三篇过程装备制造工艺——机械加工表面质量PPT课件.ppt

第 篇过程机械制造的质量要求11机械加工表面质量 1 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影响表层物理性能的工艺因素11 4表面强化工艺 2 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 3 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 4 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 5 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 6 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 7 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 8 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 9 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 10 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 11 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 12 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 13 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 14 11 2影响加工表面质量的工艺因素 15 11 2 1切削加工表面粗糙度 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 16 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 加工表面粗糙 物理因素的影响 同一材料金相组织越粗大 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 17 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 18 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 19 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 表面粗糙度会有增大的趋势 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 20 11 2 2磨削加工表面粗糙度 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 21 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 22 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 23 11 3影响表层物理性能的工艺因素 24 概述 加工硬化 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 加工硬化度量 表层金属显微硬度HV硬化层深度h m 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 11 3 1加工表面层冷作硬化 25 表面层冷作硬化的程度决定于产生塑性变形的力 变形速度及变形时的温度 冷作硬化产生的原因 力越大 塑性变形越大 则硬化程度越大 速度越大 塑性变形越不充分 则硬化程度越小 变形时的温度不仅影响塑性变形程度 还会影响变形后金相组织的恢复程度 切削加工时表面层的硬化是不稳定的 一有条件 就会产生弱化现象 若温度超过 0 25 0 30 T熔 熔化绝对温度 则除了强化现象外 同时还有回复现象 此时歪扭的晶格局部得到恢复 减低了冷硬作用 26 结论 机械加工时表面层的冷作硬化就是强化作用和回复作用的综合结果 切削温度越高 高温持续时间越长 强化程度越大 则回复作用也就越强 因此对高温下工作的零件 能保证疲劳强度的最佳表面层是没有冷硬层或者只有极小 10 20 m 冷作硬化的表面层 如果温度超过0 30T熔就会发生金属再结晶 此时由于强化而改变了的表面层物理机械性能几乎可以完全恢复 27 影响切削加工表面冷作硬化因素 f 切削力 塑变 冷硬 切削用量影响 刀具影响 r 塑变 冷硬 其他几何参数影响不明显后刀面磨损影响显著 综合作用 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 28 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 塑变 温度 冷硬程度 弱化作用加强 工件转速 温度 冷硬程度 弱化作用减弱 纵向进给量影响复杂 综合作用 磨削深度 磨削力 塑变 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 塑变 冷硬倾向 材料导热性 温度 冷硬倾向 29 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 当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 表面层金相组织变化 一般的切削加工方法不太严重 磨削时易产生磨削烧伤现象 11 3 2表面金属金相组织变化 30 