機械制造工藝學11

第五章機械加工外表質量

5-1概述一、機械加工外表質量含義包括：微觀幾何形狀表層物理力學性能〔一〕加工外表的幾何形狀特征外表幾何誤差包括：形狀誤差：波長/波幅>1000外表輪廓曲線經低通濾波獲得波紋度：50<波長/波幅<1000外表輪廓曲線經帶通濾波獲得一般與刃口形狀，進給，刀瘤等有關。外表微觀不平度誤差：波長/波幅<50外表輪廓曲線經高通濾波獲得一般與工藝系統(tǒng)的振動有關?！捕臣庸ね獗韺拥奈锢砹W性能變化受加工中力、熱等因素的作用，外表金屬力學性能將發(fā)生變化：1、表層因塑性變形而產生的冷作硬化2、表層因受熱而發(fā)生金相組織變化3、表層因力，熱等作用而產生剩余應力外表完整性包括：微觀幾何不平度、力學性能變化、摩擦反射性能等二、外表質量對零件使用性能的影響〔一〕外表質量對工作精度及其保持性的影響零件的工作精度主要與微觀幾何不平度有關精度保持性主要與外表耐磨性有關耐磨性那么與外表幾何質量、外表力學性能有關一般的磨損過程分為三個階段：初期磨損階段、正常磨損階段、急劇磨損階段初期磨損階段結束時的磨損量稱為初期磨損量。初期磨損量與外表幾何質量有關，一定載荷、潤滑條件下初期磨損量與外表粗糙度之間的關系如以下圖所示：當載荷增大、潤滑條件惡化時，曲線向右上方移動，即：載荷增大、潤滑條件惡化時，最正確粗糙度增大?！捕惩獗碣|量對耐腐蝕性的影響外表質量越差，存在裂紋時，耐腐蝕性降低〔三〕外表質量對零件疲勞強度的影響外表缺陷會引起應力集中，降低疲勞強度。假設外表存在剩余壓應力，疲勞強度將會提高?！菜摹惩獗碣|量對零件配合性質的影響外表比較粗糙時，輪廓峰在工作中被逐漸磨掉，零件尺寸發(fā)生變化，進而影響到配合性質。一般來說，外表粗糙度應與加工精度相適應：5-2外表粗糙度及其降低的工藝措施一、切削加工〔一〕幾何因素1、刀尖半徑較小時理論粗糙度的計算平行四邊形為切削層理論橫截面三角形為殘留面積H為理論粗糙度f為進給量κr為主偏角κr’為副偏角那么：f=Hctgκr+Hctgκr’得：H=f/(ctgκr+ctgκr’)2、刀尖半徑較大時理論粗糙度的計算(二〕物理因素加工外表實際廓形與理論廓形差異較大，原因是加工中存在積屑瘤鱗刺，振動等物理現象。1、切削用量的影響〔1〕進給量f的影響當：f>0.15mm時f↑→Rz↑f<0.15mm時f↑→Rz↗f<0.02mm時f↑→Rz→〔2〕切削速度的影響加工脆性材料時，切削速度對于粗糙度影響不大加工塑性材料時，積屑瘤對粗糙度影響很大。〔3〕切削深度ap的影響一般切削深度ap對于粗糙度影響不大，但太小時，有可能吃不住刀，摩擦嚴重。2、工件材質的影響工件材質韌性、塑性增大，Ra增大工件材質晶粒越均勻，顆粒越細小，Ra減小3、刀具材料的影響刀具越硬，越耐磨，加工Ra越低硬質合金刀具加工后的Ra<高速鋼加工后的Ra金剛石刀具的性能：二、磨削加工砂輪上的磨粒因幾何角度，位置不同起三種不同的作用鋒利、位置靠前的起切削作用較鋒利、位置較靠前的起刻劃作用較鈍、位置靠后的起拋光作用磨削外表粗糙度與砂輪、工件材質、磨削用量有關1、砂輪：砂輪粒度↑→外表粗糙度Ra↑*一般磨料的粒度用粒度號表示，每英寸長度上的網眼個數為粒度號，例80#，60#；微粉用最大顆粒的最大尺寸的微米數表示，例W28、W14。2、磨削用量砂輪速度v砂↑→外表粗糙度Ra↓工件速度v工↑→外表粗糙度Ra↑砂輪相對于工件的進給量f↑→外表粗糙度Ra↑磨削深度ap↑→外表粗糙度Ra↑根據上述實驗關系，可以得到經驗公式：3、砂輪修整砂輪修整質量越高，磨削外表質量越好。三、超精研、研磨、珩磨、拋光超精研、研磨、珩磨、拋光加工的共同特點是：1、不選擇切削用量，只限定壓強和加工時間2、無需精密機床3、降低外表粗糙度效果明顯，提高精度不明顯4、加工余量小〔一〕超精研1、工作原理：采用細粒度的磨條在一定壓力和切削速度下往復運動，對外表進行光整加工。加工運動：A、工件低速回轉運動；B、磨條軸向進給運動：C、磨條高速往復振動。2、切削過程：可分為四個階段〔1〕強烈切削階段：少數波峰上壓強很大，切削作用劇烈?！?〕正常切削階段：接觸面積增大，接觸壓強減小，切削作用減弱。〔3〕微弱切削階段：接觸面積進一步增大，接觸壓強進一步減小，磨條起拋光作用。