第五章机械加工质量.ppt

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1、第五章机械加工质量第5章 机械加工表面质量及其控制本章要点机械加工中的振动机械加工中的振动加工表面质量对使用性能的影响加工表面质量对使用性能的影响影响加工表面粗糙度的工艺因素影响加工表面粗糙度的工艺因素影响表层金属力学物理性能的工影响表层金属力学物理性能的工艺因素艺因素Logo5机械加工表面质量及其控制 零件加工表面微观几何形状Logo5机械加工表面质量及其控制 零件宏观几何形状误差、波纹度、表面粗糙度宏观几何形状误差（平面度、圆度等）宏观几何形状误差（平面度、圆度等）波长波长/波高波高10001000波纹度波纹度 波长波长/波高波高=50=5010001000；且具有周期特性；且具有周期特性

2、表面粗糙度表面粗糙度 波长波长/波高波高5050；可；可从下列三项中选取:轮廓算术平均偏差Ra a；微观不平度十点高度Rz z 轮廓最大高度R Ry ya）波纹度b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度与波度RZHRZLogo5.1.1加工表面质量概念加工表面质量概念 加工表面的几何形貌加工表面的几何形貌纹理方向纹理方向刮削81)表面层冷作硬化表面层冷作硬化(简称冷硬简称冷硬)：在机械加工中，零件表面层在机械加工中，零件表面层产生强烈的冷态塑性变形后，引起的强度和硬度都有所提高产生强烈的冷态塑性变形后，引起的强度和硬度都有所提高的现象。一般情况下表面硬化层的深度可达的现象。一般情况下表面硬化层的深度

3、可达0.050.30mm。2)表面层金相组织的变化：表面层金相组织的变化：机械加工过程中，由于切削热或机械加工过程中，由于切削热或磨削热的作用引起工件表面温升过高，表面层金属的金相组磨削热的作用引起工件表面温升过高，表面层金属的金相组织发生变化的现象。织发生变化的现象。3)表面层残余应力：表面层残余应力：是由于加工过程中切削变形和切削热的是由于加工过程中切削变形和切削热的影响，工件表面层产生残余应力。影响，工件表面层产生残余应力。2 2、表面层的物理机械性能、表面层的物理机械性能 5.1.1机械加工表面质量含义机械加工表面质量含义 9（1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响）表面粗糙度对零件耐磨性的

4、影响v表面粗糙度太大和太小都不耐磨。表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如如图图所示。所示。v表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平表面粗糙度太大，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；的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；v表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑，表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。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。结而加剧磨损。v表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷载荷加大时，

5、磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。随之右移。5.1.2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1、表面质量对耐磨性的影响表面质量对耐磨性的影响耐磨性主要取决于摩擦副的材料及润滑条件，并与零件的表面质量有关。耐磨性主要取决于摩擦副的材料及润滑条件，并与零件的表面质量有关。零件磨损三个阶段：零件磨损三个阶段：初期磨损阶段；正常磨损阶段；剧烈磨损阶段初期磨损阶段；正常磨损阶段；剧烈磨损阶段5.1.2 机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响摩擦副的磨损过程摩

6、擦副的磨损过程11（1）表面粗糙度对零件耐磨性）表面粗糙度对零件耐磨性的影响的影响v表面粗糙度的最佳值与机器零表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关件的工作情况有关，载荷加大时，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。表面粗糙度值也随之右移。1、表面质量对耐磨性的影响表面质量对耐磨性的影响5.1.2 机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响12（2）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响）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。加工表面的冷作硬化

7、，一般能提高零件的耐磨性。因因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，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。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。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因为过这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松疏松”，在相对，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，运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。使零件加速磨损。（1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响表面粗糙度

8、越大，抗疲劳破坏的能力越差。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。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，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。纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。适度的表面层冷作硬化能提

9、高零件的疲劳强度。残余应力有拉应力和压应力之分，残余应力有拉应力和压应力之分，残余拉应力残余拉应力容易使已容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度降低疲劳强度残余压应力残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，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，从而延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度提高零件的疲劳强度。（2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响度的影响（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。表面粗糙度较大，则降低了配合