磨削加工时切削力大 功率消耗远远大于其它切削方法 切削速度高 通常40 50m s 高达80 200m s 磨削区温度高 短时间内可上升到400 1000 C 甚至更高 这样大的加热速度 促使加工表面局部形成瞬时热聚集现象 有很高温升和很大的温度梯度 出现金相组织的变化 强度和硬度下降 产生残余应力 甚至引起裂纹 这就是磨削烧伤现象 31 表面颜色与烧伤之间的关系 黑青淡青米黄淡黄 磨削淬火钢时 由于磨削烧伤 工件表面产生氧化膜并呈现出不同颜色 相当于钢的回火色 不同的烧伤色表示受到不同温度的作用与产生不同的烧伤深度 有时表面虽看不出变色 但并不等于表面未受热损伤 例如在磨削过程中由于采用过大的磨削用量 造成了很深的烧伤层 以后的无进给磨削中磨去了表面的烧伤色 而未能除去烧伤层 则留在工件上的烧伤层就会成为使用中的隐患 32 回火烧伤磨削区温度超过马氏体转变温度 350 而未超过相变温度 Ac3 则工件表面原来的马氏体组织将产生回火现象 转化成硬度降低的回火组织 索氏体或屈氏体 磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下三种 33 淬火烧伤磨削区温度超过相变温度 马氏体转变为奥氏体 由于冷却液的急冷作用 表层会出现二次淬火马氏体 硬度较原来的回火马氏体高 而它的下层则因为冷却缓慢成为硬度降低的回火组织 退火烧伤 最为严重 不用冷却液进行干磨削时 磨削区温度超过相变温度 马氏体转变为奥氏体 因工件冷却缓慢 则表层硬度急剧下降 这时工件表层被退火 34 磨削温度 组织变化 温度梯度 组织变化不同 冷却速度 得到组织不同 影响磨削加工时金相组织变化的因素 工件材料 低碳钢时不会发生相变 高合金钢如轴承钢 高速钢 镍铬钢等传热性特别差 在冷却不充分时易出现磨削烧伤 未淬火钢为扩散度低的珠光体 磨削时间短时不会发生金相组织的变化 淬火钢极易相变 35 合理选择砂轮 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 应根据工件材料合理选择砂轮的硬度 结合剂和组织 磨削烧伤 合理选择磨削用量 砂轮转速 磨削烧伤 径向进给量fp 磨削烧伤 轴向进给量fa 磨削烧伤 工件速度vw 磨削烧伤 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 36 改善冷却条件 冷却液进入磨削区 采用内冷却法 磨削烧伤 采用开槽砂轮 冷却条件好 间断磨削 受热 磨削烧伤 37 11 3 3表面金属残余应力 表面层残余应力 定义 机械加工中工件表面层组织发生变化时 在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力 这种应力即为表面层的残余应力 38 残余应力产生的原因 冷态塑性变形机械加工时 工件表面受到挤压与摩擦 表层产生伸长塑变 基体仍处于弹性变形状态 切削后 表层产生残余压应力 而在里层产生残余拉伸应力 热态塑性变形机械加工时 切削或磨削热使工件表面局部温升过高 引起高温塑性变形 表层产生残余拉应力 里层产生产生残余压应力 金相组织变化切削时产生的高温会引起表面的相变 比容大的组织 比容小的组织 体积收缩 产生拉应力 反之 产生压应力 39 实际机械加工后的表面层残余应力及其分布 是上述三方面因素综合作用的结果 在一定条件下 其中某一或二种因素可能起主导作用 切削时切削热不多 一般切削加工 时则以冷态塑性变形为主 表面层常产生残余压缩应力 若切削热多则以热态塑性变形为主 表面层常产生残余拉伸应力 40 磨削时表面层残余应力岁磨削条件不同而不同 轻磨削条件产生浅而小的残余压应力 因为此时没有金相组织变化 温度影响也很小 主要是塑性变形的影响在起作用 中等磨削条件产生浅而大的拉应力 淬火钢重磨削条件则产生深而大的拉应力 最外表面可能出现小而浅的压应力 这里显然是由于热态塑性变形和金相组织变化的影响在起主导作用的缘故 41 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 残余应力 切削深度影响不显著 工件材料 42 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 43 磨削过程中残余应力的影响 总的来说 磨削加工中热态塑性变形和金相组织变化的影响较大 故大多数磨削零件的表面层往往有残余拉应力 当残余拉应力超过材料的强度极限时 零件表面就会出现裂纹 即磨削裂纹 44 磨削裂纹 磨削裂纹一般很浅 0 25 050mm 大多数垂直于磨削方向或成网状 磨螺纹时有时也有平行于磨削方向的裂纹 裂纹总是拉应力引起的 且常与烧伤同时出现 有的磨削裂纹也可能不在工件的外表面 而是在表面层下成为肉眼难以发现的缺陷 45 图8 12磨削裂纹 46 v 温度 拉应力倾向 磨削用量 f 工件转速 塑变 拉应力 背吃刀量 影响很大很小 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 塑性变形起主要作用 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 47 材料强度 导热性 塑性 拉应力倾向 工件材料 磨削硬质合金时 由于其脆性大 抗拉强度低以及导热性差 所以特别容易产生磨削裂纹 磨削含碳量高的淬火钢时 由于其晶界脆弱 也容易产生磨削裂纹 工件在淬火后如果存在残余应力 则即使在正常的磨削条件下也可能出现裂纹 48 工件材料的热处理 工件淬火后在磨削前进行去除应力的工序能收到很好的效果 渗碳 渗氮时如果工艺不当 就会在表面层晶界面上析出脆性的碳化物 氮化物 当磨削时在热应力作用下 就容易沿着这些组织发生脆性破坏 而出现网状裂纹 49 冷却方法 选择适宜的磨削液和有效的冷却方法 采用高压大流量冷却内冷却 加装空气挡板 减轻旋转的砂轮表面的高压附着气流的作用 以使冷却液能顺利地喷注到磨削区 50 11