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重庆三峡学院
毕 业 设 计（论文） 题目：影响机械加工表面质量的因素及采取的措施 二级学院 应用技术学院 专 业 机械设计及其自动化 （数控方向） 班 级 2010级机械一班 学生姓名 敖 相 阳 指导教师 钱 利 霞 职称 副 教 授 时 间 2013.11.20 摘要I 一 、 绪论 1 、机械加工的发展及意义 2、 基本概念 2.1 机械加工表面质量 2.2 零件的失效 2.3 磨削烧伤 2.4 表面冷作硬伤 3、 影响工件表面质量的因素 3.1 加工过程对表面质量的影响 3.1.1 工艺系统的振动对工件表面质量的影响 3.1.2 刀具几何参数、材料和刃磨质量对表面质量的影响 3.1.3 切削液对表面质量的影响 3.1.4 工件材料对表面质量的影响 3.1.5 切削条件对工件表面质量的影响 3.1.6 切削速度队表面粗糙度的影响 3.1.7 磨削加工影响表面质量的因素 3.1.8 影响工件表面物理机械性能的因素 3.2 使用过程中影响表面质量的因素 3.2.1 耐磨性对表面质量的影响 3.2.2 疲劳强度对表面质量的影响 3.2.3 耐蚀性对表面质量的影响 二 、 机械加工表面质量对零件使用性能的影响 1. 表面质量对零件耐磨性的影响 2. 表面质量对零件疲劳强度的影响 3. 表面质量对零件耐腐蚀性能的影响 4. 表面质量对零件配合性质的影响 5. 表面质量对零件其他性能的影响 三 、 控制表面质量的途径 1. 降低表面粗糙度的加工方法 2. 改善表面物理力学新跟那个的加工方法 四 提高机械加工工件表面质量的措施 五 总结及展望 六 致 谢 七 参考文献 论文题目： 影响机械加工表面质量的因素及采取的措施 摘要
机械零件的破坏，一般总是从表面开始的。产品的性能，尤其是他的可靠性和耐久性，在很大程度取决于零件表面层的质量。研究机械加工表面质量的目的就是为了掌握机械加工中各种工艺因素对加工表面质量影响的的规律，以便运用这些规律来控制加工过程，最终达到改善表面质量、提高产品使用性能的目的。 机械产品的使用性能的提高和使用寿命的增加与组成产品的零件加工质量密切相关，零件的加工质量是保证产品质量基础。衡量零件加工质量好坏的主要指标有：加工精度和表面粗糙度。 本文主要通过对影响零件表面粗糙度的因素、零件表面层的物理力 学性能（表面冷作硬化、残余应力、金相组织的变化与磨削烧伤） 、表面质量影响零件使用性能等因素的分析和研究，来提高机械加工表面质量的工艺措施。 关键词：机械加工 表面质量 影响因素 控制措施 一、绪 论 前言 随着工业技术的飞速发展机械化生产以走进各大小企业，与之息息相关的就是各式各样的机器。而机器是由机械零件装配而成,机器的失效是由个别零件的失效而造成的,其根本原因是零件丧失了其应具备的使用性能。而通过研究与生产实践证明,零件的失效大都从表面开始,零件表面质量的高低是决定其使用性能好坏的重要因素。因此,正确地理解零件表面质量内涵,分析机械加工过程中影响加工表面质量的各种工艺因素,通过改变这些因素从而改善工件表面质量，提高产品的使用性能及对未来机械行业的发展具有重要的意义。 随着机械行业在社会中占得地位越来越重，人们对机器的使用要求越来越高，一些重要零件在高压力、高速、高温等高要求条件下工作，零件表面的任何缺陷,不仅直接影响零件的工作性能,而且还可能引起应力集中、应力腐蚀等现象将进一步加速零件的失效,这一切都与加工表面质量有很大关系。 一个零件的失效或者突然间损坏，其原因除了少数因设计不周而强度不够，或者是由于偶然的事故引起超负荷而造成了失效或损坏以外，大多数都是由于磨损、受到外界环境的腐蚀或疲劳破坏。磨损、腐蚀和疲劳损坏都是发生在零件的表面,或是从零件表面开始的。因此,加工表面质量将直接影响到零件的使用性能，因而表面质量问题越来越受到各方面的重视。 机械加工表面的基本信息： 镜面——是金属切削加工的理想境界，是提高机械部件使用寿命的最有效手段。 镜面——是机械切削加工后，得到非常好粗糙度的传统代名词，能清晰倒影出物品影像的金属表面。 