第九章 已加工表面质量习题

第九章已加工表面质量金属切削的最终目的之一是获得理想的加工表面质量，而零件的表面质量又往往对其使用性能有着很大的影响。

本章的学习目的是掌握已加工表面形成的变化规律。

9．1 必备知识和考试要点1．熟悉已加工表面质量包含的内容及概念。

2．熟悉已加工表面形成过程，第Ⅲ变形区对已加工表面质量的影响。

3．了解影响表面粗糙度的因素及分析方法(包括残留面积、积屑瘤、鳞刺、振动等)。

4．理解加工硬化、残余应力的概念和产生原因。

5．了解精密切削中提高加工表面质量的措施。

9．2 典型范例和答题技巧[例9，1] 已加工表面质量的主要评定标志有哪些?[答案] 已加工表面质量是指加工表面的几何形状和表面层材质的变化。

主要的评定标志是：(1)表面粗糙度；(2)表面层的加工硬化程度及硬化深度；(3)表面残余应力的性质及大小。

[例9．2] 试分析产生加工表面粗糙度的原因?[答案] 产生加工表面粗糙度的原因由两方面组成：(1)几何因素(刀刃运动轨迹)所产生的粗糙度。

它决定了残留面积高度(理论粗糙度)；(2)由于切削过程中不稳定因素所产生的粗糙度。

它包括积屑瘤、鳞刺、切削变形、刀具切削刃的磨损、刀刃与工件相对位置的变动等。

①残留面积高度。

切削时，由于刀具与工件的相对运动及刀具几何形状的关系，会在已加工表面产生未被切除的残留金属，其高度直接影响已加工表面沿进给方向的粗糙度。

例如车削时，残留面积高度R max可以根据车刀的主偏角κr，、副偏角κr9、刀尖圆弧半径rε和进给量f，按几何关系计算出来。

②积屑瘤。

积屑瘤的硬度很高，在相对稳定时，能够代替切削刃进行切削。

由于积屑瘤粘附在切削刃上面，并且会伸出切削刃或刀尖之外，因此会对工件产生过切量。

积屑瘤的形状不规则，切削刃上各点的积屑瘤高度不同，产生的过切量亦不同，从而在加工表面上刻划出深浅和宽窄不同的沟纹。

在切削过程中，积屑瘤的顶端遇到冲击或材料中的硬质点时，能够导致积屑瘤前端局部脱落，而使加工表面上的沟纹变浅或中断，并且可能引起切削振动，使加工表面粗糙度增大。

所以，在产生加工表面粗糙度的因素中，除了残留面积的影响外，就是积屑瘤的生长和脱落的影响最为严重。

③鳞刺。

鳞刺是已加工表面上的鳞片状毛刺。

在低速及中等切削速度下切削塑性金属时，有无积屑瘤，都可能产生鳞刺，使已加工表面的粗糙度增加。

因此，鳞刺是加工塑性金属时获得良好表面加工质量的障碍。

④切削过程中的变形。

在挤裂或单元切屑的形成过程中，由于切屑单元具有周期性的断裂，这种断裂会深入到切削表面以下，从而在加工表面上留下波浪形的挤裂痕迹；而在崩碎切屑的形成过程中，从主切削刃处开始的裂纹在接近主应力方向会斜着向下延伸形成过切，从而使加工表面凸凹不平；另外，切削时，在切削刃与加工表面交接部位没有工件侧面约束，会使工件材料被挤压而隆起，也使表面粗糙度进一步增大。

