第八章 機(jī)械加工表面質(zhì)量.ppt

1、第八章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 8.1 機(jī)械加工后的表面質(zhì)量 8.2 機(jī)械加工后的表面粗糙度 8.3 機(jī)械加工后的表面層物理機(jī)械性能 8.4 控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑 8.5 機(jī)械加工過程中的振動(dòng) 重點(diǎn)：機(jī)械加工后的表面層物理機(jī)械性能,任何機(jī)械加工所得到的零件表面，實(shí)際上都不是完全理想的表面。實(shí)踐表明，機(jī)械零件的破壞，一般總是從表面層開始的。這說明零件的表面質(zhì)量是至關(guān)重要的，它對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量有很大影響。 研究加工表面質(zhì)量的目的，就是要掌握機(jī)械加工中各種工藝因素對(duì)表面質(zhì)量的影響規(guī)律，以便運(yùn)用這些規(guī)律來控制加工過程，最終達(dá)到提高加工表面質(zhì)量、滿足產(chǎn)品使用性能的目的。,返回,8.1機(jī)械加工后的表面質(zhì)量 一

2、、 基本概念 表面質(zhì)量：零件加工后表面層的狀態(tài)。表面質(zhì)量的主要內(nèi)容有下面兩部分： （一） 加工表面的幾何形狀誤差 1、 表面粗糙度：是加工表面的微觀幾何形狀誤差，其波長(zhǎng)與波高的比值一般小于40。 2、 表面波度：加工表面不平度中，波長(zhǎng)與波高的比值等于40-1000的幾何形狀誤差稱為波度。,（二） 表面層的物理機(jī)械性能 1、 表面層的加工硬化：零件在機(jī)械加工過程中，表面層金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的冷態(tài)塑性變形后，強(qiáng)度和硬度有所提高的現(xiàn)象。 2、 表面層金屬的金相組織的變化：機(jī)械加工過程中，由于切削熱的作用引起表面層金屬的金相組織發(fā)生變化。 3、 表面層金屬的殘余應(yīng)力,二、機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響

3、 （一）表面質(zhì)量對(duì)耐磨性的影響 1.表面粗糙度對(duì)耐磨性的影響 粗糙度過大或過小都會(huì)引起工作時(shí)的迅速磨損，一定工作條件下通常存在一個(gè)最佳表面粗糙度。 表面粗糙度值過大實(shí)際接觸面積單位應(yīng)力峰部之間產(chǎn)生塑性變形、彈性變形和剪切破壞，引起嚴(yán)重磨損。 表面粗糙度值過小，潤(rùn)滑油不易儲(chǔ)存，接觸面之間容易發(fā)生分子粘結(jié)，磨損反而增加。,2.表面冷作硬化對(duì)耐磨性的影響 加工表面的冷作硬化使摩擦副表面層金屬的顯微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。 但過分的冷作硬化將引起金屬組織過度疏松，甚至出現(xiàn)裂紋和表層金屬的剝落，反而使耐磨性下降。 （二）表面質(zhì)量對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響 金屬受交變載荷作用后產(chǎn)生的疲勞破壞往往發(fā)生在零件表

4、面和表面冷硬層下面，因此零件的表面質(zhì)量對(duì)疲勞強(qiáng)度影響很大。,1.表面粗糙度對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響 粗糙度對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響最大。表面愈粗糙，則在交變載荷作用下，凹谷部位應(yīng)力集中現(xiàn)象愈嚴(yán)重，容易引起疲勞裂紋，造成疲勞破壞。 2.表面殘余應(yīng)力、冷作硬化對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響 (1)表面層若存在殘余壓應(yīng)力則可阻礙疲勞裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展，提高零件的疲勞強(qiáng)度。當(dāng)表面層存在殘余拉應(yīng)力時(shí)則效果正好相反，導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降。 (2)適度的冷作硬化并伴有殘余壓應(yīng)力時(shí)可提高疲勞強(qiáng)度。但冷硬過度或伴有殘余拉應(yīng)力時(shí)導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降。,（三)表面質(zhì)量對(duì)耐蝕性的影響 零件的耐蝕性在很大程度上取決于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，則凹谷中聚積

