项目4支架类零件机械加工工艺编制 教学内容： 1、零件表面粗糙度影响因素； 2、加工表面质量的概念； 3、影响表面粗糙度的因素及改善措施 4、机械加工振动理论； 5、典型支架类零件机械加工工艺编制。 任务4.1了解零件表面粗糙度影响因素 4.1.1加工表面质量的概念 一、表面质量的含义 机械加工后的表面，不可能是理想的光 滑表面，总存在一定的微观几何形状的偏 差，表面层的物理力学性能也发生变化。 因此，机械加工表面质量包括加工表面的 几何特征和表面层物理力学性能两个方面 的内容 。 1.加工表面的几何特征 图4.1-1表面粗糙度、表面波度的关系 1.加工表面的几何特征 加工表面的微观几何形状主要包括表面粗 糙度和表面波度。如图4.1-1所示，表面粗 糙度是指波距L小于1 mm的表面微小波纹 ；表面波度是指波距L在120 mm之间的 表面波纹。通常情况下，当L/H（波距 波高）50时为表面粗糙度，L/H 501000时为表面波度。 1.加工表面的几何特征 (1）表面粗糙度 表面粗糙度主要是由刀 具的形状以及切削过程中塑性变形和振动 等因素引起的。我国现行的表面粗糙度标 准是GB/T 1031-94。在确定表面粗糙度时 ，可在、中选取，并推荐优先选用。 1.加工表面的几何特征 (2)表面波度 主要是由加工过程中工艺系 统的低频振动引起的周期性形状误差（图 4.1-1中L2/H2)，介于形状误差 (L1/Hl1000)与表面粗糙度(L3/H350)之 间。一般常以波高为波度的特征参数，用 测量长度上五个最大的波幅的算术平均值 W表示： 2.表面层的物理力学性能 图4.1-2加工表面层的性质变化 2.表面层的物理力学性能 表面层加工硬化 表面层的加工硬化一般 用硬化层的深度和硬化程度N来评定： 式中：H加工后表面层的显微硬度； 原材料的显微硬度。 2.表面层的物理力学性能 (2)表面层残余应力 在加工过程中，由于 塑性变形、金相组织的变化和温度造成的 体积变化的影响，表面层会产生残余应力 。目前对残余应力的判断大多是定性的。 2.表面层的物理力学性能 (3)表面层金相组织的变化 在加工过程温 度的作用下，表面层会产生温度升高，当 温度超过材料的相变临界点时，就会产生 组织的变化。这种变化包括晶粒大小、形 状、析出物和再结晶等。金相组织的变化 主要通过显微组织观察来确定。 二、表面质量对零件使用性能的影响 1对零件耐磨性的影响 零件的耐磨性主要与摩擦副的材料热处 理、润滑条件和表面质量有关，在材料和 润滑条件都相同的情况下，零件的表面质 量对零件的耐磨性能起决定性作用。 二、表面质量对零件使用性能的影响 零件表面的磨损过程，一般可分为初期磨损、 正常磨损和急剧磨损三个阶段。在初期磨损阶 段只是零件表面的粗糙度凸峰相接触，实际接 触面小，磨损较快。如图4.1-3所示，初期磨损 量的大小与表面粗糙度有很大关系。在一定条 件下，摩擦副表面有一最佳粗糙度，过大或过 小的粗糙度都会使初期磨损增大。粗糙度值过 大，凸峰间的挤裂、破碎和切断等作用加剧， 因此，磨损也增加；如果零件表面粗糙度值过 小，紧密接触的两个光滑表面间的贮油能力很 差，接触面间产生分子的亲和力，甚至产生分 子粘合，使摩擦阻力增大，磨损量也会增加。 二、表面质量对零件使用性能的影响 2.对零件疲劳强度的影响 在交变载荷的作用下，零件表面微观的 高低不平和其他表面缺陷，如裂纹、划痕 等一样会引起应力集中，当应力超过材料 的疲劳极限时，就会产生和扩展疲劳裂纹 ，造成疲劳破坏。不同材料对应力集中的 敏感程度不同，材料越致密，晶粒越细， 则对应力集中越敏感，对疲劳强度的影响 也就越严重。 二、表面质量对零件使用性能的影响 表面层一定程度的加工硬化能阻止已有裂 纹的产生和裂纹的扩展，表面层的残余压 应力能够部分地抵消工作载荷所引起的拉 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。 