項目41支架類零件機械加工工藝編制

項目4支架類零件機械加工工藝編制

教學內容：1、零件表面粗糙度影響因素；2、加工表面質量的概念；3、影響表面粗糙度的因素及改善措施4、機械加工振動理論；5、典型支架類零件機械加工工藝編制。任務4.1了解零件表面粗糙度影響因素

4.1.1加工表面質量的概念一、表面質量的含義機械加工后的表面，不可能是理想的光滑表面，總存在一定的微觀幾何形狀的偏差，表面層的物理力學性能也發(fā)生變化。因此，機械加工表面質量包括加工表面的幾何特征和表面層物理力學性能兩個方面的內容。1.加工表面的幾何特征圖4.1-1表面粗糙度、表面波度的關系1.加工表面的幾何特征加工表面的微觀幾何形狀主要包括表面粗糙度和表面波度。如圖4.1-1所示，表面粗糙度是指波距L小于1mm的表面微小波紋；表面波度是指波距L在1~20mm之間的表面波紋。通常情況下，當L/H（波距／波高）＜50時為表面粗糙度，L/H＝50~1000時為表面波度。1.加工表面的幾何特征(1）表面粗糙度表面粗糙度主要是由刀具的形狀以及切削過程中塑性變形和振動等因素引起的。我國現行的表面粗糙度標準是GB/T1031-94。在確定表面粗糙度時，可在、、中選取，并推薦優(yōu)先選用。1.加工表面的幾何特征(2)表面波度主要是由加工過程中工藝系統(tǒng)的低頻振動引起的周期性形狀誤差（圖4.1-1中L2/H2)，介于形狀誤差(L1/Hl>1000)與表面粗糙度(L3/H3<50)之間。一般常以波高為波度的特征參數，用測量長度上五個最大的波幅的算術平均值W表示：2.表面層的物理力學性能圖4.1-2加工表面層的性質變化2.表面層的物理力學性能表面層加工硬化表面層的加工硬化一般用硬化層的深度和硬化程度N來評定：式中：H—加工后表面層的顯微硬度；—原材料的顯微硬度。2.表面層的物理力學性能(2)表面層殘余應力在加工過程中，由于塑性變形、金相組織的變化和溫度造成的體積變化的影響，表面層會產生殘余應力。目前對殘余應力的判斷大多是定性的。2.表面層的物理力學性能(3)表面層金相組織的變化在加工過程溫度的作用下，表面層會產生溫度升高，當溫度超過材料的相變臨界點時，就會產生組織的變化。這種變化包括晶粒大小、形狀、析出物和再結晶等。金相組織的變化主要通過顯微組織觀察來確定。二、表面質量對零件使用性能的影響1．對零件耐磨性的影響零件的耐磨性主要與摩擦副的材料熱處理、潤滑條件和表面質量有關，在材料和潤滑條件都相同的情況下，零件的表面質量對零件的耐磨性能起決定性作用。二、表面質量對零件使用性能的影響零件表面的磨損過程，一般可分為初期磨損、正常磨損和急劇磨損三個階段。在初期磨損階段只是零件表面的粗糙度凸峰相接觸，實際接觸面小，磨損較快。如圖4.1-3所示，初期磨損量的大小與表面粗糙度有很大關系。在一定條件下，摩擦副表面有一最佳粗糙度，過大或過小的粗糙度都會使初期磨損增大。粗糙度值過大，凸峰間的擠裂、破碎和切斷等作用加劇，因此，磨損也增加；如果零件表面粗糙度值過小，緊密接觸的兩個光滑表面間的貯油能力很差，接觸面間產生分子的親和力，甚至產生分子粘合，使摩擦阻力增大，磨損量也會增加。二、表面質量對零件使用性能的影響2.對零件疲勞強度的影響在交變載荷的作用下，零件表面微觀的高低不平和其他表面缺陷，如裂紋、劃痕等一樣會引起應力集中，當應力超過材料的疲勞極限時，就會產生和擴展疲勞裂紋，造成疲勞破壞。