机械制造工艺学08

（二）加工表面层的物理力学性能变化
受加工中力、热等因素的作用，表面金属力学性 能将发生变化：
1、表层因塑性变形而产生的冷作硬化
由于加工中受到挤压使表面的显微硬度增加，这 种现象称为冷作硬化或冷硬现象。冷硬厚度一般 为0.05–0.20mm。
2、表层因受热而发生金相组织变化
切削区温度升高到金相组织变化的临界点时， 工件表面层就会产生金相组织变化。特别是磨 削时，切削区温度高达800–1000ºC，极易产生 金相组织变化或烧伤现象。同时还伴随产生残 余应力。 表层因力， 3、表层因力，热等作用而产生残余应力 由于加工过程中，切削层金属在力与热的作用 下，而产生残余应力。
表面完整性包括： 微观几何不平度 力学性能变化 摩擦反射性能等
二、表面质量对零件使用性能的影响
（一）表面质量对工作精度及其保持性的影响 零件的工作精度主要与微观几何不平度有关 精度保持性主要与表面耐磨性有关 耐磨性则与表面几何质量、表面力学性能有关 耐磨性则与表面几何质量、 一般的磨损过程分为三个阶段： 初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段 初期磨损阶段结束时的磨损量称为初期磨损量。
（3）切削深度ap的影响 切削深度a 一般切削深度ap对于粗糙度影响不大，但太小 时，有可能吃不住刀，摩擦严重。 2、工件材质的影响 工件材质韧性、塑性增大，Ra增大 工件材质晶粒越均匀，颗粒越细小，Ra减小 3、刀具材料的影响 刀具越硬，越耐磨，加工Ra越低 硬质合金刀具加工后的Ra<高速钢加工后的Ra
(二）物理因素
加工表面实际廓形与理论廓形差别较大，原 因是加工中存在积屑瘤、鳞刺、振动等物理现 象。 1、切削用量的影响 进给量f （1）进给量f的影响 当：f>0.15mm时 f ↑ →Rz ↑ f<0.15mm时 f ↑ →Rz ↗ f<0.02mm时 f ↑ →Rz →
（2）切削速度的影响 加工脆性材料时，切削速度对于粗糙度影响不大 加工塑性材料时，切削速度对粗糙度影响很大。 （积屑瘤）
初期磨损量与表面几何质量有关，一定载荷、 润滑条件下初期磨损量与表面粗糙度之间的关 系如下图所示： 当载荷增大、润滑条件 恶化时，曲线向右上方 移动，即：载荷增大、 润滑条件恶化时，最佳 粗糙度增大。
表面粗糙度大的表面，在相互接触时只是少 数微观凸峰相接触，实际接触面要比理论接触 面小得多，接触应力大，当两个接触面有相互 运动时，接触处的凸峰就产生了弹性变形、塑 性变形和剪切、而造成严重的磨损。因此，一 一 般情况下，表面粗糙度小的表面，耐磨性好。 般情况下，表面粗糙度小的表面，耐磨性好。 表面粗糙度过小， 表面粗糙度过小，则表面不能储存润滑油，使 接触面产生“粘合”现象，反而使磨损加剧 反而使磨损加剧。 反而使磨损加剧 一定程度的冷硬层可提高表面的耐磨性， 而加工时高温产生的回火组织将会降低零件表 面的耐磨性。
金等高硬铁族材料的精加工或半精 的亲和力强， ④ 与Fe的亲和力强，不能加工铁族材料。 的亲和力强 不能加工铁族材料。 加工。 加工。 适用于硬质合金、 适用于硬质合金、玻璃等高硬材料的精加工
二、磨削加工
磨削机理与切削机理不同，因而对表面粗糙 度的影响也不相同。
砂轮上的磨粒因几何角度，位置不同起三种不同 的作用：
5-2 表面粗糙度及其降低的工艺措施
表面粗糙度即表面微观几何形状误差， 表面粗糙度即表面微观几何形状误差，是 加工方法本身所固有的。 加工方法本身所固有的。它的产生一般与 刀刃的形状、刀具的进给、 刀刃的形状、刀具的进给、切屑的形成过 如积屑瘤）等因素有关。 程（如积屑瘤）等因素有关。
一、切削加工 （一）几何因素
2、磨削用量 砂轮速度v 表面粗糙度Ra ① 砂轮速度v砂↑ →表面粗糙度Ra ↓
（提高砂轮线速度，通过工件单位面积上的磨粒数 提高砂轮线速度， 越多，因而，表面粗糙度值就越小。 越多，因而，表面粗糙度值就越小。同时可提高 生产率。） 生产率。）
②
工件速度v 表面粗糙度Ra 工件速度v工↑ →表面粗糙度Ra ↑
1、刀尖半径较小时理论粗糙度的计算 、
平行四边形为切削层理论横截面 三角形为残留面积 H为理论粗糙度 ， f为进给量，κr为主偏角 κr’为副偏角 则： f=Hctg κr+ Hctg κr’ 得：H=f/(ctg κr+ ctg κr ’) f
n κr κ r’
H
2、刀尖半径较大时理论粗糙度的计算
锋利、位置靠前的起切削作用 较锋利、位置较靠前的起刻划作用 较钝、位置靠后的起抛光作用
磨削表面粗糙度与砂轮、工件材质、磨削用量有 砂轮、工件材质、磨削用量 砂轮 关。
砂轮： 1、砂轮： 砂轮粒度↑ →表面粗糙度 表面粗糙度Ra↑ 砂轮粒度↑ →表面粗糙度Ra↑ 一般磨料的粒度用粒度号表示，每英寸长度 上的网眼个数为粒度号，例80#，60#； 微粉用最大 颗粒的最大 尺寸的微米 数表示，例 W28、W14。
2.
