高速切削-课件 (1)

§4.1 机械加工表面质量对零件使用性能的影响
一、机械加工表面质量的概念
1．表面的几何特征

2．表面层物理 力学、化学性能
(1)表面粗糙度
(2)表面波度 (3)纹理方向

(1)表面层加工硬化(冷作硬化)。 (2)表面层金相组织变化。 (3)表面层产生残余应力。
1、表面的几何形状特征 加工后表面形状，总是以 “峰”、“谷”的形式偏离其 理想光滑表面。按偏离程度有 宏观和微观之分。
糙度Ra值约为0.32～0.25μm较好。
表面纹理方向对耐磨性的影响
表面纹理方向影响金属表面的实际接触面积和润滑液的存留情况。 轻载时，两表面的纹理方向与相对运动方向一致时，磨损 最小；当两表面纹理方向与相对运动方向垂直时，磨损最大。 重载情况下，由于压强、分子亲和力和润滑液的储存等因
素的变化，其规律与上述有所不同。
↑→ Ra↓
砂轮修正
影响磨削加工表面 粗糙度的因素
砂轮硬度
磨削用量
工件材料性质
影响表面粗 糙度的因素

第一类是与磨削砂轮有关的因素 第二类是与工件材质有关的因素
第三类是与加工条件有关的因素
(1)与磨削砂轮有关的因素 主要是砂轮的粒度、硬度以及对砂轮的修整等。
砂轮的粒度要适度
砂轮的粒度越细，则砂轮单位面积上
第四章 机械加工表面质量
概 述
少数
因设计不周而导致强度不够； 机械产品的失效形式 零件的表面破坏（磨损、腐蚀和疲劳破坏）
多数
实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的工作性能，尤
其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量。
研究机械加工表面质量的目的 掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并 应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高 产品性能的目的。
残余压应力，能延缓疲劳裂纹的产生、扩展，而使零件疲劳强度提高。
表面层的加工硬化对疲劳强度影响 适当的加工硬化能阻碍已有裂纹的继续扩大和新裂纹的产生，有助于 提高疲劳强度。但加工硬化程度过大，反而易产生裂纹，故加工硬化程度 应控制在一定范围内。
拉应力加剧疲劳裂纹的产生和扩展；
3．表面质量对零件耐腐蚀性的影响 表面粗糙 表面粗糙度值越大，越容易积聚腐蚀性物质； 度的影响 波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。 零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度 表面残余应力对零件耐腐蚀性影响
切削用量
机械加工振动
1、 磨削中影响粗糙度的几何因素 工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细 的刻痕形成的，工件单位面积上通过的砂粒数越多，则刻 痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。
（1）砂轮的磨粒
磨粒在砂轮上的分布越 均匀、磨粒越细，刃口的等 高性越好。则砂轮单位面积 上参加磨削的磨粒越多，磨 削表面上的刻痕就越细密均 匀，表面粗糙度值就越小。

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；
拉应力则降低耐腐蚀性
4．表面质量对配合质量的影响 相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。
表面粗糙 度的影响

对间隙配合而言，表面粗糙度值太大，会 使配合表面很快磨损而增大配合间隙，改变配 合性质，降低配合精度。 对过盈配合而言，装配时配合表面的波峰 被挤平，减小实际过盈量，降低了连接强度， 影响了配合的可靠性。
包括材料的硬度、塑性、导热性等。
铝、铜合金等软材料易堵塞砂轮，比较难磨。 对表面粗糙度 有显著影响
塑性大、导热性差的耐热合金易使砂粒早期崩落，导致 磨削表面粗糙度值增大。
(3)与加工条件有关的因素
包括磨削用量、冷却条件及工艺系统的精度与抗振性等。
切削液 砂轮磨削时温度高，热的作用占主导地位。采用切削液可 以降低磨削区温度，减少烧伤，冲去脱落的砂粒和切屑，以免 划伤工件，从而降低表面粗糙度度值。但必须选择适当的冷却 方法和切削液。 减少加工表面的表面粗糙度的其它方法 除了从上述几个方面考虑采取措施外，还可从加工方法上 着手改善，如用研磨、珩磨、超精加工、抛光等。
切削用量
影响切削加工表面 粗糙度的因素
工件材料
•材料塑性↑→ Ra↑ •同样材料晶粒组织大↑→ Ra↑ ，常用正火、调质处理
刀具材料、刃磨质量
•刀具材料强度↑→ Ra↓ •刃磨质量↑→ Ra↓ •冷却、润滑↑→ Ra↓
二、磨削过程中表面粗糙度的形成
1、形成因素

几何原因 塑性变形
砂轮的粒度和砂轮的修整情况
（2）砂轮修整
（3）磨削用量
砂轮修整除了使砂轮具 有正确的几何形状外，更重 要的是使砂轮工作表面形成 排列整齐而又锐利的微刃 （图4－47）。因此，砂轮修 整的质量对磨削表面的粗糙 度影响很大。
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。 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。工件的转速增大，通过加工表面的磨粒数减少， 因此表面粗糙度值增大。 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。
砂轮太软，磨粒易脱落，磨削作用减弱，也会增大表面粗糙度值。
砂轮的修整质量 砂轮的修整是用金刚石除去砂轮外层己钝化的磨粒，使磨粒切削刃锋 利，降低磨削表面的表面粗糙度值。
砂轮的修整质量

