第八章-機(jī)械加工表面質(zhì)量(正式)

1、1 2 3 尺寸精度 形狀精度 位置精度 （通常形狀誤差限制在位置公差內(nèi),位置 公差限制在尺寸公差內(nèi)） 表面粗糙度 波度 紋理方向 傷痕（劃痕、裂紋、砂眼等） 加工精度 表面質(zhì)量 表面幾何形狀精度 表面缺陷層 表層加工硬化 表層金相組織變化 表層殘余應(yīng)力 圖1 加工質(zhì)量包含的內(nèi)容 4 表面質(zhì)量:機(jī)器零件加工后表面層的狀態(tài)。 它分為兩個(gè)部分: 表面層的幾何形狀,包括零件宏觀幾何形狀誤差、波度 、表面粗糙度 a）波度 b）表面粗 糙度 圖8-2 零件加工表面的粗糙度與波度 RZ H RZ 5 （2）表面層的物理機(jī)械性能）表面層的物理機(jī)械性能 表面層冷作硬化（冷硬）表面層冷作硬化（冷硬）:零件在機(jī)械

2、加工中表面層零件在機(jī)械加工中表面層 金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的冷態(tài)塑性變形而引起強(qiáng)度、硬度提金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的冷態(tài)塑性變形而引起強(qiáng)度、硬度提 高的現(xiàn)象。高的現(xiàn)象。 表面層金相組織的變化表面層金相組織的變化:切削熱溫升引起工件表層溫切削熱溫升引起工件表層溫 升過高升過高,表面金屬層發(fā)生金相組織變化的現(xiàn)象。表面金屬層發(fā)生金相組織變化的現(xiàn)象。 表面層殘余應(yīng)力：加工中切削變形和切削熱的影響表面層殘余應(yīng)力：加工中切削變形和切削熱的影響 導(dǎo)致工件表層產(chǎn)生殘余應(yīng)力導(dǎo)致工件表層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 6 Ra（m） 初始磨損量 重載荷 輕載荷 圖8-2表面粗糙度與 初始磨損量 表面粗糙度值 耐疲勞性 適當(dāng)硬化可提高耐疲勞性 表面粗糙

3、度值耐蝕性 表面壓應(yīng)力:有利于提高耐蝕性 表面粗糙度值 配合質(zhì)量 表面粗糙度值耐磨性,但有一定限度（圖8-2） 紋理形式與方向:圓弧狀、凹坑狀較好 見書p217圖8-3 適當(dāng)硬化可提高耐磨性 7 8圖8-4 車削時(shí)殘留面積的高度 （8-1） max rr f R ctgctg 2 max 8 f R r （8-2） , rr rkkf 刀尖圓弧半徑主偏角副偏角進(jìn)給量 f r Rm a x vf r b） Rmax f a） vf r r 形成原因形成原因:幾何因素幾何因素 、物理因素、工藝系統(tǒng)的振動(dòng)、物理因素、工藝系統(tǒng)的振動(dòng) 9 圖8-5 切削45鋼時(shí)切削速度與粗糙度關(guān)系 1 0 0 1 2

4、0 v（m/min） 0204060801 4 0 表面粗糙度Rz（m） 4 8 12 16 20 24 28 收縮系數(shù)Ks 1.5 2.0 2.5 3.0 積屑瘤高度 h（m） 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 h Ks Rz 10 磨削機(jī)理磨削機(jī)理: 磨削的切削刃由無數(shù)砂粒組成磨削的切削刃由無數(shù)砂粒組成,分布不均勻分布不均勻; 大多數(shù)砂粒為負(fù)前角切削大多數(shù)砂粒為負(fù)前角切削; 砂粒三種切削狀態(tài)砂粒三種切削狀態(tài): 彈性變形不形成切削屑彈性變形不形成切削屑 鈍化砂粒鈍化砂粒 塑性變形形成溝槽不形成切削屑塑性變形形成溝槽不形成切削屑 較鈍砂粒較鈍砂粒 塑性變形強(qiáng)烈形成切屑塑性變形強(qiáng)烈形成切屑

