第五章 机械加工表面质量(1)

机械制造工艺学习题解答第五章：机械加工表面质量及其控制第3版P2675-1机械加工表面质量包括哪些具体内容答：P229机械加工表面质量,其含义包括两个方面的内容：A．加工表面层的几何形貌,主要由以下几部分组成：⑴表面粗糙度；⑵波纹度；⑶纹理方向；⑷表面缺陷;B．表面层材料的力学物理性能和化学性能,主要反映在以下三个方面：⑴表面层金属冷作硬化；⑵表面层金属的金相组织变化；⑶表面层金属的残余应力;5-2为什么机器零件一般总是从表面层开始破坏的加工表面质量对机器使用性能有哪些影响答：P2311由于表面是零件材料的边界,常常承受工作负荷所引起的最大应力和外界介质的侵蚀,表面上有着引起应力集中而导致破坏的微小缺陷,所以这些表面直接与机器零件的使用性能有关;2加工表面质量对机器的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性、零件配合质量都有影响;5-3车削一铸铁零件的外圆表面,若进给量f=r,车刀刀尖圆弧半径re=3mm,试估算车削后的表面粗糙度;5-6为什么提高砂轮速度能减小磨削表面的粗糙度数值,而提高工件速度却得到相反的结果答：P224砂轮速度越高,单位时间内通过被磨表面的磨粒数就越多,工件材料来不及变形,因而工件表面粗糙度值越小;而工件速度增大,单位时间内通过被磨表面的磨粒数减少,塑性变形增加,表面粗糙度值将增大;5-7为什么在切削加工中一般都会产生冷作硬化现象答：P240机械加工过程中产生的塑性变形,使晶格扭曲、畸变,晶粒间产生滑移,晶粒被拉长,进一步变形受到阻碍,这些都会使表面层金属的硬度增加,统称为冷作硬化或称为强化; 5-8为什么切削速度越大,硬化现象越小而进给量增大,硬化现象增大答：P240-241增大切削速度,1刀具与工件的作用时间减少,使塑性变形的扩展深度减小,因而冷硬层深度减小；2温度增高,弱化倾向增大,冷硬程度降低;而进给量增大时,硬化现象增大的原因是随着进给量的增大,切削力也增大,表层金属的塑性变形加剧,冷硬程度增大;但是,这种情况只是在进给量比较大时才是正确的;5-11什么是回火烧伤、淬火烧伤和退火烧伤答：P243磨削淬火钢时,在工件表面形成的瞬时高温将使表层金属产生以下三种金相组织变化：1如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度碳钢的相变温度为720℃,但已超过马氏体的转变温度中碳钢为300℃,工件表面金属的马氏体将转化为硬度较低的回火组织索氏体或托氏体,这称为回火烧伤; 2如果磨削区温度超过了相变温度,再加上冷却液的急冷作用,表层金属会出现二次淬火马氏体织织,硬度比原来的回火马氏体高；在它的下层,因冷却较慢,出现了硬度比原来的回火马氏体低的回火组织索氏体或托氏体,这称为淬火烧伤; 3如果磨削区温度超过了相变温度,而磨削过程又没有冷却液,组织,表层金属的硬度将急剧下降,这称为退火烧伤;5-12为什么磨削容易产生烧伤如果工件材料和磨削用量无法改变,减轻烧伤现象的最佳途径是什么答P243-244：磨削容易产生烧伤的原因是：磨削速度高、消耗功率大；砂轮磨粒导热性差,为天然负前角、磨削力大,磨削温度高; 