机械制造工艺ppt 3第三章 机械加工表面质量

Ra↑ •同样材料晶粒组织大↑→ Ra↑ ，常用正火、调质处理
刀具材料、 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↓
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二、磨削加工表面粗糙度
外圆磨削
磨削用量：砂轮转速、工件 转速、轴向进给量（f）、 砂轮纵向进给量（ap） 砂轮的六因素：磨料，粒度， 结合剂，硬度，组织，形状 尺寸
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3.1 加工表面质量及其对使用性能的影响
一、加工表面质量的概念 加工表面质量（或表面完整性）包含的内容：
表面粗糙度 表面 几何学 已加工 表面质量 表面层 材质变化 表面波度 纹理方向 表面缺陷(伤痕 表面缺陷 伤痕) 伤痕 表面层冷作硬化 表面层金相组织的变化 表面层残余应力
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微观几 何轮廓 宏观几 何轮廓
2. 砂轮粒度
磨粒在砂轮上的分布越均匀、 磨粒在砂轮上的分布越均匀、 磨粒越细，刃口的等高性越好。 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， 磨粒越多，磨削表面上的刻痕 就越细密均匀， 就越细密均匀，表面粗糙度值 就越小。 就越小。
3. 砂轮修整
砂轮修整除了使砂轮具有正 确的几何形状外， 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。因此， 而又锐利的微刃。因此，砂轮 修整的质量对磨削表面的粗糙 度影响很大。 度影响很大。
•砂轮粒度。磨粒太细，砂轮易 砂轮粒度。磨粒太细，
2. 砂轮的选择
被磨屑堵塞， 被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增 若导热情况不好， 大，若导热情况不好，还会烧伤 工件表面。 工件表面。 •砂轮硬度。太硬，磨粒脱落 表 砂轮硬度。太硬，磨粒脱落↓,表 面粗糙度增大；太软，磨粒脱落↑, 面粗糙度增大；太软，磨粒脱落 使表面粗糙度值增大 硬度合适、 增大。 使表面粗糙度值增大。硬度合适、 自励性好↑→Ra↓ 自励性好 •砂轮组织。紧密组织在精密磨获 砂轮组织。 得高精度和较小的表面粗糙度值； 得高精度和较小的表面粗糙度值； 疏松组织不易堵塞。 疏松组织不易堵塞。
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加工表面质量对零件使用性能的影响
粗糙度太大、 粗糙度太大、太小都不耐磨 对耐磨性影响 适度冷硬能提高耐磨性 粗糙度越大， 粗糙度越大，疲劳强度越差
零件表面质量
对疲劳强度的 影响
适度冷硬、 适度冷硬、残余压应力能提高疲 劳强度 粗糙度越大、 粗糙度越大、工作精度降低 残余应力越大， 残余应力越大，工作精度降低 粗糙度越大， 粗糙度越大，耐腐蚀性越差 压应力提高耐腐蚀性， 压应力提高耐腐蚀性，拉应力反 之则降低耐腐蚀性
加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。 因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性 降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变 形。 并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因 为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松”， 在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形 成小颗粒，使零件加速磨损。 图3-5
二、加工表面质量对机器零件使用性能的影响
（一）表面质量对零件耐磨性的影响 1. 表面粗糙度对耐磨性的影响
表面粗糙度太大和太小都不耐磨 表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗 糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧； 表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面 太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜， 容易发生分子粘结而加剧磨损。
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（二）表面质量对零件疲劳强度的影响 1. 表面粗糙度对疲劳强度的影响
表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。 对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交 变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应 力集中，产生疲劳裂纹。 表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳 性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深， 纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。 材料对应力集中敏感程度。钢，铸铁、非铁金属
2. 非几何因素 （1）工件材料的影响 ）
韧性材料：工件材料韧性愈好， 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 形愈大，加工表面愈粗糙。 钢材料的工件，为改善切削性能， 钢材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗 糙度， 糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质 处理。 处理。 脆性材料：加工脆性材料时， 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 使表面粗糙。 点，使表面粗糙。
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（2）切削速度的影响 ）
