第四章-机械加工质量及其控制PPT课件.ppt

第四章机械加工质量及其控制六盘水师范学院矿业工程系机电教研室吴娇 1 主要内容 第一节机械加工精度概述第二节影响机械加工精度的因素第三节加工误差的统计分析第四节机械加工表面质量第五节机械加工过程中的振动 2 第一节机械加工精度概述 3 一 加工精度与加工误差加工精度 是指零件加工后的实际几何参数 尺寸 形状和相互位置 与理想几何参数的接近程度 实际值愈接近理想值 加工精度就愈高 4 零件的加工精度包含尺寸精度 形状精度和位置精度等三方面的内容 1 尺寸精度指机械加工后零件的直径 长度和表面间距离等尺寸的实际值与理想值的接近程度 获得尺寸精度的方法 试切法 适合于单件小批生产调整法 适合成批大量生产定尺寸刀具法 用于孔 螺纹和成形表面的加工自动控制法 适合成批大量生产 5 2 形状精度指机械加工后零件几何图形的实际形状与理想形状的接近程度 3 位置精度指机械加工后零件几何图形的实际位置与理想位置的接近程度 6 加工误差 零件加工后的实际几何参数 尺寸 形状和相互位置 对理想几何参数的偏离量称为加工误差 公差 加工误差允许变动的范围 就是公差 公差是用来限制加工误差大小的 公差值越小 允许的加工误差越小 加工精度就越高 所以 公差等级可以衡量加工精度 7 二 加工经济精度加工经济精度是指在正常生产条件下 采用符合质量标准的设备 工艺装备和标准技术等级的工人 不延长加工时间 所能保证的加工精度 8 第二节影响机械加工精度的因素 9 影响加工精度的主要因素有 1 工艺系统的几何误差 包括机床 夹具和刀具等的制造误差及其磨损 2 工件装夹误差 3 工艺系统受力变形引起的加工误差 4 工艺系统受热变形引起的加工误差 5 工件内应力重新分布引起的变形 6 其他误差 包括原理误差 测量误差 调整误差等 10 原始误差 工艺系统的各种误差 11 一 工艺系统的几何误差 一 机床的几何误差1 主轴回转误差主轴回转误差是指主轴实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量 为便于分析 可将主轴回转误差分解为径向圆跳动 轴向圆跳动和角度摆动三种不同形式的误差 主轴回转误差将直接影响被加工工件的形状精度和位置精度 12 1 径向圆跳动概念 它是主轴回转轴线相对于平均回转轴线在径向的变动量 图4 2 车外圆时它使加工面产生圆度和圆柱度误差 13 产生的主要原因 主轴支承轴颈的圆度误差 轴承工作表面的圆度误差等 若机床主轴采用滑动轴承结构 a 切削力F的作用方向不变 车外圆 在切削力F的作用下 主轴颈以不同的部位与轴承内径的某一固定部位相接触 此时主轴支承轴颈的圆度误差将直接反映为主轴径向圆跳动 d 而轴承内径的圆度误差则影响不大 14 b 切削力F的作用方向变化 镗床镗孔 在切削力F的作用下 主轴总是以其支承轴颈某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触 因此 轴承内表面的圆度误差将直接反映为主轴径向圆跳动 d 而主轴支承轴颈的圆度误差则影响不大 图4 3 15 若机床主轴采用滚动轴承结构 在车床上车外圆时 滚动轴承内环外滚道的圆度误差对主轴径向圆跳动影响较大 16 在镗床上镗孔时 轴承外环内滚道的圆度误差对主轴径向圆跳动影响较大 17 滚动体的大小对主轴径向圆跳动影响较大 18 2 轴向圆跳动概念 它是主轴回转轴线沿平均回转轴线方向的变动量 产生的主要原因 主轴轴肩端面和推力轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差 图4 2车端面时它使工件端面产生垂直度 平面度误差 19 20 3 角度摆动概念 主轴回转轴线相对平均回转轴线成一倾斜角度的运动 图4 2车削时 它使加工表面产生圆柱度误差和端面的形状误差 21 提高机床主轴的回转精度的措施 提高主轴及箱体轴承孔的制造精度 选用高精度的轴承 提高主轴部件的装配精度 对主轴部件进行平衡 对滚动轴承进行预紧等 22 2 导轨误差卧式车床导轨误差对加工精度的影响 1 导轨在水平面内的直线度误差对加工精度的影响 