机械零件表面质量

机械零件表面质量磨损零件使用中失效形式腐蚀→从表面开始疲劳第一节第一节零件的表面质量及其对使用性能的影响一、一、机械加工表面质量的含义1、机械加工表面质量的含义：零件加工后的表面层状态或完整性的表征。具体地说：包含两个方面的内容，一是表面的微观几何特征，二是表面的物理力学特性。2、表面质量的内容：宏观几何→加工精度范畴(1)、微观几何特征：1）、表面粗糙度：指已加工表面的微观几何形状误差。表面轮廓的算术平均偏差Ra表面粗糙度的三种形式：微观不平均高度Rz轮廓最大高度Ry2)、波度：介于宏观几何形状误差与表面粗糙度的之间的周期性几何形状误差。3)、加工纹理4)、划伤、人为破坏(2)、表面物理力学特性1)、1)、冷作硬化：指工件经机械加工后表面层的强度、硬度有提高的现象，也称为冷硬或强化。2)、2)、表面层的金相组织变化：3)、3)、加工表面层的残余应力二、二、表面质量对零件使用性能的影响耐磨性使用性能抗疲劳抗腐蚀、配合性质及其它1、表面质量对零件耐磨性的影响磨损机理磨损曲线（磨损三阶段）(1)、Rn对耐磨性的影响磨损产生的原因：F↑作用→Ra→弹性塑变磨损曲线：初期磨损，正常磨损、破坏磨损最佳粗糙度：Ra↓↓亲和Ra=0.8~0.2μmRa↑→△↑Ra↓→△↓Ra↓↓→△↑纹理：重载：交叉→△↓轻载：交叉→△↑为什么？(2)、冷作硬化HBS↑→接触刚度↑→变形↓→咬合↓→△↓HBS↑↑→脆↑脱落↑→△↑(3)、残余应力、金相变化残余应力、金相变化→HBS、变形→⊿2、对疲劳强度的影响——应力集中产生的前提(1)、Ra↑→应力集中→裂纹→σ-1↓纹理方向与受力方向相顺σ-1↑相反σ-1↓(2)、残余应力适当→σ-1↑（疲劳由拉应力引起）（3）、冷作硬化：HBS↑→变形↓→裂纹↓→σ-1↑，HBS↑↑→脆、脱落→裂纹↑→σ-1↓3、表面质量对耐蚀配合及其他性能的影响（1）、Ra↑→累积腐蚀介质↑→抗蚀性↓Ra↓→累积腐蚀介质↓→抗蚀性↑(2)、残余应力（适当）→防裂扩展→不易腐→↑(3)、冷作硬化(4)、配合性质：其它性能：密封接触刚度磨擦系数第二节第二节影响机械加工表面粗糙度的因素几何因素影响因素物理因素工艺系统振动一、一、影响机械加工表面粗糙度的几何因素切削加工过程中，刀具相对于工件进给运动时，在被加工表面上残留的面积愈大，所获得表面将愈粗糙。单刃刀切削时，残留面积只与进给量f、刀尖圆弧半径r0及刀具的主偏角Kr、副偏角Kr′有关。尖刀切削时：rrctgctgfH带圆角的刀切削时：028rfH由公式可知：f↓—→Ra↓f↓↓—→Ra↑（塑性滑移、振动）Kr、Kr′↓—→Ra↓Kr、Kr′↓↓—→Ra↑r0↓—→Ra↑r0↑—→Ra↓r0↑↑—→Ra↑二、二、影响表面粗糙度的物理因素影响表面粗糙度的物理因素主要是表面层的塑性变形1、1、影响塑变的物理因素(1)切削力与摩擦力切削过程中刀具刃口钝圆半径及时性后刀面对工件的挤压、摩擦作用使金属材料发生塑性变形，致使表面粗糙。当切削脆性材料时，切屑呈碎粒状，加工表面留下许多麻点，致使表面粗糙。(2)积屑瘤、鳞刺的影响当低速切削塑性材料时，产生积屑瘤和鳞刺，致使表面粗糙。背吃刀量、进给量太小精加工时，因背吃刀量、进给量小。刀刃容易打滑，致使表面粗糙。2、2、减低表面粗糙度的工艺措施(1)减少切削力引起的塑性变形，避免积屑瘤和鳞刺→合理选择切速。