第十一章机械加工表面质量

第十一章机械加工表面质量学习内容一、机械加工表面质量的含义二、已加工表面形成机理三、影响加工表面质量的因素四、机械加工过程中的振动五、控制加工表面质量的途径学习要求了解机械加工表面质量的基本内容及对零件使用性能的影响。通过研究影响加工表面质量的因素,控制加工过程中的相应参数，以保征零件的机械加工表面质量。第十一章机械加工表面质量第一节机械加工表面质量的含义第二节已加工表面形成机理第三节影响加工表面质量的因素第四节机械加工过程中的振动第五节控制加工表面质量的途径第一节机械加工表面质量的含义一、表面质量的含义二、机械加工表面质量对零件使用性能的影响三、表面的完整性表面质量是零件机械加工质量的组成部分之一。加工表面质量是指机械加工后零件表面层的几何结构和受加工过程的影响，表面层金属材料与基体材料性质产生变化的情况。零件的磨损、腐蚀和疲劳破坏都是从零件表面开始的，所以零件的表面加工质量将直接影响零件的工作性质。特别是在高速、高应力和高温情况下，表层的任何缺陷不仅直接影响零件的工作性能，而且还会引起应力集中、应力腐蚀等现象，加速零件的失败。1、加工表面的几何特征：一、表面质量的含义机械加工后的表面，不可能是理想的光滑表面，总存在一定的微观几何形状偏差，表面层的物理力学性能也发生变化。因此机械加工表面质量包括：加工表面的几何特征和表面层物理力学性能的变化。2、表面层物理力学性能的变化加工表面的几何特征是指其微观几何形状，主要包括表面粗糙度、刀痕方向、和表面波度，一般情况下，当L/H（波距／波高）＜50为表面粗糙度，L/H＝50～1000时为表面波度，L/H＞1000时为宏观的几何形状误差。波度是介于几何形状误差与表面粗糙度之间的表面偏差。表面层金属物理力学性能的变化主要受表面层加工硬化、残余应力和表面层的金相组织变化的影响。机械零件在加工中由于受切削力和热的综合作用，表面层金属的物理力学性能相对于基体金属的物理力学性能发生了变化。图示零件表面层沿深度方向的变化过程，表面层可分为吸附层和压缩层。最外层是吸附层，是由氧化膜或其他化合物吸收、渗进了气体粒子而形成的一层组织。第二层是压缩层，是由于切削力和基体金属共同作用造成的塑性变形区域，在其上部存有纤维组织，是由于刀具摩擦挤压而形成的。有时在切削热的作用下，表面层的材料还会产生相变和晶粒大小的变化。表面层残余应力是在加工过程中，由于弹、塑性变形及温度和金相组织的变化造成的不均匀体积变化而在表面层中产生的残余应力。表面层的物理力学性能随表面层的加工硬化程度而变化；硬化程度越大，表面层的物理力学性能变化越大。表面层的物理力学性能主要受压缩层的组织结构的影响。表面层金相组织的变化是由于加工过程中产生的切削热使工件表层材料的温度发生变化而造成的。这种变化包括相变、晶粒大小和形状的变化、析出物的产生和再结晶等。金相组织的变化主要通过对显微组织的观察来确定。1、表面质量对耐磨性的影响1）表面粗糙度对耐磨性的影响2）表面加工硬化对耐磨性的影响2、表面质量对疲劳强度的影响1）表面粗糙度对疲劳强度的影响2）残余应力、加工硬化对疲劳强度的影响3、表面质量对耐蚀性的影响4、表面质量对配合质量的影响5、表面质量对其他性能的影响二、机械加工表面质量对零件使用性能的影响表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般说表面粗糙度值愈小，其磨损性愈好。但表面粗糙度值太小，润滑油不易储存，接触面之间容易发生分子粘接，磨损反而增加。因此，接触面的粗糙度有一个最佳值，其值与零件的工作情况有关，工作载荷加大时，初期磨损量增大，表面粗糙度最佳值也加大。加工表面的冷作硬化使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。但也不是冷作硬化程度愈高，耐磨性就愈高，这是因为过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降。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。表面粗糙度值愈大，表面的纹痕愈深，纹底半径愈小，抗疲劳破坏底能力就愈差。残余应力对零件疲劳强度的影响很大。