无论用何种金属加工方法加工，在零件表面总会留下微细的凸凹不平的刀痕，出现交错起伏的峰谷现象，粗加工后的表面用肉眼就能看到，精加工后的表面用放大镜或显微镜仍能观察到。这就是零件加工后的表面粗糙度，过去称为表面光洁度。国家规定表面粗糙度的参数由高度参数、间距参数和综合参数组成。 获得镜面的机械加工方法有：去除材料方式、无切削方式（滚压加工）。 去除材料加工方式有：磨削、研磨、抛光、电火花。 无切削加工方式有：滚压（采用镜面工具）、挤压。 1、机械加工的发展及意义 机械加工是指通过各种机械对工件的外形尺寸或性能进行改变的过程。广义指能用机械手段制造产品的过程；狭义指用车床（Lathe Machine）、铣床(Milling Machine)、钻床(Driling Machine)、磨床(Grinding Machine)、冲压机、压铸机等专用机械设备制作零件的过程。按被加工工件处于的温度状态﹐分为冷加工和热加工。一般在常温下不引起工件的化学或物相变化的加工﹐称冷加工。同样的，高于或低于常温状态而且会引起工件的化学或物相变化的加工﹐称热加工。冷加工按加工方式的差别可分为切削加工和压力加工。热加工常见有热处理﹐煅造﹐铸造和焊接。 随着现代机械加工的快速发展，机械加工技术快速发展，慢慢的涌现出了许多先进的机械加工技术方法，比如微型机械加工技术、快速成形技术、精密超精密加工技术等。 微型机械加工技术 随着微/纳米科学与技术（Micro/Nano Science and Technology）的发展，以本身形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们认识和改造微观世界的一种高新科技。微机械由于具有能够在狭小空间内进行作业，而又不扰乱工作环境和对象的特点，在航空航天、精密仪器、生物医疗等领域有着广阔的应用潜力，并成为纳米技术研究的重要手段，因而受到高度重视并被列为21世纪关键技术之首。 快速成形机械加工技术 快速成形技术是20世纪发展起来的，可根据CAD模型快速制造出样件或者零件。它是一种材料累加加工制造方法，即通过材料的有序累加而完成三维成形的。快速成形技术集成了CNC技术、材料技术、激光技术以及CAD技术等现代的科技成果，是现代先进机械加工技术的重要组成部分。 精密超精密机械加工技术 精密和超精密加工时现代机械加工制造技术的一个重要组成部分，是衡量一个国家高科技制造业水平高低的重要指标之一。20世纪60年代以来，随着计算机及信息技术的发展，对制造技术提出了更高的要求，不仅要求获得极高的尺寸、形位精度，而且要求获得极高的表面质量。正是在这样的市场需求下，超精密加工技术得到了迅速的发展，各种工艺、新方法不断涌现，同时也促进了各种相关产品技术性能的提高。 随着工业时代的到来，机械加工在人类发展中说站得比例越来越重，相信，在不就得将来，我国的机械加工在全世界都有一个比较大的成果。 2.基本概念 2.1 机械加工表面质量 机械加工表面质量，是指零件在机械加工后被加工面的微观不平度，也叫粗糙度，以Ra\Rz\Ry三种代号加数字来表示，机械图纸中都会有相应的表面质量要求，一般是工件表面粗糙度Ra<0.8um的表面时称：镜面。其加工后的表面质量直接影响被加工件的物理、化学及力学性能。产品的工作性能、可靠性、寿命在很大程度上取决于主要零件的表面质量。一般而言，重要或关键零件的表面质量要求都比普通零件要高。这是因为表面质量好的零件会在很大程度上提高其耐磨性、耐蚀性和抗疲劳破损能力。 2.2 零件的失效 机器零件失效,指的是其无法继续原来的效用,或者不能保证机器的长时间正常的工作。 2.3 磨削烧伤 :在磨削加工中，由于多数磨粒为负前角切削，磨削温度很高，产生的热量远远高于切削时的热量，而且磨削热有60~80%传给工件，所以极容易出现金相组织的转变，使得表面层金属的硬度和强度下降，产生残余应力甚至引起显微裂纹，这种现象称为磨削烧伤。 2.4 表面冷作硬伤 钢材在常温或在结晶温度以下的加工产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒产生剪切、滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加，减少表面层金属变形的塑性，称为冷作硬化。