5、 鋒利的砂粒鋒利的砂粒 單位面積上的刻痕數(shù)愈多單位面積上的刻痕數(shù)愈多,刻痕的等高性好則粗糙度也刻痕的等高性好則粗糙度也 愈小。愈小。 影響表面粗糙度的三個(gè)因素: 幾何因素幾何因素 物理因素物理因素 工藝系統(tǒng)的振動(dòng)工藝系統(tǒng)的振動(dòng) 11 v 砂輪速度v,Ra v 工件速度vw,Ra v 砂輪縱向進(jìn)給f，Ra v 磨削深度ap，Ra 圖8-6 磨削用量對(duì)表面粗糙度的影響 vw = 40(m/min) f = 2.36(m /min) ap = 0.01(mm) v = 50(m/s) f = 2.36(m /min) ap = 0.01(mm) v(m/s), vw(m/min) Ra(m) 0 3

6、0405060 0.5 1.0 a） ap(mm) 00 . 0 1 0.4 0.8 Ra(m) 0 0.2 0.6 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 b） 圖8-7 光磨次數(shù)-Ra關(guān)系 Ra(m) 0 1 0 2 0 3 0 0.0 2 0.0 4 0.0 6 光磨次數(shù) 粗粒度砂輪(WA60KV) 細(xì)粒度砂輪(WA/GCW14KB) v光磨次數(shù),Ra 12 v 砂輪粒度,Ra;但要適量 v 砂輪硬度適中, Ra ;常取中軟 v 砂輪組織適中，Ra ；常取中等組織 v 采用超硬砂輪材料，Ra v 砂輪精細(xì)修整， Ra v 工件材料 v 冷卻潤(rùn)滑液等 13 14 切削或磨削加工時(shí)，

7、表面層金屬由于塑性變形使晶體間產(chǎn) 生剪切滑移，晶格發(fā)生拉長(zhǎng)，扭曲和破碎而得到強(qiáng)化。 評(píng)價(jià)指標(biāo)：冷硬層的深度h和表面層的顯微硬度H,硬化程 度N. 取決因素：產(chǎn)生塑性變形的力，變形速度，變形時(shí)的溫度。 完全強(qiáng)化與不完全強(qiáng)化； 機(jī)械加工時(shí)的表面層的冷作硬化是強(qiáng)化作用和回復(fù)作用的 綜合結(jié)果。 0 H N H 15 切削用量影響 刀具影響 00.20.40.60.81.0 磨損寬度VB(mm) 1 0 0 1 8 0 2 6 0 3 4 0 硬度(HV) 50鋼，v = 40(m/min) f = 0.12 0.2(mm/z) 圖8-8 后刀面磨損對(duì)冷硬影響 工件材料 圖8-7 f 和 v 對(duì)冷硬的影

8、響 硬度(HV) 0 f (mm /r) 0.20.40.60.8 v =170(m/min) 135(m/min) 100(m/min ) 50(m/min) 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 工件材料：45 16 磨削用量 砂輪 工件材料 圖8-9 磨削深度對(duì)冷硬的影響 ap(mm) 硬度(HV) 00 . 2 5 3 0 0 3 5 0 4 5 0 5 0 0 4 0 0 0 . 5 0 0 . 7 5 普通磨削 高速磨削 17 影響磨削加工金相組織變化的因素影響磨削加工金相組織變化的因素: 工件材料工件材料,磨削溫度磨削溫度,溫度梯度及冷卻速度。溫度梯度及冷卻速度。 加工

9、表面層的金相組織變化加工表面層的金相組織變化 熱變質(zhì)層熱變質(zhì)層 切削加工中由于切削熱的作用 切削加工中由于切削熱的作用,加工表面層會(huì)產(chǎn)生金相組加工表面層會(huì)產(chǎn)生金相組 織變化。金相組織變化原因織變化。金相組織變化原因:加工區(qū)溫升達(dá)到一定值加工區(qū)溫升達(dá)到一定值,出現(xiàn)金出現(xiàn)金 相組織變化，強(qiáng)度和硬度下降，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，甚至引起裂相組織變化，強(qiáng)度和硬度下降，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，甚至引起裂 紋，既產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象。紋，既產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象。 18 磨削淬火鋼時(shí)表面層產(chǎn)生的燒傷有以下三種磨削淬火鋼時(shí)表面層產(chǎn)生的燒傷有以下三種: 回火燒傷回火燒傷:磨削區(qū)溫度超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度而未超過相變溫磨削區(qū)溫度超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度而未超