修整工具 修整砂轮的纵向进给量
与这两者有密切关系
(2)与工件材质有关的因素
越小，修出的微刃 越多，等高性越好， 粗糙度值低。
的磨粒数越多，磨削表面的刻痕越细，表 面粗糙度值越小；但较度过细，砂轮易堵 塞，使表面组糙度值增大，同时还易产生 波纹和引起烧伤。 砂轮硬度要合适 砂轮的硬度是指磨粒受磨削力后从砂轮上脱落的难易程度。 砂轮太硬，磨粒磨损后不易脱落，使工件表面受到强烈的摩擦和挤压，
增加了塑性变形，表面粗糙度值增大，同时还容易引起烧伤；
伤痕 是指在加工表面个别位置出现的缺陷，如沙眼、气 孔、裂痕等。
2、表面层物理力学、化学性能 (1)表面金属层的冷作硬化 指工件在加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形，使 工件加工表面层的强度和硬度都有所提高的现象。
冷硬层深度 h 表示方法 硬化程度 N
硬化程度：
N H 100% H0
H=f/(cotκr+cotκr′)
H=f 2/(8rε)
2、物理力学因素
（1）工件材料的影响
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。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正火或调质处理。 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，使表 面粗糙。
（4）其它因素的影响
加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响 由上图可见，用较高的切削速度既可提高生产效 率，又可使表面粗糙度下降，所以提高切削速度 是提高工艺水平的重要方向
刀具几何形状
•残留面积高度↓ →Ra↓ •前角↑→ Ra↓ •后角↑→摩擦↓→Ra↓ • v↑→ Ra↓ •f↑→ Ra↑ •ap对Ra影响不大，太小会 打滑，划伤已加工表面
表面层的加工硬化对耐磨性的影响
由于加工硬化提高了表面层的强度，减少了表面进一步塑
性变形和咬合的可能。一般能提高耐磨性0.5 ～ 1倍。
过度的加工硬化会使金属组织疏松，甚至出现疲劳裂纹和
产生剥落现象，从而使耐磨性下降。
2．表面质量对零件疲劳强度的影响
表面粗糙度的影响 在交变载荷作用下，零件表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷员易形成应力 集中，并发展成疲劳裂纹，导致零件疲劳破坏。因此，对于重要零件表面如 连杆、曲轴等，应进行光整加工，减小表面粗糙度值，提高其疲劳强度。 表面残余应力对疲劳强度的影响 影响极大
（1）磨削用量
砂轮的转速↑ →材料塑性变形↓ → 表面粗
糙度值↓ ； 工件速度↑ → 塑性变形↑ →表面粗糙度值↑ ； 背吃刀量↑→ 塑性变形↑ →表面粗糙度值↑ ；
（2）工件材料
•太硬易使磨粒磨钝 →Ra ↑ ； •太软容易堵塞砂轮→Ra ↑ ； •韧性太大，热导率差会使磨
粒早期崩落→Ra ↑ 。
（2）切削速度的影响
（3）进给量的影响
加工塑性材料时，切削速度对 表面粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞 刺的影响）见如图4-41所示。 此外，切削速度越高，塑性变 形越不充分，表面粗糙度值越小 选择低速宽刀精切和高速精切， 可以得到较小的表面粗糙度。
减小进给量f固然可以减小 表面粗糙度值，但进给量过小， 表面粗糙度会有增大的趋势。 此外，合理使用冷却润滑液， 适当增大刀具的前角，提高刀具 的刃磨质量等，均能有效地减小 表面粗糙度值。
波距：峰与峰或谷与谷间的距离， 以L表示； 波距与波高 波高：峰与谷间的高度，以H 表示。
L/H>1000时，属于宏观几何形状误差；
L/H<50时，属于微观形状误差，称作表面粗糙度； L/H=50～ 1000时，称作表面波度；
纹理方向 是指表面刀纹的方向，取决于表面形成所采用 的机械加工方法。一般运动副或密封件对纹理方向有要求。
（3）砂轮粒度与硬度
•磨粒太细，砂轮易被磨屑
堵塞，使表面粗糙度值增大， 若导热情况不好，还会烧伤 工件表面。
•砂轮太硬，使表面粗糙度增
大； •砂轮选得太软，使表面↓→Ra↓ • 金刚石笔锋利↑，修正导程、 径向进给量↓→ Ra↓ •磨粒等高性↑→Ra↓ •硬度↑→钝化磨粒脱落↓→ Ra↑ •硬度↓→磨粒脱落↑→Ra↑ •硬度合适、自励性好↑→Ra↓ •砂轮V↑→ Ra↓ •ap、工件V↑→ 塑变↑→ Ra↑ •粗磨ap↑→生产率↑ •精磨ap↓→ Ra↓(ap=0光磨) •太硬、太软、韧性、导热性差