5、腐蝕性物質(zhì)就愈多。抗蝕性就愈差。 表面層的殘余拉應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，降低零件的耐蝕性，而殘余壓應(yīng)力則能防止應(yīng)力腐蝕開裂。 （四）表面質(zhì)量對(duì)配合質(zhì)量的影響 表面粗糙度值的大小將影響配合表面的配合質(zhì)量。對(duì)于間隙配合，粗糙度值大會(huì)使磨損加大，間隙增大，破壞了要求的配合性質(zhì)。 對(duì)于過盈配合，裝配過程中一部分表面凸峰被擠平，實(shí)際過盈量減小，降低了配合件間的連接強(qiáng)度。,返回,8.2 機(jī)械加工后的表面粗糙度 一、切削加工影響表面粗糙度的因素 切削加工時(shí)影響表面粗糙度的因素有三個(gè)方面：幾何因素、物理因素和工藝系統(tǒng)振動(dòng)。 1.幾何因素 刀具相對(duì)于工件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，在加工表面留下了切削層殘留面積，其理論上的最

6、大粗糙度Rmax可由刀具形狀、進(jìn)給量f，按幾何關(guān)系求得。 1) 用尖刀切削的情況： 2) 用圓弧刀刃切削的情況：,切削層殘留面積,2.物理因素 切削加工后表面的實(shí)際粗糙度與理論粗糙度有比較大的差別，這是由于存在著與被加工材料的性能及切削機(jī)理有關(guān)的物理因素的影響。,塑性材料切削加工后表面的實(shí)際輪廓與理論輪廓,1)工件材料的性質(zhì) 工件材料韌性、塑性變形，加工表面就愈粗糙。 工件的金相組織的晶粒均勻、粒度加工后的表面粗糙度值。 當(dāng)V切低時(shí)，加工后的表面粗糙度值 。 2)積屑瘤與鱗刺 切削過程中出現(xiàn)積屑瘤與鱗刺，會(huì)使表面粗糙度嚴(yán)重惡化。 3)后刀面擠壓 4)刀具打滑 5)刀具材料影響：在相同切削條件下

7、，硬質(zhì)合金刀具加工所得的粗糙度值高速鋼刀具加工所得的粗糙度值。,3.工藝系統(tǒng)振動(dòng) 低頻振動(dòng)表面波度；高頻振動(dòng)表面粗糙度。 減小表面粗糙度的措施： 1）刀具幾何參數(shù) 刀具的前角r0增大減小切削時(shí)的塑性變形程 度表面粗糙度值減??； 刀具的后角0增大減小刀具后刀面與被加工表 面的摩擦表面粗糙度值減??； 2）切削用量 進(jìn)給量f增大表面粗糙度值加大,切削速度Vc增大切屑與加工表面的塑性變形減小表面粗糙度值減??；切削速度Vc過小易產(chǎn)生積屑瘤表面粗糙度值增大。 背吃刀量ap過小出現(xiàn)擠壓、打滑等現(xiàn)象表面粗糙度值增大。 4 其他 合理選擇潤(rùn)滑液和提高刀具刃磨質(zhì)量減小切削時(shí)的塑性變形和抑制積屑瘤、鱗刺的生成，也是

8、減小表面粗糙度值的有效措施。,二、磨削加工影響表面粗糙度的因素 影響磨削表面粗糙度的主要因素有： 磨削加工表面粗糙度的影響因素也可歸納為三方面：幾何因素、物理因素、工藝系統(tǒng)的振動(dòng)因素。 磨削時(shí)，將產(chǎn)生滑擦（彈性變形，無切屑）、耕犁（塑性變形，無切屑，有因多次擠壓下塑變后出現(xiàn)疲勞而斷裂、脫落）及切削（形成切屑，沿磨粒前面流出）的過程。因此，加工表面的塑性變形越大，表面粗糙度值就越大。,1.砂輪的粒度 砂輪粒度：主要是表明磨粒的尺寸大小，粒度號(hào)數(shù)越大，磨粒的尺寸越小。 砂輪的粒度號(hào)數(shù)越大，磨粒的尺寸越小，參加磨削的磨粒就越多，磨削出的表面就越光滑。 2.砂輪的修整：修整質(zhì)量越高，磨削出的表面就越光

