第7章4表面质量.ppt

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1、第四节 机械加工表面质量,零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包括加工表面质量。 机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（几微米几十微米），但都错综复杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足够的重视。,一、 概 述,零件表面质量,表面质量的含义（内容）,（1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响 表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如图所示。 表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧； 表面粗糙度太小，也会导致磨损

2、加剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。 表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。,二、表面质量对零件使用性能的影响,图 表面粗糙度与初期磨损量的关系,（2）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响,加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。 并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨

3、损。,（1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。 对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。 表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。,（2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响 适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。 残余应力有拉应力和压应力之分，残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度 残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。

4、,3.表面质量对零件工作精度的影响 （1）表面粗糙度对零件配合精度的影响 表面粗糙度较大，则降低了配合精度。 （2）表面残余应力对零件工作精度的影响 表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。,4表面质量对零件耐腐蚀性能的影响,（1）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响 零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。 因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。 （2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响 零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。 表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：如

5、减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。,表面质量对零件使用性能的影响,零件表面质量,粗糙度太大、太小都不耐磨,适度冷硬能提高耐磨性,对疲劳强度的影响,对耐磨性影响,对耐腐蚀性能的影响,对工作精度的影响,粗糙度越大，疲劳强度越差,适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度,粗糙度越大、工作精度降低,残余应力越大，工作精度降低,粗糙度越大，耐腐蚀性越差,压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性,三、 影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制,机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面。,（一）切削加工表面

6、粗糙度,1、几何因素,刀尖圆弧半径r 主偏角kr、副偏角kr 进给量f（如图）,图 车削、刨削时残留面积高度,H=f/(cotr+cotr),H=f 2/(8r),2、物理力学因素,（1）工件材料的影响,韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。 脆性材料：加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。,（2）切削速度的影响,加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞刺的影响）见图所示。 此外，切削速度越高，塑性变形越不充

7、分，表面粗糙度值越小 选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度。,（4）其它因素的影响,此外，合理使用冷却润滑液，适当增大刀具的前角，提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。,（3）进给量的影响,减小进给量f固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势。,图 加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响,影响切削加工表面粗糙度的因素,刀具几何形状,刀具材料、刃磨质量,切削用量,工件材料,影响切削加工表面粗糙度的因素,（二）磨削加工表面粗糙度,1、 磨削中影响粗糙度的几何因素,工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的刻痕形成的，工件单位面积上通过的砂

8、粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。,磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨粒越细，刃口的等高性越好。则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越细密均匀，表面粗糙度值就越小。,（1）砂轮的磨粒,砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多，表面粗糙度值就越小。 工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影响相反。工件的转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，因此表面粗糙度值增大。 砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被重叠切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小。,（3）磨削用量,（2）砂轮修整,砂轮修整除了使砂轮具有正确的几何形状外，更重要的是使砂轮工

9、作表面形成排列整齐而又锐利的微刃（如图所示）。因此，砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大。,砂轮上的磨粒,2、 磨削中影响粗糙度的物理因素,磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多数是负前角，切削刃又不锐利，大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压，没有切削作用。加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起，又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。,（1）磨削用量,砂轮的转速 材料塑性变形 表面粗糙度值 ； 磨削深度、工件速度 塑性变形 表面粗糙度值 ； 为提高磨削效率，通常在开始磨削时采用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表面粗糙度值。,（2

10、）工件材料,太硬易使磨粒磨钝 Ra ； 太软容易堵塞砂轮Ra ； 韧性太大，热导率差会使磨粒早期崩落Ra 。,（2）砂轮粒度与硬度,磨粒太细，砂轮易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，若导热情况不好，还会烧伤工件表面。,砂轮太硬，使表面粗糙度增大； 砂轮选得太软，使表面粗糙度值增大。,影响磨削加工表面粗糙度的因素,影响磨削加工表面粗糙度的因素,砂轮粒度,工件材料性质,砂轮修正,磨削用量,砂轮硬度,四、 影响表面层物理力学性能的 主要因素及其控制,影响表面层物理力学性能的主要因素,表面物理力学性能,1. 表面层的冷作硬化,（1） 表面层加工硬化的产生,定义：机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用