10、精度。（2）表面残余应力对零件工作精度的影响）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，就会影响它们精度表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。的稳定性。5.1.2表面质量对零件工作精度的影响5.1.3表面质量对零件耐腐蚀性能的影响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）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，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。渗透与腐蚀作用越强烈。因此因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。能。（

11、2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响）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。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：表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：如减如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；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对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。失

12、。零件表面质量零件表面质量粗糙度太大、太小都不耐磨粗糙度太大、太小都不耐磨适度冷硬能提高耐磨性适度冷硬能提高耐磨性对疲劳强度对疲劳强度的影响的影响对耐磨性的对耐磨性的影响影响对耐腐蚀性对耐腐蚀性能的影响能的影响对工作精度对工作精度的影响的影响粗糙度越大，疲劳强度越差粗糙度越大，疲劳强度越差适度冷硬、残余压应力能提高适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度疲劳强度粗糙度越大、工作精度降低粗糙度越大、工作精度降低残余应力越大，工作精度降低残余应力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蚀性越差粗糙度越大，耐腐蚀性越差压应力提高耐腐蚀性，拉应力压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性反之则降低耐腐蚀性5.1

13、.2 表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响18机械制造工艺学机械制造工艺学 第第5章章 机械加工表面质量及其控制机械加工表面质量及其控制Quality of Machining Surface and Control 5.2 影响加工表面粗糙度的工影响加工表面粗糙度的工艺因素艺因素Technological Factors Influencing RoughnessLogo1、切削加工表面粗糙度的形成及影响因素切削加工表面粗糙度的形成及影响因素(1)(1)几何因素几何因素刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r r主偏角主偏角k kr r、副偏角、副偏角k k

14、r r进给量进给量f f5.2.1切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度202.物理力学因素物理力学因素（1）工件材料的影响）工件材料的影响v韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善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。正火或调质处理。v脆性材料：加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切脆性材料：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，

15、使表面粗糙。屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。21（1）塑性变形：在切削过程中，刀具的刃口圆角（刃口半径）及后刀面对工件的挤压与摩擦使金属材料发生塑性变形而使理 论残留面积挤歪或沟槽加深，表面粗糙度值。（2）积屑瘤（刀瘤）和磷刺：中低速加工塑性金属材料 积屑瘤（刀瘤）：产生成长脱落是周期性的动态变化（引起振动），形状不规则，脱落的碎片有些嵌入工件使 加工表面上出现深浅和宽度不断变化的沟槽，表面粗糙度值 磷刺：由于切屑在前刀面上摩擦和冷焊作用，造成周期性 地停留，代替刀具推挤切削层，造成切削层和工件之间出现撕 裂现象，如此连续发生使加工表面上出现鳞片状毛刺般的 缺陷，表面粗糙度值。2

16、、物理力学因素5.2.1切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度225.2.1切削加工表面粗糙度影响因素 切切削削速速度度影影响响最最大大：v v=101050m/min50m/min范范围围，易易产产生生积积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差（图屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差（图3-73-7）。其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等图3-7切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（m）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度 h（m）0200400600hKsRz切削

17、表面塑性变形和积屑瘤切削表面塑性变形和积屑瘤Logo（2）切削速度的影响）切削速度的影响加工塑性材料时，切削速度对表加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响（对面粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞刺积屑瘤和鳞刺的的影响）。加工脆性材料，切削速度影影响）。加工脆性材料，切削速度影响不大。响不大。此外，切削速度越高，塑性变形此外，切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小越不充分，表面粗糙度值越小选择低速宽刀精切和高速精切，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。可以得到较小的表面粗糙度。（4）其它因素的影响）其它因素的影响合理使用合理使用冷却润滑液冷却润滑液，适当，适当增增大刀具的

