第五章 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 加工表面质量的概念 一 加工表面的几何形状误差 1 表面粗糙度表面粗糙度 波长与波高比值一般小于50 2 波度 波长与波高的比值等于50 1000 3 纹理方向 表面刀纹的方向 4 伤痕 表面上一些个别位置上出现的缺陷 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 表面层金属的力学物理性能和化学性能 1 表面层金属的冷作硬化 2 表面层金属的金相组织 3 表面层金属的残余应力 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 一般说来 表面粗糙度值越小 其耐磨性越好 但是表面粗糙度值 太小 因接触面容易发生分子粘接 且润滑液不易储存 磨损反而增 加 因此 就磨损而言 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 一般来说 圆弧状 凹坑状表面纹理的耐磨性好 尖峰状的表面纹 理由于摩擦副接触面压强大 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 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 反之 加工表面越粗糙 表面的纹痕越深 纹底半径越小 其抵抗疲劳破坏 的能力越差 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 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 表面层金属的力学物理性质对耐疲劳性的影响 1 表面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 2 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 加工表面与气体 液体接触的面积越大 腐 蚀物质越容易沉积于凹玩中 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 1 对于间隙配合表面 原有间隙将因急剧的初期磨损而改变 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 一 影响切削加工表面粗糙度的因数 1 几何因素 取决于切削残留面积的高度 车削 刨削时残留面积高度的计算 尖刀切削的情况 圆弧刀刃切 削的情况 减小表面粗糙度的措施 减小f kr kr 扩大r 另外提高刀具刃磨 质量 从而减小复映效果 图4 6车削 刨削时残留面积的高度 第二节 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施 2 物理因素 主要包括 积削瘤 鳞刺 金属材料的塑性变形 采取的措施 1 选用合适的切削速度 避免中低速区 如在实际生产中 用低速宽刀精刨和高速精车 精铣 2 改善被加工材料的性质 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 4 合理选用冷却润滑液 第二节 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施 二 影响磨削加工表面粗糙度的因数 1 几何因素 单位面积上刻痕越多 即通过单位面积的磨粒数越多 刻痕的等高性越好 则磨削表面的粗糙度值越小 1 磨削用量对表面粗糙度的影响 砂轮的速度越高 工件速度越低 砂轮的纵向进给减小 工件表面的每个部 位被砂轮重复磨削的次数增加 被磨表面的粗糙度值将减小 2 砂轮粒度和砂轮修整对表面粗糙度的影响 砂轮的粒度号数越大 磨粒越细 参加磨削的磨粒越多 表面粗糙度就 越小 修整砂轮时 金刚石笔的纵向进给量越小 砂轮表面磨粒的等高性越好 被 磨工件的表面粗糙度值就越小 第二节 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施 2 物理因素的影响 主要从表面层金属的塑性变形角度考虑 1 磨削用量的影响 砂轮速度越高 表层金属的塑性变形减小 磨削表面的粗糙度值将明显减小 工件速度增加 塑性变形增加 表面粗糙度值将增大 磨削深度增大 塑性变形将随之增大 被磨的表面粗糙度值会增大 2 砂轮的选择 粒度 单纯从几何因素考虑 砂轮粒度越细 磨削的表面粗糙度值越小 但 磨粒太细时 砂轮易被磨屑堵塞 若导热情况不好 反而会在加工表面产生烧 伤等现象 使表面粗糙度值增大 砂轮的硬度 不是磨料的硬度 砂轮选得太硬 磨粒不易脱落 自锐 性 差 磨钝了的磨粒不能及时被新磨粒替代 使表面粗糙度增大 砂轮选得太软 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 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数 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 这些都会使表面层金属的硬度增加 统称为冷作硬化 或 称为强化 评定冷作硬化的指标有下列三顶 1 表层金属的显微硬度HV 2 硬化层深度h Vm 3 硬化程度N 式中HVo 工件内部金属原来的硬度 弱化 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 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 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 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 影响切削加工表面冷作硬化的因素 1 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 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 进给量和切削速度的影响最大 切削深度对表层金属冷作硬化的影响不大 一般加大进给量时 表层金属的显微硬度将随之增加 但是如果进给量很小 比如切削厚度小于0 05 0 06mm时 若继续减小进给量 则表层金属的 冷硬程度不仅不会减小 反而会增大 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 切削刃钝圆半径的大小对切屑形成过程的进行有决定性影响 钝圆半径增大 径向切削分力也将随之加大 表层金属的塑性变形程度加剧 导致冷硬增 大 另刀具磨损对表层金属的冷硬影响很大 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 影响磨削加工表面冷作硬化的因素 1 加工材料性能的影响 2 磨削用量的影响 3 砂轮粒度的影响 二 表层金属的金相组织变化 一 机械加工表面金相组织的变化 主要存在于磨削加工 由于磨削工件表面具有很高的温度 使表层金属的金 相组织产生变化 出现磨削烧伤现象 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 2 淬火烧伤 3 退火烧伤 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 改善磨削烧伤的工艺途径 1 正确选择砂轮 2 合理选择磨削用量 3 改善冷却条件 4 开槽砂轮 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 三 表层金属的残余应力 一 表层金属产生残余应力的原因 1 冷塑性变形 表层金属中产生压缩残余应力 里层金属中产生拉伸残余应力 原因 加工表面受到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 切削过后 里层金属趋于弹性恢复 但受到 以产生塑性变形 的表层金属牵制 2 热塑性变形 表层金属中产生拉伸残余应力 里层金属中产生压缩残余应力 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 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 3 相变引起的体积变化 金相组织的变化引起表层金属的比容 m3 kg 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 注意 加工表面层内残余应力的性质是以上几方面影响的综合结果 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