9、滑。 3.磨削速度 砂輪磨削速度v越高，單位時(shí)間內(nèi)通過被磨表面的磨粒數(shù)就越多，工件表面就越光滑。 注：磨削加工中，工件的速度越高，單位時(shí)間內(nèi)通過被磨表面的磨粒數(shù)將減少，反而會(huì)使表面粗糙度值增加。 4. 徑向進(jìn)給量 5. 軸向進(jìn)給量,返回,8.3機(jī)械加工后的表面層物理機(jī)械性能 一、表面層冷作硬化（見P219） 1.冷作硬化產(chǎn)生原因 機(jī)械加工過程中因切削力作用產(chǎn)生的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移,晶粒被拉長(zhǎng)和纖維化，甚至破碎，這些都會(huì)使表面層金屬的硬度和強(qiáng)度提高，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化（或稱為強(qiáng)化）。 冷作硬化的特點(diǎn)：變形抵抗力提高(屈服點(diǎn)提高)，塑性降低(相對(duì)延伸率降低)。 金屬冷

10、作硬化的結(jié)果，使金屬處于高能位不穩(wěn)定狀態(tài)，只要一有條件，金屬的冷硬結(jié)構(gòu)本能地向比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為弱化（回復(fù)）。,2.評(píng)定冷作硬化的指標(biāo) 評(píng)定冷作硬化的指標(biāo)有如下三項(xiàng)： （1） 表面層金屬的顯微硬度H； （2） 硬化層深度h； （3） 硬化程度N，其按下式計(jì)算：N=（H-H0)/H0 式中：H0為工件內(nèi)部金屬原來的硬度。,3.影響冷作硬化的主要因素 表面層冷作硬化的程度決定于產(chǎn)生塑性變形的力、變形速度及變形時(shí)的溫度。 力越大，塑性變形越大，則硬化程度越大； 速度越大，塑性變形越不充分，則硬化程度越??； 變形時(shí)的溫度不僅影響塑性變形程度，還會(huì)影響變形后金相組織的恢復(fù)程度。 具體影響

11、因素如下： 1)刀具 刀具切削刃口圓角徑向切削分力表層金屬的塑性變形導(dǎo)致冷硬。 前角0塑性變形冷硬 。 后刀面磨損冷硬程度。,2)切削用量 切削速度V刀具與工件的作用時(shí)間金屬的塑性變形硬化層深度和硬度。 進(jìn)給量f的影響： a)進(jìn)給量f超過一定值時(shí)，進(jìn)給量切削力表層金屬的塑性變形冷硬程度。 b)進(jìn)給量f過小刀刃圓弧對(duì)工件表面層的擠壓次數(shù)硬化程度。,3)工件材料工件材料的硬度、塑性冷硬現(xiàn)象。 問題：在相同的切削條件下，為什么切削高碳鋼件比切削低碳鋼件冷硬現(xiàn)象小?而切削鋼件卻比切削有色金屬工件的冷硬現(xiàn)象大? 二、表面層材料金相組織變化 當(dāng)切削熱使被加工表面的溫度超過相變溫度后，表層金屬的金相組織將會(huì)

12、發(fā)生變化。 1.磨削燒傷（見P220） 當(dāng)被磨工件表面層溫度達(dá)到相變溫度以上時(shí)，表層金屬發(fā)生金相組織的變化，使表層金屬強(qiáng)度和硬度降低，并伴有殘余應(yīng)力產(chǎn)生，甚至出現(xiàn)微觀裂紋，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。在磨削淬火鋼時(shí)，可能產(chǎn)生以下三種燒傷： 回火燒傷；淬火燒傷；退火燒傷,3.磨削加工容易產(chǎn)生燒傷如果工件材料和磨削用量無法改變，減輕燒傷現(xiàn)象的最佳途徑是什么？,2.改善磨削燒傷的途徑 磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷有兩個(gè)途徑：一是盡可能地減少磨削熱的產(chǎn)生；二是改善冷卻條件，盡量使產(chǎn)生的熱量少傳入工件。 三、表面層殘余應(yīng)力 1.產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因 1）冷態(tài)塑性變形：機(jī)械加工時(shí)，在加工表面金屬層內(nèi)