18、前角大刀具的前角，提高，提高刀具的刃磨刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。糙度值。振动振动（3）进给量的影响）进给量的影响减小进给量减小进给量f固然可以减小固然可以减小表面粗糙度值，但表面粗糙度值，但进给量过小，进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势。表面粗糙度会有增大的趋势。24外圆磨削外圆磨削二、磨削加工表面粗糙度二、磨削加工表面粗糙度磨削用量：砂轮转速、工件转速、轴向进给量（f）、砂轮纵向进给量（ap）砂轮的六因素：磨料，粒度，结合剂，硬度，组织，形状尺寸25影响切削加工表面影响切削加工表面粗糙度的因素粗糙度的因素刀具几何形状刀具几何形状刀具材料、刃磨

19、质量刀具材料、刃磨质量切削用量切削用量工件材料工件材料残留面积残留面积 Ra前角前角 Ra后角后角摩擦摩擦Ra刃倾角会影响实际工作前角刃倾角会影响实际工作前角 v Raf Raap对对Ra影响不大，太小会影响不大，太小会打滑，划伤已加工表面材料塑性材料塑性 Ra同样材料晶粒组织大同样材料晶粒组织大 Ra，常用正火、调质处理，常用正火、调质处理刀具材料强度刀具材料强度 Ra刃磨质量刃磨质量 Ra冷却、润滑冷却、润滑 Ra影响加工表面粗糙度的因素影响加工表面粗糙度的因素265.2.2磨削加工表面粗糙度磨削加工表面粗糙度1、磨削中影响粗糙度的几何因素磨削中影响粗糙度的几何因素磨粒在砂轮上的分布越磨粒

20、在砂轮上的分布越均匀、磨粒越细，刃口的等均匀、磨粒越细，刃口的等高性越好。则砂轮单位面积高性越好。则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒越多，磨上参加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越细密均削表面上的刻痕就越细密均匀，表面粗糙度值就越小。匀，表面粗糙度值就越小。（1）砂轮的磨粒）砂轮的磨粒v砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越砂轮转速越高，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。多，表面粗糙度值就越小。v工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影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。响相反。工件的转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，工件的转速增大，通过加

21、工表面的磨粒数减少，因此表面粗糙度值增大因此表面粗糙度值增大。v砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被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。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）磨削用量（2）砂轮修整）砂轮修整砂轮修整除了使砂轮具砂轮修整除了使砂轮具有正确的几何形状外，更重有正确的几何形状外，更重要的是使砂轮工作表面形成要的是使砂轮工作表面形成排列整齐而又锐利的微刃。排列整齐而又锐利的微刃。因此，砂轮修整的质量对磨因此，砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大。削表面的粗糙度影响很大。2、磨削中影响粗

22、糙度的物理因素磨削中影响粗糙度的物理因素（1）磨削用量）磨削用量砂轮的转速砂轮的转速材料塑性变形材料塑性变形表面粗糙表面粗糙度值度值；磨削深度磨削深度、工件速度工件速度塑性变形塑性变形表表面粗糙度值面粗糙度值；为提高磨削效率，通常在开始磨削时采为提高磨削效率，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，以减小表小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表面粗糙度值。面粗糙度值。（4）工件材料）工件材料太硬易使磨粒磨钝太硬易使磨粒磨钝 Ra ；太软容易堵塞砂轮太软容易堵塞砂轮Ra ；韧性太大，热导率差会使磨粒早期韧性太大，

23、热导率差会使磨粒早期崩落崩落Ra 。（5）砂轮粒度与硬度）砂轮粒度与硬度磨粒太细，砂轮易被磨屑磨粒太细，砂轮易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，堵塞，使表面粗糙度值增大，若导热情况不好，还会烧伤若导热情况不好，还会烧伤工件表面。工件表面。砂轮太硬，使表面粗糙度增大；砂轮太硬，使表面粗糙度增大；砂轮选得太软，使表面粗糙度砂轮选得太软，使表面粗糙度值增大。值增大。影响磨削加工表面影响磨削加工表面粗糙度的因素粗糙度的因素粒度粒度Ra 金刚石笔锋利金刚石笔锋利，修正导程、径修正导程、径向进给量向进给量 Ra磨粒等高性磨粒等高性Ra太硬、太软、韧性、导热性差太硬、太软、韧性、导热性差 Ra砂轮粒度砂轮粒度