不同材料對應力集中的敏感程度不同，材料越致密，晶粒越細，則對應力集中越敏感，對疲勞強度的影響也就越嚴重。二、表面質量對零件使用性能的影響表面層一定程度的加工硬化能阻止已有裂紋的產生和裂紋的擴展，表面層的殘余壓應力能夠部分地抵消工作載荷所引起的拉應力，延緩疲勞裂紋的產生和擴展，從而提高零件的疲勞強度。二、表面質量對零件使用性能的影響二、表面質量對零件使用性能的影響3．對抗腐蝕性的影響零件的耐腐蝕性主要取決于表面粗糙度，表面粗糙度值越大，腐蝕性介質越易積聚在粗糙表面的低谷處而發(fā)生化學腐蝕；或在波峰處產生電化學作用而引起電化學腐蝕。因此，降低零件的表面粗糙度值則會提高零件的抗腐蝕性。零件在應力狀態(tài)下工作時，會產生應力腐蝕。零件表面有殘余應力時，一般都會降低零件的耐腐蝕性。二、表面質量對零件使用性能的影響4.對配合精度的影響對于間隙配合的表面，其表面粗糙度值越大，相對運動時的磨損越大，這就使配合間隙迅速增大，影響間隙配合的精度及穩(wěn)定性。對于過盈配合的表面，配合表面的部分凸峰會被擠平，這將影響過盈配合的可靠性。表面粗糙度值過大，會影響連接強度。三、表面完整性隨著科學技術的發(fā)展，對產品的使用性能要求越來越高，一些重要零件需在高溫、高壓、高速的條件下工作，表面層的任何缺陷，不僅直接影響零件的工作性能，而且還會引起應力集中、應力腐蝕等現象，加速零件的失效。因此，為適應科學技術的發(fā)展，在研究表面質量的領域里提出了表面完整性的概念，主要有：1)表面形貌主要用來描述加工后零件表面的幾何特征，它包括表面粗糙度、表面波度和紋理等。三、表面完整性2)表面缺陷它是指加工表面上出現的宏觀裂紋、傷痕和腐蝕現象等，對零件的使用有很大影響。三、表面完整性3)微觀組織和表面層的冶金化學性能主要包括微觀裂紋、微觀組織變化及晶間腐蝕等。三、表面完整性4)表面層物理力學性能主要包括表面層硬化深度和程度、表面層殘余應力的大小、分布。三、表面完整性5)表面層的其他工程技術特性主要包括摩擦特性、光的反射率、導電性和導磁性等。4.1.2影響表面粗糙度的因素及改善措施加工表面幾何特征包括表面粗糙度、表面波度、表面加工紋理幾個方面。表面粗糙度是構成加工表面幾何特征的基本單元。因此，這段落主要分析表面粗糙度的形成及其影響因素。用金屬切削刀具加工工件表面時，表面粗糙度主要受幾何因素、物理因素和機械加工振動三個方面因素的作用和影響。4.1、幾何因素4.1、幾何因素4.2、物理因素從切削過程的物理實質考慮，刀具的刃口圓角及后面的擠壓與摩擦使金屬材料發(fā)生塑性變形，嚴重惡化了表面粗糙度。在加工塑性材料而形成帶狀切屑時，在前刀面上容易形成硬度很高的積屑瘤。它可以代替前刀面和切削刃進行切削，使刀具的幾何角度、背吃刀量發(fā)生變化。其輪廓很不規(guī)則，因而使工件表面上出現深淺和寬窄都不斷變化的刀痕，有些積屑瘤嵌入工件表面，增加了表面粗糙度。切削加工時的振動，使工件表面粗糙度值增大。4.3、工藝因素從上述表面粗糙度的成因可知，從工藝的角度考慮，可以分為：與切削刀具有關的因素、與工件材質有關的因素和與加工條件有關的因素?，F就切削加工和磨削加工分別敘述。1．