⑤刀具的边界磨损。

刀具副后刀面的边界磨损会在已加工表面上形成锯齿状的凸出部分，从而使表面粗糙度增大。

⑥刀刃与工件相对位置的变动。

引起刀刃与工件相对位置的变动原因有机床主轴的回转误差和运动机构精度产生的误差，以及工件材质不均匀性和切屑的不连续性等因素使切削过程波动，从而使表面粗糙度增大。

[例9，3] 何谓理论粗糙度?推导其计算公式。

[答案] 切削时，由于刀具与工件的相对运动及刀具切削刃的几何形状关系，有一部分金属未被切除而残留在已加工表面上，沿着进给方向，残留面积的高度直接影响加工表面粗糙度，理论的残留面积高度R max可以根据进给量f和切削刃几何形状计算出来，通常把R max 称为理论粗糙度。

例图9．1(a)表示由刀尖圆弧rε形成残留面积时由于R max≤rε，故R2max可忽略，则上式化简后，得图(b)表示由直线主、副刀刃形成残留面积时[例9．4] 第III变形区的金属变形有何特点?[答案] 从金属切削过程中可知道，切削层金属在刀刃的作用下发生压缩与剪切变形，经过第I、第II变形区后形成切屑，而切削底层下的金属经过第Ⅲ变形区后形成加工表面。

实际上加工表面的形成并非如此简单。

原因是无论怎样仔细刃磨刀具，刀刃也会有—个钝圆半径r n存在；其次刀具经切削后要磨损，在刀具后面就会形成αoe=08宽度为VB的窄棱面。

这样，在r n和VB的作用下，第III变形区的变形就很复杂，其结果是：如例图9．2所示，由于有r n的存在，刀具不能把整个切削层厚度αc全部切下来，将有∆a一薄层金属无法沿OM 方向滑移，而是从O点下面挤压过去，即切削层金属在O点处分离，O点以上部分经第I、第II变形区成为切屑，O点以下部分经过刀刃钝圆半径r n的挤压产生塑性变形而留在已加工表面上，再继续受到VB棱面的挤压和摩擦，又使表层金属受到剪切应力，随着与后刀面的脱离，表层金属开始弹性恢复。

由于第Ⅲ变形区的特点，导致已加工表面的表层金属有和基体组织不同的性质(非晶质化、纤维化、加工硬化)，而称之为加工变质层。

[例9．5] 为什么一般均采用减小副偏角而不采取减小主偏角的方法来减小表面粗糙度?[答案] 表面粗糙度产生原因之一是切削加工中的残留面积，理论残留面积的高度R max=F(κr，κr9)，由于κr与κr9对R max的影响程度相同，所以，减小κr或κr9对减小R max有同样的效果。

但是，刀具几何参数的选择不能从单一因素考虑，应以κr和κr9各自的功用和对切削过程影响等多因素综合考虑。

κr是主切削刃的一个参数。

主切削刃的功用是完成主要的金属切除工作，κr的选择主要是根据具体的加工条件和系统刚度确定。

尤其是减小κr会导致径向切削力F y增大，在工艺系统刚度不足的情况下，会降低加工精度；会引起振动，增加表面粗糙度和降低刀具耐用度。

κr9是刀具副切削刃的一个参数。

副切削刃的主要功用是最终完成已加工表面，κr9的选择主要是考虑已加工表面的质量要求。

虽然减小κr9也会增大副后刀面与已加工表面的摩擦，降低刀具耐用度，但由于副切削刃切除的金属与主切削刃相比很少，κr9不利的影响程度就不如κr。

所以，为减小表面粗糙度，常采取较小的κr9，甚至采用κr9=08的修光刃。

[例9．6] 何谓积屑瘤?如何减小、抑制?[答案]切削塑性金属时，来自切屑和工件的金属粘结(冷焊)层积在前刀面刀刃处，形成硬度很高的楔形块，稳定时能够代替刀刃进行切削，这个楔形硬块就称为积屑瘤。