24、工件材料性质工件材料性质砂轮修正砂轮修正磨削用量磨削用量砂轮硬度砂轮硬度砂轮砂轮V Raap、工件工件V 塑变塑变 Ra粗磨粗磨ap生产率生产率精磨精磨ap Ra(ap=0光磨光磨)5.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量表面粗糙度和表面微观形貌测量 qq 比较法比较法qq 触针法：触针法：R Ra a 0.020.025 5m m表面粗糙度测量表面粗糙度测量工件驱动箱放大器处理器记录器显示器触针传感器触针法工作原理qq 光切法：光切法：R Rz z 0.50.56060m mqq 干涉法：干涉法：R Rz z 0.050.050.80.8m m325.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量表面粗糙

25、度和表面微观形貌测量 表面粗糙度测量表面粗糙度测量qq 比较法比较法335.2.3表面粗糙度的测量表面粗糙度的测量表面粗糙度的测量 比较法将被测表面与表面粗糙度样板进行对比，以将被测表面与表面粗糙度样板进行对比，以确定被测表面的表面粗糙度等级确定被测表面的表面粗糙度等级 方方法法简简便便，适适应应在在生产现场使用生产现场使用 准确度取决于检测准确度取决于检测人员的经验人员的经验 仅用于粗糙度值较仅用于粗糙度值较大的工件表面大的工件表面 方方法法要要求求样样板板的的材材料料与与加加工工纹纹理理与与被被测测表面尽可能一致表面尽可能一致Logo5.2.3表面粗糙度的测量表面粗糙度的测量表面粗糙度的测

26、量 触针法将触针在被测表面移动时所将触针在被测表面移动时所作的上下运动经机作的上下运动经机电转换电转换放大后输出表放大后输出表面轮廓参数值或表面轮廓图形面轮廓参数值或表面轮廓图形 接触式测量接触式测量 测量精度的影响因素：测量精度的影响因素：vv 触针针尖圆角半径触针针尖圆角半径vv 触针的作用力触针的作用力vv 传传感感信信号号随随触触针针移移动动的的非非线性等因素的影响线性等因素的影响 适用检测适用检测R Ra a=0.025=0.025mm Logo5.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量表面粗糙度和表面微观形貌测量 表面粗糙度测量表面粗糙度测量qq 触针法：触针法：Ra0.02Ra0.0

27、25m5m365.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量表面粗糙度和表面微观形貌测量 表面粗糙度测量表面粗糙度测量qq 触针法：触针法：Ra0.02Ra0.025m5m375.2.3表面粗糙度的测量表面粗糙度的测量表面粗糙度的测量 光切法利用光切原理测量表面粗糙度的方法利用光切原理测量表面粗糙度的方法 R Rz z值是在测量长度范围内，值是在测量长度范围内，n n(n n取取5)5)个取样长度的平均值个取样长度的平均值 检测精度检测精度R Rz z=0.560=0.560mm Zp2lrZv6Zv5Zp6Zp5Zp4Zp3Zv4Zv3Zp1Rz中线Zv1Zv2Logo5.2.3表面粗糙度和表面微观

28、形貌测量表面粗糙度和表面微观形貌测量 qq 光切法：光切法：R Rz z 0.50.56060m m光切显微镜光切显微镜395.2.3表面粗糙度的测量表面粗糙度的测量表面粗糙度的测量 干涉法应用光波干涉应用光波干涉原理测量粗糙度原理测量粗糙度 R Rz z值值是是在在测测量量长长度度范范围围内内，n n(n n取取5)5)个取样长度的平均值个取样长度的平均值检测精度检测精度R Rz z=0.050.8=0.050.8mm Logo5.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量表面粗糙度和表面微观形貌测量 qq 干涉法：干涉法：Rz0.05Rz0.050.8m0.8m41q 扫描隧道显微测量（STM）扫