11、产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化和强化。,（2） 衡量表面层加工硬化的指标,衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项： 1）表面层的显微硬度HV； 2）硬化层深度h； 3）硬化程度N N=(HV-HV0)/HV0100 式中 HV0工件原表面层的显微硬度。,（3）影响表面层加工硬化的因素,刀具几何形状的影响,切削用量的影响,工件材料性能的影响,2. 表面层残余应力,定义： 机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层的残余

12、应力。,（1）表面层残余应力的产生,1） 冷态塑变,2） 热态塑变,3） 金相组织变化,图 切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图,机械加工后工件表面层的残余应力是冷态塑性变形、热 态塑性变形和金相组织变化的综合结果。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缩应力。磨削加工时起主要作用的通常是热态塑性变形或金相组织变化引起的体积变化，表面层常产生残余拉伸应力。,（2）磨削裂纹的产生,磨削裂纹和残余应力有着十分密切的关系。在磨削过程中，当工件表面层产生的残余应力超过工件材料的强度极限时，工件表面就会产生裂纹。磨削裂纹常与烧伤同时出现。,（3）影响表面残余应力的主要因素,五、

13、提高表面层物理力学性能的加工方法,1滚压加工 滚压加工是利用经过淬火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，使受压点产生弹性和塑性变形，表层的凸起部分向下压，凹下部分向上挤，逐渐将前工序留下的波峰压平，降低了表面粗糙度；同时它还能使工件表面产生硬化层和残余压应力。因此提高了零件的承载能力和疲劳强度。 滚压加工可以加工外圆、孔、平面及成型表面，通常在普通车床、转塔车床或自动车床上进行。如图为典型的滚压加工示意图。,滚压加工原理,2. 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。 珠丸可以是铸铁的，也

14、可以是切成小段的钢丝（使用一段时间后，自然变成球状）。对于铝质工件，为避免表面残留铁质微粒而引起电解腐蚀，宜采用铝丸或玻璃丸。珠丸的直径一般为0.24mm，对于尺寸较小、表面粗糙度值较小的工件，采用直径较小的珠丸。 喷丸强化主要用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，如板弹簧、螺旋弹簧、连杆、齿轮、焊缝等。经喷丸加工后的表面，硬化层深度可达0.7mm，零件表面粗糙度值可由Ra52.5m 减小到Ra0.630.32m ，可几倍甚至几十倍地提高零件的使用寿命。,六、 机械加工中的振动,振动会在工件加工表面出现振纹，降低了工件的加工精度和表面质量； 振动会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨

15、损； 振动使机床连接部分松动，影响运动副的工作性能，并导致机床丧失精度； 强烈的振动及伴随而来的噪声，还会污染环境，危害操作者的身心健康。为减小加工过程中的振动，有时不得不降低切削用量，使机械加工生产率降低。,（一）机械加工中的振动现象,振动对机械加工的影响,机械加工中振动的种类及其主要特点,机械加工振动,当系统受到初始干扰力激励破 坏了其平衡状态后，系统仅靠 弹性恢复力来维持的振动称为 自由振动（图a）。由于总存在 阻尼，自由振动将逐渐衰减，,系统在周期性激振力(干扰力)持 续作用下产生的振动，称为强迫 振动（图b） 。强迫振动的稳态 过程是谐振动，只要有激振力存 在振动系统就不会被阻尼衰减

16、掉。,在没有周期性干扰力作用的情 况下，由振动系统本身产生的 交变力所激发和维持的振动， 称为自激振动。切削过程中产 生的自激振动也称为颤振。,系统外部的周期性干扰力 旋转零件的质量偏心 传动机构的缺陷 切削过程的间隙特性,（二）机械加工中的强迫振动与控制,1）强迫振动是由周期性激振力引起的，不会被阻尼衰减掉，振动本身也不能使激振力变化。 2）强迫振动的振动频率与外界激振力的频率相同，而与系统的固有频率无关。 3）强迫振动的幅值既与激振力的幅值有关，又与工艺系统的特性有关。 激振力的影响。A0=F/k,进入稳态后的强迫振动方程为：,式中 A强迫振动的幅值； 振动体位移相对于激振力的相位角； t