(2)改善切削性能（材料）→金相组织变化→热处理3、正确选用切削液三、三、影响磨削加工表面粗糙度的因素（一）（一）磨削加工的特点：1、1、过程复杂2、2、磨削速度高，温度高，易烧伤，产生裂纹3、3、线速高，径向切削力大，易弹性变形，生产振动（二）（二）影响磨削加工表面的因素1、1、砂轮线速度V砂↑--→Ra↓(1)、V砂↑增加单位面积上的刻痕数(2)、降低塑性变形2、2、工件线速度：V工↓--→ap/粒↓--→残留S↓--→Ra↓V工↓↓--→Q↑--→微熔--→Ra↑（烧伤）3、3、纵向进给量：纵f--→ap/粒↓--→Ra↑纵f↓--→ap/粒↑--→Ra↓4、4、磨削深度aP↑--→F、T↑--→Ra↑光磨→Ra↓5、5、砂轮性质的影响（1）（1）粒度粒度↓→磨粒多→刻痕小→Ra↓粒度↓↓--→砂轮易堵塞→T↑→塑变↑→Ra↑粒度↓--→磨粒数↑--→残留S↓--→Ra↓（2）（2）硬度HB↓--→自砺性↑--→Ra↓HB↑↑--→砂轮易堵塞、摩擦加剧--→Ra↑HB↑不易脱落→挤压、磨损↑→T↑→变形↑→烧伤HB↓↓→易脱落→等高性↓→Ra↑硬度应适中。（3）砂轮修正6、工件材料的影响HB↑↑→磨粒易钝化→Ra↑HB↓↓→易堵塞→Ra↑ak↑→Ra↑第三节第三节影响表面物理力学性能的工艺因素残余应力影响因素冷作硬化金相组织变化一、一、表面残余应力1、1、残余应力的产生：切削过程中金属材料的表层组织发生形状变化和组织变化时，在表层金属与基体材料交界处将会产生相互平衡的弹性应力。2、2、表面残余应力的作用：表面存在残余压应力(-)—→疲劳强度、耐磨性↓，表面存在残余拉应力(+)—→疲劳强度、耐磨性↑；表面残余应力疲劳强度极限裂纹↑—→疲劳强度、耐磨性↓。3、3、产生残余应力的几个因素（1）（1）冷塑性变形：F切削力→塑变→晶格粒长和扭曲→P(密度)→↓V↑→表层压应力(-)，基体层拉应力(+)（2）（2）热塑性变形：Q—→V↑—→热塑性变形→表层为拉应力(+)，基体层压应力(-)（3）（3）金相组织变化切削加工时，切削区的高温将引起工件表层金属的相变。金属的组织不同，其密度也不同，常见的金相组织的密度为：PMS=7.75g/cm3;PA=7.96g/cm3;PP=7.78g/cm3二、表面层加工硬化1、1、冷作硬化：机械加工过程中，由于切削力的作用，使被加工表面产生强烈的塑性变形，加工表面层晶格间剪切滑移，晶格严重扭曲、拉长、纤维化以及破碎，造成加工层强度和硬度增加。软化（回复）：在切削加工过程中，由于切削热的作用，使金属表面层温度升高，造成已产生的冷硬的回复，表面强度和硬度降低的现象。2、2、影响冷作硬化的因素（1）（1）切削用量a、切削速度的影响低速切削，避开了积屑瘤区切削塑性材料时，随切削速度的增加，塑性变形减少，热作用时间又较长，有利于冷硬的回复，所以冷硬的程度和深度逐渐降低。当切削速度超过100m／min以上时，冷硬又逐渐增加。这是因为高速切削时虽然塑性变形稍有减少，但热作用时间也减少了，冷硬的回复显著减弱，综合起来，冷硬又有所增加。V↓↓—→HV↑V↑—→HV↓V↑↑—→HV↑b、进给量的影响增加进给量能使切削厚度增加，材料的塑性变形加剧，冷硬也增加。如进给量太小，因形成薄层切屑使表面层受挤压的作用增加，塑性变形也增加，故冷硬也增加。f↓↓—→HV↑f↑—→HV↑(2)刀具影响：rε↑—→后刀面磨损等↑—→挤压和磨擦—→HV↑(3)工件材质塑性↑→变形↑→HV↑三、表面层金相组织变化与磨削烧伤磨削加工，是传统的零件精加工的重要方法，它能达到很高的加工精度和很低的表面粗糙度。由于磨削的主运动的线速度很高，工件表面在磨削时，会产生很高的温度。实验表明，磨削热有60％～80％传给工件，严重时造成工件表面金相组织发生变化，这种现象称为磨削烧伤。1、磨削烧伤：磨削加工中，由于大量的磨削热传给工件，工件表面温度急剧升高，造成工件表面金相组织发生变化，使表面层强化和硬度下降的现象。2、烧伤的类型磨淬火钢干磨Pms——→A无冷却退火烧伤磨削烧伤磨淬火钢有冷却液A——→Pms二次淬火烧伤未相变——→回火回火烧伤三种烧伤中，退火烧伤最严重。3、烧伤的判别：氧化膜颜色烧伤严重时，还会在工件表面出现黄、褐、紫、青等高温下产生的氧化膜颜色。不同的烧伤颜色表示表面层金属经历的不同温度和不同烧伤深度，它表明工件表面已经受到热损伤的程度。4、烧伤的危害与防止使用寿命与性能↓↓防止措施：（1）改善冷却（2）合理选择磨削用量，适当提高V工（3）合理选择砂轮