导轨在水平面内有直线度误差 y时 工件半径产生 R y的误差 导轨在水平面内的直线度误差将直接反映在被加工工件表面的法线方向 误差敏感方向 上 对加工精度的影响最大 23 2 导轨垂直平面内的直线度误差对加工精度的影响导轨在垂直平面内有直线度误差 z时 也会使车刀在水平面内发生位移 使工件半径产生误差 R R z 2 2R 与 z值相比 R属微小量 由此可知 导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精度影响很小 一般可忽略不计 24 3 导轨间的平行度误差对加工精度的影响 当前后导轨在垂直平面内有平行度误差 扭曲误差 时 刀尖的运动轨迹是一条空间曲线 使工件产生圆柱度误差 导轨间在垂直方向有平行度误差 l3时 如图4 6所示 将使工件与刀具的正确位置在误差敏感方向产生 y H B l3的偏移量 使工件半径产生 R y的误差 对加工精度影响较大 25 3 传动链误差概念 传动链误差是指传动链始末两端传动元件间相对运动的误差 一般用传动链末端元件的转角误差来衡量 26 影响 有些加工方法 如车螺纹 滚齿 插齿等 要求刀具与工件之间必须具有严格的传动比关系 机床传动链误差是影响这类表面加工精度的主要原因之一 27 28 二 刀具的几何误差刀具误差对加工精度的影响 a 采用定尺寸刀具 例如钻头 铰刀 键槽铣刀 圆拉刀等 加工时 刀具的尺寸误差和磨损将直接影响工件尺寸精度 b 采用成形刀具 例如成形车刀 成形铣刀 齿模数铣刀 成形砂轮等 加工时 刀具的形状误差和磨损将直接影响工件的形状精度 c 对于一般刀具 例如车刀 镗刀 铣刀等 其制造误差对工件加工精度无直接影响 29 刀具的尺寸磨损量NB NB是在被加工表面的法线方向上测量的 刀具的尺寸磨损量可用下式计算 NBo为初期磨损量 KNB为正常磨损阶段曲线的斜率 称为相对磨损 30 31 三 夹具的几何误差夹具的几何误差对工件的加工精度有很大影响 夹具元件磨损将使夹具的误差增大 为保证工件加工精度 夹具中的定位元件 导向元件 对刀元件等关键易损元件均需选用高性能耐磨材料制造 32 二 装夹误差装夹误差包括定位误差和夹紧误差两个部分 一 定位误差概念 因定位不正确而引起的误差称为定位误差 包括两部分 定位基准与工序基准不重合引起的误差 定位面和定位元件制造不准确引起的误差 33 工序尺寸H 工序基准A 孔中心线是定位基准 孔表面是定位基面 34 35 在加工一批工件过程中 铣刀位置保持不变 但工件内外圆直径却是变化的 工序基准A的位置将随着工件内外圆直径和心轴直径实际尺寸变化而变化 这会给加工带来误差 其值为工序基准在工序尺寸方向上的最大变动量 即定位误差 用 dw表示 dw由基准不重合误差 jb 和定位副 含工件定位基面和定位元件 制造不准确误差 jw两部分组成 定位误差 dw值为上述两项误差在工序尺寸方向上的代数和 即 dw jb jw 36 37 定位误差的分析计算1 工件以平面定位时定位误差的分析计算 38 2 工件以内孔表面定位时定位误差的分析计算1 定位基准与工序基准重合的情况 39 40 41 2 42 例 有一批套类零件 定位如图 欲在其上铣一键槽 试分析计算各种定位方案中尺寸H1 H2 H3的定位误差 1 工件在可胀心轴上定位2 工件再水平放置的西心轴 上定位3 工件再垂直放置的西心轴 上定位4 若计及工件的内外圆同轴度误差t 0 04mm 尺寸H1 H2 H3的定位误差又为多少 43 3 工件以外圆表面定位时定位误差的分析计算 44 45 46 47 48 4 49 50 51 二 夹紧误差工件或夹具刚度过低或夹紧力作用方向 作用点选择不当 都会使工件或夹具产生变形 造成加工误差 52 三 工艺系统受力变形引起的误差 一 工艺系统刚度1 工艺系统刚度概念 垂直作用于工件加工表面的背向力Fp与工艺系统在该方向上的变形y的比值 称为工艺系统刚度k系 N mm k系 Fp y式中 y yFp yFc yFf 53 54 工艺系统在某一位置受力作用产生的变形量y系应为工艺系统各组成环节在此位置受该力作用产生的变形量的代数和 即y系 y机床 y刀具 y夹具 y工件 4 