清华大学-机械制造工程学_第7章S1

对零件疲劳强度的影响
在周期性的交变载荷作用下，零件表面微观不平与 表面的缺陷一样都会产生应力集中现象，而且表面 粗糙度值越大，即凹陷越深和越尖，应力集中越严 重，越容易形成和扩展疲劳裂纹而造成零件的疲劳 损坏。钢件对应力集中敏感，钢材的强度越高，表 面粗糙度对疲劳强度的影响越大。
对零件疲劳强度的影响2
影响冷作硬化的主要因素
①刀具: 刀具的切削刃口圆角和后刀面的磨损量对于冷 硬层有很大的影响，此两值增大时，冷硬层深度和 硬度也随之增大。前角减少时，冷硬也增大。 ②切削用量: 切削速度增大时，刀具与工件接触时间 短，塑性变形程度减少，同时会使温度增高，有助 于冷硬的回复，所以硬化层深度和硬度都有所减 少。
对零件耐磨性的影响 5
由于摩擦产生的高温，使摩擦 面局部熔化（称为热焊）等原 因，使接触表面遭到破坏．初 期磨损量反而急剧增加。 一对摩擦副在一定的工作条件 下通常有一最佳粗糙度值，在 确定机器零件的技术条件时应 该根据零件工作的情况及有关 经验，规定合理的粗糙度。
对零件耐磨性的影响 6
表面粗糙度对耐磨性能的影响，还与粗糙度的轮 廓形状及纹路方向有关。但轮廓形状不同，其耐 磨性相差可达3-4倍。 图 (a)和（b）为两个不同 零件的表面有相同的粗糙度值；
7.3. 1机械加工后表面层的冷作硬化 7.3.2机械加工后表面层金相组织的变化 7.3.3机械加工后表面层的残余应力
机械加工后表面层的冷作硬化
7.3.1.1冷作硬化产生的原因
7.3.1.2 影响冷作硬化的主要原因
冷作硬化产生的原因
切削加工时，表面层金属由于塑性变形使晶体间产 生剪切滑移，晶格发生拉长、扭曲和破碎而强化。
物理因素2
韧性越好的材料塑性变形就越大，且容易出现积 屑瘤与鳞刺，使粗糙度严重恶化。 切削用量、冷却润滑液和刀具材料等因素的影 响。
磨削加工后的表面粗糙度
影响磨削后表面粗糙度的因素可归纳为：
与磨削过程和砂轮结构有关的几何因素； 与磨削和加工材料有关的物理因素； 工艺系统的振动因素。 降低表面粗糙度应考虑的因素
几何因素2
理 论 上 的 Rmax 由 刀 具 形 状、进给量f，按几何关系求 得。当不考虑刀尖圆弧半径 时： 当背吃刀量和进给量很小 时，粗糙度主要由刀尖圆弧 构成：
物理因素
切削加工后表面的实际粗糙度与理论粗糙度有比 较大的差别。这主要是与被加工材料的性能及切 削机理有关的物理因素的影响。
切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工件挤压 与摩擦而产生塑性变形。
对零件耐磨性的影响3
不同表面粗糙度对初期磨损量的影响曲线图。 曲线存在着某个最佳点，这 个点所对应的是零件最耐磨 的粗糙度，具有这样粗糙度 的零件的初期磨损量最小。 载荷加重或润滑条件恶化， 磨损曲线将向上向右移动， 最佳粗糙度值随之右移。
对零件耐磨性的影响4
在表面粗糙度大于最佳值时，减小表面粗糙度值可 减少初期磨损量。 当表面粗糙度小于最佳值时 零件实际接触面积就增大， 接触表面之间的润滑油被挤 出，金属表面直接接触，因 金属分子间的亲和力而发生 粘结，随着相对运动的进 行，粘结处在剪切力的作用 下发生撕裂破坏。
对零件耐磨性的影响 7
试验表明，耐磨性决定于轮廓峰顶形状和凹谷形 状。前者决定于摩擦时的实际接触面积，后者决定 润滑摩擦时的容油情况。
摩擦表面粗糙度的影响
两摩擦表面粗糙度纹路方向对零件耐磨性的影响
表面层的冷硬影响
表面层的冷硬可减少零件的磨损。其原因是： 冷硬提高了表面接触点处的屈服强度，减少了进一 步塑性变形的可能性，并减少了摩擦表面金属的冷 焊现象。 如果表面硬化过度 ，零件心部和表面层硬度并过 大，会发生表面层剥落现象，使磨损加剧。表面层 产生金相组织变化时，由于改变了基体材料原来的 硬度，因而也直接影响其耐磨性。
机械制造工艺
第七章 机械加工表面质量
机械加工质量
7. 1 机械加工后的表面质量 7. 2 机械加工后的表面粗糙度 7. 3 机械加工后的表面层物理机械性能 7. 4 控制加工表面质量的工艺途径 7. 5 机械加工过程中的振动问题
机械加工后的表面质量