二、表面质量对零件使用性能的影响 二、表面质量对零件使用性能的影响 3对抗腐蚀性的影响 零件的耐腐蚀性主要取决于表面粗糙度，表 面粗糙度值越大，腐蚀性介质越易积聚在粗糙 表面的低谷处而发生化学腐蚀；或在波峰处产 生电化学作用而引起电化学腐蚀。因此，降低 零件的表面粗糙度值则会提高零件的抗腐蚀性 。 零件在应力状态下工作时，会产生应力腐蚀 。零件表面有残余应力时，一般都会降低零件 的耐腐蚀性。 二、表面质量对零件使用性能的影响 4.对配合精度的影响 对于间隙配合的表面，其表面粗糙度值 越大，相对运动时的磨损越大，这就使配 合间隙迅速增大，影响间隙配合的精度及 稳定性。对于过盈配合的表面，配合表面 的部分凸峰会被挤平，这将影响过盈配合 的可靠性。表面粗糙度值过大，会影响连 接强度。 三、表面完整性 随着科学技术的发展，对产品的使用性能要求 越来越高，一些重要零件需在高温、高压、高 速的条件下工作，表面层的任何缺陷，不仅直 接影响零件的工作性能，而且还会引起应力集 中、应力腐蚀等现象，加速零件的失效。因此 ，为适应科学技术的发展，在研究表面质量的 领域里提出了表面完整性的概念，主要有： 1)表面形貌 主要用来描述加工后零件表面的 几何特征，它包括表面粗糙度、表面波度和纹 理等。 三、表面完整性 2)表面缺陷 它是指加工表面上出现的宏 观裂纹、伤痕和腐蚀现象等，对零件的使 用有很大影响。 三、表面完整性 3)微观组织和表面层的冶金化学性能 主 要包括微观裂纹、微观组织变化及晶间腐 蚀等。 三、表面完整性 4)表面层物理力学性能 主要包括表面层 硬化深度和程度、表面层残余应力的大小 、分布。 三、表面完整性 5)表面层的其他工程技术特性 主要包括 摩擦特性、光的反射率、导电性和导磁性 等。 4.1.2影响表面粗糙度的因素及改善措施 加工表面几何特征包括表面粗糙度、表面 波度、表面加工纹理几个方面。表面粗糙 度是构成加工表面几何特征的基本单元。 因此，这段落主要分析表面粗糙度的形成 及其影响因素。 用金属切削刀具加工工件表面时，表面 粗糙度主要受几何因素、物理因素和机械 加工振动三个方面因素的作用和影响。 4.1、几何因素 4.1、几何因素 4.2、物理因素 从切削过程的物理实质考虑，刀具的刃口圆 角及后面的挤压与摩擦使金属材料发生塑性变 形，严重恶化了表面粗糙度。在加工塑性材料 而形成带状切屑时，在前刀面上容易形成硬度 很高的积屑瘤。它可以代替前刀面和切削刃进 行切削，使刀具的几何角度、背吃刀量发生变 化。其轮廓很不规则，因而使工件表面上出现 深浅和宽窄都不断变化的刀痕，有些积屑瘤嵌 入工件表面，增加了表面粗糙度。 切削加工时的振动，使工件表面粗糙度值增大 。 4.3、工艺因素 从上述表面粗糙度的成因可知，从工艺的 角度考虑，可以分为：与切削刀具有关的 因素、与工件材质有关的因素和与加工条 件有关的因素。现就切削加工和磨削加工 分别叙述。 1切削加工后的表面 (1)刀具的几何形状、材料及刃磨质量 对表面粗糙度的影响 4.3、工艺因素 4.3、工艺因素 4.3、工艺因素 刀具的材料及刃磨质量影响积屑瘤、鳞刺 的产生，如用金刚石车刀精车铝合金时， 由于摩擦系数小，刀面上就不会产生切屑 的粘附、冷焊现象，因此，能降低粗糙度 值。 (2)工件材料性能对表面粗糙度的影响 与工件材料相关的因素包括材料的塑性 、韧性及金相组织等，一般地讲，韧性较 大的塑性材料，易于产生塑性变形，与刀 具的粘结作用也较大，加工后表面粗糙度 值大。相反，脆性材料则易于得到较小的 表面粗糙度值。 (3)加工条件对表面粗糙度的影响 切削速度 一般情况下，低速或高速切削 时，因不会产生积屑瘤，故表面粗糙度值 较小，如图4.1-7所示。