10、過相變溫 度度,工件表面的馬氏體組織產(chǎn)生回火工件表面的馬氏體組織產(chǎn)生回火,轉(zhuǎn)化成硬度低的回火組轉(zhuǎn)化成硬度低的回火組 織織索氏體或屈氏體。索氏體或屈氏體。 淬火燒傷淬火燒傷：磨削區(qū)溫度超過相變溫度，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，：磨削區(qū)溫度超過相變溫度，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體， 由于冷卻液的急冷作用，表面層會(huì)出現(xiàn)二次淬火馬氏體，硬由于冷卻液的急冷作用，表面層會(huì)出現(xiàn)二次淬火馬氏體，硬 度高于回火馬氏體，而它的下層則因緩慢冷卻成為硬度低的度高于回火馬氏體，而它的下層則因緩慢冷卻成為硬度低的 回火組織回火組織。 磨削燒傷色磨削燒傷色 磨削燒傷后由于表層的氧化膜磨削燒傷后由于表層的氧化膜 按燒傷程度按燒傷程度 顏色由

11、淺到深顏色由淺到深黃黃褐褐紫紫青青淺黃淺黃 退火燒傷退火燒傷:干磨削時(shí)干磨削時(shí),磨削區(qū)溫度超過相變溫度磨削區(qū)溫度超過相變溫度,馬氏體轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變 為奧氏體，因工件冷卻緩慢，則表層硬度急劇下降，工件為奧氏體，因工件冷卻緩慢，則表層硬度急劇下降，工件 表層被退火。表層被退火。 19 在機(jī)械加工中在機(jī)械加工中,工件表面層金屬相對(duì)基體金屬發(fā)生形狀、體工件表面層金屬相對(duì)基體金屬發(fā)生形狀、體 積或金相組織的變化時(shí)積或金相組織的變化時(shí),工件表層中將殘留相互平衡的殘余工件表層中將殘留相互平衡的殘余 應(yīng)力。產(chǎn)生原因應(yīng)力。產(chǎn)生原因:（實(shí)際機(jī)加工后表層殘余應(yīng)力為三因素綜（實(shí)際機(jī)加工后表層殘余應(yīng)力為三因素綜 合）合

12、）（略講）（略講） （1）冷態(tài)塑性變形）冷態(tài)塑性變形 （2）熱態(tài)塑性變形）熱態(tài)塑性變形 （3）金相組織變化）金相組織變化 20 產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因: 冷塑性變形影響冷塑性變形影響 表層壓表層壓 應(yīng)力、應(yīng)力、 里層拉里層拉 應(yīng)力應(yīng)力 切削力切削力 受拉應(yīng)力表層產(chǎn)受拉應(yīng)力表層產(chǎn) 生塑性變形伸長(zhǎng)生塑性變形伸長(zhǎng) 表層面積增大里表層面積增大里 層彈性伸長(zhǎng)層彈性伸長(zhǎng) 切削結(jié)束里層彈切削結(jié)束里層彈 性變形要恢復(fù)受性變形要恢復(fù)受 阻外層塑性變形阻外層塑性變形 區(qū)區(qū) 工件工件 工件工件 + - - + o o oo 加工時(shí)加工時(shí) 加工后加工后 由冷塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力由冷塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)

13、力 里表 21 熱塑性變形熱塑性變形 表層受表層受 拉應(yīng)力拉應(yīng)力 、里層、里層 受壓應(yīng)受壓應(yīng) 力力 切削切削 溫度溫度 高高 表層體積膨脹受表層體積膨脹受 阻基體，產(chǎn)生壓阻基體，產(chǎn)生壓 縮應(yīng)力，產(chǎn)生熱縮應(yīng)力，產(chǎn)生熱 塑性變形塑性變形 切削結(jié)束溫度下切削結(jié)束溫度下 降表層要收縮受降表層要收縮受 里層阻止里層阻止 工件工件 工件工件 - + o o + oo - 加工時(shí)加工時(shí) 加工后加工后 由熱塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力由熱塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力 22 機(jī)械加工以冷塑性變形為主機(jī)械加工以冷塑性變形為主 壓應(yīng)力壓應(yīng)力 切削加工切削加工(溫度高溫度高)以熱塑性變形為主以熱塑性變形為主 拉應(yīng)拉應(yīng) 力力 磨削

14、加工磨削加工 熱塑性為主熱塑性為主 拉應(yīng)力拉應(yīng)力 機(jī)械加工后是這三方面原因綜合作用的結(jié)果機(jī)械加工后是這三方面原因綜合作用的結(jié)果: 人們希望獲得表面人們希望獲得表面殘余殘余壓應(yīng)力壓應(yīng)力,往往進(jìn)行表面往往進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。強(qiáng)化處理。 23 切削用量 刀具 工件材料 圖8-11 f 對(duì)殘余應(yīng)力的影響 工件：45，切削條件：vc=86m/min ，ap=2mm，不加切削液 殘余應(yīng)力(Gpa) 0.20 0 0 . 2 0 01 0 0 2 0 0 3004 0 0 距離表面深度(m) f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r 僅討論切削加工 圖8-10 vc 對(duì)殘余應(yīng)力的