如果工件材料和磨削用量无法改变,减轻烧伤最有效的方法是改善冷却条件,如选择内冷却砂轮或者开槽砂轮,使冷却液能够进入磨削区域；还需要合理选择砂轮硬度、结合剂和组织等;5-14磨削外圆表面时,如果同时提高工件和砂轮的速度,为什么能够减轻烧伤且又不会增大表面粗糙度答：P243-244增大工件的回转速度Vw,磨削表面的温度会升高,但其增长速度与磨削背吃刀量ap的影响相比小得多；且Vw越大,热量越不容易传入工件内层,具有减小烧伤层深度的作用;增大工件速度Vw当然会使表面粗糙度增大,为了弥补这一缺陷,可以相应提高砂轮速度Vs,实践证明,同时提高砂轮速度Vs和工件速度Vw,可以避免产生烧伤;5-16机械加工中,为什么工件表层金属会产生残余应力答：教材P245-247工件表层产生残余应力的原因是：（1）冷态塑性变形：机械加工时,工件表面受到挤压与摩擦,表层产生伸长塑变,基体仍处于弹性变形状态;切削后,表层产生残余压应力,而在里层产生残余拉伸应力;（2）热态塑性变形：机械加工时,切削或磨削热使工件表面局部温升过高,引起高温塑性变形;表层产生残余拉应力,里层产生产生残余压应力；（3）金相组织变化：切削时产生的高温会引起表面的相变;比容大的组织→比容小的组织→体积收缩,产生拉应力,反之,产生压应力;5-17试述加工表面产生压缩残余应力的原因,试述表面产生拉伸残余应力的原因;答：P245-246A.加工表面产生压缩残余应力的原因：1机械加工时加工表面的金属层内产生塑性变形,使表层金属的比容增大;由于塑性变形只在表面层中产生,这样就在表面层内产生了压缩残余应力；2当刀具从被加工表面上切除金属时,表层的纤维被拉长,刀具后刀面与已加工表面的摩擦又加大了这种拉伸作用；刀具切离后,弹性变形将逐渐恢复,而塑性变形不能恢复,表面层金属拉伸塑性变形,受到与它相连的里层未发生塑性变形金属的阻碍,因此就在表层金属中产生了压缩残余应力;B.表面产生拉伸残余应力的原因：1在机械加工中,切削区会产生大量的切削热,工件表面的温度往往很高;工件受热膨胀时,表层金属处于没有残余应力作用的完全塑性状态中,冷却时表层金属收缩受到里层金属阻碍,这样就在表面层内产生了拉伸残余应力;2比容减小,表面层金属由于相变而产生的收缩受到基体金属的阻碍,因而在表层金属产生拉伸残余应力;5-20什么是强迫振动它有哪些主要特征答：P252-253强迫振动——由外界周期性的干扰力的作用而引起的振动; 其主要特征是：其振动频率与干扰力的频率相同,或者是干扰力频率的整倍数；其振幅既与干扰力幅值有关,又与工艺系统的动态特性有关;若干扰力频率接近或者等于工艺系统的某一固有频率时,振幅将明显增大或者引起共振;5-22什么是自激振动它与强迫振动、自由振动相比,有哪些主要特征答：P253-255机械加工过程中,在没有周期性外力相对于切削过程而言作用下,由系统内部激发反馈产生的周期性振动,称为自激振动,简称为颤振; 与强迫振动相比,自激振动具有以下特征：机械加工中的自激振动是在没有外力相对于切削过程而言干扰下所产生的振动运动,这与强迫振动有本质的区别；自激振动的频率接近于系统的固有频率,这就是说颤振频率取决振动系统的固有特性;这与自由振动相似但不相同,而与强迫振动根本不同;自由振动受阻尼作用将迅速衰减,而自激振动却不因有阻尼存在而迅速衰减;。

