪太硬，磨粒磨損后不易脫落，使工件表面受到強(qiáng)烈的摩擦和擠壓，增加了塑性變形，表面粗糙度值增大，同時(shí)還容易引起燒傷； 砂輪太軟，磨粒易脫落，磨削作用減弱，也會(huì)增大表面粗糙度值。 (1)與磨削砂輪有關(guān)的因素 主要