15、影響 0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件：45切 削條件：ap=0.3mm, f=0.05mm/r, 不加切削液 0501 0 0 1 5 0 2 0 0 距離表面深度(m) 殘余應(yīng)力(Gpa) -0.20 0 0 . 2 0 vc =213m/min vc =86m/min vc =7.7m/min 24 磨削表面殘余拉應(yīng)力達(dá)到材料強(qiáng)度 極限,在表層或表面層下產(chǎn)生微裂 紋。裂紋方向常與磨削方向垂直或 呈網(wǎng)狀,常與燒傷同時(shí)出現(xiàn) 圖8-12 帶空氣擋板冷卻噴嘴 25 8.4 8.4 控制加工表面質(zhì)量的工藝控制加工表面質(zhì)量的工藝 途徑途徑 26 8.4 控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑控制加

16、工表面質(zhì)量的工藝途徑 減小殘余拉應(yīng)力減小殘余拉應(yīng)力,防止磨削燒傷和磨削裂紋的工藝途徑防止磨削燒傷和磨削裂紋的工藝途徑 （1）選擇合理的磨削參數(shù)）選擇合理的磨削參數(shù),為減少磨削熱，降低磨削區(qū)溫度，為減少磨削熱，降低磨削區(qū)溫度， 可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，可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， 但會(huì)使工件粗糙度增加可行辦法是試驗(yàn)確定參數(shù)。但會(huì)使工件粗糙度增加可行辦法是試驗(yàn)確定參數(shù)。 （2）選擇有效的冷卻方法（高壓大流量、內(nèi)冷卻，加裝空）選擇有效的冷卻方法（高壓大流量、內(nèi)冷卻，加裝空 氣擋板等）氣擋板等） 采用精密和光整加工工藝采用精密和光整加工工藝 （1）精

17、密加工工藝）精密加工工藝:高速精鏜、高速精車、寬刃精刨、細(xì)密高速精鏜、高速精車、寬刃精刨、細(xì)密 磨削等。磨削等。 （2）光整加工工藝）光整加工工藝:珩磨、超精加工、研磨、拋光珩磨、超精加工、研磨、拋光 27 圖8-14 滾壓加工原理圖 圖8-13 珠丸擠壓引起殘余應(yīng)力 壓縮 拉伸 塑性變形區(qū)域 8.4 控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑 28 29 v 影響加工表面粗糙度,振動(dòng)頻率較低時(shí)會(huì)產(chǎn)生波度 v 影響生產(chǎn)效率 v 加速刀具磨損,易引起崩刃 v 影響機(jī)床、夾具的使用壽命 v 產(chǎn)生噪聲污染，危害操作者健康 v 工藝系統(tǒng)受到初始干擾力而破壞了其平衡狀態(tài)后,系統(tǒng) 僅靠彈性恢復(fù)力

18、來維持的振動(dòng)稱為自由振動(dòng)。 v 由于系統(tǒng)中總存在由阻尼,自由振動(dòng)將逐漸衰弱，對(duì)加 工影響不大。 自由振動(dòng) 強(qiáng)迫振動(dòng) 自激振動(dòng) 30 v 由外界周期性的干擾力（激振力）作用引起 v 強(qiáng)迫振動(dòng)振源:機(jī)外機(jī)內(nèi)。機(jī)外振源均通過地基把振動(dòng) 傳給機(jī)床。機(jī)內(nèi): 1）回轉(zhuǎn)零部件質(zhì)量的不平衡 2）機(jī)床傳動(dòng)件的制造誤差和缺陷 3）切削過程中的沖擊 v 頻率特征:與干擾力的頻率相同,或是干擾力頻率整倍數(shù) v 幅值特征:與干擾力幅值、工藝系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性有關(guān)。當(dāng)干 擾力頻率接近或等于工藝系統(tǒng)某一固有頻率時(shí),產(chǎn)生共振 v 相角特征：強(qiáng)迫振動(dòng)位移的變化在相位上滯后干擾力一個(gè) 角，其值與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及干擾力頻率有關(guān)。 31 32 33 圖8-16 自激振動(dòng)系統(tǒng)能量關(guān)系 A B C 能量E Q