機(jī)械制造工程之11加工表面質(zhì)量

第十二章機(jī)械加工表面質(zhì)量

12-1概述一、機(jī)械加工表面質(zhì)量含義包括：微觀幾何形狀表層物理力學(xué)性Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.1（一）加工表面的幾何形狀特征表面幾何誤差包括：形狀誤差：波長/波幅>1000表面輪廓曲線經(jīng)低通濾波獲得波紋度：50<波長/波幅<1000表面輪廓曲線經(jīng)帶通濾波獲得一般與刃口形狀，進(jìn)給，刀瘤等有關(guān)。表面微觀不平度誤差：波長/波幅<50表面輪廓曲線經(jīng)高通濾波獲得一般與工藝系統(tǒng)的振動(dòng)有關(guān)。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.2Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.3（二）加工表面層的物理力學(xué)性能變化受加工中力、熱等因素的作用，表面金屬力學(xué)性能將發(fā)生變化：1、表層因塑性變形而產(chǎn)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(chǎn)生殘余應(yīng)力表面完整性包括：微觀幾何不平度、力學(xué)性能變化、摩擦反射性能等Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.4二、表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響（一）表面質(zhì)量對(duì)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(guān)精度保持性主要與表面耐磨性有關(guān)耐磨性則與表面幾何質(zhì)量、表面力學(xué)性能有關(guān)一般的磨損過程分為三個(gè)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(jié)束時(shí)的磨損量稱為初期磨損量。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.5初期磨損量與表面幾何質(zhì)量有關(guān)，一定載荷、潤滑條件下初期磨損量與表面粗糙度之間的關(guān)系如下圖所示：當(dāng)載荷增大、潤滑條件惡化時(shí)，曲線向右上方移動(dòng)，即：載荷增大、潤滑條件惡化時(shí)，最佳粗糙度增大。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.6（二）表面質(zhì)量對(duì)耐腐蝕性的影響表面質(zhì)量越差，存在裂紋時(shí)，耐腐蝕性降低Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.7（三）表面質(zhì)量對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響表面缺陷會(huì)引起應(yīng)力集中，降低疲勞強(qiáng)度。若表面存在殘余壓應(yīng)力，疲勞強(qiáng)度將會(huì)提高。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.8（四）表面質(zhì)量對(duì)零件配合性質(zhì)的影響表面比較粗糙時(shí)，輪廓峰在工作中被逐漸磨掉，零件尺寸發(fā)生變化，進(jìn)而影響到配合性質(zhì)。一般來說，表面粗糙度應(yīng)與加工精度相適應(yīng)：Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.95-2表面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(shí)理論粗糙度的計(jì)算平行四邊形為切削層理論橫截面三角形為殘留面積Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.102、刀尖半徑較大時(shí)理論粗糙度的計(jì)算Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.11Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.12(二）物理因素加工表面實(shí)際廓形與理論廓形差別較大，原因是加工中存在積屑瘤鱗刺，振動(dòng)等物理現(xiàn)象。1、切削用量的影響（1）進(jìn)給量f的影響當(dāng)：f>0.15mm時(shí)f↑→Rz↑f<0.15mm時(shí)f↑→Rz↗f<0.02mm時(shí)f↑→Rz→Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.13（2）切削速度的影響加工脆性材料時(shí)，切削速度對(duì)于粗糙度影響不大加工塑性材料時(shí)，積屑瘤對(duì)粗糙度影響很大。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.14（3）切削深度ap的影響一般切削深度ap對(duì)于粗糙度影響不大，但太小時(shí)，有可能吃不住刀，摩擦嚴(yán)重。2、工件材質(zhì)的影響工件材質(zhì)韌性、塑性增大，Ra增大工件材質(zhì)晶粒越均勻，顆粒越細(xì)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(zhì)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：Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.15二、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表面粗糙度與砂輪、工件材質(zhì)、磨削用量有關(guān)Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.161、砂輪：砂輪粒度↑→表面粗糙度Ra↑*一般磨料的粒度用粒度號(hào)表示，每英寸長度上的網(wǎng)眼個(gè)數(shù)為粒度號(hào)，例80#，60#；微粉用最大顆粒的最大尺寸的微米數(shù)表示，例W28、W14。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.172、磨削用量砂輪速度v砂↑

→表面粗糙度Ra↓Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.18工件速度v工↑

→表面粗糙度Ra↑Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.19砂輪相對(duì)于工件的進(jìn)給量f↑

