第三节影响加工表面物理力学性能的因素本节内容一、加工表面层的冷作硬化二、表面层的金相组织变化三、表面层的残余应力四、减小残余拉应力、防止表面烧伤和裂纹的工艺措施机械制造工艺学一、加工表面层冷作硬化机械制造工艺学在切削或磨削加工中,表面层金属的强度和硬度提高的现象。产生原因:切削或磨削加工时,表面层金属由于塑性变形使晶体间产生剪切滑移,晶格扭曲,晶粒被拉长、破碎和纤维化而得到强化。特点:变形抵抗力(屈服点)提高,塑性(相对延伸率)降低。衡量指标:表面层金属显微硬度H、冷硬层的深度h(μm)、硬化程度N机械制造工艺学式中:H—表面层显微硬度(HV);H0—基体金属原来显微硬度(HV)。N=(H/H0)×100%冷作硬化测量方法表层显微硬度H显微硬度计-采用顶角为136°金刚石压头,载荷≤2N斜截面测量-可同时测出硬化层深度h硬化层深度测量机械制造工艺学(一)影响表面层冷作硬化的因素机械制造工艺学表面层冷作硬化的程度决定于产生塑性变形的力、变形速度及变形时的温度。★变形的力越大,塑性变形越大,则硬化程度越大;★变形的速度越快,塑性变形越不充分,则硬化程度越小;★变形时的温度不仅影响塑性变形程度,还会影响变形后金相组织的恢复程度。机械制造工艺学机械加工时表面层的硬化并不稳定,一有条件,就会弱化:当达到熔化绝对温度0.25~0.30时,则除了强化现象外,同时还有回复现象,此时歪扭的晶格局部得到恢复,减低了冷作硬化作用;若超过熔化绝对温度0.30时,会发生金属再结晶,此时因强化而改变了的表面层物理机械性几乎能完全恢复。机械加工时表面层的冷作硬化就是强化作用和回复作用的综合。切削温度越高、高温持续时间越长、强化程度越大,则回复作用也就越强。高温下工作的零件,为保证疲劳强度,应使表面没有冷硬层或只有极小的(10~20μm)冷硬层。(一)影响表面层冷作硬化的因素机械制造工艺学1、影响切削加工表面冷作硬化的因素(1)切削用量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切削速度v↑→塑变↓→冷硬↓(弱化作用加强)进给量f↑→切削力↑→塑变↑→冷硬↑f↓↓→刀尖圆角在工件表面挤压次数↑冷硬↑切削深度αp影响不大(2)刀具几何形状机械制造工艺学刃口圆弧半径rε↑→径向切削分力↑→塑变↑→冷硬↑后刀面磨损影响较大(综合作用)其他几何参数影响不明显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(3)工件材料材料硬度↓塑性↑→冷硬↑如:低碳钢;有色金属的熔点低,容易弱化,冷作硬化现象比钢材轻得多。2、影响磨削加工表面冷作硬化因素(1)磨削用量磨削速度↑温度↑→塑变↓→冷硬程度↓(弱化作用加强)工件转速↑→冷硬程度↑纵向进给量影响较复杂(综合作用)磨削深度↑→磨削力↑→塑变↑→冷硬程度↑磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削机械制造工艺学(2)砂轮(3)工件材料砂轮粒度↑(细)→冷硬程度↓砂轮硬度↑→冷硬程度↓砂轮组织影响不显著材料塑性↑→塑变↑→冷硬倾向↑材料导热性↑→温度↑→冷硬倾向↓机械制造工艺学二、表面层金相组织变化机械加工时,能量大部分转化为热能,使加工表面温度升高,当温度达到相变临界点时,表面层金属就发生金相组织变化。磨削加工时,表面层的温度很高,易于出现金属组织变化,使强度和硬度降低,产生残余应力,严重时甚至出现微观裂纹。这种现象称为磨削烧伤。机械制造工艺学淬火烧伤三种烧伤形式回火烧伤退火烧伤磨削区温度超过马氏体转变温度(350°)而未超过相变温度(Ac3),工件表面原来的马氏体组织将产生回火现象,转化成硬度降低的回火组织—索氏体或贝氏体;机械制造工艺学不用冷却液进行干磨削时,磨削区温度超过相变温度,缓慢冷却,工件表层被退火,硬度急剧下降。磨削区温度超过相变温度,由于冷却液急冷作用,表层出现二次淬火马氏体,里层因为冷却缓慢仍为硬度降低的回火组织。磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下三种形式:工件显微镜下的金相组织机械制造工艺学黑青淡青米黄淡黄表面颜色与烧伤之间的关系:机械制造工艺学磨削淬火钢时,由于磨削烧伤,工件表面产生氧化膜,并呈现出不同的颜色。不同的烧伤色表示受到不同温度的作用与产生不同的烧伤深度。有时表面虽没有烧伤色,但不能确定表面未受热烧伤。