第三章 机械制造工艺学ppt

1学习指南第3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，对零件使用性能影响有重要影响。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、刀具材料等起重要作用，学习者应了解这些因素对加工表面质量的影响规律，并应注意与切削原理知识相联系。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）。本章建议课上学时4～6。2第3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影响影响表面粗糙度工艺因素机械加工中的振动影响表层物理性能工艺因素3机械制造技术基础第3章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality3.1加工表面质量及其对使用性能的影响MachiningSurfaceQualityanditsInfluencetoUsePerformance43.1.1加工表面质量概念加工表面的几何形貌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RZλHλRZ53.1.1加工表面质量概念无氧铜镜面三维形貌及表面轮廓曲线63.1.1加工表面质量概念加工纹理方向及其符号标注73.1.1加工表面质量概念表面层金属力学物理性能和化学性能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83.1.2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9机械制造技术基础第3章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality3.2影响加工表面质量工艺因素及其改进措施TechnologyFactorsInfluencingMachiningSurfaceQualityanditsImproving103.2.1切削加工表面粗糙度残留面积圆弧刃车刀：28fHr影响因素：刀尖圆弧半径rε、主偏角κr、副偏角κ’r、进给量f车削时残留面积的高度fκrRmaxvfⅠⅡrεb）RmaxⅠⅡfa）vfrr直线刃车刀：'cotcotrrkkfH113.2.1切削加工表面粗糙度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-1）020406080140表面粗糙度Rz/μm481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度h/μm0200400600hKsRzReal123.2.2磨削加工表面粗糙度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=40m/minf=2.36m/minap=0.01mmv=50m/sf=2.36m/minap=0.01mmv/(m·s-1),vw/(m·min-1)Ra/μm0304050600.51.0a）ap/mm00.010.40.8Ra/μm00.20.60.020.030.04b）光磨次数-Ra关系Ra/μm01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)133.2.2磨削加工表面粗糙度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↓143.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量比较法触针法：Ra0.02～5μm表面粗糙度测量工件驱动箱放大器处理器记录器显示器触针传感器触针法工作原理光切法：Rz0.5～60μm干涉法：Rz0.05～0.8μm153.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量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163.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量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－补偿镜10、14、16－反射镜12－目镜13－透光窗173.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量表面三维微观形貌测量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－工作台6－工件7－步进电机8－控制电路9－驱动电路10－放大电路11－A/D变换器12－微机13－显示器14－打印机183.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量TOPO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13－反射镜14－参考基准板15－分光板16－被测工件193.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量表面微观形貌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：20机械制造技术基础第3章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality3.3影响表层物理性能工艺因素及其改进措施TechnologyFactorsInfluencingSurfacePhysicsPerformanceanditsImproving213.3.1加工表面层冷作硬化概述加工硬化—已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）。%10000HVHVHVN223.3.1加工表面层冷作硬化影响切削加工表面冷作硬化因素f↑，冷硬程度↑切削用量影响刀具影响rε↑，冷硬程度↑其他几何参数影响不明显后刀面磨损影响显著00.20.40.60.81.0磨损宽度VBmm100180260340硬度(HV)50钢，v=40m/minf=0.12～0.2mm/z后刀面磨损对冷硬影响工件材料材料塑性↑，冷硬倾向↑切削速度影响复杂（力与热综合作用结果）切削深度影响不大f和v对冷硬的影响硬度(HV)0f/(mm·r-1)0.20.40.60.8v=170m/min135m/min100m/min50m/min100200300400工件材料：45钢233.3.1加工表面层冷作硬化影响磨削加工表面冷作硬化因素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↓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243.3.1加工表面层冷作硬化冷作硬化测量方法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显微硬度计－采用顶角为136°金刚石压头，载荷≤2N斜截面测量显微硬度253.3.2表面金属金相组织变化合理选择砂轮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263.3.3表面金属残余应力v↑→残余应力↑（热应力起主导作用）切削用量材料塑性↑→残余应力↑铸铁等脆性材料易产生残余压应力不同材料差异明显f对残余应力的影响工件：45钢，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液残余应力/GPa0.2000.200100200300400距离表面深度/μmf=0.40mm/rf=0.25mm/rf=0.12mm/rf↑→残余应力↑切削深度影响不显著vc对残余应力的影响γo=5°,αo==5°,κr=75°,rε=0.8mm,工件：45钢切削条件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200距离表面深度/μm残余应力/GPa-0.2000.20vc=213m/minvc=86m/minvc=7.7m/min切削加工工件材料273.3.3表面金属残余应力低速（6～20m/min）——残余拉伸应力（热应力起主导作用）中速（200～250m/min）——残余压缩应力高速（500～850m/min）——残余压缩应力（金相组织变化起主导作用）18CrNiMoA车削残余应力切削速度对残余应力的影响283.3.3表面金属残余应力刀具影响前角+→－，残余拉应力↓刀具磨损↑→残余应力↑293.3.3表面金属残余应力最终工序加工方法选择交变载荷——选压应力滑动摩擦——拉应力抗机械磨损滚动摩擦——压应力有利a）b）应力分布a）滑动摩擦b）滚动摩擦303.3.3表面金属残余应力v↑→拉应力倾向↑磨削用量材料强度↑导热性↓塑性↓→拉应力倾向↑f↑工件转速↑→拉应力↓背吃刀量：很小→压应力（塑性变形起主要作用）；增大→拉应力（热变形起主要作用）；再增大→压应力磨削加工工件材料磨削工业铁背吃刀量－残余应力磨削T8钢背吃刀量－残余应力313.3.4表面强化工艺利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态挤压金属表面，将凸起部分下压下，凹下部分上凸，修正工件表面的微观几何形状,形成压缩残余应力，提高耐疲劳强度。利用大量快速运动珠丸打击工件表面,使工件表面产生冷硬层和压应力,↑疲劳强度喷丸强化滚压加工原理图用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，例如板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等滚压加工珠丸挤压引起残余应力压缩拉伸塑性变形区域表面硬度提高10～40％，耐疲劳强度提高30～50％32机械制造技术基础第3章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality3.4机械加工过程中的振动VibrationsinmachiningProcess333.4.1概述机械加工过程中振动的危害影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度影响生产效率加速刀