但在中等速度下， 塑性材料由于容易产生积屑瘤和鳞刺，因 此，表面粗糙度值大。 (3)加工条件对表面粗糙度的影响 背吃刀量 它对表面粗糙度的影响不明显 ，一般可忽略，但当0.020.03mm时， 刀尖与工件表面发生挤压与摩擦，从而使 表面质量恶化。 (3)加工条件对表面粗糙度的影响 进给量f 减小进给量f可以减少切削残留面 积高度Rmax减小表面粗糙度值。但进给 量 太小，刀刃不能切削而形成挤压，增大了 工件的塑性变形，反而使表面粗糙度值增 大。 (3)加工条件对表面粗糙度的影响 另外，合理选择润滑液，提高冷却润滑效 果，减小切削过程中的摩擦，能抑制积屑 瘤和鳞刺的生成，有利于减小表面粗糙度 值，如选用含有硫、氯等表面活性物质的 冷却润滑液，润滑性能增强，作用更加显 著。 2.磨削加工后的表面 磨削加工是通过表面具有随机分布磨粒的 砂轮和工件的相对运动来实现的。在磨削 过程中，磨粒在工件表面上滑擦、耕犁和 切下切屑，把加工表面刻划出无数微细的 沟槽，沟槽两边伴随着塑性隆起，形成表 面粗糙度。 (1）磨削用量对表面粗糙度的影响 提高砂轮速度，可以增加在工件单位面积上 的刻痕，同时，塑性变形造成的隆起量随着砂 轮速度的增大而下降，所以粗糙度值减小。 在其他条件不变的情况下，提高工件速度， 磨粒在单位时间内在工件表面上的刻痕数减少 ，因而将增大磨削表面粗糙度值。 磨削深度增加，磨削过程中磨削力及磨削温 度都增加，磨削表面塑性变形增大，从而增大 表面粗糙度值。 (2)砂轮对表面粗糙度的影响 砂轮的粒度 砂轮的粒度越细，单位面 积上的磨粒数越多，工件表面上的刻痕密 而细，则表面粗糙度值越小。但磨粒过细 时，砂轮易堵塞，磨削性能下降，反而使 粗糙度值增大。 (2)砂轮对表面粗糙度的影响 砂轮的硬度 硬度的大小应合适。砂轮 太硬，磨粒钝化后仍不能脱落，使工件表 面受到强烈摩擦和挤压作用，塑性变形程 度增加，表面粗糙度值增大或使磨削表面 烧伤。砂轮太软，磨粒易脱落，常会产生 磨损不均匀现象，而使表面粗糙度值变差 。 (2)砂轮对表面粗糙度的影响 砂轮的修整 砂轮修整的目的是为了去除 外层已钝化的或被磨屑堵塞的磨粒，保证 砂轮具有足够的等高微刃。微刃等高性越 好，磨出工件的表面粗糙度值越小。 (3)工件材料对表面粗糙度的影响 工件材料硬度太大，砂轮易磨钝，故表 面粗糙度值变大。工件材料太软，砂轮易 堵塞，磨削热增大，也得不到较小的表面 粗糙度值。塑性、韧性大的工件材料，其 塑性变形程度大，导热性差，不易得到较 小的表面粗糙度值。 4.1.3影响加工表面物理力学性能的因素 机械加工过程中，工件由于受到切削力、 切削热的作用，其表面与基体材料性能有 很大不同，发生了物理力学性能的变化。 4.1.3影响加工表面物理力学性能的因素 表面层的加工硬化 在机械加工过程中，工件表层金属受到 切削力的作用产生强烈的塑性变形使晶体 间产生剪切滑移，晶粒严重扭曲，并产生 晶粒的拉长、破碎和纤维化，这时工件表 面的强度和硬度提高，塑性降低，这种现 象称作加工硬化，又称冷作硬化。 表面层的硬化程度决定于塑性变形的力、 变形速度和变形时的温度。切削力愈大， 塑性变形愈大，因而硬化程度愈大。变形 速度越大，塑性变形越不充分，硬化程度 相应减小。变形时的温度不仅影响塑性变 形程度，还会影响变形后金相组织的回复 ，即回复作用的速度大小取决于温度的高 低、温度持续的时间及硬化程度的大小。 因此，加工硬化是强化作用和回复作用的 综合结果。 影响表面层加工硬化的因素 影响表面层加工硬化的因素包括以下几个 方面考虑： (1)切削力 切削力越大，塑性变形越大 ，则硬化程度和硬化层深度就越大。例如 ，当进给量f，背吃刀量增大或刀具前角减 小时，都会增大切削力，