加工表面質量及其對使用性能的影響影響表面粗糙度的工藝因素及其改進措施影響表層金屬力學物理性能的工藝因素及其改進措施

第五章機械加工表面質量及控制本章要點

加工表面質量的概念§5.1加工表面質量及其對使用性能的影響已加工表面質量表面粗糙度表面波度表面物理力學性能的變化表面微觀幾何形狀特征表面層冷作硬化表面層殘余應力表面層金相組織的變化

a）波度b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度與波度RZλHλRZ

表面的幾何形狀誤差

表面粗糙度：加工表面的微觀幾何誤差，波長與波高比值小于50。表面波度：加工表面不平度波長與波高比值在50～1000的幾何形狀誤差紋理方向：表面刀紋的方向傷痕：加工表面個別位置出現的缺陷

表面質量對零件使用性能的影響

對耐磨性影響Ra（μm）初始磨損量重載荷輕載荷表面粗糙度與初始磨損量表面粗糙度值↓→耐疲勞性↑適當硬化可提高耐疲勞性表面粗糙度值↓→耐蝕性↑表面壓應力：有利于提高耐蝕性表面粗糙度值↑→配合質量↓表面粗糙度值↓→耐磨性↑，但有一定限度對耐疲勞性影響對耐蝕性影響對配合質量影響紋理形式與方向：圓弧狀、凹坑狀較好適當硬化可提高耐磨性直線刃車刀（圖a）圓弧刃車刀（圖b）影響因素：車削時殘留面積的高度fκrRmaxvfⅠⅡrεb）RmaxⅠⅡfa）vf切削加工表面的粗糙度§5.2影響表面粗糙度的因素及改進措施切削速度影響最大：v=10～50m/min范圍，易產生積屑瘤和鱗刺，表面粗糙度最差。其他影響因素：刀具幾何角度、刃磨質量，切削液等切削45鋼時切削速度與粗糙度關系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（μm）481216202428收縮系數Ks1.52.02.53.0積屑瘤高度h（μm）0200400600hKsRz切削表面塑性變形和積屑瘤砂輪速度vs↑，Ra↓

工件速度vw↑，Ra↑

砂輪縱向進給f↑，Ra

↑

磨削深度ap↑，Ra

↑磨削用量對表面粗糙度的影響vw

=40(m/min)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)vs=50(m/s)f=2.36(m/min)ap

=0.01(mm)vs(m/s),vw(m/min)Ra(μm)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(μm)00.20.60.020.030.04b）磨削加工表面粗糙度影響因素

磨削用量影響光磨次數-Ra關系Ra(μm)01020300.020.040.06光磨次數粗粒度砂輪(WA60KV)細粒度砂輪(WA/GCW14KB)光磨次數↑，Ra↓

砂輪粒度↑，Ra↓；但要適量砂輪硬度適中，Ra↓；常取中軟砂輪組織適中，Ra↓

；常取中等組織采用超硬砂輪材料，Ra

↓

砂輪精細修整，Ra↓砂輪影響其他影響因素冷卻潤滑液磨削加工表面粗糙度影響因素

◆機械加工中產生的塑性變形，使晶格扭曲、畸變、晶粒間產生滑移，表層材料硬度增加的現象—冷作硬化◆機械加工中力的作用強化、熱的作用弱化冷作硬化◆冷作硬化程度可用三個指標衡量：表層金屬的顯微硬度HV

硬化層深度h（微米）硬化程度N一、表層材料的冷作硬化§5.3影響表層材料力學物理性能的工藝因素及改進措施進給量↑→冷硬程度↑切削速度影響復雜（力與熱綜合作用結果）切削深度影響不大◆切削用量◆工件材料材料塑性↑→冷硬傾向↑材料強度↑→冷硬傾向↓1、切削加工中影響表面冷作硬化的因素f對冷硬的影響硬度(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：45◆刀具幾何參數2、切削加工中影響表面冷作硬化的因素00.20.40.60.81.0磨損高度VB(mm)100180260340硬度(HV)50鋼，v