5 根据刚度定义知 k机床 Fp y机床 k刀具 Fp y刀具 k夹具 Fp y夹具 k工件 Fp y工件 将它们代入上式得 4 6 55 2 机床刚度机床结构较为复杂 它由许多零 部件组成 其刚度值迄今尚无合适的简易计算方法 目前主要还是用实验方法进行测定 56 57 测得机床部件刚度k主轴 k尾座 k刀架之后 就可以通过计算求得机床刚度 当刀架处于图4 13所示位置时 工艺系统的变形量 由刚度定义 上式可写为 设k工件 k夹具相对较大 由式 4 6 知k系 k机床 代入上式 58 59 3 机床部件刚度图4 14是一台车床刀架部件的实测刚度曲线图 曲线反映了三次加载 卸载过程中的变形情况 分析图4 14所示刀架刚度试验曲线可知 机床部件刚度具有以下特点 60 1 变形与载荷不成线性关系 曲线上各点的实际刚度 各点斜率 是不同的 这说明机床部件的变形不纯粹是弹性变形 2 加载曲线和卸载曲线不重合 卸载曲线滞后于加载曲线 两曲线所包容的面积代表加载和卸载循环中消耗的能量 它消耗于克服部件内零件间摩擦力和接触塑性变形所做的功 3 第一次卸载后 刀架恢复不到第一次加载的起点 这说明有残余变形存在 经多次加载和卸载后 加载曲线起点才和卸载曲线终点重合 残余变形才逐渐减小到零 4 部件实测刚度远比按实体结构估算值小 原因是部件由许许多多零件组装而成 零件间有间隙 结合面间有接触变形 由于这些因素的影响 总的变形就大了 61 4 影响机床部件刚度的主要因素 1 连表面间的接触变形 2 摩擦力的影响 3 薄弱零件本身的变形 4 间隙的影响 62 二 工艺系统刚度对加工精度的影响1 加工过程中由于工艺系统刚度发生变化引起的误差以在车床前后顶尖上车削光轴为例说明 图4 15 设作用在主轴箱和尾架座上的径向力分别为F主轴 F尾座 4 7 63 64 运用求极大值和极小值计算方法 由式 4 7 可求得工艺系统最小变形y系min和最大变形y系max分别为 在车刀自右向左进给进行车削过程中 由于工艺系统刚度随刀架位置变化产生的加工误差 4 8 65 66 例4 1已知卧式车床的k主轴 300000N mm k尾座 56600N mm k刀架 30000N mm 径向切削分力Fp 4000N 设工件刚度 刀具刚度 夹具刚度相对较大 试计算加工一长为l的光轴由于工艺系统刚度发生变化引起的圆柱度误差 解 由式 4 8 可求得 67 由于工艺系统刚度变化引起的工件圆柱度误差 y y系max y系min 0 204 0 144 mm 0 06mm根据刚度的定义 式 4 7 可改写为 4 9 68 2 由于切削力变化引起的误差误差复映现象 待加工表面上有什么样的误差 加工表面上必然也有同样性质的误差 这就是切削加工中的误差复映现象 误差复映系数 加工前后误差之比值 它代表误差复映的程度 69 以图4 16所示切削工况为例 4 10 式中 Fp为径向切削力 在一次走刀中 工件材料的力学特性 进给量及其他切削条件基本不变 令 C为常数 在车削加工中 xFp 1 故有Fp Cap由此知Fp1 C ap1 y1 Fp2 C ap2 y2 70 因y1 y2相对于ap1 ap2小很多 可忽咯不计 则有 代入式 4 10 得 4 11 分析式 4 11 可知 与k系成反比 这表明工艺系统刚度愈大 误差复映系数愈小 加工后复映到工件上的误差值就愈小 71 误差复映规律的应用 尺寸误差和形位误差都存在复映现象 如果我们知道某加工工序的复映系数 就可以通过测量待加工表面的误差统计值来估算加工后工件的误差统计值 当工件表面加工精度要求高时 须经多次切削才能达到加工要求 第一次切削的复映系数 1 加工表面1 待加工表面第二次切削的复映系数 2 加工表面2 加工表面1第三次切削的复映系数 3 加工表面3 加二表面2 72 则该加工表面总的复映系数 总 1 2 2 n 4 12 因每个复映系数均小于1 故总的复映系数将是一个很小的数值 73 例4 2在车床上用硬质合金刀具半精镗大直径短孔 加工前内孔的圆度误差为0 5mm 要求加工后圆度误差小于0 01mm 已知主轴箱刚度k主轴 40000N mm 刀架刚度k刀架 3000N mm 走刀量f 