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第三章机械加工表面质量本讲稿第一页，共二十五页第三章机械加工表面质量第三章机械加工表面质量概述表面粗糙度和波度加工表面物理机械性能的变化精密加工、光整加工和表面强化工艺机械加工中的振动消振减振的基本途径本讲稿第二页，共二十五页机械加工表面质量机械加工表面质量 定义表面质量也叫表面完整性，是指零件在加工后的表面层状况（几何形状和表面层金属的力学物理性能和化学性能）。研究意义磨损、腐蚀和疲劳破坏都是发生在零件的表面，或是从零件表面开始的，因此，加工表面质量将直接影响到零件的工作性能，尤其是它的可靠性和寿命。表面层的任何缺陷还可能引起应力集中、应力腐蚀等现象，将进一步加速零件的失效，本讲稿第三页，共二十五页机械加工表面质量机械加工表面质量 研究内容几何因素表面的几何形状加工后的表面形貌描述零件外表层的三维几何形状，即它的起伏不平状态与理想的光滑表面有偏差。其偏差分为宏观表面几何形状误差和微观表面几何形状误差。其中：表面粗糙度微观表面几何形状误差；表面波度介于两者之间的为波度。本讲稿第四页，共二十五页机械加工表面质量机械加工表面质量 研究内容非几何因素表面层的物理机械性能变化表面层的冷作硬化 机械加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形，使表层的强度和硬度都提高的现象。表面层残余应力切削加工中，由于切削变形和切削热的影响，工件表层及其基体材料之间会因为相互制约而产生的相互平衡的弹性应力。表面层金相组织的变化磨削时高温常会引起表层金属的金相组织发生变化，大大降低了表面层的物理机械性能。本讲稿第五页，共二十五页表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件耐磨性的影响零件磨损三个阶段：初期磨损、正常磨损、急剧磨损；过大、过小粗糙度使初期磨损量增大，尽量接近最佳粗糙度。轻载时，表面粗糙度纹路方向与相对运动方向一致时磨损最少；重载时，尽量使两表面纹路垂直，且运动方向平行于下表面的纹路方向时，因方向一致易发生咬合，加剧磨损。表面冷硬提高耐磨性，过度冷硬降低耐磨性。本讲稿第六页，共二十五页表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响表面质量对配合精度的影响 动配合表面：粗糙度太大，初期磨损严重，配合间隙增大，配合精度降低；静配合表面：装配时，表面粗糙度的部分凸峰被挤平，实际配合过盈减少，降低了静配合表面的结合强度。本讲稿第七页，共二十五页表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件疲劳强度的影响疲劳破坏：在交变载荷作用下，零件上产生微裂纹并发展成疲劳裂纹，导致突然断裂。表面粗糙度参数值大（特别是在零件上应力集中区的粗糙度参数值大）将大大降低零件的疲劳强度。表面残余拉应力将导致疲劳强度的显著下降适当的冷硬使表面层金属强化，提高零件的疲劳强度。冷硬过度，出现疲劳裂纹，降低零件疲劳强度。本讲稿第八页，共二十五页表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件耐腐蚀性的影响粗糙表面的凹谷处容易积聚腐蚀性介质而发生化学腐化，或在粗糙表面的凸峰间容易产生电化学作用而引起电化学腐蚀。减小表面粗糙度参数值可提高耐腐蚀性。零件在应力状态下工作时，会产生应力腐蚀加速腐蚀作用。如表面存在裂级则更增加了应力腐蚀的敏感性。表面残余应力会降低零件的耐腐蚀性。表面冷硬或金相组织变化时，会引起表面残余应力，降低零件的耐腐蚀性。本讲稿第九页，共二十五页表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响表面质量对接触刚度的影响 表面粗糙度越小，接触刚度越好，减少表面粗糙度接触刚度提高。本讲稿第十页，共二十五页表面粗糙度和波度表面粗糙度和波度切削加工表面粗糙度产生原因刀具在工件表面留下的残留面积（几何原因）切削过程的物理方面原因刀刃与工件相对位置的微幅变动（力学原因）本讲稿第十一页，共二十五页残留面积计算本讲稿第十二页，共二十五页表面粗糙度和波度表面粗糙度和波度切削加工表面粗糙度产生原因切削过程的物理方面原因低速切削塑性材料时，易出现积屑瘤和鳞刺，使加工表面出现不规则沟槽或鳞片状毛刺，使粗糙度增大。