如在磨削过程中形成较深的烧伤层,在以后的无进给磨削中磨去了表面的烧伤色,实际上烧伤层仍存在。留在工件上的烧伤层会成为使用中的隐患。三、表面层残余应力机加工中工件表面层组织发生了变化,外载荷去除后,在工件表层与基体材料交界处会产生相互平衡的弹性应力,这种应力称为残余应力。残余应力产生的原因:机械制造工艺学冷态塑性变形引起的残余应力热态塑性变形引起的残余应力金相组织变化引起的残余应力残余应力冷塑性变形引起的残余应力机械制造工艺学热塑性变形引起的残余应力机械制造工艺学机械制造工艺学金相组织变化引起的残余应力加工时的高温使工件表面的金相组织发生变化,比容大的组织→比容小的组织→体积收缩,产生残余拉应力;反之,产生残余压应力。机加工后表面层残余应力及其分布,是上述三方面因素的综合。一定条件下,其中一或二种因素起主导作用。切削热不多时(一般切削加工)以冷态塑性变形为主,表面层常产生残余压应力。若切削热多则以热态塑性变形为主,表面层常产生残余拉应力。磨削时表面层残余应力随磨削条件不同而不同:轻磨削时产生浅而小的残余压应力,此时没有金相组织变化,温度影响也很小,主要是塑性变形影响起作用。中等磨削时产生浅而大的拉应力。淬火钢重磨削时则产生深而大的拉应力(最外层表面可能出现小而浅的压应力),显然是由于热态塑性变形和金相组织变化的影响起主导作用。机械制造工艺学四、减小残余拉应力、防止表面烧伤和裂纹的工艺措施(一)合理选择磨削用量机械制造工艺学砂轮转速↓→磨削烧伤↓径向进给量↓→磨削烧伤↓轴向进给量↑→磨削烧伤↓工件速度↑→磨削烧伤↓(二)合理选择砂轮并及时修整磨粒的切削刃锋利↑→磨削力↓→磨削区的温度↓→磨削烧伤↓砂轮粒度↑(细),硬度↑→磨削烧伤↑(三)改善冷却方法机械制造工艺学选择适宜的冷却液和有效的冷却方法:采用高压大流量冷却采用内冷却法砂轮内冷却装置1-锥形盖2-通道孔3-中心腔4-有径向小孔薄壁套加装空气挡板,减轻旋转砂轮表面高压附着气流的作用,使冷却液能顺利地喷注到磨削区。第四节降低表面粗糙度、改善表面物理力学性能的加工方法一、降低表面粗糙度的加工方法高精度加工的范畴内,按不同的精度水平,分为三个档次,能达到的表面粗糙度如下:精密加工精度3~0.3μm,粗糙度达0.3~0.03μm;超精密加工(亚微米加工)精度0.3~0.03μm,粗糙度达0.03~0.005μm;纳米加工精度为0.03μm,粗糙度优于0.005μm以上。机械制造工艺学超精加工、珩磨、研磨、抛光共同特点1)加工余量小,切削速度低2)对设备要求低,无需精密机床3)降低表面粗糙度效果明显,提高精度不明显机械制造工艺学用细粒度油石,以恒定压力和复杂相对运动对工件进行微量切削。Ra=0.08~0.012μm1、工件低速回转运动2、磨条轴向进给运动3、磨条高速往复振动机械制造工艺学超精加工珩磨利用珩磨工具对工件表面施加一定压力,珩磨工具同时做相对旋转和直线往复运动,切除工件表面极小余量地一种精密加工方法。Ra=0.2~0.025μm,生产效率高。加工对象:圆柱孔珩磨余量:0.02~0.15mm珩磨孔径范围:15~500mm,孔的深径比可达10以上机械制造工艺学机械制造工艺学珩磨研磨利用研磨工具和研磨剂,从工件上研去一层极薄表面层的精密加工方法。Ra=0.025~0.006μm,生产效率低。基本原理:通过介于工件和硬质研具之间的磨料或研磨液的流动,产生机械摩擦和化学作用,去除工件表层微小加工余量。可提高形状、尺寸精度,但不能提高位置精度。机械制造工艺学在加工表面上涂上研磨剂,再套上研具,工件低速旋转,操作工手握研具作轴向往复移动。机械制造工艺学手工研磨外圆机械制造工艺学手工研磨内圆手工研磨平面抛光用涂有抛光膏的软轮(抛光轮)高速旋转对工件进行微弱切削,从而降低工件表面粗糙度,提高光亮度的一种精密加工方法。Ra=0.16~0.04μm原理与研磨相似,只是研具采用皮革、无纺布等软质材料,可用于自由曲面加工。不能提高尺寸、形状及位置精度,主要用于表面的修饰加工及电镀前的预加工。机械制造工艺学二、改善表面物理力学性能的加工方法利用大量快速运动的珠丸打击工件被加工表面,使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力。可以用于任何复杂形状的零件。机械制造工艺学喷丸强化1、喷丸强化槽和凸肩滚压加工机械制造工艺学2、滚压加工用淬硬的滚轮或钢珠在工件被加工面上进行滚压,使工件表层材料产生塑性流动,形成新的光亮表面。3、金刚石压光a)外圆压光b)内孔压光机械制造工艺学本节结束