金属在冷态塑性变形中，使金属的强化指标，如屈服点、硬度等提高，塑形指标如伸长率降低的现象称为冷作硬化。 3、 影响工件表面质量的因素 3.1 加工过程对表面质量的影响 3.1.1 工艺系统的振动对工件表面质量的影响 在机械加工过程中工艺系统有时会发生振动，即在刀具的切削刃与工件上正在切削的表面之间除了名义上的切削运动之外，还会出现一种周期性的相对运动。振动使工艺系统的各种成形运动受到干扰和破坏，使加工表面出现振纹， 增大表面粗糙度值，恶化加工表面质量。 3.1.2 刀具几何参数、材料和刃磨质量对表面质量的影响 刀具的几何参数中对表面粗糙度影响最大主要是副偏角、主偏角、 刀尖圆弧半径。在一定的条件下，减小副偏角、主偏角、刀尖圆弧半径都可以降低表面粗糙度。在同样条件下，硬质合金刀具加工的表面粗糙度值低于高速钢刀具，而金刚石、立方氮化硼刀具又优于硬质合金，但由于金刚石与铁族材料亲和力大，故不宜用来加工铁族材料。另外，刀具的前、后刀面、切削刃本身的粗糙度直接影响加工表面的粗糙度，因此，提高刀具的刃磨质量，使刀具前后刀面、切削刃的粗糙度值应低于工件的粗糙度值的1~2级。 3.1.3 切削液对表面质量的影响 切削液的冷却和润滑作用能减小切削过程中的界面摩擦，降低切削区温度，使切削层金属表面的塑性变形程度下降，抑制积屑瘤和鳞刺的产生，在生产中对于不同材料合理选用切削液可大大减小工件表面粗糙度。 3.1.4 工件材料对表面质量的影响 工件材料的性质；加工塑性材料时，由刀具对金属的挤压产生了塑性变形，加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。工件材料韧性越好，金属的塑性变形越大，加工表面就愈越粗糙。加工脆性材料时其切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点使表面粗糙。 一般韧性较大的塑性材料，加工后表面粗糙度较大，而韧性较小的塑性材料，加工后易得到较小的表面粗糙度。对于同种材料，其晶粒组织越大，加工表面粗糙度越大。因此，为了减小加工表面粗糙度，常在切削加工前对材料进行调质或正火处理，以获得均匀细密的晶粒组织和较高的硬度。 3.1.5 切削条件对工件表面质量的影响 与切削条件有关的工艺因素，包括切削用量、冷却润滑情况。中、低速加工塑性材料时，容易产生积屑瘤和鳞刺，所以，提高切削速度，可以减少积屑瘤和鳞刺，减小零件已加工表面粗糙度值；对于脆性材料，一般不会形成积屑瘤和鳞刺，所以，切削速度对表面粗糙度基本上无影响。进给速度增大，塑性变形也增大，表面粗糙度值增大，所以，减小进给速度可以减小表面粗糙度值，但是，进给量减小到一定值时，粗糙度值不会明显下降。 正常切削条件下，切削深度对表面粗糙度影响不大，因此，机械加工时不能选用过小的切削深度。 3.1.6 切削速度队表面粗糙度的影响 一般在粗加工选用低速车削，精加工选用高速车削可以减小表面粗糙度。在中速切削塑性材料时，由于容易产生积屑瘤，且塑性变形较大，因此加工后零件表面粗糙度较大。通常采用低速或高速切削塑性材料，可有效地避免积屑瘤的产生，这对减小表而粗糙度有积极作用。 3.1.7 磨削加工影响表面质量的因素 ⑴砂轮的影响砂轮的粒度越细，单位面积上的磨粒数越多，在磨削表面的刻痕越细，表面粗糙度越小；但若粒度太细，加工时砂轮易被堵塞反而会使表面粗糙度增大，还容易产生波纹和引起烧伤。砂轮的硬度应大小合适，其半钝化期愈长愈好；砂轮的硬度太高，磨削时磨粒不易脱落，使加工表面受到的摩擦、挤压作用加剧，从而增加了塑性变形，使得表面粗糙度增大，还易引起烧伤；但砂轮太软，磨粒太易脱落，会使磨削作用减弱，导致表面粗糙度增加，所以要选择合适的砂轮硬度。砂轮的修整质量越高，砂轮表面的切削微刃数越多、各切削微刃的等高性越好，磨削表面的粗糙度越小。 ⑵磨削用量的影响增大砂轮速度，单位时间内通过加工表面的磨粒数增多，每颗磨粒磨去的金属厚度减少，工件表面的残留面积减少；同时提高砂轮速度还能减少工件材料的塑性变形，这些都可使加工表面的表面粗糙度值降低。