表面层残余拉应力将使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏；而表面层残余应力能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的产生。表面冷硬一般伴有残余应力的产生，可以防止裂纹产生并阻止已有裂纹的扩展，对提高疲劳强度有利。零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多。抗蚀性就愈差。表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐磨性，而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。表面粗糙度值的大小将影响配合表面的配合质量。对于间隙配合，粗糙度值大会使磨损加大，间隙增大，破坏了要求的配合性质。对于过盈配合，装配过程中一部分表面凸峰被挤平，实际过盈量减小，降低了配合件间的连接强度。表面质量对零件的接触刚度、结合面的导热性、导电性、导磁性、密封性、光的反射与吸收、气体和液体的流动阻力均有一定程度的影响。表面的完整性主要是反映表面层的性能，包括：1、表面形貌：主要包括表面粗糙度、表面波度和纹理。4、表面层物理力学性能：主要包括表面层硬化深度和程度、表面层残余应力的大小、分布。5、表面层的其他工程技术特征：主要包括摩擦特性、光的反射率、导电性和导磁性。3、微观组织和表面层的冶金化学性能主要包括微观裂纹、微观组织变化及晶间腐蚀等。2、表面缺陷：主要是指加工表面上出现的宏观裂纹、伤痕和腐蚀。三、表面的完整性二、已加工表面形成机理金属切削过程中，加工表面经过第三变形区后，形成已加工表面。第三变形区的刀具与加工表面的相互作用将直接影响已加工表面质量。O点以下，厚度为Δa的一层金属在圆弧刃的作用下，被挤压留在已加工表面上，在BC段，这层金属又受到后刀面上被磨损的一段小棱面VB的挤压与摩擦，使该层金属又发生塑性变形，表层下面的基体金属则受到弹性变形。当刀具与之脱离接触后，该层金属又弹性恢复Δh，最后形成已加工表面。由此可见，圆弧部分OB、磨损小棱面BC(VB)及CD三部分构成后刀面上的总接触长度，其接触情况直接影响已加工表面质量。已加工表面形成机理是分析已加工表面质量的重要物理基础。在实际生产中使用的刀具，为提高刃口的承载能力，刀具刃口都具有一个半径为γβ的钝圆，其大小决定于刀具的刃磨质量、刀具材料。由图可知，当切削层金属以V的速度趋近于刀刃时，由于γβ的作用切削层金属O点以上的部分通过剪切滑移，沿前刀面流出成为切屑；第三节影响加工表面质量的因素加工表面质量主要受到表面粗糙度的大小、加工硬化程度、残余应力和金相组织变化的影响。因而分析影响加工表面质量的因素，就需要分析加工过程中的诸因素对表面粗糙度、加工硬化程度、残余应力状态和金相组织变化的影响。一、影响表面粗糙度的因素二、影响加工表面层物理力学性能的因素在切削过程中，当刀具前刀面上存在积屑瘤时，由于积屑瘤的顶部很不稳定，容易破裂，一部分连附于切屑底部而排出，一部分则残留在加工表面上，使表面粗糙度增大。积屑瘤突出刀刃部分的尺寸变化，会引起切削层厚度的变化，从而使加工表面的粗糙度值增大。因此，在精加工时必须避免或减小积屑瘤。与工件材质相关的因素包括材料的塑性、金相组织等。一般地讲，韧性较大的塑性材料，易于产生塑性变形．与刀具的粘结作用也较大．加工后粗糙度大。相反．脆性材料则易于得到较小的表面粗糙度值。对于同样的材料，晶粒组织愈是粗大、加工后的表面粗糙度值也愈大，利用调质或正火等热处理方法、可以提高材料的力学性能．细化晶粒，改善切削性能，减小表面粗糙度值。刀具相对于工件作进给运动时，在加工表面留下了切削层残留面积，其形状是刀具几何形状的复映。减小进给量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径，均可减小残留面积的高度。此外适当增大刀具的前角以减小切削时的塑性变形程度，合理选择润滑液和提高刀具刃磨质量以减小切削时的塑性变形和抑制刀瘤、鳞刺的生成，也是减小表面粗糙度值的有效措施。背吃刀量对表面粗糙度影响不明显，一般可忽略。但当aｐ＜0.02～0.03以下时，由于刀刃有一定的圆弧半径，使正常切削不能维持，刀刃仅与工件发生挤压与摩擦从而使表面恶化。