机械制造工艺学-5

MMT1第5章机械加工表面质量及其控制本章要点表面质量及对使用性能的影响影响表面粗糙度的工艺因素机械加工过程中的振动影响表层金属学物理性能的工艺因素MMT2第5章机械加工表面质量及其控制表面质量是零件加工质量的重要方面，对零件使用性能有重要影响。本章在介绍加工表面质量概念的基础上，重点讨论影响加工表面粗糙度和表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施。在影响机械加工表面质量的诸多因素中，切削用量、刀具几何角度以及工件、刀具材料等起着非常重要的作用，学习者应了解这些因素对加工表面质量的影响规律，并应注意其与切削原理知识之间的相联系。机械加工中的振动通常是极端有害的。学习者应了解机械加工中强迫振动和自激振动的特征及其识别方法，了解自激振动产生的机理，以及消除和减弱振动的方法。学习本章内容，应注意理论联系实际，在处理实际问题时，应运用理论分析与实验相结合的方法。有条件应尽量安排实验环节（如表面粗糙度和表层金属力学物理性能实验，机械加工振动实验等）。本章建议学时为8学时。学习指南MMT3机械制造技术基础第5章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality5.1加工表面质量及其对零件使用性能的影响MachiningSurfaceQualityanditsInfluencetoUsePerformanceMMT45.1.1加工表面质量的概念表面粗糙度波长/波高＜50。波度波长/波高=50～1000；且具有周期特性。宏观几何形状误差（平面度、圆度等）波长/波高＞1000。纹理方向表面刀纹形式。表面缺陷如砂眼、气孔、裂纹等。a）波度b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ加工表面的几何形貌MMT5无氧铜镜面三维形貌及表面轮廓曲线a）b）MMT65.1.1加工表面质量的概念加工纹理方向及其符号标注a）纹理平行于标注代号的视图平面；b）纹理垂直于标注代号的视图平面；c）纹理呈交叉形；d）纹理呈近似同心圆；e）纹理呈迂回形；f）纹理呈近似放射形；g）纹理呈微粒，凸起，无方向a）b）c）d）e）f）g）MMT75.1.1加工表面质量的概念表面层金属冷作硬化表面层金属金相组织变化表面层金属残余应力加工变质层模型表面层金属力学物理性能和化学性能MMT85.1.2加工表面质量对零件使用性能的影响对耐磨性影响Ra（μm）初始磨损量重载荷轻载荷表面粗糙度与初始磨损量关系表面粗糙度值↓，耐疲劳性↑。适当冷作硬化（产生表面压应力）可提高耐疲劳性。表面粗糙度值↓，耐蚀性↑。表面压应力有利于提高耐蚀性。表面粗糙度值↓，配合质量↓。表面粗糙度值↓，耐磨性↑，但有限度。对耐疲劳性影响对耐蚀性影响对配合质量影响纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好。适当冷作硬化可提高耐磨性。冷硬程度磨损量T7A钢冷硬程度与耐磨性关系MMT9机械制造技术基础第5章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality5.2影响加工表面的表面粗糙度的工艺因素及其改进措施TechnologyFactorsInfluencingMachiningSurfaceQualityanditsImprovingMMT105.2.1切削加工表面的表面粗糙度残留面积影响因素：刀尖圆弧半径rε，主、副偏角κr、κ’r，进给量f。rrcotcotfH直线刃车刀（图a）（5-1）圆弧刃车刀（图b）（5-2）2ε8fHr车削、刨削时残留面积的高度a）Hb）HMMT115.2.1切削加工表面的表面粗糙度切削表面塑性变形和积屑瘤切削速度影响最大：v=10～50m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差。其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等。切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（μm）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度h（μm）0200400600hKsRzWMVMMT125.2.2磨削加工后的表面粗糙度磨削用量★从几何因素和塑性变形两方面影响砂轮速度v↑，Ra↓工件速度vw↑，Ra↑砂轮纵向进给f↑，Ra↑磨削深度ap↑，Ra↑光磨次数↑，Ra↓磨削用量对表面粗糙度的影响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(μm)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(μm)00.20.60.020.030.04b）光磨次数-Ra关系Ra(μm)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)MMT13砂轮及修整砂轮粒度↑，Ra↓；但要适量。砂轮硬度适中，Ra↓；常取中软。砂轮组织适中，Ra↓；常取中等组织。砂轮材料：与工件材料相适应（如氧化铝适于磨钢，碳化硅适于磨铸铁，金刚石砂轮适于磨陶瓷材料等）。