切削加工后的表面(1)刀具的幾何形狀、材料及刃磨質量對表面粗糙度的影響4.3、工藝因素4.3、工藝因素4.3、工藝因素刀具的材料及刃磨質量影響積屑瘤、鱗刺的產生，如用金剛石車刀精車鋁合金時，由于摩擦系數小，刀面上就不會產生切屑的粘附、冷焊現象，因此，能降低粗糙度值。(2)工件材料性能對表面粗糙度的影響與工件材料相關的因素包括材料的塑性、韌性及金相組織等，一般地講，韌性較大的塑性材料，易于產生塑性變形，與刀具的粘結作用也較大，加工后表面粗糙度值大。相反，脆性材料則易于得到較小的表面粗糙度值。(3)加工條件對表面粗糙度的影響切削速度一般情況下，低速或高速切削時，因不會產生積屑瘤，故表面粗糙度值較小，如圖4.1-7所示。但在中等速度下，塑性材料由于容易產生積屑瘤和鱗刺，因此，表面粗糙度值大。(3)加工條件對表面粗糙度的影響背吃刀量它對表面粗糙度的影響不明顯，一般可忽略，但當<0.02~0.03mm時，刀尖與工件表面發(fā)生擠壓與摩擦，從而使表面質量惡化。(3)加工條件對表面粗糙度的影響進給量f減小進給量f可以減少切削殘留面積高度Rmax減小表面粗糙度值。但進給量太小，刀刃不能切削而形成擠壓，增大了工件的塑性變形，反而使表面粗糙度值增大。(3)加工條件對表面粗糙度的影響另外，合理選擇潤滑液，提高冷卻潤滑效果，減小切削過程中的摩擦，能抑制積屑瘤和鱗刺的生成，有利于減小表面粗糙度值，如選用含有硫、氯等表面活性物質的冷卻潤滑液，潤滑性能增強，作用更加顯著。2.磨削加工后的表面

磨削加工是通過表面具有隨機分布磨粒的砂輪和工件的相對運動來實現的。在磨削過程中，磨粒在工件表面上滑擦、耕犁和切下切屑，把加工表面刻劃出無數微細的溝槽，溝槽兩邊伴隨著塑性隆起，形成表面粗糙度。(1）磨削用量對表面粗糙度的影響提高砂輪速度，可以增加在工件單位面積上的刻痕，同時，塑性變形造成的隆起量隨著砂輪速度的增大而下降，所以粗糙度值減小。在其他條件不變的情況下，提高工件速度，磨粒在單位時間內在工件表面上的刻痕數減少，因而將增大磨削表面粗糙度值。磨削深度增加，磨削過程中磨削力及磨削溫度都增加，磨削表面塑性變形增大，從而增大表面粗糙度值。(2)砂輪對表面粗糙度的影響砂輪的粒度砂輪的粒度越細，單位面積上的磨粒數越多，工件表面上的刻痕密而細，則表面粗糙度值越小。但磨粒過細時，砂輪易堵塞，磨削性能下降，反而使粗糙度值增大。

(2)砂輪對表面粗糙度的影響砂輪的硬度硬度的大小應合適。砂輪太硬，磨粒鈍化后仍不能脫落，使工件表面受到強烈摩擦和擠壓作用，塑性變形程度增加，表面粗糙度值增大或使磨削表面燒傷。砂輪太軟，磨粒易脫落，常會產生磨損不均勻現象，而使表面粗糙度值變差。

(2)砂輪對表面粗糙度的影響砂輪的修整砂輪修整的目的是為了去除外層已鈍化的或被磨屑堵塞的磨粒，保證砂輪具有足夠的等高微刃。微刃等高性越好，磨出工件的表面粗糙度值越小。(3)工件材料對表面粗糙度的影響工件材料硬度太大，砂輪易磨鈍，故表面粗糙度值變大。工件材料太軟，砂輪易堵塞，磨削熱增大，也得不到較小的表面粗糙度值。塑性、韌性大的工件材料，其塑性變形程度大，導熱性差，不易得到較小的表面粗糙度值。4.1.3影響加工表面物理力學性能的因素機械加工過程中，工件由于受到切削力、切削熱的作用，其表面與基體材料性能有很大不同，發(fā)生了物理力學性能的變化。