〔4〕停止切削階段：工件被研平，接觸壓強很小，磨條與工件之間形成油膜，切削停止?！捕逞心パ心タ梢缘竭_很高的精度和外表質量。根本原理：通過介于工件和硬質研具之間的磨料或研磨液的流動產生機械摩擦和化學作用去除微小加工余量。1、研磨特點：〔1〕研具較軟，以鑄鐵、塑料、硬木制成。〔2〕磨料中混有化學物質，機械與化學作用同時進行，磨粒運動軌跡復雜，保證均勻性?！?〕加工外表質量高。2、研具：磨具應軟硬適當,組織均勻。粗研采用銅、鋁，精研采用鑄鐵。3、研磨劑：研磨劑為磨料與油脂的混合劑。磨料種類：金剛石微粉,碳化硅,氧化鋁等。油脂起調和磨料.化學腐蝕作用。油脂種類：油酸,凡士林,變壓汽油。4、研磨參數〔1〕磨料粒度：粒度↑，那么粗糙度↑，效率↑?！?〕研磨速度：一般研磨速度<0.5m/s，精研速度<0.16m/s?！?〕研磨余量：手工研磨余量<10μm，機械研磨余量<15μm?！?〕研磨壓強：粗研0.1~0.3MPa，精研0.01~0.1MPa?！踩崇衲ィ翰捎镁苡褪鄬τ诠ぜ髀菪€運動，油石彈性壓在工件外表上。珩磨后外表粗糙度可達Rz0.4~Rz3.2，有時可達Rz0.1以下。〔四〕拋光：原理與研磨相似，只是研具采用無紡布等軟質材料。拋光可用于自由曲面加工。5-3外表層物理、力學性能及其改善的工藝措施一、外表層的冷作硬化1、定義：加工層材料因塑性變形使晶體間產生剪切滑移，晶格扭曲、晶粒拉長、破碎和纖維化，材料的強度、硬度都提高的現象稱為冷作硬化。2、衡量指標：硬化層深度：h表層顯微硬度：H硬化程度：N=(H-H0)/H03、物理因素對于冷作硬化的影響切削力↑，那么塑性變形↑，冷作硬化↑。變形速度↑，那么塑性變形↓，冷作硬化↓。變形溫度>〔0.25~0.3〕倍的金屬熔化溫度時，變形金相組織會有所恢復，冷作硬化↓。〔一〕影響外表層冷作硬化的因素1、刀具：刀刃鈍圓半徑↑，冷作硬化↑；后刀面磨損↑，冷作硬化↑。2、切削用量：切削速度↑，切削溫度↑，那么冷作硬化↓；進給量↑，冷作硬化↑。3、被加工材料：硬度↑，冷作硬化↓；塑性↑，冷作硬化↑?！捕硿p少外表層冷作硬化的措施1、合理選擇刀具幾何參數前角↑，冷作硬化↓；后角↑，冷作硬化↓；鈍圓半徑↓，冷作硬化↓。2、限制后刀面磨損3、合理選擇切削用量切削速度↑，冷作硬化↓；進給量↓，冷作硬化↓。二、外表層的金相組織變化切削一般不會導致金相組織變化，磨削因單位切削截面消耗的功率較大，常常導致金相組織變化。磨削淬火鋼時容易出現的燒傷：回火燒傷：磨削區(qū)溫度超過馬氏體轉變溫度，而未達相變溫度，產生回火組織〔索氏體或屈氏體〕。淬火燒傷：磨削區(qū)溫度超過相變溫度，由于冷卻液急冷，表層出現二次淬火馬氏體。退火燒傷：磨削區(qū)溫度超過相變溫度，不用冷卻液，工件緩慢冷卻，發(fā)生退火。外表顏色與燒傷之間的關系：黑青淡青米黃淡黃三、外表層剩余應力定義：去除外力和熱源作用后,零件內部自身平衡的應力，稱剩余應力。剩余應力的成因：〔一〕局部溫升過高引起的熱應力*材料在高溫下，處于塑性狀態(tài)，因溫度升高體積膨脹而發(fā)生塑性流動；*材料在低溫下，處于彈性狀態(tài)，因溫度降低體積減小而發(fā)生收縮，受下層材料的限制，發(fā)生彈性變形，形成剩余應力。設材料從20oC升至800oC，然后回到20oC，這層金屬長度l的相對伸長量為：所產生的剩余拉應力為：〔二〕局部金相組織變化引起的相變應力剩余奧氏體→回火馬氏體：體積膨脹，表層為剩余壓應力；馬氏體→屈〔索〕氏體：體積收縮，表層為剩余拉應力?！踩惩獗砭植坷渌茏冃我鸬乃茏儜υ谇邢鞣较蛏洗嬖诶瓚?，與其垂直的方向上存在壓應力?！菜摹辰饘倮渌茏冃?，比容積增大導致的外表剩余應力金屬發(fā)生冷塑變形，比重下降，體積增大，使：表層存在壓應力下層存在拉應力四、減小剩余拉應力、防止外表燒傷和裂紋的工藝措施〔一〕合理選擇磨削用量磨削傳熱分析模型：*磨削區(qū)溫度與磨削用量之間的關系為：磨削深度↑，磨削溫度↑；砂輪速度↑，磨削溫度↑；工件速度↑，磨削溫度↑；進給量↑，磨削溫度↓。*磨削區(qū)溫度剃度分布規(guī)律：工件速度↑，溫度剃度↑，高溫層厚度↓；可以同時提高砂輪和工件速度，既減小高溫層厚度，又控制外表粗糙度。較薄的燒