63机械加工表面质量

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6.3机械加工表面质量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。零件表面和表面层经过常规机械加工或特种加工后总是存在着一定程度的微观不平度、冷作硬化、残余应力以及金相组织变化等问题，虽然只产生在很薄的表面层中，但对零件的使用性能如配合精度、耐磨性、抗腐蚀性和疲劳强度等有很大影响。 研究机械加工表面质量的目的，就是为了掌握机械加工中各种工艺因素对加工表面质量影响的规律，以便运用这些规律来控制加工过程，最终达到改善表面质量、提高产品使用性能的目的。机械加工表面质量主要内容包括两部分，即表面的几何形状特征和表面层的物理、机械性能变化。 1.表面的几何形状特性，主要由以下两个部分组成：(1)表面粗糙度：表面的微观几何形状误差；(2)波度：介于加工精度（宏观）和表面粗糙度之间的周期性几何形状误差，它主要是加工过程中工艺系统的振动所引起的。 2.表面层的物理、机械性能的变化，主要有以下三个方面的内容：(1)表面层因塑性变形引起的冷作硬化；(2)表面层因切削热引起的金相组织的变化；(3)表面层中产生的残余应力。工件表面的波度是由机械加工振动引起的。 一、机械加工表面质量对机器使用性能的影响1.表面质量对耐磨性的影响⑴表面粗糙度对耐磨性的影响零件磨损的三个阶段：初期磨损阶段，正常磨损阶段，急剧磨损阶段。摩擦副的磨损过程 表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般说表面粗糙度值愈小，其耐磨性愈好。接触面的表面粗糙度有一个最佳值。表面粗糙度与初期磨损量的关系 表面粗糙度的最佳值与零件的工作情况有关，工作载荷加大时，初期磨损量增大，表面粗糙度最佳值也加大。 ⑵表面冷作硬化对耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。但过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降。如果表面层的金相组织发生变化，其表层硬度相应地也随之发生变化，影响耐磨性。 2.表面质量对疲劳强度的影响金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏往往发生在零件表面或表面冷硬层下面，因此零件的表面质量对疲劳强度影响较大。 ⑵残余应力、冷作硬化对疲劳强度的影响残余应力对零件疲劳强度的影响很大。表面层残余拉应力将使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏；而表面层残余压应力能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的发生。表面冷硬一般伴有残余压应力的产生，可以防止裂纹产生并阻止己有裂纹的扩展，对提高疲劳强度有利。 3.表面质量对耐蚀性的影响零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多，抗蚀性就愈差。表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐蚀性，而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。 二、影响表面粗糙度的因素1.切削加工影响表面粗糙度的因素⑴刀具几何形状的复映刀具相对于工件作进给运动时，在加工表面留下了切削层残留面积，其形状是刀具几何形状的复映，见图。车削时工件表面的残留面积 对于车削，如果背吃刀量较大，主要是以刀刃的直线部分形成表面粗糙度，此时可不考虑刀刃圆弧半径的影响，按图a的几何图形可求得：车削时工件表面的残留面积 如果背吃刀量较小，工件表面粗糙度则主要由刀刃的圆弧部分形成，此时按图b的几何图形可求得：车削时工件表面的残留面积 式中——残留面积高度；f——进给量；——主偏角（）；——副偏角；rε——刀尖圆弧半径。由上述公式可知，减小f、、及加大rε，可减小残留面积的高度。 此外，适当增大刀具的前角以减小切削时的塑性变形程度，合理选择冷却润滑液和提高刀具刃磨质量以减小切削时的塑性变形和抑制刀瘤、鳞刺的生成，也是减小表面粗糙度值的有效措施。 ⑵工件材料的性质加工塑性材料时，由刀具对金属的挤压产生了塑性变形，加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。工件材料韧性愈好，金属的塑性变形愈大，加工表面就愈粗糙。加工脆性材料时，切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。 ⑶切削用量切削速度对表面粗糙度的影响很大。加工塑性材料时，若切削速度处在产生积屑瘤和鳞刺的范围内，加工表面将很粗糙，见图。若将切削速度选在积屑瘤和鳞刺产生区域之外，则可使表面粗糙度值明显减小。加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响 进给量对表面粗糙度的影响甚大。背吃刀量对表面粗糙度也有一定影响。过小的背吃刀量或进给量，将使刀具在被加工表面上挤压和打滑，形成附加的塑性变形，会增大表面粗糙度值。 2.磨削加工影响表面粗糙度的因素磨削加工表面粗糙度的形成也是由几何因素和表面金属的塑性变形来决定的。从几何因素的角度分析，被磨表面单位面积上通过的砂粒数愈多，则该面积上的刻痕愈多，刻痕的等高性愈好，表面粗糙度值愈小。 从塑性变形的角度分析，磨削过程温度高，磨削加工时产生的塑性变形要比刀刃切削时大得多。磨削时，金属沿着磨粒的两侧流动，形成沟槽两侧的隆起，使表面粗糙度值增大。 影响磨削表面粗糙度的主要因素有：⑴砂轮的粒度砂轮的粒度号数愈大，磨粒愈细，表面粗糙度值愈小。但过细，砂轮容易堵塞，反而会增大工件表面的粗糙度值。⑵砂轮的硬度砂轮太硬，工件表面粗糙度值增大。砂轮太软，工件表面粗糙度值也会增大。 ⑶砂轮的修整修整砂轮的金刚石工具愈锋利，修整导程愈小，修整深度愈小，表面粗糙度值愈小。⑷磨削速度提高磨削速度，工件表面粗糙度值小。 ⑸磨削径向进给量与光磨次数增大磨削径向进给量，塑性变形增大，被磨表面粗糙度值增大。增多光磨次数，可显著降低磨削表面粗糙度值。光磨：磨削将结束时不再作径向进给，仅靠工艺系统的弹性恢复进行的磨削。 ⑹工件圆周进给速度与轴向进给量工件圆周进给速度和轴向进给量小，表面粗糙度值也小。但过小有可能出现烧伤。⑺冷却润滑液冷却润滑液可及时冲掉碎落的磨粒，减轻砂轮与工件的摩擦，降低磨削区的温度，减小塑性变形，并能防止磨削烧伤，使表面粗糙度值变小。 三、影响加工表面层物理机械性能的因素在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理机械性能产生变化，最主要的变化是表面层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重，因而磨削加工后加工表面层上述三项物理机械性能的变化会更大。 1.表面层冷作硬化⑴冷作硬化及其评定参数机械加工过程中因切削力作用产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，这些都会使表面层金属的硬度和强度提高，这种现象称为冷作硬化。 表面层金属强化的结果，会增大金属变形的阻力，减小金属的塑性，金属的物理性质也会发生变化。被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态，只要一有可能，金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化，这种现象称为弱化。 弱化作用的大小取决于温度的高低、温度持续时间的长短和强化程度的大小。评定冷作硬化的指标有三项，即表层金属的显微硬度、硬化层深度和硬化程度。 ⑵影响冷作硬化的主要因素1刀具的影响切削刃钝圆半径增大，对表层金属的挤压作用增强，塑性变形加剧，导致冷硬增强。刀具后刀面磨损增大，后刀面与被加工表面的摩擦加剧，塑性变形增大，导致冷硬增强。 2)切削用量的影响切削速度增大，刀具与工件的作用时间缩短，使塑性变形扩展深度减小，冷硬层深度减小。切削速度增大后，切削热在工件表面层上的作用时间也缩短了，将使冷硬程度增加。进给量增大，切削力也增大，表层金属的塑性变形加剧，冷硬作用加强。 3)加工材料的影响工件材料的塑性愈大，冷硬现象就愈严重。碳钢中含碳量愈大，强度变高，塑性变小，冷硬程度变小。有色金属的熔点低，容易弱化，冷硬现象就比钢轻得多。 2.表面层材料金相组织变化磨削加工时，磨削比压特别大，磨削速度很高，切除金属所消耗的功率远大于切削加工。磨削加工所消耗的能量绝大部分要转化为热，传给被磨工件表面，使工件温度升高，引起加工表面层金属金相组织的显著变化。 ⑴磨削烧伤被磨工件表面层温度达到相变温度以上时，表层金属发生金相组织的变化，使表层金属强度、硬度降低，并伴随有残余应力产生，甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。 在磨削淬火钢时，可能产生以下三种烧伤：1)回火烧伤如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度，但己超过马氏体的转变温度，工件表层金属的回火马氏体组织将转变成硬度较低的回火组织，这种烧伤称为回火烧伤。 2)淬火烧伤如果磨削区温度超过了相变温度，再加上冷却液的急冷作用，表层金属发生二次淬火，使表层金属出现二次淬火马氏体组织，其硬度比原来的回火马氏体的高，在它的下层，因冷却较慢，出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织，这种烧伤称为淬火烧伤。 3)退火烧伤如果磨削区温度超过了相变温度，而磨削区域又无冷却液进入，表层金属将产生退火组织，表面硬度将急剧下降，这种烧伤称为退火烧伤。 ⑵改善磨削烧伤的途径磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤有两个途径：一是尽可能地减少磨削热的产生；二是改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。 1)正确选择砂轮砂轮的硬度太高，钝化了的磨粒不易及时脱落，磨削力和磨削热增加，容易产生烧伤；选用具有一定弹性的结合剂可以缓解磨削烧伤；当磨削塑性较大的材料时，为避免砂轮堵塞，选用磨粒较粗的砂轮。 2)合理选择磨削用量磨削径向进给量对磨削烧伤影响很大。磨削径向进给量增加，磨削力和磨削热急剧增加，容易产生烧伤。适当增大磨削轴向进给量可以减轻烧伤。 3)改善冷却条件磨削时冷却液若能更多地进入磨削区，就能有效地防止烧伤现象的发生。提高冷却效果的方式有高压大流量冷却、喷雾冷却、内冷却等。内冷却的工作原理参见图内冷却装置1—锥形盖2－通道孔3－砂轮中心腔4－有径向小孔的薄壁套 3.表面层残余应力⑴产生残余应力的原因1)切削时在加工表面金属层内有塑性变形发生，使表层金属的比容加大，由于塑性变形只在表层金属中产生，而表层金属比容增大，体积膨胀，不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻止，因此就在表面金属层产生了残余压应力，而在里层金属中产生残余拉应力。 2)切削加工中，切削区会有大量的切削热产生。下图为切削热在表层金属产生残余拉应力的分析过程。由于切削热在表层金属产生残余拉应力的分析图 3)不同的金相组织具有不同的密度，即具有不同的比容如果表面层金属产生了金相组织的变化，表层金属比容的变化必然要受到与之相连的基体金属的阻碍，因而就有残余应力产生。 ⑵零件主要工作表面最终工序加工方法的选择零件主要工作表面最终工序加工方法的选择至关重要，因为最终工序在该工作表面留下的残余应力将直接影响机器零件的使用性能。选择零件主要工作表面最终工序加工方法，须考虑该零件主要工作表面的具体工作条件和可能的破坏形式。 在交变载荷作用下，机器零件表面上的局部微观裂纹，会因拉应力的作用使原生裂纹扩大，最后导致零件断裂。从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑，该表面最终工序应选择能在该表面产生残余压应力的加工方法。 各种加工方法在加工表面上残留的残余应力情况，参见表。