=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)刀具后刀面磨損對冷硬影響↑→冷硬程度↑后刀面磨損量↑,冷硬程度變化如圖成階段性后角、主偏角、副偏角、刀尖圓弧半徑對冷作硬化影響不大磨削速度↑→冷硬程度↓（弱化作用加強）工件轉速↑→冷硬程度↑縱向進給量影響復雜磨削深度↑→冷硬程度↑◆磨削用量◆砂輪砂輪粒度↑→冷硬程度↓砂輪硬度、組織影響不顯著◆工件材料材料塑性↑→冷硬傾向↑材料導熱性↑→冷硬傾向↓磨削深度對冷硬的影響ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削3、磨削加工中影響表面冷作硬化的因素

回火燒傷：磨削溫度介于其相變溫度723C°和馬氏體轉變溫度300C°之間→馬氏體回火轉變淬火燒傷：磨削溫度超過其相變溫度723C°+急冷→二次淬火退火燒傷：磨削溫度超過其相變溫度723C°+不冷卻→退火◆機械加工過程中加工區域溫度達到或超過工件材料相變溫度時，金相組織會發生變化（主要指磨削）◆磨削燒傷（淬火鋼）二、表層金屬金相組織變化

◆燒傷表現：彩色氧化膜殘余應力微裂紋磨削燒傷與磨削裂紋的控制合理選擇砂輪根據工件材料、磨削性質選擇砂輪的硬度、結合劑和組織合理選擇磨削用量合理選擇磨削過程的ap、ft、vw、vs改善冷卻條件內冷卻、噴汽冷卻、強制冷卻等磨削燒傷與磨削裂紋的控制

內冷卻砂輪

內冷卻砂輪

開槽砂輪a）槽均勻分布b）90度內變距開槽

選擇開槽砂輪殘余應力產生的原因三、表層材料的殘余應力表層材料形狀變化、體積變化、金相組織變化時將在表層材料與基體間產生相互平衡的殘余應力1)機械加工中表層材料的塑性變形→外壓內拉2)磨削溫度造成表層材料的塑性變形→外拉內壓3)金相組織變化→體積變化表層比容增大→外壓內拉表層比容減小→外拉內壓熱生殘余拉應力的示意圖

v↑→殘余應力（熱應力起主導作用）◆切削用量◆刀具前角+→－，殘余拉應力↓刀具磨損↑→殘余應力↑◆工件材料材料塑性↑→殘余應力↑鑄鐵等脆性材料易產生殘余壓應力

vc對殘余應力的影響γ0=5°,α0==5°,κr=75°,rε=0.8mm,工件：45切削條件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200距離表面深度(μm)殘余應力(Gpa)-0.2000.20vc

=7.7m/minvc

=86m/minvc

=213m/min影響切削殘余應力的工藝因素◆磨削用量的影響背吃刀量ap、砂輪速度vs

工件的轉速vw和進給f1◆工件材料強度↑、導熱性↓、塑性↓→殘余拉應力↑影響磨削殘余應力的工藝因素

熱變形和塑性變形對殘余應力影響很大熱因素起主導作用→殘余拉應力塑性變形起主導作用→殘余壓應力淬火燒傷時，金相組織變化起主導作用→殘余壓應力ap對殘余應力的影響磨削工業鐵和T8的殘余應力四、工件最終工序加工方法的選擇加工方法殘余應力符號

/MPa應力層深度h/mm車削一般外拉內壓

外壓內拉200～800刀具磨損1000一般外拉內壓0.05～0.1高速、負前角時0.65磨削一般外壓內拉200～10000.05～0.30銑削外壓內拉600～1500碳鋼淬硬外壓內拉400～750鋼珠滾壓鋼件外壓內拉700～800噴丸強化鋼件外壓內拉1000～1200滲碳淬火外壓內拉1000～1100鍍鉻外拉內壓400鍍銅外拉內壓200各種加工方法在工件表面殘余的內應力利用淬硬和精細研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態擠壓金屬表面，將凸起部分下壓下，凹下部分上凸