降低工件速度，单位时间内通过加工表面的磨粒数增多，表面粗糙度值减小；但工件速度太低，工件与砂轮的接触时间长，传到工件上的热量增多，反面会增大粗糙度，还可能增加表面烧伤。增大磨削深度和纵向进给量， 工件的塑性变形增大，会导致表面粗糙度值增大。径向进给量增加，磨削过程中磨削力和磨削温度都会增加，磨削表面塑性变形程度增大，从而会增大表面粗糙度值。为在保证加工质量的前提下提高磨削效率，可将要求较高的表面的粗磨和精磨分开进行，粗磨时采用较大的径向进给量，精磨时采用较小的径向进给量，最后进行无进给磨削，以获得表面粗糙度值很小的表面。 ⑶工件材料工件材料的硬度、塑性、导热性等对表面粗糙度的影响较大。塑性大的软材料容易堵塞砂轮，导热性差的耐热合金容易使磨料早期崩落， 都会导致磨削表面粗糙度增大。另外，由于磨削温度高，合理使用切削液既可以降低磨削区的温度，减少烧伤，还可以冲去脱落的磨粒和切屑，避免划伤工件，从而降低表面粗糙度值。 3.1.8 影响工件表面物理机械性能的因素
3.2 使用过程中影响表面质量的因素 3.2.1 耐磨性对表面质量的影响 每个刚加工好的摩檫副的两个接触表面之间,最初阶段在表面粗糙的峰部触,实际接触面积远小于理论接触面积,在相互接触的部有非常大的单位应力 ,使实际接触面积处产生塑性变形、弹性变形和峰部之间的剪切破坏,引起严重磨损。 3.2.2 疲劳强度对表面质量的影响 在交变载荷作用,表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中产生疲劳纹。表面粗糙度值愈大,表面的纹痕愈深,纹底半径愈小,抗疲劳破坏的能力就愈差。 3.2.3 耐蚀性对表面质量的影响 零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多。抗蚀性就愈差。表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂,降低零件的耐磨性,而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。 二 、 机械加工表面质量对零件使用性能的影响 在机械加工中，零件的加工表面产生微观不平、残余应力等各种缺陷，虽然仅存于零件极薄的表面层中，却严重影响着机械零件的精度、耐磨性、配合性、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而进一步影响机械的使用性能和使用寿命。 1. 表面质量对零件耐磨性的影响 零件的耐磨性是零件的一项重要性能指标，当摩擦副的材料、润滑条件和加工精度确定之后，零件的表面质量对耐磨性将起着关键性的作用。由于零件表面存在着表面粗糙度，当两个零件的表面开始接触时，接触部分集中在其波峰的顶部，因此实际接触面积远远小于名义接触面积，并且表面粗糙度越大，实际接触面积越小。在外力作用下，波峰接触部分将产生很大的压应力。两个零件作相对运动时，开始阶段由于接触面积小、压应力大，在接触处的波峰会产生较大的弹性变形、塑性变形及剪切变形，波峰很快被磨平，即使有润滑油存在，也会因为接触点处压应力过大，油膜被破坏而形成干摩擦，导致零件接触表面的磨损加剧。当然，并非表面粗糙度越小越好，如果表面粗糙度过小，接触表面间储存润滑油的能力变差，接触表面容易发生分子胶合、咬焊，同样也会造成磨损加剧。表面层的冷作硬化可使表面层的硬度提高，增强表面层的接触刚度，从而降低接触处的弹性、塑性变形，使耐磨性有所提高。但如果硬化程度过大，表面层金属组织会变脆，出现微观裂纹，甚至会使金属表面组织剥落而加剧零件的磨损。 2. 表面质量对零件疲劳强度的影响 表面粗糙度对承受交变载荷的零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度波谷处容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。并且表面粗糙度越大，表面划痕越深，其抗疲劳破坏能力越差。表面层残余压应力对零件的疲劳强度影响也很大。当表面层存在残余压应力时，能延缓疲劳裂纹的产生、扩展，提高零件的疲劳强度；当表面层存在残余拉应力时，零件则容易引起晶间破坏，产生表面裂纹而降低其疲劳强度。