过程装备制造工艺——11机械加工表面质量.ppt

第 篇过程机械制造的质量要求11机械加工表面质量 11机械加工表面质量 11 1概述11 2影响加工表面质量的工艺因素11 3表面强化工艺 11 1概述 机加工表面质量的概念 掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律 并应用这些规律控制加工过程 以达到提高加工表面质量 提高产品性能的目的 实践表明 零件的破坏一般总是从表面层开始的 产品的工作性能 尤其是它的可靠性 耐久性等 在很大程度上取决于其主要零件的表面质量 研究机械加工表面质量的目的 机械产品的失效形式 因设计不周而导致强度不够 磨损 腐蚀和疲劳破坏 少数 多数 一 机械加工表面质量的含义 1 表面的几何特征 2 表面层物理力学 化学性能 1 表面粗糙度 2 表面波度 3 纹理方向 1 表面层加工硬化 冷作硬化 2 表面层金相组织变化 3 表面层产生残余应力 1 表面的几何形状特征 加工后表面形状 总是以 峰 谷 的形式偏离其理想光滑表面 按偏离程度有宏观和微观之分 波距 峰与峰或谷与谷间的距离 以L表示 波高 峰与谷间的高度 以H表示 波距与波高 L H 1000时 属于宏观几何形状误差 L H 50时 属于微观形状误差 称作表面粗糙度 L H 50 1000时 称作表面波度 主要是由机械加工过程中工艺系统低频振动所引起 纹理方向是指表面刀纹的方向 取决于表面形成所采用的机械加工方法 一般运动副或密封件对纹理方向有要求 伤痕是指在加工表面个别位置出现的缺陷 如沙眼 气孔 裂痕等 2 表面层物理力学 化学性能 表示方法 1 表面金属层的冷作硬化指工件在加工过程中 表面层金属产生强烈的塑性变形 使工件加工表面层的强度和硬度都有所提高的现象 冷硬层深度h硬化程度N 硬化程度 其中 H 加工后表面层的显微硬度H0 材料原有的显微硬度 2 表面层金相组织变化 3 表面层产生残余应力 指的是加工中 由于切削热的作用引起表层金属金相组织发生变化的现象 如磨削时常发生的磨削烧伤 大大降低表面层的物理机械性能 指的是加工中 由于切削变形和切削热的作用 工件表层及其基体材料的交界处产生相互平衡的弹性应力的现象 残余应力超过材料强度极限就会产生表面裂纹 11 1概述 表面质量对零件使用性能影响 1 表面质量对零件耐磨性的影响 第一阶段初期磨损阶段第二阶段正常磨损阶段第三阶段急剧磨损阶段 零件的磨损可分为三个阶段 不是表面粗糙度值越小越耐磨 在一定工作条件下 摩擦副表面总是存在一个最佳表面粗糙度值 表面粗糙度Ra值约为0 32 0 25 m较好 表面粗糙度对摩擦副的影响 重裁情况下 由于压强 分子亲和力和润滑液的储存等因素的变化 其规律与上述有所不同 表面纹理方向对耐磨性的影响 表面纹理方向影响金属表面的实际接触面积和润滑液的存留情况 轻载时 两表面的纹理方向与相对运动方向一致时 磨损最小 当两表面纹理方向与相对运动方向垂直时 磨损最大 过度的加工硬化会使金属组织疏松 甚至出现疲劳裂纹和产生剥落现象 从而使耐磨性下降 表面层的加工硬化对耐磨性的影响 由于加工硬化提高了表面层的强度 减少了表面进一步塑性变形和咬焊的可能 一般能提高耐磨性0 5 1倍 2 表面质量对零件疲劳强度的影响 在交变载荷作用下 零件表面粗糙度 划痕 裂纹等缺陷员易形成应力集中 并发展成疲劳裂纹 导致零件疲劳破坏 因此 对于重要零件表面如连杆 曲轴等 应进行光整加工 减小表面粗糙度值 提高其疲劳强度 表面粗糙度的影响 适当的加工硬化能阻碍已有裂纹的继续扩大和新裂纹的产生 有助于提高疲劳强度 但加工硬化程度过大 反而易产生裂纹 故加工硬化程度应控制在一定范围内 拉应力加剧疲劳裂纹的产生和扩展 残余压应力 能延缓疲劳裂纹的产生 扩展 而使零件疲劳强度提高 表面残余应力对疲劳强度的影响 影响极大 表面层的加工硬化对疲劳强度影响 3 表面质量对零件耐腐蚀性的影响 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 表面粗糙度的影响 表面粗糙度值越大 越容易积聚腐蚀性物质 波谷越深 渗透与腐蚀作用越强烈 零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度 表面残余应力对零件耐腐蚀性影响 拉应力则降低耐腐蚀性 4 表面质量对配合性质的影响 表面残余应力会引起零件变形 使零件形状和尺寸发生变化 因此对配合性质有一定的影响 相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的 