17、 时间 其中强迫振动的振幅为：,相位角为：,式中 f f=F/m； A0系统在静力F作用下的静位移（m),k系统的静刚度（N/m）；,频率比，/0 阻尼比，,c临界阻尼系数，,）当0时， 1， 0.60.7，准静态区，在该区增加系统静刚度，可减小振动。 ）当 1时， 会急剧增大，此现象称为共振，0.7 1.4的区域称为共振区，在该区增大阻尼共振 ）当 1时， 0， 1.4区域称为惯性区，在该区增加振动体的质量，可减小振动振幅。, 频率比的影响（图示）,减小激振力 调整振源频率 提高工艺系统的刚度 和阻尼 采取隔振措施 采用减振装置。,（三）机械加工中的自激振动与控制,在实际加工过程中，由于偶然

18、的外界干扰（如工件材料硬度不均、加工余量有变化等），会使切削力发生变化，从而使工艺系统产生自由振动。系统的振动必然会引起工件、刀具间的相对位置发生周期性变化，这一变化若又引起切削力的波动，则使工艺系统产生振动。因此通常将自激振动看成是由振动系统（工艺系统）和调节系统（切削过程）两个环节组成的一个闭环系统，如图所示。,激励工艺系统产生振动运动的交变力是由切削过程本身产生的，而切削过程同时又受工艺系统的振动的控制，工艺系统的振动一旦停止，动态切削力也就随之消失。,图 自激振动系统的组成,自激振动 特点,它由振动过程本身引起 切削力周期性变化，从 不具备交变特性的能源 中周期获得能量，使振 动得以维

19、持。,自激振动由振动系统本 身参数决定，与强迫振 动显著不同。自由振动 受阻尼作用将迅速衰减， 而自激振动不会因阻尼 存在而衰减。,自激振动的频率接近于系统 的固有频率，即颤振频率取 决于振动系统的固有特性。 这与自由振动相似，而与强 迫振动根本不同,如图a所示为单自由度机械加工振动模型。设工件系统为绝对刚体，振动系统与刀架相连，且只在y方向作单自由度振动。 在背向力Fp作用下，刀具作切入、切出运动（振动）。 刀架振动系统同时还有F弹作用在它上面。y越大，F弹也越大，当Fp=F弹时，刀架的振动停止。 对上述振动系统而言，背向力Fp是外力，Fp对振动系统作功如图b所示。 刀具切入，其运动方向与背

20、向力方向相反，作负功；即振动系统要消耗能量W振入； 刀具切出，其运动方向与背向力方向相同，作正功；即振动系统要吸收能量W振出；,2产生自激振动的条件,单自由度机械加工振动模型 a） 振动模型 b） 力与位移的关系图,（1）当W振出W振入时，刀架振动系统将有持续的自激振动产生。,三种情况：, W振出=W振入+ W摩阻（振入）时，系统有稳幅的自激振动； W振出W振入+ W摩阻（振入）时，系统为振幅递增的自激 振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动； W振出 W振入+ W摩阻（振入）时，系统为振幅递减的自激 振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动；,故振动系统产生自激振动的基本条件是：,W振出W振入

21、,或 FP振出FP振入,3控制自激振动的途径,抑制自激振动途径,V=3070m/min自振 f自振；保证Ra时f,提高机床抗振性 提高刀具抗振性 （采用消振刀具） 提高工件安装刚性,根据振型耦合原理，工艺系统 的振动还受到各振型的刚度比 及其组合的影响。合理调整它 们之间的关系，就可以有效地 提高系统的抗振性，抑制自激 振动。,前角、主偏角自振 后角自振；但太小时 自振,抑制再生颤振方法用于工艺系 统刚性较好的场合。,图a 阻尼器减振装置,图b 用于镗刀杆的 动力吸振器,图c 冲击式吸振器 1自由质量 2弹簧 3螺钉,本节结束,本节习题 1、 为什么会产生磨削烧伤及裂纹？它们对零件的使用性能有何影响？试举例说明减小磨削烧伤及裂纹的办法有哪些？ 2、 加工精密零件时，为了保证加工表面的表面质量，粗加工前常有球化处理、退火、正火。粗加工后常有调质、回火。精加工前常有渗碳、渗氮及淬火工序。试分析这些热处理工序的作用。 3、 什么是强迫振动，它有何特征？什么是自激振动，它有何特征？自激振动与强迫振动有何区别？ 4、 圆镗杆的刚度与削扁镗杆的刚度哪个高？两者的抗振性哪个好？为什么？ 5、 车外圆时，车刀安装高一点或低一点哪种情况抗振性好？镗孔时，镗刀安装高一点或低一点哪种情况抗振性好？为什么？,