本章主要讨论机械加工表面质量的含义、表面质量 对使用性能的影响、表面质量产生的机理等。对生 产现场中发生的表面质量问题，如受力变形、磨削 烧伤、裂纹和振纹等问题从理论上做出解释，提出 提高机械加工表面质量的途径。
冷作硬化的特点： 变形抵抗力提高（屈服点提高）， 塑性降低（相对延伸率降低）。
冷硬的指标
硬化程度N： N=H/Ho Ho－原来的显微硬度； H－表面层的显微硬度 h－冷硬层的深度，
表面层冷作硬化的程度
表面层冷作硬化的程度决定于产生塑性变形的力、 变形速度及变形时的温度。 力越大，塑性变形越大，则硬化程度越大； 速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度越小； 变形时的温度， 不仅影响塑性变形程度，还会影响 变形后金相组织的恢复程度。
对零件疲劳强度的影响4
表面层的内应力对疲劳强度的影响很大。 表面层残余的压应力能够部分地抵消工作载荷施 加的拉应力，延缓疲劳裂纹扩展。 残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹而降低疲 劳强度。带有不同残余应力表面层的零件，其疲 劳寿命可相差数倍至数十倍
对零件抗腐蚀性能的影响
零件表面粗糙度值越大，潮湿空气和腐蚀介质越容 易堆积在零件表面凹处而发生化学腐蚀，或在凸峰 间产生电化学作用而引起电化学腐蚀，故抗腐蚀性 能越差。 表面冷硬和金相组织变化都会产生内应力。零件在 应力状态下工作时，会产生应力腐蚀，若有裂纹， 则更增加了应力腐蚀的敏感性。因此表面内应力会 降低零件的抗腐蚀性能。
机械加工后的表面粗糙度
7.2.1 切削加工后的表面粗糙度
7.2.1 磨削加工后的表面粗糙度
切削加工后的表面粗糙度
切削加工时表面粗糙度的形成，大致可归纳为三 方面的原因： 几何因素、物理因素和工艺系统的振动。
7.2.1.1几何因素 7.2.1.2物理因素
几何因素
形成粗糙度的几何因素： 刀具相对于工件作进给运动时在加工表面上遗留下 来的切削层残留面积。
影响冷作硬化的主要因素2
②切削用量：进给量增大时，切削力增大，塑性 变形程度也增大，因此硬化现象增大。 但在进给量较小时，由于刀具的刃口圆角在加工 表面单位长度上的挤压次数增多； 因此硬化倾向也会增大。径向进给量增大时，冷 硬层深度也有所增大，但其影响程度不显著。 ③被加工材料：被加工材料硬度愈低、塑性愈 大，切削后的冷硬现象愈严重。
7. 1.1 表面质量的含义 7. 1.2 表面质量对零件使用性能的影响
表面层的几何形状－表面粗糙度
表面质量是指机器零件加工后表面层的状态。表面 质量的主要内容有下面两部分： 1．表面层的几何形状 表面粗糙度：是指表面微观几何形状误差，其波高 与波长的比值在L1/H1<40的范围内。
表面波度
它介于加工精度（宏观几何形状误差L3/H3＞ 1000）和表面粗糙度之间的一种带有周期性的几何 形状误差，其波高与波长的比值在 40≤L2/H2≤1000的范围。
对零件耐磨性的影响2
如车加工后的表面实际接触 面 积 仅 为 名 义 接 触 面 积 15 ％～ 20 ％；精磨后达到 30 ％～50％； 这样单位接触面积上的压力就很大； 当压力超过材料屈服极限时，凸峰部分产生塑性变 形；当两个零件作相对运动时．就会产生剪切、凸 峰断裂或塑性滑移，初期磨损速度很快。
表面质量对零件使用性能的影响
7.1.2.1 对零件耐磨性的影响 7.1.2.2 对零件疲劳强度的影响 7.1.2.3 对零件抗腐蚀性能的影响 7.1.2.4 对零件的其它影响
对零件耐磨性的影响
在摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件已经确定 的情况下，零件的表面质量对耐磨性能起决定性的 作用。 两个表面粗糙度值很大的零件相互接触，最初接触 的只是一些凸峰顶部，实际 接触面积比名义接触面积小 得多。
磨削后的表面粗糙度－物理因素2
磨削量是经过很多后继磨 粒的多次挤压因疲劳而断 裂、脱落，所以加工表面 的塑性变形很大，表面粗 糙度值就大。
工艺系统的振动因素
引起磨削表面粗糙度增大的主要原因－ 工艺系统的 振动所致， 增加工艺系统刚度和阻尼； 做好砂轮的动平衡； 合理地修整砂轮 可显著降低粗糙度。
