第14-15讲第四章_机械加工表面质量

第四章机械加工表面质量机械制造工艺学2§4-4机械加工过程中的振动§4-3影响表面层力学物理性能的工艺因素§4-2影响表面粗糙度的工艺因素§4-1加工表面质量对使用性能的影响主要内容3任何机械加工所得到的零件表面．实际上都不是完全理想的表面，实践表明，机械零件的破坏．一般总是从表面层开始的。这说明零件的表面质量是至关重要的．它对产品的质量有很大影响。研究加工表面质量的目的，就是要掌握机械加工的各种工艺因素对加工表面质量影响的规律，以便应用这些规律控制加工过程．最终达到提高加工表面质量、提高产品使用性能的目的。第四章机械加工表面质量4§4-1加工表面质量对使用性能的影响一、加工表面质量的概念加工表面质量表面物理力学性能的变化表面微观几何形状特征表面粗糙度表面波度表面层冷作硬化表面层残余应力表面层金相组织的变化表面波度纹理方向伤痕5a）波度b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ1、表面的几何形状误差表面粗糙度：加工表面的微观几何误差，波长与波高比值小于50（微观几何形状误差：Ra---表面轮廓算术平均偏差；Rz---微观不平点高度）。表面波度：加工表面不平度波长与波高比值在50~1000的几何形状误差（宏观几何形状误差：圆度误差、圆柱度误差)纹理方向：表面刀纹的方向（图4-2）伤痕：加工表面个别位置出现的缺陷一、加工表面质量的概念6几何形状误差刀纹方向一、加工表面质量的概念72、表层金属的力学物理性能和化学性能。表面层金属的冷作硬化（一般加工：0.05~0.30mm滚压加工：几个毫米）表面层的残余应力切削力和切削热综合作用下，表面层金属晶格会发生不同程度的塑形变形或产生金相组织的变化，使表层金属产生残余应力。表面层金相组织的变化切削热引起一、加工表面质量的概念8二、表面质量对零件使用性能的影响1．表面质量对零件耐磨性的影响（1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如图所示。9表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易造成干摩擦而加剧磨损；表面粗糙度太小，接触面间容易发生分子粘接，机械咬合作用增大。表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。二、表面质量对零件使用性能的影响10（2）纹理对耐磨性的影响纹理（有效接触面积，润滑液的存留）圆弧状，凹坑状耐磨性好；尖峰状耐磨性差。刀纹方向与运动方向相同耐磨性好；垂直时耐磨性差。二、表面质量对零件使用性能的影响11（3）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因为它使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。二、表面质量对零件使用性能的影响122．表面质量对零件疲劳强度的影响（1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。二、表面质量对零件使用性能的影响13（2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。残余应力有拉应力和压应力之分，残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度。残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。二、表面质量对零件使用性能的影响143．表面质量对零件耐腐蚀性能的影响（1）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。（2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。二、表面质量对零件使用性能的影响15（1）表面粗糙度对零件配合精度的影响表面粗糙度较大，则降低了配合精度。（2）表面残余应力对零件工作精度的影响表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：如减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。4.表面质量对零件配合质量的影响二、表面质量对零件使用性能的影响16表面质量对零件使用性能的影响小结：零件表面质量粗糙度太大、太小都不耐磨适度冷硬能提高耐磨性对疲劳强度的影响对耐磨性影响对耐腐蚀性能的影响对工作精度的影响适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度粗糙度越大、配合精度降低残余应力越大，加工精度降低粗糙度越大，耐腐蚀性越差压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性17§4-2影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施一、切削加工表面粗糙度切削加工后表面粗糙度的值主要取决于切削残留面积的高度，影响残留面积高度的因素有：刀尖圆弧半径rε，主偏角kr、副偏角kr′，进给量f。如图所示1、刀尖的几何因素的影响18.KrK＇rY=f(x)LKrK＇rXX00YYfff/2HHH/2图:理论表面粗糙度一、切削加工表面粗糙度19.如右上图所示，由国家标准规定的表面粗糙度定义，轮廓的算术平均偏差：阴影部分面积/测量长度同理，如右下图所示，取测量长度为f的一段工件廓，则理论表面粗糙度为：阴影部分面积/测量长度=0Laf(x)dxRL0faf(x)dxRf422212HfHf一、切削加工表面粗糙度20.而三角形底边长度即：则而工件外圆的轮廓的算术平均偏差（理论表面粗糙度）为：，rrctgHctgHf222重要结论：刀具的几何形状影响工件的表面粗糙度。生产中，一般应减小f和来提高表面粗糙度。）’