工件材料冷却润滑液等其他影响因素金刚石砂轮磨削工程陶瓷零件采用超硬砂轮材料，Ra↓砂轮精细修整，Ra↓5.2.2磨削加工后的表面粗糙度MMT145.2.3表面粗糙度和表面微观形貌的测量比较法触针法：Ra0.02～5μm工件驱动箱放大器处理器记录器显示表触针传感器触针法工作原理光切法：Rz0.5～60μm干涉法：Rz0.05～0.8μm表面粗糙度测量MMT15双管显微镜测量原理1－光源2－聚光镜3－窄缝4－工件表面5－目镜透镜6－分划板7－目镜a）b）c）d）5.2.3表面粗糙度和表面微观形貌的测量MMT16干涉显微镜测量原理1－光源2、10、15－聚光镜3－滤色片4－光阑5－透镜6、9－物镜7－分光镜8－补偿10、14、16－反射镜12－目镜13－透光窗a）b）5.2.3表面粗糙度和表面微观形貌的测量MMT17表面三维形貌测量与处理系统原理图1－驱动2－撞块3－电触点4－触针5－精密工作台6－工件7－步进电机8－控制电路9－轮廓仪驱动电路10－轮廓仪放大电路11－A/D变换器12－微型计算机13－显示器14－打印机表面三维微观形貌测量5.2.3表面粗糙度和表面微观形貌的测量MMT18TOPO移相干涉显微镜光学原理图1－光源2、4、12－透镜3－视场光阑6－干涉滤光片7－CCD面阵探测器8－输出信号9－目镜10－分光镜11－压电陶瓷管13－基准反射镜14－参考基准板15－分光板16－被测工件MMT19表面微观形貌a）表面形貌干涉条纹b）表面三维形貌a）b）),(4),(22/),(),(),(),(),(tan),(31241yxyxyxZyxIyxIyxIyxIyx相位值：轮廓高度：5.2.3表面粗糙度和表面微观形貌的测量MMT20机械制造技术基础第5章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality5.3影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施TechnologyFactorsInfluencingSurfacePhysicsPerformanceanditsImprovingMMT215.3.1加工表面层的冷作硬化加工硬化：加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象加工硬化的产生：加工表面严重变形层内金属晶格拉长、挤紧、扭曲、碎裂，使表层组织硬化加工硬化度量表层金属显微硬度HV硬化层深度h（μm）硬化程度N式中HV——硬化层显微硬度（HV）；HV0——基体层显微硬度（HV）。%100HVHVHV00N概述（5-3）MMT225.3.1加工表面层的冷作硬化f↑，冷硬程度↑。切削用量影响切削速度影响复杂（力与热综合作用结果）。背吃刀量影响不大。f和v对冷硬的影响硬度(HV)0f(mm/r)0.20.40.60.8v=170(m/min)135(m/min)100(m/min)50(m/min)100200300400工件材料：45影响切削加工表面冷作硬化的因素4203603002402060100140180切削层厚度/μm硬度/HV切削层厚度对冷硬的影响v=380m/minv=320m/minv=250m/minMMT235.3.1加工表面层的冷作硬化刀具几何形状的影响rn↑，冷硬程度↑（右图）。00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)后刀面磨损对冷硬影响工件材料材料塑性↑，冷硬倾向↑。HV－rn关系HV/GPa1.572.353.143.924.715.49f=0.76mm/rf=0.5mm/rf=0.25mm/rf=0.12mm/rrn/μm1050100150200250其他几何参数影响不明显。后刀面磨损影响显著。γ0↑，冷硬程度↓（下图）。－5°0°5°10°15°γo0100200300400500h/μmh－γo关系曲线MMT磨削深度对冷硬的影响vw=7.5m/min，vft=3750mm/minap(mm)硬度(HV)00.0253003504505004000.0500.075普通磨削高速磨削245.3.1加工表面层的冷作硬化磨削用量砂轮工件材料磨削速度↑→冷硬程度↓（弱化作用加强）。工件转速↑→冷硬程度↑。纵向进给量影响复杂。磨削深度↑→冷硬程度↑。砂轮粒度↑→冷硬程度↓。砂轮硬度、组织影响不显著。材料塑性↑→冷硬倾向↑。材料导热性↑→冷硬倾向↓。影响磨削加工表面冷作硬化因素MMT255.3.1加工表面层的冷作硬化用各种机械加工方法加工钢件的表面层冷作硬化情况加工方法材料硬化层深度h/μm硬化程度N/%平均值最大值平均值最大值车削低碳钢30~5020020~50100细车20~60－40~80120端铣40~10020040~60100圆周铣40~8011020~4080距表面深度HVH0hH0加工硬化与表面深度关系MMT265.3.1加工表面层的冷作硬化表层显微硬度HV硬化层深度测量斜截面测量：可同时测出硬化层深度h（下图）。显微硬度计：采用顶角为136°金刚石压头，载荷≤2N。冷作硬化测量方法a）b）斜截面测量显微硬度MMT275.3.2表面金属的金相组织变化正确选择砂轮；合理选择磨削用量；改善冷却条件。工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜。磨削烧伤磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现。磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削裂纹MMT285.3.2表面金属的金相组织变化磨削深度（背吃刀量）ap对磨削温度分布的影响1－ap=0.01mm2－ap=0.02mm3－ap=0.04mm4－ap=0.06mm实验条件：vs=35m/s，vw=0.5m/min，ft=12mm/单行程0.020.040.060.080.100.120.14距表面深度h/mm温度t/℃0400800120016001234温度t/℃0400800120016000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20距表面深度h/mm横进给量ft对磨削温度分布的影响1－ft=24mm/单行程2－ft=12mm/单行程3－ft=6mm/单行程实验条件：vs=35m/s，vw=1m/min，ap=0.02mm123MMT295.3.2表面金属的金相组织变化砂轮内冷却装置1－锥形盖2－通道孔3－中心腔4－有径向小孔薄壁套开槽砂轮a）槽均匀分布b）槽不均匀分布a）b）MMT305.3.3表面金属的残余应力机械加