第五章机械加工表面质量

加工表面质量及其对使用性能的影响影响表面粗糙度的工艺因素及其改进措施影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施第五章机械加工表面质量及控制本章要点加工表面质量的概念§5.1加工表面质量及其对使用性能的影响已加工表面质量表面粗糙度表面波度表面物理力学性能的变化表面微观几何形状特征表面层冷作硬化表面层残余应力表面层金相组织的变化a）波度b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ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。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纹理方向：表面刀纹的方向伤痕：加工表面个别位置出现的缺陷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表面粗糙度值↓→耐疲劳性↑适当硬化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↑，但有一定限度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直线刃车刀（图a）rrfHctgctg圆弧刃车刀（图b）28fHr影响因素：,,,rrrkkf刀尖圆弧半径主偏角副偏角进给量车削时残留面积的高度fκrRmaxvfⅠⅡrεb）RmaxⅠⅡfa）vfrr切削加工表面的粗糙度§5.2影响表面粗糙度的因素及改进措施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）020406080140表面粗糙度Rz（μm）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度h（μm）0200400600hKsRz切削表面塑性变形和积屑瘤砂轮速度vs↑，Ra↓工件速度vw↑，Ra↑砂轮纵向进给f↑，Ra↑磨削深度ap↑，Ra↑磨削用量对表面粗糙度的影响vw=40(m/min)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)vs=50(m/s)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)vs(m/s),vw(m/min)Ra(μm)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(μm)00.20.60.020.030.04b）磨削加工表面粗糙度影响因素磨削用量影响光磨次数-Ra关系Ra(μm)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)光磨次数↑，Ra↓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采用超硬砂轮材料，Ra↓砂轮精细修整，Ra↓砂轮影响其他影响因素冷却润滑液磨削加工表面粗糙度影响因素◆机械加工中产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变、晶粒间产生滑移，表层材料硬度增加的现象—冷作硬化◆机械加工中力的作用强化、热的作用弱化冷作硬化◆冷作硬化程度可用三个指标衡量：表层金属的显微硬度HV硬化层深度h（微米）硬化程度N一、表层材料的冷作硬化§5.3影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施00100%HVHVNHV进给量↑→冷硬程度↑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◆切削用量◆工件材料材料塑性↑→冷硬倾向↑材料强度↑→冷硬倾向↓1、切削加工中影响表面冷作硬化的因素f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◆刀具几何参数2、切削加工中影响表面冷作硬化的因素00.20.40.60.81.0磨损高度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r↑→冷硬程度↑后刀面磨损量↑,冷硬程度变化如图成阶段性后角、主偏角、副偏角、刀尖圆弧半径对冷作硬化影响不大rVB0'rr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↑◆磨削用量◆砂轮砂轮粒度↑→冷硬程度↓砂轮硬度、组织影响不显著◆工件材料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3、磨削加工中影响表面冷作硬化的因素回火烧伤：磨削温度介于其相变温度723C°和马氏体转变温度300C°之间→马氏体回火转变淬火烧伤：磨削温度超过其相变温度723C°+急冷→二次淬火退火烧伤：磨削温度超过其相变温度723C°+不冷却→退火◆机械加工过程中加工区域温度达到或超过工件材料相变温度时，金相组织会发生变化（主要指磨削）◆磨削烧伤（淬火钢）二、表层金属金相组织变化◆烧伤表现：彩色氧化膜残余应力微裂纹磨削烧伤与磨削裂纹的控制合理选择砂轮根据工件材料、磨削性质选择砂轮的硬度、结合剂和组织合理选择磨削用量合理选择磨削过程的ap、ft、vw、vs改善冷却条件内冷却、喷汽冷却、强制冷却等磨削烧伤与磨削裂纹的控制内冷却砂轮内冷却砂轮开槽砂轮a）槽均匀分布b）90度内变距开槽选择开槽砂轮残余应力产生的原因三、表层材料的残余应力表层材料形状变化、体积变化、金相组织变化时将在表层材料与基体间产生相互平衡的残余应力1)机械加工中表层材料的塑性变形→外压内拉2)磨削温度造成表层材料的塑性变形→外拉内压3)金相组织变化→体积变化表层比容增大→外压内拉表层比容减小→外拉内压热生残余拉应力的示意图v↑→残余应力（热应力起主导作用）◆切削用量◆刀具前角+→－，残余拉应力↓刀具磨损↑→残余应力↑◆工件材料材料塑性↑→残余应力↑铸铁等脆性材料易产生残余压应力vc对残余应力的影响γ0=5°,α0==5°,κr=75°,rε=0.8mm,工件：45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=7.7m/minvc=86m/minvc=213m/min影响切削残余应力的工艺因素◆磨削用量的影响背吃刀量ap、砂轮速度vs工件的转速vw和进给f1◆工件材料强度↑、导热性↓、塑性↓→残余拉应力↑影响磨削残余应力的工艺因素热变形和塑性变形对残余应力影响很大热因素起主导作用→残余拉应力塑性变形起主导作用→残余压应力淬火烧伤时，金相组织变化起主导作用→残余压应力ap对残余应力的影响磨削工业铁和T8的残余应力四、工件最终工序加工方法的选择加工方法残余应力符号/MPa应力层深度h/mm车削一般外拉内压外压内拉200～800刀具磨损1000一般外拉内压0.05～0.1高速、负前角时0.65磨削一般外压内拉200～10000.05～0.30铣削外压内拉600～1500碳钢淬硬外压内拉400～750钢珠滚压钢件外压内拉700～800喷丸强化钢件外压内拉1000～1200渗碳淬火外压内拉1000～1100镀铬外拉内压400镀铜外拉内压200500/minm各种加工方法在工件表面残余的内应力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利用珠丸高速打击工件表面,使工件表面产生冷硬层和压应力,提高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五、表面强化工艺本章作业5-1、5-4、5-6、5-10、5-11、5-14、5-16