刀具与工件表面挤压摩擦，使加工表面产生塑性变形，使粗糙度增大。切削脆性材料产生崩碎时，崩碎裂缝深入到已加工表面之下，使粗糙度增大。刀刃与工件相对位置的微幅变动（力学原因）机床主轴回转误差及工艺系统振动，引起刀刃与工件相对位置发生微幅变动，使粗糙度加大。本讲稿第十三页，共二十五页磨削加工表面粗糙度磨削加工表面粗糙度磨削过程有与一般切削加工不同的特点磨削表面粗糙度形成的共性规律与切削表面粗糙度的三条原因相同磨削表面粗糙度形成的特殊规律当磨削温度不太高、工件表面没有出现烧伤和涂抹微融金属时，影响表面粗糙度的主要是几何因素。如磨削表面出现微融金屑的涂抹点时，影响表面粗糙度的主要是高温下的塑性变形。本讲稿第十四页，共二十五页表面波度表面波度定义介于宏观与微观间的表面几何形状偏差。特征表面的峰谷具有较明显的周期性。原因表面波度主要是由加工过程中工艺系统振动引起的。分析表面波度的波纹数不仅与工件一转中刀具、工件间的相对振动次数有关，还与前后二圈振纹的相位角有关。表面波度的波高决定于工件与刀具相对振动的振幅和相位角。本讲稿第十五页，共二十五页加工表面物理机械性能的变化加工表面物理机械性能的变化表面冷硬工件表面强化、硬化的现象表面冷硬是由于塑性变形引起表面冷硬与再结晶的关系 影响表面冷硬的因素 切削用量 刀具工件材料性质 本讲稿第十六页，共二十五页磨削烧伤实质使表层金属的金相组织发生变化，强度和硬度下降，产生残余应力，甚至产生显微裂纹，大大降低了工件的机械力学性能。外观表现工件表面因磨削热产生的氧化层厚度不同，往往会出现黄褐，紫、青等颜色变化。类型一般可分为回火烧伤、淬火烧伤以及退火烧伤。本讲稿第十七页，共二十五页磨削烧伤防止磨削烧伤的途径减少热量的产生和加速热量排出主要措施控制磨削用量合理选择砂轮并控制修整参数采用间断磨削提高冷却效果本讲稿第十八页，共二十五页表面层残余应力产生原因切削过程中表面层局部冷态塑性变形表层金属受到残余拉应力而里层基体金属受到残余压应力表层局部热塑性变形表层带残余拉应力，里层有残余压应力表层局部金属组织的转变表层金属相变导致体积发生变化，受基体金属的阻碍引起残余应力本讲稿第十九页，共二十五页表面层残余应力的控制方法：另外增加一道专门的工序以减少或消除残余应力为目的：可采用精密加工工艺或光整加工工艺 作为最终加工工序，或另加时效工序以 消除残余应力。以形成残余压应力为目的：可采用表面强化工艺或表面热处理工艺，使工件表面形成残余压应力。本讲稿第二十页，共二十五页精密加工工艺精密加工工艺内容精密切削加工、高光洁高精度磨削。精密切削加工特点精度高、刚性好的机床精细刃磨的刀具很高或极低的切削速度很小的切深和进给量在工件表面切去极薄一层金属切削过程残留面积小排除切削力、切削热和振动等的不利影响精密切削加工的效应能有效地去除上道工序留下的表面变质层，加工后表面基本上不带有残余拉应力，粗糙度也大大减小。本讲稿第二十一页，共二十五页高光洁高精度磨削高光洁高精度磨削内容精密磨削、超精密磨削和镜面磨削。高光洁高精度磨削特点高精度和高刚性机床经精细修整的砂轮每个磨粒上产生多个等高的微刃很小的磨削深度适当的磨削压力从工件表面切下很微细的切屑微刃呈微钝状态时的滑擦、挤压、抚平作用多次无进给光磨阶段的磨擦抛光作用高光洁高精度磨削特点能获得很高的加工精度和物理机械性能良好的高光洁表面。本讲稿第二十二页，共二十五页光整加工工艺定义用粒度很细的磨料对工件表面进行微量切削和挤压擦光的过程 光整加工特点不要求机床有精确的成形运动不能修正加工表面的位置误差切削效率极低 没有与磨削深度相对应的磨削用量参数只规定加工时磨具与工件表面间的压力磨粒主要起挤压，抛光作用加工过程平稳，发热少光整加工的效应获得极光洁的表面，加工表面变质层极浅，表面一般不带有残余拉应力。本讲稿第二十三页，共二十五页精密加工工艺和光整加工工艺的对比精密加工工艺可全面提高工件的加工精度和表面质量。光整加工主要用以获得较高的表面质量。本讲稿第二十四页，共二十五页表面强化工艺表面强化工艺定义通过对工件表面冷挤压使之发生冷态塑性变形，从而提高其表面硬度、强度，并形成表面残余压应力的加工工艺。常用的表面强化工艺喷丸强化适用于不规则表面和形状复杂的表面的强化加工。滚压强化适用于规则表面的强化加工。本讲稿第二十五页，共二十五页