成分： 成分：WC+Co 多用于加工短切屑的金属或非金属， 多用于加工短切屑的金属或非金属，如： 成分：WC+TiC+Co 硬质合金： 成分：、青铜等。 铸铁、 铸铁 青铜等。 成分： 成分：WC+TiC+TaC(NbC)+Co ， 如 ： 钢 多用于加工长切屑的黑色金属， 多用于加工长切屑的黑色金属 基本性能： 基本性能： 常用牌号： 常用牌号： 既可用于加工短切屑的铸铁， 既可用于加工短切屑的铸铁，也可用于 材等。 材等。 硬度： 硬度：74~82HRC YG3(K01)、 加工长切屑的钢材。 、 等 加工长切屑的钢材。 常用牌号： 常用牌号： 、YG6(K20)、YG8(K40)等 耐热性： 耐热性：800~1000 ℃ 常用牌号： 精加工 粗加工 常用牌号： 、 等 切削速度： YT5(P30)、 m/min 切削速度：V=100~ 300、YT15(P20)、YT30(P10)等 YW1(M10)、YW2(M20)、YW3(M30)等 、 、 工艺性差，不适用于制造整体结构的复杂刀具。 工艺性差，不适用于制造整体结构的复杂刀具。等 粗加工 精加工 精加工 粗加工 典型牌号： 典型牌号： ① 钨钴类YG （K类） 钨钴类YG ② 钨钴钛类YT （P类） 钨钴钛类YT ③ 通用类YW （M类） 通用类YW
金刚石刀具的性能：
常用刀具材料
1.
高速钢（1900年首次使用） 高速钢（1900年首次使用）
基本性能： 基本性能： 硬度： 硬度：62~65HRC 耐热性： 耐热性：500~600 ℃ 切削速度： 切削速度：V< 30 m/min 工艺性好，适用于制造复杂刀具。 工艺性好，适用于制造复杂刀具。 常用牌号： 常用牌号： W18Cr4V W6MO5Cr4V2 W6MO5Cr4V2Al
③
砂轮相对于工件的进给量f 表面粗糙度Ra↑ 砂轮相对于工件的进给量f↑ →表面粗糙度Ra↑
④
磨削深度a 表面粗糙度Ra↑ 磨削深度ap↑ →表面粗糙度Ra↑
增加工件速度、切削深度和进给量时，将使磨 削表面塑性变形程度加剧，而增大表面粗糙度。
根据上述实验关系，可以得到经验公式：
3、砂轮修整 砂轮修整质量越高， 磨削表面质量越好。
切削过程： 2、切削过程：可分为四个阶段 （1）强烈切削阶段：少数波峰上压强很大， 切削作用剧烈。 （2）正常切削阶段：接触面积增大，接触压 强减小，切削作用减弱。 （3）微弱切削阶段：接触面积进一步增大， 接触压强进一步减小，磨条起抛光作用。 （4）停止切削阶段：工件被研平，接触压强 很小，磨条与工件之间形成油膜，切削停止。
第五章 机械加工表面质量 5-1 概述
一、机械加工表面质量含义 包括： 包括：微观几何形状 表层物理力学性能
（一）加工表面的几何形状特征
表面几何误差包括： 表面几何误差包括： 形状误差： 形状误差：波长/波幅>1000 表面轮廓曲线经低通滤波获得 波纹度： 波纹度：50<波长/波幅<1000 表面轮廓曲线经带通滤波获得 一般与工艺系统的振动有关。 表面微观不平度误差： 表面微观不平度误差：波长/波幅<50 表面轮廓曲线经高通滤波获得 一般与刃口形状，进给，刀瘤等有关。
超硬刀具材料
陶瓷
“Al2O3 或 Si3N4 添加不同的金属元素 、 添加不同的金属元素(Ni、 Co、 Mo、 W)或金属炭化物 或金属炭化物(TiC、 WC)， 、 、 或金属炭化物 、 ， 采用热压和烧结的方法获得” 采用热压和烧结的方法获得”。 人造聚晶金刚石（PCD） 耐磨性好。 人造聚晶金刚石（：硬度高、耐磨性好。91~95HRA 特点：硬度高、 特点 PCD） 耐热性高。 耐热性高。1200 ℃ 与金刚石相比： 与金刚石相比： “高温下借助合金触媒的作用，由石墨转化而成”。 m/min 高温下借助合金触媒的作用， 高温下借助合金触媒的作用 由石墨转化而成” 切削速度高达100~400 硬度： ① 切削速度高达 硬度 。 立方氮化硼（CBN） 立方氮化硼（CBN） ：8000~9000HV。 特点： 特点： 抗弯强度、冲击韧性较差。 耐热性： ② 抗弯强度、冲击韧性较差。 耐热性：1300~1500 ℃ 硬度高、耐磨性极好。 以上。 ① 硬度高、耐磨性极好。5000HV以上。 以上 的亲和力小， ③ 与 Fe的亲和力小 能加工铁族材料。 的亲和力小 主要用于冷硬铸铁、 ， 能加工铁族材料 。 主要用于冷硬铸铁 、 高硬钢等精加工和 耐热性： ② 耐热性：700~800 ℃，不能在高温下切削 主要适用于淬硬钢、耐磨铸铁、高温合 主要适用于淬硬钢、耐磨铸铁、 半精加工。 半精加工。 冲击韧性、抗弯强度低。只有硬质合金的1/4。 ③ 冲击韧性、抗弯强度低。只有硬质合金的 。
三、超精研、研磨、珩磨、抛光 超精研、研磨、珩磨、
超精研、研磨、珩磨、抛光加工的共同特点是： 1、不选择切削用量，只限定压强和加工时间 2、无需精密机床 3、降低表面粗糙度效果明显，提高精度不明显 4、加工余量小