因此加工时，不能选用过小的背吃刀量。减小进给量f可以减小切削残留面积高度，使表面粗糙度值减小。但进给量f太小刀刃不能切削而形成挤压，增大了工件的塑性变形，反而使表面粗糙度值增大。(1)刀具几何形状及切削运动的影响(2)工件材料性质的影响(3)积屑瘤的影响(4)切削用量的影响磨削径向进给量增大使磨削时的切削深度增大，使塑性变形加剧，因而表面粗糙度增大。适当增加光磨次数，可以有效减小表面粗糙度。提高磨削速度，增加了工件单位面积上的磨削磨粒数量，使刻痕数量增大，同时塑性变形减小，因而表面粗糙度减小。高速切削时塑性变形减小是因为高速下塑性变形的传播速度小于磨削速度，材料来不及变形所致。工件圆周进给和轴向进给量增大，均会减小工件单位面积上的磨削磨粒数量，使刻痕数量减少，表面粗糙度增大砂轮的修整是用金刚石笔尖在砂轮的工作表面上车出一道螺纹，修整导程和修正深度愈小，修出的磨粒的微刃数量越多，修出的微刃等高性也愈好，因而磨出的工件表面粗糙度值也就愈小。修整用的金刚石笔尖是否锋利对砂轮的修正质量有很大影响。图示为经过精细修正后砂轮磨粒上的微刃。太硬的材料使磨粒易钝，磨削时的塑性变形和摩擦加剧，使表面粗糙度增大，且表面易烧伤甚至产生裂纹而使零件报废。太软的材料塑性大，在磨削时磨屑易堵塞砂轮，使表面粗糙度增大。韧性大导热性差的耐热合金易使砂粒早期崩落，使砂轮表面不平，导致磨削表面粗糙度值增大。采用切削液可以降低磨削区温度，减少烧伤，冲去脱落的磨粒和磨屑，可以避免划伤工件，从而降低表面粗糙度。但必须合理选择冷却方法和切削液。１．切削加工对表面粗糙度的影响因素一、影响表面粗糙度的因素2．磨削加工对表面粗糙度的影响因素(1)砂轮的粒度(2)砂轮的硬度(3)砂轮的修整(4)磨削速度(5)磨削径向进给量与光磨次数(6)工件圆周进给速度与轴向进给量(7)工件材料(8)切削液砂轮的粒度愈细，则砂轮工作表面单位面积上的磨粒数越多，因而在工件上的刀痕也越密而细，所以粗糙度值愈小。但是粗粒度的砂轮如果经过精细修整，在磨粒上车出微刃后，也能加工出粗糙度值小的表面。砂轮的硬度太大，磨粒钝化后不容易脱落，工件表面受到强烈的摩擦和挤压，加剧了塑性变形，使表面粗糙度值增大甚至产生表面烧伤。砂轮太软则磨粒易脱落，会产生不均匀磨损现象，影响表面粗糙度。因此，砂轮的硬度应适中。切削用量中，切削速度对表面粗糙度的影响比较复杂。在切削塑性材料时，一般情况下低速或高速切削时因不会产生积屑瘤，加工表面粗糙度值较小。但在中等速度下，塑性材料由于容易产生积屑瘤与鳞刺，且塑性变形较大，因此表面粗糙度值会变大。切削加工过程中的切削变形愈大，加工表面就愈粗糙。在高速切削时，由于变形的传播速度低于切削速度，表面层金属的塑性变形较小，因而高速切削时表面粗糙度较低。加工脆性材料时，由于塑性变形很小，主要形成崩碎切屑，切削速度的变化，对脆性材料的表面粗糙度影响较小。二、影响加工表面层物理力学性能的因素在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理机械性能产生变化，最主要的变化是表面层金属显微硬度的变化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重，因而磨削加工后加工表面层上述三项物理机械性能的变化会很大。1、表面层加工硬化2、表面层金相组织的变化3、表面层残余应力1、表面层加工硬化1)冷作硬化及其评定参数机械加工过程中因切削力作用产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移,晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，这些都会使表面层金属的硬度和强度提高，这种现象称为冷作硬化（或称为强化）。表面层金属强化的结果，会增大金属变形的阻力，减小金属的塑性，金属的物理性质也会发生变化。被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态，只有一种可能，金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化，这种现象称为弱化。弱化作用的大小取决于温度的高低、温度持续时间的长短和强化程度的大小。由于金属在