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1、第三章第三章 机械加工表面质量及其控制机械加工表面质量及其控制 机械加工后的零件表面实际上不是理想的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、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。冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层虽然只有极薄的一层（几微米（几微米-几十微米），但都错综复杂地影响几十微米），但都错综复杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐着机械零件的精度、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蚀性和疲劳强度等，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。和寿命，因此必须加以足够的重视。1
2、零件表面质量零件表面质量表表面面粗粗糙糙度度表表面面波波度度表面物理力学表面物理力学表面物理力学表面物理力学性能的变化性能的变化性能的变化性能的变化表面微观几何表面微观几何表面微观几何表面微观几何形状特征形状特征形状特征形状特征表表表表面面面面层层层层冷冷冷冷作作作作硬硬硬硬化化化化表表表表面面面面层层层层残残残残余余余余应应应应力力力力表表表表面面面面层层层层金金金金相相相相组组组组织织织织的的的的变变变变化化化化一、表面质量的含义（内容）一、表面质量的含义（内容）21 1表面质量对零件耐磨性的影响表面质量对零件耐磨性的影响二、表面质量对零件使用性能的影响二、表面质量对零件使用性能的影响（1
3、 1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响）表面粗糙度对零件耐磨性的影响34表面粗糙度与初期磨损量的关系表面粗糙度与初期磨损量的关系5加工表面的冷作硬化，一般能提高零加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。件的耐磨性。因为它使摩擦副表面层金属的显微硬度因为它使摩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。弹性变形和塑性变形。（2 2）表面层的冷作硬化对零件耐）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响磨性的影响67 （1 1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 v 表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。
4、表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。v 对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。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。引起应力集中，产生疲劳裂纹。v 表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐表面粗糙度值越小，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痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。差。2 2表面质量对零件疲劳强度的影响表面质量对零件疲劳强度的影响8（2 2）表面层冷作硬
5、化与残余应力）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响对零件疲劳强度的影响9103.3.表面质量对零件工作精度的影响表面质量对零件工作精度的影响11（1 1）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响影响 零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。因此因此减小零件表面粗糙度，可以提高零减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。件的耐腐蚀性能。4 4表面质量对零件耐腐蚀性能表面质量对零件耐腐蚀性能的影响的影响121314零件表面质量零件表面质量粗糙度太大、太小都不耐磨粗糙
6、度太大、太小都不耐磨适度冷硬能提高耐磨性适度冷硬能提高耐磨性对疲劳强度的对疲劳强度的影响影响对耐磨性影响对耐磨性影响对耐腐蚀性能对耐腐蚀性能的影响的影响对工作精度的对工作精度的影响影响粗糙度越大，疲劳强度越差粗糙度越大，疲劳强度越差适度冷硬、残余压应力能提高疲劳适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度强度粗糙度越大、工作精度降低粗糙度越大、工作精度降低残余应力越大，工作精度降低残余应力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蚀性越差粗糙度越大，耐腐蚀性越差压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性则降低耐腐蚀性表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响15刀尖