4.1.3影響加工表面物理力學性能的因素表面層的加工硬化在機械加工過程中，工件表層金屬受到切削力的作用產生強烈的塑性變形使晶體間產生剪切滑移，晶粒嚴重扭曲，并產生晶粒的拉長、破碎和纖維化，這時工件表面的強度和硬度提高，塑性降低，這種現象稱作加工硬化，又稱冷作硬化。表面層的硬化程度決定于塑性變形的力、變形速度和變形時的溫度。切削力愈大，塑性變形愈大，因而硬化程度愈大。變形速度越大，塑性變形越不充分，硬化程度相應減小。變形時的溫度不僅影響塑性變形程度，還會影響變形后金相組織的回復，即回復作用的速度大小取決于溫度的高低、溫度持續(xù)的時間及硬化程度的大小。因此，加工硬化是強化作用和回復作用的綜合結果。影響表面層加工硬化的因素影響表面層加工硬化的因素包括以下幾個方面考慮：(1)切削力切削力越大，塑性變形越大，則硬化程度和硬化層深度就越大。例如，當進給量f，背吃刀量增大或刀具前角減小時，都會增大切削力，使加工硬化嚴重。影響表面層加工硬化的因素(2)切削溫度切削溫度增高時，回復作用增加，使得加工硬化程度減小。如切削速度很高或刀具鈍化后切削，都會使切削溫度不斷上升，部分地消除加工硬化，使得硬化程度減小。影響表面層加工硬化的因素(3)工件材料被加工工件的硬度越低，塑性越大，切削后的冷硬現象越嚴重。表面層的金相組織變化與磨削燒傷1．表面層金相組織變化與磨削燒傷的原因(1)回火燒傷磨削淬火鋼時，若磨削區(qū)溫度未超過相變溫度，但超過馬氏體的轉變溫度，這時馬氏體較變?yōu)橛捕容^低的回火屈氏體或索氏體，此現象稱為回火燒傷。表面層的金相組織變化與磨削燒傷(2）淬火燒傷磨削淬火鋼時，若磨削區(qū)的溫度超過相變臨界溫度時，在切削液的急冷作用下，工件最外薄層金屬轉變?yōu)槎未慊瘃R氏體組織。其硬度比原來的回火馬氏體高，但是又脆又硬。在這層下面的一層，溫度較低，冷卻也較慢，會變?yōu)檫^回火組織，這種現象被稱為淬火燒傷。表面層的金相組織變化與磨削燒傷(3)退火燒傷干磨時，當磨削區(qū)溫度超過相變臨界溫度，表層金屬空冷冷卻比較緩慢而形成退火組織。其強度和硬度大幅度下降，這種現象被稱為退火燒傷。表面層的金相組織變化與磨削燒傷磨削燒傷時，表面會出現黃、褐、紫、青等燒傷色。這是工件表面在瞬時高溫下產生的氧化膜顏色。不同燒傷色表面燒傷程度不同。較深的燒傷層，雖然在加工后期采用無進給磨削可除掉燒傷色，但燒傷層卻未除掉，成為將來使用中的隱患。表面層的金相組織變化與磨削燒傷2.影響磨削燒傷的因素(1）磨削用量當磨削深度增大時，工件表面及表面下不同深度的溫度都將提高，容易造成燒傷；增大砂輪速度會加重磨削燒傷的程度。當工件縱向進給量增大時，磨削區(qū)溫度增高，但熱源作用時間減少，因而可減輕燒傷。但提高工件速度會導致其表面粗糙度值變大，為彌補此不足，可提高砂輪速度。實踐證明，同時提高工件速度和砂輪速度可減輕工件表面燒傷。表面層的金相組織變化與磨削燒傷2.影響磨削燒傷的因素(2)砂輪材料對于硬度太高的砂輪，鈍化砂粒不易脫落，砂輪容易被切屑堵塞。因此，一般用軟砂輪好。砂輪結合劑最好采用具有一定彈性的材料，保證磨粒受到過大切削力時會自動退讓，如樹脂、橡膠等。一般來講，粗粒度不容易引起磨削燒傷。表面層的金相組織變化與磨削燒傷2.影響磨削燒傷的因素(3)冷卻方式采用切削液帶走磨削區(qū)熱量可避免燒傷。然而，現有的冷卻方式效果不理想。這是因為由于旋轉的砂輪表面上產