29、扫描描隧隧道道显显微微镜镜19811981年年由由在在IBMIBM瑞瑞士士苏苏黎黎世世实实验验室室工工作作的的G.BinningG.Binning和和 H.RohrerH.Rohrer发发明明，可可用用于于观观察察物物体体 级级的的表表面面形形貌貌。被被列列为为2020世世纪纪8080年年度度世世界界十十大大科科技技成成果果之之一一，19861986年因此获诺贝尔物理学奖。年因此获诺贝尔物理学奖。STMSTM工工作作原原理理基基于于量量子子力力学学的的隧隧道道效效应应。当当两两电电极极之之间间距距离离缩缩小小到到1nm1nm时时，由由于于粒粒子子波波动动性性，电电流流会会在在外外加加电电场场作

30、作用用下下，穿穿过过绝绝缘缘势势垒垒，从从一一个个电电极极流流向向另另一一个个电电极极。当当一一个个电电极极为为非非常常尖尖锐锐的的探探针针时时，由由于于尖尖端端放放电电使使隧隧道道电流加大。电流加大。G.BinningH.RohrerG.BinningH.Rohrer5.2.4表面微观形貌的测量表面微观形貌的测量LogoSTM图bSTM工作过程演示图aSTM实物照片 5.2.4表面微观形貌的测量表面微观形貌的测量Logo通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样石墨三维图像 图a用STM移动分子组成的IBM字样图b用STM观察石墨原子排列5.2.4表面微观形貌的测量表面微观

31、形貌的测量Logo原子粒显微镜45 当当探探针针与与试试件件表表面面距距离离达达1nm1nm时时，形形成成隧隧道道结结（图图a a）。当当偏偏压压U Ub b小小于于势势垒垒高高度度 时时，隧隧道道电电流密度为：流密度为：式中h 普郎克常数；e电子电量；ka，k0系数。由由上上式式可可见见，探探针针与与试试件件表表面面距距离离 d d 对对隧隧道道电电流流密密度度非非常敏感，这正是常敏感，这正是STMSTM的基础。的基础。12d试件STM探针Ub图aSTM隧道结5.2.4表面微观形貌的测量表面微观形貌的测量Logo 两种测量模式（2）恒电流测量模式（图b）：探针在试件表面扫描，使用反馈电路驱动

32、探针，使探针与试件表面之间距离（隧道间隙）不变。此时探针移动直接描绘了试件表面形貌。此种测量模式隧道电流对隧道间隙的敏感性转移到反馈电路驱动电压与位移之间的关系上，避免了非线性，提高了测量精度和测量范围。b）试件输出运动轨迹驱动电路扫描器检测电路控制器STM工作原理扫描器检测电路a）输出试件运动轨迹（1）等高测量模式（图a）：探针以不变高度在试件表面扫描，隧道电流随试件表面起伏而变化，从而得到试件表面形貌信息。5.2.4表面微观形貌的测量表面微观形貌的测量Logo 关键技术：（1）STM探针金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切断电流，获得尖峰，曲率半径为10nm左右。STM针尖5.2.4表面微观

33、形貌的测量表面微观形貌的测量Logo（2）隧道电流反馈控制计算机差分比较积分放大比例放大高压放大A/DXYZ控制信号设定电压前置放大对数放大（线性化）探针压电陶瓷试件隧道电流反馈控制系统原理框图D/A5.2.4表面微观形貌的测量表面微观形貌的测量Logo（3）纳米级扫描运动压电陶瓷扫描管（4）信号采集与数据处理由软件完成。XZ陶瓷管金属膜+UX-UX-UY+UYUZa）LL0b）压电陶瓷扫描管结构及工作原理当陶瓷管内壁接地，X轴两外壁电极电压相反时，陶瓷管一侧伸长，另一侧缩短，形成X方向扫描(图b)。若两外壁电极电压相同，则陶瓷管伸长或缩短，形成Z方向位移。压电陶瓷扫描管结构见图a，其工作原理