加工塑性材料时， 加工塑性材料时，切削速度对表 面粗糙度的影响（ 积屑瘤和鳞刺的 面粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞刺的 影响）。加工脆性材料， ）。加工脆性材料 影响）。加工脆性材料，切削速度影 响不大。 响不大。 此外，切削速度越高， 此外，切削速度越高，塑性变形 越不充分， 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， 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。 可以得到较小的表面粗糙度。 减小进给量f固然可以减小 减小进给量 固然可以减小 表面粗糙度值， 进给量过小， 表面粗糙度值，但进给量过小， 表面粗糙度会有增大的趋势。 表面粗糙度会有增大的趋势。 此外，合理使用冷却润滑液， 此外，合理使用冷却润滑液， 冷却润滑液 适当增大刀具的前角 提高刀具 增大刀具的前角， 适当增大刀具的前角，提高刀具 的刃磨质量等 质量等， 的刃磨质量等，均能有效地减小 表面粗糙度值。 表面粗糙度值。振动
1. 磨削用量
砂轮的转速↑ →材料塑性变形↓ → 表面粗 糙度值↓ ； 磨削深度↑工件速度↑ → 塑性变形↑ →表面 粗糙度值↑ ； 为提高磨削效率， 为提高磨削效率，通常在开始磨削时采用 较大的径向进给量， 较大的径向进给量，而在磨削后期采用较小 的径向进给量或无进给量磨削， 的径向进给量或无进给量磨削，以减小表面 粗糙度值。 粗糙度值。 22
1. 表面粗糙度对耐腐蚀性的影响 零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越 深，渗透与腐蚀作用越强烈。减小零件表面粗糙度， 可以提高零件的耐腐蚀性能。 2. 表面金属的力学物理性质对耐腐蚀性能的影响 零件表面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，而表面残余拉应 力则降低零件耐腐蚀性。 表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：如
减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度； 对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。 11
（四）表面质量对零件配合质量的影响
（1）表面粗糙度对零件配合精度的影响 表面粗糙度较大，则降低了配合精度。 对间隙配合、对过盈配合影响。 （2）表面残余应力对零件工作精度的影响 表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度 的稳定性。
机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面， 机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它 存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。 存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。 虽然只有极薄的一层（几微米~几十微米）， ），但都错综复杂 虽然只有极薄的一层（几微米~几十微米），但都错综复杂 地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、 地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性 和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命， 和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必 须加以足够的重视。 须加以足够的重视。
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（二）物理因素的影响-表面层金属的塑性变形 物理因素的影响 表面层金属的塑性变形
磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多数是负前角， 磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多数是负前角，切 削刃又不锐利，大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压， 削刃又不锐利，大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压， 没有切削作用。加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起， 没有切削作用。加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起，又由于磨 削时的高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。 削时的高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。
（3）进给量的影响 ）
（4）其它因素的影响 ）
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影响加工表面粗糙度的因素
刀具几何形状 •残留面积↓ →Ra↓ •前角↑→ Ra↓ •后角↑→摩擦↓→Ra↓ •刃倾角会影响实际工作前角 • v↑→ Ra↓ •f↑→ Ra↑ •ap对Ra影响不大，太小会 打滑，划伤已加工表面
切削用量 影响切削加工表面 粗糙度的因素
砂轮材料。 砂轮材料。氧化物（刚玉）砂轮磨钢类零件；碳化物（碳 化硅、碳化硼）砂轮磨铸铁、硬质合金等；高硬材料（人 造金刚石、立方氮化硼）砂轮可获极小表面粗糙度值，成 本高。 磨削液。 磨削液。
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影响磨削加工表面粗糙度的因素
砂轮粒度
•粒度↓→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 ) ap↓→ Ra↓(ap=0光磨) •太硬、太软、韧性、导热性差
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残留面积高度的计算： 当刀尖圆弧半径rε=0时，残留面积高度H为 f H= ctgk r + ctgk r′
f：进给量， K r 主偏角， K r 副偏角
'
残留面积高度的计算： 当刀尖圆弧半径rε＞0时，残留面积高度H为
f2 H= 8rε rε 刀尖圆弧半径
减小进给量f、减小主偏角kr和副偏角kr’、 增大刀尖圆弧半径rε，都能减小理论残留面积的 15 高度H，也就减小了零件的表面粗糙度
机械制造工艺学
第三章 机械加工表面质量
主讲： 主讲：胡大超
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本章内容
3.1 加工表面质量及其对使用性能的影响 3.2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施 3.3 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改 善措施 3.4 机械加工中的振动