0 05mm r 工件材料硬度为190HBS 如只考虑机床刚度对加工精度的影响 问此镗孔工序能否达到预定的加工要求 74 解 镗大直径短孔时 工件刚度与镗杆刚度均相对较大 工艺系统的刚度 计算结果表明 该镗孔工序能够达到预定的加工要求 75 三 减小工艺系统受力变形的途径提高工艺系统刚度 减小切削力及其变化 1 提高工艺系统刚度 1 设计机械制造装备时应切实保证关键零部件的刚度 2 提高接触刚度 3 采用合理的装夹方式和加工方法 2 减小切削力及其变化 76 77 四 工艺系统受热变形引起的误差 一 工艺系统的热源1 切削热2 摩擦热和动力装置能量损耗发出的热3 外部热源 二 工艺系统热变形对加工精度的影响1 工件热变形对加工精度的影响工件均匀受热影响工件的尺寸精度 其变形量 L mm 可按下式估算 L L 4 13 78 式中L 工件变形方向的长度 或直径 mm 工件的热膨胀系数 1 钢的热膨胀系数为1 17 10 5 铸铁为1 10 5 黄铜为1 7 10 5 工件的平均温升 磨削加工薄片类工件的平面 如图4 18所示 属于不均匀受热的情况 上 下表面间的温差将导致工件中部凸起 加工中凸起部分被切去 冷却后加工表面呈中凹形 产生形状误差 79 工件凸起量 f可按图4 18所示图形进行计算 由于中心角 值很小 故中性层的弦长可近似看作等于工件原长L 80 2 刀具热变形对加工精度的影响 81 3 机床热变形对加工精度的影响 82 83 三 减小工艺系统热变形的途径1 减少发热量2 改善散热条件3 均衡温度场 4 改进机床结构 84 85 86 五 工件内应力重新分布引起的误差 一 内应力及其对加工精度的影响1 内应力内应力亦称残余应力 是指在没有外力作用下或去除外力作用后残留在工件内部的应力 87 2 内应力产生的原因 1 热加工中产生的内应力 以铸造为例 由于壁厚不均 冷却速度不一致 内应力的状态为厚壁或心部受拉应力 薄壁或外表层受压应力 88 2 冷校直产生的内应力 89 3 内应力重新分布引起的变形 90 二 减小或消除内应力变形误差的途径 1 合理设计零件结构 2 合理安排工艺过程 91 六 其他误差1 原理误差原理误差是指由于采用了近似的成形运动 近似的刀刃形状等原因而产生的加工误差 2 调整误差3 测量误差 92 七 提高加工精度的途径1 减小和消除原始误差2 转移原始误差3 均分原始误差4 误差补偿 93 第三节加工误差的统计分析 94 一 概述 一 系统性误差与随机性误差按照加工误差的性质 加工误差可分为系统性误差和随机性误差 1 系统性误差系统性误差可分为常值性系统误差和变值性系统误差两种 常值性系统误差 在顺序加工一批工件时 加工误差的大小和方向皆不变 此误差称为常值性系统误差 例如原理误差 定尺寸刀具的制造误差等 95 变值性系统误差 在顺序加工一批工件时 按一定规律变化的加工误差 称为变值性系统误差 例如 当刀具处于正常磨损阶段车外圆时 由于车刀尺寸磨损所引起的误差 特点 常值性系统误差与加工顺序无关 变值性系统误差与加工顺序有关 对于常值性系统误差 若能掌握其大小和方向 可以通过调整消除 对于变值性系统误差 若能掌握其大小和方向随时间变化的规律 也可通过采取自动补偿措施加以消除 96 2 随机性误差概念 在顺序加工一批工件时 加工误差的大小和方向都是随机变化的 这些误差称为随机性误差 例如 由于加工余量不均匀 材料硬度不均匀等原因引起的加工误差 工件的装夹误差 测量误差和由于内应力重新分布引起的变形误差等均属随机性误差 特点 可以通过分析随机性误差的统计规律 对工艺过程进行控制 97 二 机械制造中常见的误差分布规律1 正态分布在机械加工中 若同时满足以下三个条件 工件的加工误差就服从正态分布 1 无变值性系统误差 或有但不显著 2 各随机误差之间是相互独立的 3 在随机误差中没有一个是起主导作用的误差因素 98 2 平顶分布在影响机械加工的诸多误差因素中 如果刀具尺寸磨损的影响显著 变值性系统误差占主导地位时 工件的尺寸误差将呈现平顶分布 平顶分布曲线可以看成是随着时间而平移的众多正态分布曲线组合的结果 99 3 双峰分布若将两台机床所加工的同一种工件混在一起 