机械加工表面质量零件的表面质量是机械加工质量的重要组成部分，表面质量是指机械加工后零件表面层的微观几何结构及表层金属材料性质发生变化的情况。

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。

这是因为表而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。

经机械加工后的零件表面并非理想的光滑表面，它存在着不同程度的粗糙波纹、冷硬、裂纹等表面缺陷。

虽然只有极薄的一层（0.05～ 0 .15mm），但对机器零件的使用性能有着极大的影响；零件的磨损、腐蚀和疲劳破坏都是从零件表面开始的，特别是现代化工业生产使机器正朝着精密化、高速化、多功能方向发展，工作在高温、高压、高速、高应力条件下的机械零件，表面层的任何缺陷都会加速零件的失效。

因此，必须重视机械加工表面质量。

一、机械加工表面质量的含义机器零件的加工质量不仅指加工精度，还包括加工表面质量，它是零件加工后表面层状态完整性的表征。

机械加工后的表面，总存在一定的微观几何形状的偏差，表面层的物理力学性能也发生变化。

因此，机械加工表面质量包括加工表面的几何特征和表面层物理力学性能两个方面的内容。

( 一 ) 加工表面的几何特征加工表面的微观几何特征主要包括表面粗糙度和表面波度两部分组成，如图5— 1所示。

表面粗糙度是波距L小于1mm的表面微小波纹；表面波度是指波距L在1～20mm之间的表面波纹。

通常情况下，当L/H（波距/波高）﹤50时为表面粗糙度，L/H=50～1000时为表面波度。

1 ．表面粗糙度表面粗糙度主要是由刀具的形状以及切削过程中塑性变形和振动等因素引起的，它是指已加工表面的微观几何形状误差。

2 ．表面波度主要是由加工过程中工艺系统的低频振动引起的周期性形状误差，介于形状误差（ L 1/H 1﹥ 1000）与表面粗糙度（ L 3/H 3﹤ 50）之间。

( 二 )加工表面层的物理力学性能表面层的物理力学性能包括表面层的加工硬化、残余应力和表面层的金相组织变化。

第5章 机械加工表面质量
习 题
5-1 在车床上精车一工件外圆表面，采用的车刀主偏角︒=45r κ，副偏角︒='20r
κ，加工表面粗糙度要求为残留面积最大高度m R H μ2.3)(max =，问：
⑴ 计算需要采用的走刀量。

⑵ 实际加工出来的粗糙度和计算出来的粗糙度是否能完全相同？
⑶ 是否走刀量越小，实际加工的表面粗糙度就越低。

5-2 用硬质合金车刀切削20号钢工件，若工件表面光洁度达不到要求，能采用哪些措施来加以改善；并且简述改善的原因？
5-3 题图所示板型工件，最后工序为在其上钻孔、要求与面平行。

试设计保证尺寸和的定位方案。

5-4 题图为连杆小端孔精镗工序的定位简图。

选择大端孔及其端面和小端孔为定位基准，分别用带台肩定位销和可插拔的削边定位销定位。

试分析各定位元件限制工件的哪些不定度。

5-5 在圆柱工件上铣缺口的定位如图所示。

试分析定位方案能否满足工序要求？若不能满足，试提出改进方法。

复 习 思 考 题
5-1 加工表面质量包括哪几个方面的内容？
5-2 影响表面粗糙度的因素有哪些？
5-3 磨削加工时为什么会产生表面拉应力？。

机械加工表面质量机器零件的破坏，一般都是从表面层开头的。

一、加工表面质量的概念加工表面质量包含以下两个方面的内容：1．加工表面的几何形貌（1）表面粗糙度（2）表面波纹度（3）表面纹理方向（4）表面缺陷2.表面层材料的物理力学性能（1）表面层的冷作硬化（2）表面层残余应力（3）表面层金相组织变化二、机械加工表面质量对机器使用性能的影响1．表面质量对耐磨性的影响（1）表面粗糙度对耐磨性的影响（2）表面冷作硬化对耐磨性的影响（3）表面纹理对耐磨性的影响2. 表面质量对零件疲惫强度的影响3. 表面质量对抗腐蚀性能的影响4.表面质量对零件协作性质的影响三、加工表面的表面粗糙度切削加工的表面粗糙度值主要取决于切削残留面积的高度。