34、见图b。5.2.4表面微观形貌的测量表面微观形貌的测量Logo 原子力显微镜原子力显微镜（AFM）当当两两原原子子间间距距离离缩缩小小到到 级级时时，原原子子间间作作用用力力显显示示出出来来，造造成成两两原原子子势势垒垒高高度度降降低低，两两者者之之间间产产生生吸吸引引力力。而而当当两两原原子子间间距距离离继继续续缩缩小小至至原原子子直直径径时时，由由于于原原子子间间电电子子云云的的不不相相容性，两者之间又产生排斥力。容性，两者之间又产生排斥力。AFAFMM两种测量模式：两种测量模式：接触式探探针针针针尖尖与与试试件件表表面面距距离离0.50.5nmnm，利利用用原原子子间间的的排排斥斥力力。

35、由由于于分分辨辨率率高高，目目前前采采用用较较多多。其其工工作作原原理理是是：保保持持探探针针与与被被测测表表面面间间的的原原子子排排斥斥力力一一定定，探探针针扫扫描描时时的的垂垂直位移即反映被测表面形貌。直位移即反映被测表面形貌。非接触式探探针针针针尖尖与与试试件件表表面面距距离离为为0.50.51 1nmnm，利利用用原子间的吸引力。原子间的吸引力。为解决非导体微观表面形貌测量，借鉴扫描隧道显微镜原为解决非导体微观表面形貌测量，借鉴扫描隧道显微镜原理，理，C.BinningC.Binning于于19861986年发明年发明原子力显微镜原子力显微镜。5.2.4表面微观形貌的测量表面微观形貌的

36、测量LogoAFM探针被微力弹簧片压向试件表面，原子排斥力将探针微微抬起。达到力平衡。AFM探针扫描时，因微力簧片压力基本不变，探针随被测表面起伏。AFAFMM结构结构STM驱动AFM扫描驱动AFM探针STM探针试件微力簧片AFM结构简图在簧片上方安装STM探针，STM探针与簧片间产生隧道电流，若控制电流不变，则STM探针与AFM探针（微力簧片）同步位移，于是可测出试件表面微观形貌。5.2.4表面微观形貌的测量表面微观形貌的测量LogoAFM实物照片扫描探针磁盘图像5.2.4表面微观形貌的测量表面微观形貌的测量Logo（3）影响表面层加工硬化的因素）影响表面层加工硬化的因素刀具几何形状的影响刀

37、具几何形状的影响切削刃切削刃r、前角前角、后面磨损量、后面磨损量VB表层金属的塑变加剧表层金属的塑变加剧冷硬冷硬切削用量的影响切削用量的影响切削速度切削速度v塑变塑变冷硬冷硬f切削力切削力塑变塑变冷硬冷硬工件材料性能的影响工件材料性能的影响材料塑性材料塑性冷硬冷硬影响表面层物理力学性能的主要因素表面物理力学性能影响金相组织变化因素影响显微硬度因素影响残余应力因素塑变引起的冷硬金相组织变化引起的硬度变化冷塑性变形冷塑性变形热塑性变形热塑性变形金相组织变化金相组织变化切削热切削热5.35.3、影响表面层物理力学性能的影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制主要因素及其控制机械制造工艺学机械制造工艺

38、学 第第5章章 机械加工表面质量及其控制机械加工表面质量及其控制Quality of Machining Surface and Control5.3 影响表层金属力学物理影响表层金属力学物理性能的工艺因素性能的工艺因素Technological Factors Influencing Physics Properties of Surface LayerLogo定义：定义：机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用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

39、至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为加加工硬化，又称冷作硬化和强化。工硬化，又称冷作硬化和强化。5.3.1.5.3.1.表面层的冷作硬化表面层的冷作硬化（1 1 1 1）表面层加工硬化的产生表面层加工硬化的产生表面层加工硬化的产生表面层加工硬化的产生衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项：衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项：1 1）表面层的显微硬度）表面层的显微硬度HVHV；2 2）硬化层深度）硬化层深度h h；3 3）硬化程度）硬化程度N N N=(HV-HV N=(HV-HV0 0)/HV)/HV0 0100100式