→表面粗糙度Ra↑Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.20磨削深度ap↑

→表面粗糙度Ra根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)關(guān)系，可以得到經(jīng)驗(yàn)公式：3、砂輪修整砂輪修整質(zhì)量越高，磨削表面質(zhì)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(diǎn)是：1、不選擇切削用量，只限定壓強(qiáng)和加工時(shí)間2、無需精密機(jī)床3、降低表面粗糙度效果明顯，提高精度不明顯4、加工余量Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.21（一）超精研1、工作原理：采用細(xì)粒度的磨條在一定壓力和切削速度下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)表面進(jìn)行光整加工。加工運(yùn)動(dòng)：A、工件低速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；B、磨條軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：C、磨條高速往復(fù)振動(dòng)。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.222、切削過程：可分為四個(gè)階段（1）強(qiáng)烈切削階段：少數(shù)波峰上壓強(qiáng)很大，切削作用劇烈。（2）正常切削階段：接觸面積增大，接觸壓強(qiáng)減小，切削作用減弱。（3）微弱切削階段：接觸面積進(jìn)一步增大，接觸壓強(qiáng)進(jìn)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(qiáng)很小，磨條與工件之間形成油膜，切削停止。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.23（二）研磨研磨可以達(dá)到很高的精度和表面質(zhì)量?；驹恚和ㄟ^介于工件和硬質(zhì)研具之間的磨料或研磨液的流動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械摩擦和化學(xué)作用去除微小加工余量。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.241、研磨特點(diǎn)：（1）研具較軟，以鑄鐵、塑料、硬木制成。（2）磨料中混有化學(xué)物質(zhì)，機(jī)械與化學(xué)作用同時(shí)進(jìn)行，磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，保證均勻性。（3）加工表面質(zhì)量高。2、研具：磨具應(yīng)軟硬適當(dāng),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(diào)和磨料.化學(xué)腐蝕作用。油脂種類：油酸,凡士林,變壓汽油。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.254、研磨參數(shù)（1）磨料粒度：粒度↑，則粗糙度↑，效率↑。（2）研磨速度：一般研磨速度<0.5m/s，精研速度<0.16m/s。（3）研磨余量：手工研磨余量<10μm，機(jī)械研磨余量<15μm。（4）研磨壓強(qiáng)：粗研0.1~0.3MPa，精研0.01~0.1MPa。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.26（三）珩磨：采用精密油石相對(duì)于工件作螺旋線運(yùn)動(dòng)，油石彈性壓在工件表面上。珩磨后表面粗糙度可達(dá)Rz0.4~Rz3.2，有時(shí)可達(dá)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(zhì)材料。拋光可用于自由曲面加工。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.2712-3表面層物理、力學(xué)性能及其

改善的工藝措施一、表面層的冷作硬化1、定義：加工層材料因塑性變形使晶體間產(chǎn)生剪切滑移，晶格扭曲、晶粒拉長、破碎和纖維化，材料的強(qiáng)度、硬度都提高的現(xiàn)象稱為冷作硬化。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.282、衡量指標(biāo)：硬化層深度：h表層顯微硬度：H硬化程度：N=(H-H0)/H0Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.293、物理因素對(duì)于冷作硬化的影響切削力↑，則塑性變形↑，冷作硬化↑。變形速度↑，則塑性變形↓，冷作硬化↓。變形溫度>（0.25~0.3）倍的金屬熔化溫度時(shí)，變形金相組織會(huì)有所恢復(fù)，冷作硬化↓Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.30（一）影響表面層冷作硬化的因素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↑，則冷作硬化↓；進(jìn)給量↑，冷作硬化↑。3、被加工材料：硬度↑，冷作硬化↓；塑性↑，冷作硬化↑Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.31（二）減少表面層冷作硬化的措施1、合理選擇刀具幾何參數(shù)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(jìn)給量↓，冷作硬化↓。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.32二、表面層的金相組織變化

切削一般不會(huì)導(dǎo)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(dǎo)致金相組織變化。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.33

對(duì)于磨削加工來說，由于單位面積上產(chǎn)生的切削熱比一般切削方法要大幾十倍，易使工件表面層的金相組織發(fā)生變化，從而使表面層的硬度和強(qiáng)度下降，產(chǎn)生殘余應(yīng)力甚至引起顯微裂紋。這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。機(jī)械加工過積中，在工件的加工區(qū)及其鄰近的區(qū)域，溫度會(huì)急劇升高，當(dāng)溫度超過工件材料金相組織變化的臨界點(diǎn)，就會(huì)發(fā)生金相組織變化。對(duì)于一般切削加工而言，溫度還不會(huì)上升到如此程度。磨削燒傷將嚴(yán)重地影響零件的使用性能。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.34磨削淬火鋼時(shí)容易出現(xiàn)的燒傷：回火燒傷：磨削區(qū)溫度超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，而未達(dá)相變溫度，產(chǎn)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(xiàn)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。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.35表面顏色與燒傷之間的關(guān)系：黑