表面层的加工硬化对零件的疲劳强度也有影响。适度的加工硬化能阻止已有裂纹的扩展和新裂纹的产生，提高零件的疲劳强度；但加工硬化过于严重会使零件表面组织变脆，容易出现裂纹，从而使疲劳强度降低。 3. 表面质量对零件耐腐蚀性能的影响 表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响很大。 零件表面粗糙度越大， 在波谷处越容易积聚 腐蚀性介质而使零件发生化学腐蚀和电化学腐蚀。 表面层残余压应力对零件的耐腐蚀性能也有影响。残余压应力使表面组织致密，腐蚀性介 质不易侵入，有助于提高表面的耐腐蚀能力；残余拉应力的对零件耐腐蚀性能的影响则相反。 4. 表面质量对零件配合性质的影响 相配零件间的配合性质是由过盈量或间隙量来决定的。 在间隙配合中， 如果零件配合表 面的粗糙度大， 则由于磨损迅速使得配合间隙增大， 从而降低了配合质量， 影响了配合的稳 定性； 在过盈配合中， 如果表面粗糙度大， 则装配时表面波峰被挤平， 使得实际有效过盈量 减少， 降低了配合件的联接强度， 影响了配合的可靠性。 因此， 对有配合要求的表面应规定 较小的表面粗糙度值。 在过盈配合中， 如果表面硬化严重， 将可能造成表面层金属与内部金属脱落的现象， 从 而破坏配合性质和配合精度。 表面层残余应力会引起零件变形， 使零件的形状、 尺寸发生改 变，因此它也将影响配合性质和配合精度。 5. 表面质量对零件其他性能的影响 如对间隙密封的液压缸、 滑阀来说， 减小表面粗糙度 R a 可以减少泄漏、 提高密封性能； 较小的表面粗糙度可使零件具有较高的接触刚度；对于滑动零件，减小表面粗糙度 R a 能使 摩擦系数降低、 运动灵活性增高， 减少发热和功率损失； 表面层的残余应力会使零件在使用 过程中继续变形，失去原有的精度，机器工作性能恶化等。 总之， 提高加工表面质量， 对于保证零件的使用性能、 提高零件的使用寿命是十分重要 的。 三 、 控制表面质量的途径 随着科学技术的发展， 对零件的表面质量的要求已越来越高。 为了获得合格零件， 保证 机器的使用性能， 人们一直在研究控制和提高零件表面质量的途径。 提高表面质量的工艺途 径大致可以分为两类：一类是用低效率、高成本的加工方法，寻求各工艺参数的优化组合， 以减小表面粗糙度；另一类是着重改善工件表面的物理力学性能，以提高其表面质量。 1. 降低表面粗糙度的加工方法 2. 改善表面物理力学新跟那个的加工方法 四 提高机械加工工件表面质量的措施 五 总结及展望 充实而紧张的毕业设计马上就要接近尾声。这次让我明白毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。 六 致 谢 此次设计是在钱老师的指导之下完成的，和老师的接触中我学到了很多知识，包括老师的那种对机械的一丝不苟的认真态度，还有对我的严格要求，尤其老师让我学习怎么完成一篇论文，让我受益匪浅。设计重头到尾都渗透着老师的心血。导师精深的学术造诣、严谨的治学态度，崇高的人格风范、耳提面命，授业解惑，是我在设计的过程中受益非浅。在此谨向导师致以忠心的感谢和敬意。感谢本文所引用的参考文献的作者们，本文的工作是以他们的研究成果为依据的。同时对我们设计初期时为我们提供实习帮助的企业表示忠心的感谢。 谨向我在设计学习期间所有关心、帮助过我的老师、同学和亲友致以诚挚的谢意。 七 参考文献 [1]钱利霞，机械设计课程设计。北京，化学工业出版社2011 [2]胡风兰，互换性与技术测量基础。北京，高等教育出版社，2005 [3]徐锦康，机械设计。北京，高等教育出版社，2004 [4]朱 理，机械原理。北京，高等教育出版社，2003 [5]吉卫喜，机械制造技术。北京机械工业出版社，2001 [6]寇元哲，影响机械加工表面质量的因素分析]。甘肃科技，2005 [7]焦士仲，金属切削原理。北京：机械工业出版社，2005 [8]姜继海，液压与气压传动。北京：高等教育出版社，2009 [9]刘鸿文，材料力学1、材料力学2北京：高等教育出版社，2011 |
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