表面粗糙度的影响 对间隙配合而言 表面粗糙度值太大 会使配合表面很快磨损而增大配合间隙 改变配合性质 降低配合精度 对过盈配合而言 装配时配合表面的波峰被挤平 减小实际过盈量 降低了连接强度 影响了配合的可靠性 表面残余应力的影响 11 2影响加工表面质量的工艺因素 11 2 1影响切削加工表面粗糙度的因素 几何因素的影响 影响因素 刀尖圆弧半径r 主偏角 r 副偏角 r 进给量f 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 工件材料的性质 韧性 表面粗糙度工件材料韧性愈好 金属塑性变形愈大 加工表面愈粗糙 脆性 表面粗糙度加工脆性材料时 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 塑性 表面粗糙度 工件材料塑性越好 塑性变形越大 易产生积屑瘤和鳞刺 加工表面越粗糙 物理因素的影响 同一材料金相组织 表面粗糙度 故对中碳钢和低碳钢材料的工件 为改善切削性能 常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理 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 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 切削表面塑性变形和积屑瘤 切削速度影响最大 v 20 50m min范围 易产生积屑瘤和鳞刺 表面粗糙度最差 v 100m min时减小 并趋于稳定 进给量的影响 其他影响因素刀具几何角度 刃磨质量 切削液等 减小进给量f固然可以减小表面粗糙度值 但进给量过小 效率降低 适当增大刀具前角 提高刃磨质量 合理选择切削液 抑制积屑瘤和鳞刺 精镗 车 后的表面轮廓图 横向粗糙度 11 2 2影响磨削加工表面粗糙度的因素 磨削中影响粗糙度的几何因素 从几何因素和塑性变形两方面影响 工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的刻痕形成的 工件单位面积上通过的磨粒数越多 则刻痕越多 刻痕的等高性越好 表面粗糙度值越小 磨削时切削力大速度高温度高 且磨粒大多数是负前角 切削刃又不锐利 大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压 没有切削作用 加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起 又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形 故表面粗糙度值增大 磨削中影响粗糙度的物理因素 通常是决定因素 磨削用量 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 砂轮及其修整 砂轮粒度 Ra 但要适量 46 60 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 碳化物 硅硼 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 但成本高砂轮精细修整 f Ra 太硬易使磨粒磨钝 Ra 太软容易堵塞砂轮 Ra 韧性太大 热导率差会使磨粒早期崩落 Ra 11 3表面强化工艺 由前述可知 表面质量对零件的使用性能及寿命影响很大 如果最终工序不能保证零件表面获得预期的表面质量要求 则可在工艺过程中增设表面强化工序 以改善表面性能 表面强化工艺是指通过冷压加工方法使表面层金属发生冷态塑性变形 以降低表面粗糙度值 提高表面硬度 并在表面层产生残余压应力 这种方法工艺简单 成本低廉 应用广泛 喷九强化滚压加工 表面强化常用工艺方法 1 喷九强化 利用压缩空气或离心力将大量的珠丸 直径为0 4 4mm 以高速打击被加工零件表面 使表面产生冷硬层和残余压应力 可以显著提高零件的疲劳强度 珠丸可以是铸铁或砂石 钢丸更好 喷丸所用设备是压缩空气喷丸装置或机械离心式喷丸装置 这些装置使珠丸能以35 50m s的速度喷出 珠丸 直径为0 4 4mm 高速 35 50m s 打击被加工零件表面 使表面产生冷硬层和残余压应力 方法概要 应用 喷九加工主要用于强化形状复杂的零件 如齿轮 连杆 曲轴等 零件经喷九强化后 硬化层深度可达0 7mm 表面租糙度Ra值可由3 2减少到0 4 使用寿命可提高几倍到几十倍 2 滚压加工 利用淬硬的滚压工具 滚轮或滚珠 在常温下对工件表面施加压力 使