青

淡青

米黃淡黃Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.36影響磨削燒傷的因素及其改善措施盡可能減少磨削熱的產(chǎn)生；改善冷卻條件，盡量使產(chǎn)生的熱量少傳入工件。磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷可有兩個(gè)途徑：(1)合理選擇磨削用量(2)工件材料(3)砂輪的選擇(4)冷卻條件改善措施實(shí)踐證明，同時(shí)提高砂輪速度和工件速度，可以避免燒傷。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.37二、表面層的殘余應(yīng)力(1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力(2)熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力(3)金相組織變化引起的殘余應(yīng)力l、表面層殘余應(yīng)力及其產(chǎn)生的原因

表面層殘余應(yīng)力

外部載荷去除后，工件表面層及其與基體材料的交界處仍殘存的互相平衡的應(yīng)力。表面層殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.38(1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力當(dāng)?shù)毒邚谋患庸け砻嫔先コ饘贂r(shí)，由于后刀面的擠、壓和摩擦作用，加大了表面層伸長的塑性變形，表面層的伸長變形受到基體金屬的限制，也在表面層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力。在切削力作用下，已加工表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形。表面層金屬比容增大，體積膨脹，與它相連的里層金屬的阻止其體積膨脹；里層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力結(jié)果：Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.39(2)熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力

磨削溫度越高，熱塑性變形越大，殘余拉應(yīng)力也越大，有時(shí)甚至產(chǎn)生裂紋。在切削熱作用下產(chǎn)生熱膨脹金屬基體溫度較低工件加工表面表層產(chǎn)生熱壓應(yīng)力切削時(shí)切削過程結(jié)束時(shí)溫度下降，已產(chǎn)生熱塑性變形的表層收縮基體表層收縮結(jié)果表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.40(3)金相組織變化引起的殘余應(yīng)力

如：馬氏體密度為7.75g/cm3，奧氏體密度為7.96g/cm3，珠光體密度為7.78g/cm3，鐵索體密度為7.88g/cm3；

切削時(shí)產(chǎn)生的高溫會(huì)引起表面層金相組織變化。因?yàn)椴煌慕饘俳M織，它們的密度不同，因而引起的殘余應(yīng)力。以淬火鋼磨削為例淬火鋼原來的組織是馬氏體7.75g/cm3磨削加工后表層可能產(chǎn)生回火，馬氏體變?yōu)橹楣怏w7.78g/cm3密度增大而體積減小表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)果Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.41四、減小殘余拉應(yīng)力、防止表面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(guān)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(jìn)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(shí)提高砂輪和工件速度，既減小高溫層厚度，又控制表面粗糙度。較薄的燒傷層可在清磨時(shí)去掉Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.42

（二）提高冷卻效果

1、采用高壓大流量冷卻，沖刷砂輪，加強(qiáng)冷卻；

2、在砂輪上安裝空氣擋板，消除附著氣流；

3、利用砂輪孔隙實(shí)現(xiàn)內(nèi)冷卻。

Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.43（三）提高砂輪磨削性能1、銳化磨粒，減小摩擦；2、砂輪硬度不宜過高，保持自銳性；3、砂輪應(yīng)具一定彈性，避免過載；4、使用開槽砂輪；5、使用螺旋槽砂輪。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.44五、表面強(qiáng)化工藝

表面強(qiáng)化工藝是指通過冷壓加工方法使表面層金屬發(fā)生冷態(tài)塑性變形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。這種方法工藝簡單、成本低廉，應(yīng)用廣泛。主要指冷壓工藝，使表面層發(fā)生冷塑變形，硬度提高，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。常用冷壓工藝有：（一）噴丸強(qiáng)化（二）滾柱滾壓強(qiáng)化Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.45Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.46Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.471．噴九強(qiáng)化利用壓縮空氣或離心力將大量的珠丸(直徑為0.4～4mm)以高速打擊被加工零件表面，使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力，可以顯著提高零件的疲勞強(qiáng)度。珠丸可以是鑄鐵或砂石，鋼丸更好。噴丸所用設(shè)備是壓縮空氣噴丸裝置或機(jī)械離心式噴丸裝置，這些裝置使珠丸能以35～50m／s的速度噴出。珠丸(直徑為0.4～4mm)高速(35～50m/s)打擊被加工零件表面使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力方法概要

噴九加工主要用于強(qiáng)化形狀復(fù)雜的零件，如齒輪、連桿、曲軸等。零