40、中式中 HVHV0 0工件原表面层的显微硬度。工件原表面层的显微硬度。（2 2）衡量表面层加工硬化的指标衡量表面层加工硬化的指标5.3.1、影响表面层物理力学性能的影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制主要因素及其控制影响表面层物理力学性能的主要因素影响表面层物理力学性能的主要因素表面物理力学性能表面物理力学性能影响金相组织变化影响金相组织变化因素因素影响显微硬度因素影响显微硬度因素影响残余应力因素影响残余应力因素塑变引起的冷硬金相组织变化引起的硬度变化冷塑性变形热塑性变形金相组织变化切削热（3）影响表面层加工硬化的因素）影响表面层加工硬化的因素刀具几何形状的影响刀具几何形状的影响切削刃切削

41、刃r、前角前角、后面磨损量、后面磨损量VB表层金属的塑变加剧表层金属的塑变加剧冷硬冷硬切削用量的影响切削用量的影响切削速度切削速度v塑变塑变冷硬冷硬f切削力切削力塑变塑变冷硬冷硬工件材料性能的影响工件材料性能的影响材料塑性材料塑性冷硬冷硬5.3.15.3.1影响表面冷作硬化的因素影响表面冷作硬化的因素 切削加工切削加工 f f，冷硬程度，冷硬程度(图图3-15)3-15)切削用量影响 刀具影响 r r ，冷硬程度，冷硬程度 其他几何参数影响不明显其他几何参数影响不明显 后后刀刀面面磨磨损损影影响响显显著著（图图3-173-17）00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)1001802

42、60340硬度(HV)50钢，v=40(m/min)f=0.120.2(mm/z)图3-17后刀面磨损对冷硬影响 工件材料 材料塑性材料塑性，冷硬倾向，冷硬倾向 切切削削速速度度影影响响复复杂杂（力力与与热综合作用结果）热综合作用结果）切削深度影响不大切削深度影响不大图3-15f 和v 对冷硬的影响硬度(HV)0f(mm/r)0.20.40.60.8v=170(m/min)135(m/min)100(m/min)50(m/min)100200300400工件材料：45Logo5.3.3影响表面冷作硬化的因素 磨削速度磨削速度冷硬程度冷硬程度（弱化作用加强）（弱化作用加强）工件转速工件转速冷硬程

43、度冷硬程度 纵向进给量影响复杂纵向进给量影响复杂磨削深度磨削深度冷硬程度冷硬程度（图（图3-183-18）磨削用量 砂轮 砂轮粒度砂轮粒度冷硬程度冷硬程度 砂轮硬度、组织影响不显著砂轮硬度、组织影响不显著工件材料 材料塑性材料塑性冷硬倾向冷硬倾向 材料导热性材料导热性冷硬倾向冷硬倾向 图3-18磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削磨削加工磨削加工Logo（3）影响表面层加工硬化的因素）影响表面层加工硬化的因素刀具几何形状的影响刀具几何形状的影响切削刃切削刃r、前角前角、后面磨损量、后面磨损量VB表层金属的塑变加剧表

44、层金属的塑变加剧冷硬冷硬切削用量的影响切削用量的影响切削速度切削速度v塑变塑变冷硬冷硬f切削力切削力塑变塑变冷硬冷硬工件材料性能的影响工件材料性能的影响材料塑性材料塑性冷硬冷硬2.表面层残余应力表面层残余应力定义：定义：机械加工中工件表面层组织发生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应力。力即为表面层的残余应力。（1）表面层残余应力的产生）表面层残余应力的产生1）冷态塑变冷态塑变工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑变，基体仍处于弹性变形状态。切削后