13、有塑性變形發(fā)生，使表面金屬的密度下降，體積膨脹，則因受基體材料制約就會(huì)在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而在里層金屬中產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。,2）熱態(tài)塑性變形：機(jī)械加工時(shí)，切削區(qū)會(huì)有大量的切削熱產(chǎn)生，表面層與里層金屬間產(chǎn)生很大的溫度梯度。 冷卻時(shí)，表面層收縮從而形成較大的殘余拉應(yīng)力，而在里層金屬中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。 3）金相組織變化：切削時(shí)的高溫會(huì)引起表面層金相組織變化。不同金相組織具有不同的密度，表面層金相組織變化的結(jié)果將造成體積的變化。 如果表層金屬體積膨脹，則因受基體材料制約就會(huì)在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力；相反，則表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。,2.不同磨削條件下所得到的表面殘余應(yīng)力 機(jī)械加工后的表面層殘余應(yīng)力及其分布，是

14、上述三方面因素綜合作用的結(jié)果。在一定條件下，可能是某一或二種因素起主導(dǎo)作用。例如：切削時(shí)切削熱不多則以冷態(tài)塑性變形為主，若切削熱多則以熱態(tài)塑性變形為主。 圖為三類磨削條件下產(chǎn)生的表面層殘余應(yīng)力： 輕磨削條件產(chǎn)生淺而小的殘余壓應(yīng)力，因?yàn)榇藭r(shí)沒有金相組織變化，溫度影響也很小，主要是塑性變形的影響在起作用。 中等磨削條件產(chǎn)生淺而大的拉應(yīng)力。 淬火鋼重磨削條件則產(chǎn)生深而大的拉應(yīng)力(最外表面可能出現(xiàn)小而淺的壓應(yīng)力)，它主要是熱態(tài)塑性變形和金相組織變化的影響在起作用。,3.影響殘余應(yīng)力的工藝因素 影響殘余應(yīng)力的工藝因素主要是刀具的前角、切削速度以及工件材料的性質(zhì)和冷卻潤(rùn)滑液。具體的情況則看其對(duì)切削時(shí)的塑性

15、變形、切削溫度和金相組織變化的影響程度而定。,4.磨削裂紋的產(chǎn)生 總的來說，磨削加工中熱態(tài)塑性變形和金相組織變化的影響較大，故大多數(shù)磨削零件的表面硬往往有殘余拉應(yīng)力。當(dāng)殘余拉應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)，零件表面就會(huì)出現(xiàn)磨削裂紋。 磨削裂紋一般很淺(0.250.50mm)，大多垂直于磨削方向或成網(wǎng)狀（磨螺紋時(shí)有時(shí)也有平行于磨削方向的裂紋)，如圖所示。磨削裂紋總是拉應(yīng)力引起的，且常與燒傷同時(shí)出現(xiàn)。,1磨削加工中，工件表層因受高溫影響，金相組織發(fā)生變化，當(dāng)從馬氏體組織(比重7.75)轉(zhuǎn)變?yōu)榍象w組織(比重7.78)時(shí)，則表面層產(chǎn)生 。 A.殘余拉應(yīng)力； B.殘余壓應(yīng)力； C.無殘余應(yīng)力。 2加工過程中

16、若表面層以冷態(tài)塑性變形為主，則表面層產(chǎn)生 ；若以熱態(tài)塑性變形為主，則表面層產(chǎn)生 。 A殘余拉應(yīng)力； B. 殘余壓應(yīng)力；C. 無應(yīng)力層。,返回,8.4 控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑 一、減小殘余拉應(yīng)力、防止磨削燒傷和磨削裂紋的工藝途徑 對(duì)零件使用性能危害甚大的殘余拉應(yīng)力、磨削燒傷和磨削裂紋均起因于磨削熱，所以如何降低磨削熱并減少其影響是生產(chǎn)上的一項(xiàng)重要問題。解決的原則：一是減少磨削熱的發(fā)生，二是加速磨削熱的傳出。 1、 選擇合理的磨削參數(shù) 為了直接減少磨削熱的發(fā)生，降低磨削區(qū)的溫度，應(yīng)合理選擇磨削參數(shù)：減少砂輪速度和背吃刀量；適當(dāng)提高進(jìn)給量和工件速度。但這會(huì)使粗糙度值增大而造成矛盾。,2、 選擇有