加工塑性材料时，切削速度v对加工表面粗糙度加工相同材料的工件，晶粒越粗大，切削加工后的表面粗糙度值越大。

适当增大刀具的前角，可以降低被切削材料的塑性变形；降低刀具前刀面和后刀面的表面粗糙度可以抑制积屑瘤的生成；增大刀具后角，可以削减刀具和工件的摩擦；合理选择冷却润滑液，可以削减材料的变形和摩擦，降低切削区的温度；实行上述各项措施均有利于减小加工表面的粗糙度。

四、加工表面的物理力学性能（一）表面层材料的冷作硬化1．冷作硬化的评定参数2．影响冷作硬化的因素（1）刀具的影响（2）切削用量的影响（3）加工材料的影响（二）表面层材料金相组织变化假如磨削区温度超过马氏体转变温度而未超过相变临界温度（碳钢的相变温度为723℃），这时工件表层金属的金相组织，由原来的马氏体转变为硬度较低的回火组织（索氏体或托氏体），这种烧伤称为回火烧伤；假如磨削区温度超过了相变温度，在切削液急冷作用下，表层金属将发生二次淬火，硬度高于原来的回火马氏体，里层金属则由于冷却速度慢，消失了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织，这种烧伤称为淬火烧伤；若工件表层温度超过相变温度，而磨削区又没有冷却液进入，表层金属便产生退火组织，硬度急剧下降，称之为退火烧伤。

一、名词解释1．冷作硬化：机械加工过程中产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生滑移，晶粒被拉长，这些都会使表层金属的硬度增加，此称为冷作硬化。

2．磨削烧伤：对于已淬火的钢件，很高的磨削温度往往会使表层金属的金相组织产生变化，使得表层金属硬度下降，使工件表面呈现氧化膜颜色，这种现象称为磨削烧伤。

二、选择题1.磨削淬火钢时，磨削区温度末超过淬火钢的相变温度，但已超过马氏体的转变温度，可能产生（）。

A、淬火烧伤B、回火烧伤C、退火烧伤D、不烧伤。

2.磨削淬火钢时在重磨削(不用切削液）条件下可能产生（）形式的磨削烧伤。

A、淬火烧伤B、回火烧伤C、不烧伤D、退火烧伤3.加工过程中若表面层以冷塑性变形为主，则表面层产生（）应力。

A、拉应力B、压应力C、无应力层4.机械加工中的振动，按其产生的原因可分为三种，试指出自激振动的能量特性（）A、在外界周期性干扰力持续作用下的持续振动；B、只有初始干扰力的作用、振动中再也没有能量输入，故为衰减振动；C、维持振动的交变力是振动系统在自身运动中激发出来的，从而引起系统的持续振动。

5.削扁镗杆的抗振性比圆镗杆好是由于（）。

A、系统刚度的组合特性合适B、阻尼大、消耗振动能量大C、刚度高6.磨削淬火钢时，若工件表面出现淬火烧伤，工件表面将产生（）残余应力。

A、拉伸B、压缩C、无7.零件配合性质的稳定性与（）的关系较大。

A．零件材料B．加工表面质量C．载荷大小D．接触刚度8.如果使扁形镗杆能够产生消振作用，需要（）。

A．选择合适的削扁值和刀头相对削扁方向的位置B．选择合适的镗杆长度C．选择合适的削扁值D．选择合适的刀头相对削扁方向的位置9.冷态下塑性变形经常在表层产生（）。

A．拉应力B．不定C．压应力D．金相组织变化10.金属的加工硬化现象将导致什么结果。

A、强度降低，塑性提高B、强度提高，塑性提高C、强度提高，塑性降低D、强度降低，塑性降低11.工件材料的塑性越大，冷作硬化倾向（），冷作硬化程度（）A．越小，越轻微B．越小，越严重C．越大，越轻微D．越大，越严重12.机械加工时，工件表面产生波纹的原因有（）。