积屑瘤对切削过程的影响弊大于利，特别是精加工时，积屑瘤会使加工表面质量变坏，因此要采取措施抑制积屑瘤的产生。

抑制积屑瘤的机理在于破坏切屑底层金属与前刀面粘结的条件，降低粘结物的强度和硬度。

主要措施有：(1)增大前角γo(γo >308)，以减小刀屑接触区压力。

(2)通过热处理减小工件材料的塑性。

(3)避开产生积屑瘤的切削速度，例如，低速切钢时，切削区的温度低于300℃，使粘结不易发生；高速时，使切削区温度高于500℃，使积屑瘤失去形成的条件。

(4)提高刀具刃磨质量，减小前刀面粗糙度，采用润滑性能好的切削液，以减小摩擦，破坏粘结条件。

(5)减小切削厚度αc，使刀—屑接触宽度缩短，减小积屑瘤生成高度。

[例9．7] 何谓加工硬化?如何表示加工硬化?如何减少加工硬化?[答案] 工件经过切削加工后，已加工表面的硬度将高于工件材料原来的硬度，这种现象称为加工硬化。

加工硬化用硬化程度N和硬化层深度h a表示。

减小加工硬化的措施：(1)选择较大的前角γo和较小刀刃钝圆半径γn(2)合理增加后角αo，限制后刀面磨损量VB值。

(3)选择较高的切削速度v(但切削温度要低于工件材料的A c3)、较小的进给量f.(4)使用润滑性能好的切削液。

[例9.8] 何谓残余应力?产生原因有哪些?如何控制?[答案] 当切削力(外力)的作用结束后，在工件内保持平衡而存在的(内)应力称为残余应力。

由切削加工后而产生残余应力的原因可归纳为三个方面：(1)切削时切削力作用引起塑性变形，产生残余应力。

(2)切削热引起温度变化、不均匀分布引起塑性变形，产生残余应力。

(3)切削热引起材料相变体积变化，产生残余应力。

影响残余应力的因素复杂，各种因素交叉作用。

凡是影响材料塑性变形和切削温度的因素都影响加工表面的残余应力。

残余应力的控制可从三个方面采取措施：(1)刀具方面。

①改变前角γo。

从正值逐渐变为负值时，表层的残余拉应力逐渐减小，而残余应力层的深度增加；当采用较大负前角，甚至会使已加工表面得到残余压应力。

②控制后刀面磨损量。

VB增加时，使后刀面与已加工表面的摩擦增加，但另一方面也使已加工表面上的切削温度升高，从而由热应力引起的残余应力的影响程度增强，使已加工表面的残余拉应力增大，残余应力层深度也随之增加。

(2)工件材料方面。

材料的塑性越大，加工表面产生的残余拉应力越大，所以改善和减小材料的塑性，可以减小加工表面的残余拉应力。

(3)切削用量方面。

①控制切削速度v。

v越大，切削温度越高，由热应力引起的残余应力会起主导作用，加工表面上的残余拉应力将随着v的提高而增大，但残余应力层深度减小。

当切削温度超过材料相变温度时，则残余应力的大小及方向将取决于工件表层金相组织的变化。

②改变进给量f. f增加时，热应力引起的残余应力起主要作用，从而使加工表面上的残余拉应力及应力层深度增加。

[例9．9] 切削加工时可以采取哪些措施来减小加工表面粗糙度?[答案] 要减小加工表面粗糙度，就必须减小残留面积高度Rmax；减小、消除积屑瘤和鳞刺；减小工件材料的塑性变形和切削过程中的振动等。

(1)减小残留面积高度R max。

刀具应用较小的副偏角κr9、较大的刀具尖圆弧半径rε较小的进给量f，亦可使用κr9=08的修光刃(修光刃的长度一般稍大于进给量f)。

(2)减小、消除积屑瘤和鳞刺。

加工塑性大的材料时，增大刀具前角γo；减小刀具前、后刀面的粗糙度，选择与工件摩擦系数小的刀具材料；对工件材料进行热处理(调质)，减小塑性；提高切削速度v，减小进给量f；采用高效切削液。

(3)减小切削过程中的振动，提高机床设备的精度和刚度。