17、效的冷卻方法 選擇適宜的磨削液和有效的冷卻方法。 二、采用冷壓強(qiáng)化工藝 對(duì)于承受高應(yīng)力、交變載荷的零件可以來用噴丸、滾壓、擠壓等表面強(qiáng)化工藝使表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力和冷硬層并降低表面粗糙度值，從而提高耐疲勞強(qiáng)度及抗應(yīng)力腐蝕性能。 1 、噴丸 噴丸是一種用壓縮空氣或離心力將大量直徑細(xì)小(0.42mm)的丸粒(鋼丸、玻璃丸)以3550m/s的速度向零件表面噴射的方法。,2 、滾壓 用工具鋼淬硬制成的鋼滾輪或鋼珠在零件上進(jìn)行滾壓，如圖814(6)，使表層材料產(chǎn)生塑性流動(dòng)，形成新的光潔表面。表面粗糙度可自1.6m降至0.1m，表面硬化深度達(dá)0.21.5mm，硬化程度l0%40%。,三、采用精密和光整加工

18、工藝 1、精密加工工藝 精密加工工藝方法有高速精鏜、高速精車、寬刃精刨和細(xì)密磨削等。 2、光整加工工藝 光整加工是用粒度很細(xì)的磨料對(duì)工件表面進(jìn)行微量切削和擠壓、擦光的過程。 (1)珩磨 珩磨是利用珩磨頭上的細(xì)粒度砂條對(duì)孔進(jìn)行加工的方法，在大批量生產(chǎn)中應(yīng)用很普遍。 (2)超精加工 超精加工是用細(xì)粒度的砂條以一定的壓力壓在作低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的工件表面上，并在軸向作往復(fù)振動(dòng)，工件或砂條還作軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以進(jìn)行微量切削的加工方法。,(3)研磨 研磨是用研具以一定的相對(duì)滑動(dòng)速度(粗研時(shí)取0.670.83m/s，精研時(shí)取0.10.2m/s)在0.120.4MPa壓力下與被加工面作復(fù)雜相對(duì)運(yùn)動(dòng)的一種光整加工方法。

19、 (4)拋光 拋光是在布輪、布盤或砂帶等軟的研具上涂以拋光膏來加工工件的。拋光器具高速旋轉(zhuǎn)，由拋光膏的機(jī)械刮擦和化學(xué)作用將粗糙表面的峰頂去掉，從而使表面獲得光澤鏡面(Ra0.040.16m)。,返回,8.5 機(jī)械加工過程中的振動(dòng) 一般說來，機(jī)械加工過程中的振動(dòng)是一種十分有害的現(xiàn)象，它對(duì)于加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率都有很大影響，必須認(rèn)真對(duì)待。 一、機(jī)械加工過程中的強(qiáng)迫振動(dòng) （一）機(jī)械加工過程中的強(qiáng)迫振動(dòng) 1、 強(qiáng)迫振動(dòng)： 是由于工藝系統(tǒng)在一個(gè)穩(wěn)定的外界周期性干擾力作用下而引起的振動(dòng)。 機(jī)械加工中的強(qiáng)迫振動(dòng)與一般機(jī)械中的強(qiáng)迫振動(dòng)沒有什么區(qū)別，強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率與干擾力的頻率相同或是它的倍數(shù)。,2、 強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)

20、生的原因： 強(qiáng)迫振動(dòng)的振源又來自機(jī)床內(nèi)部的機(jī)內(nèi)振源和來自機(jī)床外部的機(jī)外振源兩大類。機(jī)外振源甚多，但它們都是通過地基傳給機(jī)床的，可通過加設(shè)隔振地基來隔離。機(jī)內(nèi)振源主要有： （1）機(jī)床電機(jī)的振動(dòng)； （2）機(jī)床高速旋轉(zhuǎn)件不平衡引起的振動(dòng)； （3）機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)缺陷引起的振動(dòng)； （4）切削過程中的沖擊引起的振動(dòng)； （5）往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件的慣性力引起的振動(dòng),3、 強(qiáng)迫振動(dòng)的特征：（見P227） （1） 機(jī)械加工過程中的強(qiáng)迫振動(dòng)，只要干擾力存在，其不會(huì)被衰減； （2） 強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率等于干擾力的頻率； （3） 在干擾力頻率不變的情況下，干擾力的幅值越大，強(qiáng)迫振動(dòng)的幅值將隨之增大。 4、 減少強(qiáng)迫振動(dòng)的途徑： （1） 對(duì)工藝系統(tǒng)中的回轉(zhuǎn)零件進(jìn)行平衡處理； （2） 提高工藝系統(tǒng)中傳動(dòng)件