rrctgctgfH(4arrfR(ctgctg’）rk〃)(，rrZctgctgfHR一、切削加工表面粗糙度21直线刃车刀（a）rrfHctgctg圆弧刃车刀（b）28fHr切削残留面积的高度：一、切削加工表面粗糙度222、物理因素的影响（1）工件材料的影响韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。材料金相组织：对同样的材料，金相组织越粗大，加工表面粗糙度大，故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。脆性材料：加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。一、切削加工表面粗糙度23（2）切削速度的影响加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响随切削速度的变化而变化（对积屑瘤和鳞刺的影响）积屑瘤和鳞刺对表面粗糙度的影响较大。鳞刺：工件表面上微小的鱼鳞状倒刺。鳞刺的生成机理：在中低速切削塑性金属材料且较大时，刀－屑之间由于冷焊而产生粘结现象，切屑在前刀面上流动时周期性地受阻而瞬时停留，切屑代替前刀面推挤切削层，造成已加工表面上出现拉应力而导裂，生成鳞刺。ca一、切削加工表面粗糙度24加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小：选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度。切削速度对脆性材料的影响不大。一、切削加工表面粗糙度25（3）进给量的影响减小进给量f固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势，效率降低。（4）其它因素的影响此外，合理使用冷却润滑液，适当增大刀具的前角，提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。一、切削加工表面粗糙度261.几何因素单位面积上刻痕越多，即单位面积的磨粒数越多，刻痕的等高性越好，则磨削表面的粗糙度值越小。（1）磨削用量对表面粗糙度的影响V砂轮增大----Ra小纵向进给量小----Ra小V工件增大-----Ra大（2）砂轮粒度和砂轮修整对表面粗糙度的影响磨粒粒度号大（磨粒细）-----Ra小磨粒间距小-------Ra小二、磨削加工后的表面粗糙度272、物理因素对Ra的影响热多---塑变增加----晶粒拉长、裂纹、堆积（1）磨削用量V砂轮增大-----塑变小---------Ra小V工件增大-----塑变增大-------Ra大磨深增大-----塑变增大-------Ra大二、磨削加工后的表面粗糙度282.砂轮的选择粒度大------Ra小（46—60号）砂轮硬度----硬度大，磨粒不易脱落，自锐性差，塑变大砂轮组织——磨粒、结合剂、气孔的比例砂轮材料氧化物（刚玉）----磨削钢类件碳化物（碳化硅，碳化硼）----铸铁，硬质合金高硬（人造金刚石，立方氮化硼）---极小Ra二、磨削加工后的表面粗糙度29§4-3影响表面层力学物理性能的工艺因素及其改进措施一.加工表面层的冷作硬化机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化和强化。1、定义302、影响表面冷作硬化的因素以切削加工为例：⑴切削用量影响f↑→切削力↑→塑变↑→冷硬↑切削速度影响复杂：（力与热综合作用结果）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：45一方面：切削速度v↑→塑变↓→冷硬↓另一方面：切削热作用时间短，使冷硬程度有所增加切削深度影响不大一.加工表面层的冷作硬化3100.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)刀具后刀面磨损对冷硬影响⑶工件材料材料塑性↑，冷硬倾向↑⑵刀具几何形状的影响切削刃钝圆半径rε↑，冷硬程度↑（其他几何参数影响不明显）刀具磨损影响显著（力和热互相作用）一.加工表面层的冷作硬化32二.表层金属的金相组织的变化1.表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生切削加工中，由于切削热的作用，在工件的加工区及其邻近区域产生了一定的温升。产生磨削烧伤现象。磨削烧伤：磨削加工时，表面层有很高的温度，当温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组织变化，强度和硬度降低、产生残余应力、甚至出现微观裂纹。同时出现彩色氧化膜这种现象称为磨削烧伤。淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的磨削烧伤有三种形式。332.磨削烧伤的三种形式淬火烧伤：磨削时工件表面温度超过相变临界温度（碳钢为720）时，则马氏体转变为奥氏体。在冷却液作用下，工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极薄，表面层总的硬度是降低的，这种现象称为淬火烧伤。二.表层金属的金相组织的变化34回火烧伤磨削时，如果工件表面层温度只是超过原来的回火温度，则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象而转变为硬度较低的回火组织（索氏体或托氏体），这种现象称为回火烧伤。退火烧伤磨削时，当工件表面层温度超过相变临界温度时，则马氏体转变为奥氏体。若此时无冷却液，表层金属空气冷却比较缓慢而形成退火组织。硬度和强度均大幅度下降。这种现象称为退火烧伤。二.表层金属的金相组织的变化353.影响磨削烧伤的因素及改善途径1）砂轮与工件材料（1)磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃口锋利↑→磨削力↓→磨削区的温度↓（2)磨削导热性