7、圆弧半径刀尖圆弧半径r r主偏角主偏角k kr r、副偏角副偏角k kr r进给量进给量f fH=f/(cotr+cotr)H=f2/(8r)三、影响加工表面粗糙度的主要因素三、影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制及其控制1 1、几何因素、几何因素16车削、刨削时残留面积高度车削、刨削时残留面积高度172 2、物理力学因素、物理力学因素（1 1）工件材料的影响）工件材料的影响18（2 2）切削速度的影响）切削速度的影响19（3 3）进给量的影响）进给量的影响20（4 4）其它因素的影响）其它因素的影响21影响切削加工表面影响切削加工表面粗糙度的因素粗糙度的因素刀具几何形状刀具几何形状刀具材料、
8、刃磨质量刀具材料、刃磨质量切削用量切削用量工件材料工件材料残留面积残留面积 RaRa前角前角 RaRa后角后角摩擦摩擦RaRa刃倾角会影响实际工作前角刃倾角会影响实际工作前角 v Rav Raf Raf Raapap对对RaRa影响不大，太小会影响不大，太小会打滑，划伤已加工表面打滑，划伤已加工表面材料塑性材料塑性 RaRa同样材料晶粒组织大同样材料晶粒组织大 RaRa，常用正火、调质处理常用正火、调质处理刀具材料强度刀具材料强度 RaRa刃磨质量刃磨质量 RaRa冷却、润滑冷却、润滑 RaRa22影响表面层物理力学性能的主要因素影响表面层物理力学性能的主要因素表面物理力学表面物理力学性能性能
9、影响金相组织变影响金相组织变化因素化因素影响显微硬度因素影响显微硬度因素影响残余应力因素影响残余应力因素塑变引起的冷硬塑变引起的冷硬金相组织变化引金相组织变化引起的硬度变化起的硬度变化冷塑性变形冷塑性变形热塑性变形热塑性变形金相组织变化金相组织变化切削热切削热23定义：定义：机械加工时，工件表面层金属受到切机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为硬度增加，这种现象
10、称为加工硬化，又称加工硬化，又称冷作硬化和强化。冷作硬化和强化。1.1.表面层的冷作硬化表面层的冷作硬化（1 1）表面层加工硬化的产生表面层加工硬化的产生24 衡量表面层加工硬化程度的指标有下列衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项：三项：1 1）表面层的显微硬度）表面层的显微硬度HVHV；2 2）硬化层深度硬化层深度h h；3 3）硬化程度硬化程度NN N=(HV-HV N=(HV-HV0 0)/HV)/HV0 0100100式中式中 HVHV0 0工件原表面层的显微硬度。工件原表面层的显微硬度。（2 2）衡量表面层加工硬化的指标衡量表面层加工硬化的指标25（3）影响表面层加工硬化的因素）影
11、响表面层加工硬化的因素刀具几何形状的影响刀具几何形状的影响切削用量的影响切削用量的影响工件材料性能的影响工件材料性能的影响26定义：定义：机械加工中工件表面层组织发生变机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力。处会产生互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层的残余应力。这种应力即为表面层的残余应力。2.2.表面层残余应力表面层残余应力27 1 1）冷态塑变冷态塑变2 2）热态塑变热态塑变3 3）金相组织变化金相组织变化（1 1）表面层残余应力的产生）表面层残余应力的产生28切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图切削热
12、在表层金属产生残余拉应力的示意图29（2 2）影响表面残余应力的主要因素）影响表面残余应力的主要因素30滚压加工是利用经过淬火和精细研磨过的滚轮或滚滚压加工是利用经过淬火和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态下对金属表面进行挤压，使受压点产珠，在常温状态下对金属表面进行挤压，使受压点产生弹性和塑性变形，表层的凸起部分向下压，凹下部生弹性和塑性变形，表层的凸起部分向下压，凹下部分向上挤，逐渐将前工序留下的波峰压平，分向上挤，逐渐将前工序留下的波峰压平，降低了表降低了表降低了表降低了表面粗糙度；同时它还能使工件表面产生硬化层和残余面粗糙度；同时它还能使工件表面产生硬化层和残余面粗糙度；同时它还能使工
13、件表面产生硬化层和残余面粗糙度；同时它还能使工件表面产生硬化层和残余压应力。因此提高了零件的承载能力和疲劳强度。压应力。因此提高了零件的承载能力和疲劳强度。压应力。因此提高了零件的承载能力和疲劳强度。压应力。因此提高了零件的承载能力和疲劳强度。滚压加工可以加工外圆、孔、平面及成型表面，滚压加工可以加工外圆、孔、平面及成型表面，通常在普通车床、转塔车床或自动车床上进行。通常在普通车床、转塔车床或自动车床上进行。1 1滚压加工滚压加工五、提高表面层物理力学性能的加工方法五、提高表面层物理力学性能的加工方法31滚压加工原理图滚压加工原理图32喷丸强化是利用大量快速运动的珠丸打击被加工喷丸强化是利用大
14、量快速运动的珠丸打击被加工工件表面，使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力，工件表面，使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力，可显著提高零件的疲劳强度。可显著提高零件的疲劳强度。珠丸可以是铸铁的，也可以是切成小段的钢丝珠丸可以是铸铁的，也可以是切成小段的钢丝（使用一段时间后，自然变成球状）。对于铝质工件，（使用一段时间后，自然变成球状）。对于铝质工件，为避免表面残留铁质微粒而引起电解腐蚀，宜采用铝为避免表面残留铁质微粒而引起电解腐蚀，宜采用铝丸或玻璃丸。珠丸的直径一般为丸或玻璃丸。珠丸的直径一般为0.24mm0.24mm，对于尺寸对于尺寸较小、表面粗糙度值较小的工件，采用直径较小的珠较小、表面粗糙度值较小的工件，采用直径较小的珠丸。丸。2.2.喷丸强化喷丸强化3334