表面层的物理机械性能
表面层冷作硬化（简称冷硬）：零件在机械加工中 表面层金属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。 表面层金相组织的变化：由于切削热引起工件表面 温升过高，表面层金属发生金相组织变化的现象。 表面层残余应力：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。
切削加工时表面层的硬化的两种情况2
机械加工时表面层的冷作硬化就是强化作用和回复 作用的综合结果。 切削温度越高、高温持续时间越长、强化程度越 大，则回复作用也就越强。 因此对高温下工作的零件，能保证疲劳强度的最佳 表 面 层 是 没 有 冷 硬 层 或 者 只 有 极 小 （ 10 ～ 20μm）冷作硬化的表面层。
对零件的其它影响
表面质量对零件的配合质量、密封性能及摩擦系数 都有很大的影响。 表面粗糙度值越大，初期磨损量越大； （1）对动配合来说，使用不久就会使配合性质发生 变化； （2）对静配合来说，压装时会减少过盈量，降低配 合强度。
对零件的其它影响2
零件表面层状态对其使用性能的影响是因为： 承受载荷应力最大的表面层是金属的边界，机械加 工后破坏了晶粒的完整性，从而降低了表面的某些 机械性能。 表面层有裂纹、加工痕迹等各种缺陷，在动载荷的 作用下，可能引起应力集中而导致破坏。 零件表面经过加工后，表面层的物理、机械、冶金 和化学性能都变得和基体材料不同了。
磨削后的表面粗糙度－几何因素
砂轮上磨粒的微刃形状和分布对于磨削后的表面粗 糙度是有影响的。 磨削表面是由砂轮上大量的 磨粒刻划出无数极细的沟槽 形成的； 每单位面积上刻痕越多，即 通过每单位面积的磨粒数越 多，以及刻痕的等高性越 好，粗糙度也就越低。
磨削Байду номын сангаас的表面粗糙度－物理因素
大多数磨粒只有滑擦、耕犁作 用。在滑擦作用下，被加工表 面只有弹性变形，不产生切 屑；在耕犁作用下，磨粒在工 件表面上刻划出一条沟痕，工 件材料被挤向两边产生隆起， 此时产生塑性变形但仍不产生 切屑。
降低表面粗糙度应考虑的因素3
⑤径向进给量： 增大磨削径向进给量将增加塑性变形 的程度从而增大粗糙度。 在磨削过程开始时采用较大的径向进给量，以提高 生产率，而在最后采用小径向进给量或无径向进给 量磨削，以减低粗糙度值。 ⑥轴向进给量：磨削时采用较小的轴向进给量，则磨 削后表面粗糙度较低。
加工后的表面层物理机械性能
含有石墨的铸铁件相当于存在许多微观裂纹，与有 色金属件一样对应力集中不敏感，表面粗糙度对疲 劳强度的影响就不明显。 加工纹路方向对疲劳强度的影响更大，如果刀痕与 受力方向垂直，则疲劳强度将显著降低。
对零件疲劳强度的影响3
表面的冷硬层能够阻碍裂纹的扩大和新裂纹的出现 因为由摩擦学可知疲劳源的位置在冷硬层的中部， 因此冷硬可以提高零件的疲劳强度。 但冷硬层过深或过硬则容易产生裂纹，反而会降低 疲劳强度。所以冷硬要适当。
降低表面粗糙度应考虑的因素
①砂轮的粒度： 砂轮的粒度愈细，则砂轮单位面积 上的磨粒数愈多，在工件上的刻痕也愈密而细，所 以粗糙度值愈低。 ②砂轮的修整： 砂轮的修整质量越高，砂轮工作表 面上的等高微刃就越多，因而磨出的工件表面粗糙 度值也就愈低。
降低表面粗糙度应考虑的因素2
③砂轮速度： 提高砂轮速度可以增加单位时间内工件 单位面积上的刻痕数，同时塑性变形造成的隆起量 随着砂轮速度的增大而下降，原因是高速下塑性变 形的传播速度小于磨削速度，材料来不及变形，因 而粗糙度可以显著减低。 ④工件速度 ：工件速度越大，单个磨粒的磨削厚度就 越大，单位时间内磨削工件表面的磨粒数减少，表 面粗糙度值增大
切削加工时表面层的硬化的两种情况
（1）完全强化—出现晶格歪扭以及纤维结构和变 形层物理机械性质的改变； （2）不完全强化－若温度超过(0.25-0.30)T熔 （熔化绝对温度），则除了强化现象外，同时还 有回复现象，此时歪扭的晶格局部得到恢复，减 低了冷硬作用；如果温度超过0. 4T熔就会发生 金属再结晶，此时由于强化而改变了的表面层物 理机械性能几乎可以完全恢复。