45、，表层产切削后，表层产生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力。2）热态塑变热态塑变表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力(其原理见图)3）金相组织变化金相组织变化比容大的组织比容大的组织比容小的组织比容小的组织体积收缩，产生体积收缩，产生拉应力，反之，产生压应力。（密度小，比容大拉应力，反之，产生压应力。（密度小，比容大）图图切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图（2 2）磨削裂纹的产生）磨削裂纹的产生（3 3）影响表面残余应力的主要因素）影响表面残余应力的主要因素三、表面层金相组织变化与磨削烧伤三、表面层金相组织

46、变化与磨削烧伤1.1.表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生淬火烧伤淬火烧伤回火烧伤回火烧伤退火烧伤退火烧伤磨削时工件表面温度超过相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。在冷却液作用下，工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极薄，表面层总的硬度是降低的，这种现象称为淬火烧伤。磨削时，如果工件表面层温度只是超过原来的回火温度，则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象而转变为硬度较低的回火组织（索氏体或屈氏体），这种现象称为回火烧伤。磨削时，当工件表面层温度超过相变临界温度Ac

47、3时，则马氏体转变为奥氏体。若此时无冷却液，表层金属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织。硬度和强度均大幅度下降。这种现象称为退火烧伤。2.磨削烧伤的三种形式磨削烧伤的三种形式磨削用量磨削用量砂轮与工件材料砂轮与工件材料改善冷却条件改善冷却条件1）砂轮转速 磨削烧伤2）径向进给量fp 磨削烧伤3）轴向进给量fa磨削烧伤4）工件速度vw磨削烧伤1)磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃口锋利磨削力磨削区的温度2)磨削导热性差的材料(耐热钢、轴承钢、不锈钢)磨削烧伤3)应合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织磨削烧伤采用内冷却法磨削烧伤图3.影响磨削烧伤的因素及改善途径采用开槽砂轮采用开槽砂轮间断磨削受热磨削烧伤图5

48、.3.3影响层金属残余应力的因素 v v残余应力残余应力（热应力（热应力起主导作用，图起主导作用，图a a）切削用量 刀具前角前角+，残余拉应力，残余拉应力 刀具磨损刀具磨损残余应力残余应力 工件材料材料塑性材料塑性残余应力残余应力 铸铸铁铁等等脆脆性性材材料料易易产产生生残残余压应力余压应力图bf 对残余应力的影响工件：45，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液残余应力(Gpa)0.2000.200100200300400距离表面深度(m)f=0.40mm/r f =0.25mm/r f=0.12mm/r仅讨论切削加工 f f残余应力残余应力（图（图b b）切削深度影响不

49、显著切削深度影响不显著图avc 对残余应力的影响0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件：45切削条件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200距离表面深度(m)残余应力(Gpa)-0.2000.20vc=213m/minvc=86m/minvc=7.7m/minLogo5.3.4表面强化工艺 利利用用淬淬硬硬和和精精细细研研磨磨过过的的滚滚轮轮或或滚滚珠珠，在在常常温温状状态态挤挤压压金金属属表表面面，将将凸凸起起部部分分下下压压下下，凹凹下下部部分分上上凸凸，修修正正工工件件表表面面的的微微观观几几何何形形状状,形形成成压压缩缩残残余余应应力力，提提

50、高高耐疲劳强度（图耐疲劳强度（图3-313-31）利利用用大大量量快快速速运运动动珠珠丸丸打打击击工工件件表表面面,使使工工件件表表面面产产生生冷冷硬硬层层和压应力和压应力,疲劳强度（图疲劳强度（图a a）喷丸强化喷丸强化图3-31滚压加工原理图 用用于于强强化化形形状状复复杂杂或或不不宜宜用用其其它它方方法法强强化化的的工工件件，例例如如板板弹弹簧簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等螺旋弹簧、齿轮、焊缝等滚压加工滚压加工图a珠丸挤压引起残余应力压缩拉伸塑性变形区域Logo5.35.3、4 4表面强化工艺表面强化工艺指通过冷压加工的方法使表面层金属发生冷态塑性变形，以减小表面粗糙度值，提高表面硬度，并在