由于两台机床的调整尺寸不尽相同 两台机床的精度状态也有差异 工件的尺寸误差呈双峰分布 100 4 偏态分布采用试切法车削工件外圆或镗内孔时 为避免产生不可修复的废品 操作者主观上有使轴径加工得宁大勿小 使孔径加工得宁小勿大的意向 按照这种加工方式加工得到的一批零件的加工误差呈偏态分布 101 三 正态分布1 正态分布的数学模型机械加工中 工件的尺寸误差是由很多相互独立的随机性误差综合作用的结果 如果其中没有一个随机性误差是起决定作用的 则加工后工件的尺寸将呈正态分布 如图4 32所示 其概率密度 x 0 4 15 式中 算术平均值 均方根偏差 标准差 102 103 式中xi 工件尺寸 n 工件总数 4 16 4 17 104 105 令y对x的一阶导数等于0 可求得x 处y有最大值 4 18 令式 4 15 的二阶导数为零 可求得正态分布曲线在x 4 19 处有拐点 拐点处的纵坐标值为 106 2 标准正态分布 0 1的正态分布称为标准正态分布 其概率密度 生产中 既不等于0 也不等于1 为利用标准正态分布函数数值表来分析加工过程 需将非标准正态分布通过标准化变量代换 转换为标准正态分布 令 z x 式 4 15 可改写为 4 20 4 21 107 图4 34给出了非标准正态分布概率密度函数转换为标准正态分布概率密度函数的对应关系 108 3 工件尺寸落在某一尺寸区间内的概率工件加工尺寸落在区间 x1 x x2 内的概率为图4 35所示阴影部分的面积F x 令z x 则dx dz 代入上式得 4 22 109 上述分析表明 非标准正态分布概率密度函数的积分经标准化变换后 可用标准正态分布概率密度函数的积分表示 表4 2列出了标准化正态分布概率密度函数积分值 由表4 2知当z x 1时 2 1 2 0 3413 68 26 当z x 2时 2 2 2 0 4772 95 44 当z x 3时 2 3 2 0 49865 99 73 计算结果表明 工件尺寸落在 3 范围内的概率为99 73 而落在该范围以外的概率只占0 27 概率极小 可以认为正态分布的分散范围为 3 这就是工程上经常用到的 3 原则 或称 原则 110 例4 3在卧式镗床上镗削一批箱体零件的内孔 孔径尺寸要求为 70mm 已知孔径尺寸按正态分布 70 08mm 0 04mm 试计算这批加工件的合格品率和不合格品率 解 作图4 36 作标准化变换 令z右 x 70 2 70 08 0 04 3z左 x 70 08 70 00 0 04 2查表4 2得 2 0 4772 3 0 49865 111 偏大不合格品率P大 0 5 3 0 5 0 49865 0 00135 0 135 这些不合格品不可修复 偏小不合格品率P小 0 5 2 0 5 0 4772 0 0228 2 28 这些不合格品可修复 合格品率为P 1 0 135 2 28 97 585 112 二 加工误差的统计分析 工艺过程的分布图分析方法 一 工艺过程的稳定性概念 工艺过程的稳定性是指工艺过程在时间历程上保持工件均值和标准差 值稳定不变的性能 113 114 二 工艺过程分布图分析方法作用 通过工艺过程分布图分析 可以确定工艺系统的加工能力系数 机床调整精度系数和加工工件的合格率 并能分析产生废品的原因 步骤 以销轴零件加工为例 介绍工艺过程分布图分析的内容及步骤 1 画工件尺寸实际分布图 1 采集样本加工一批销轴 要求保证工序尺寸 8 0 09 mm 样本容量为50 测量数据列于表4 3中 115 2 剔除异常数据如果出现 xi 3 的情况 xi就被认为是异常数据 予以剔除 式中 为总体的标准差 可用它的无偏估计量s替代 116 3 确定尺寸分组数和组距尺寸分组数k与样本容量n的对应关系参见表4 4 由n 48 查表4 4 取k 7 则组距 4 画工件尺寸实际分布图根据分组数和组距 统计各组中尺寸的频数 列出频数分布表 见表4 5 根据表中数据即可画出实际分布图 如图4 38所示 117 118 2 工艺过程的分布图分析 1 判断加工误差性质如果样本工件服从正态分布 就可以认为工艺过程中变值性系统误差很小 或不显著 工件尺寸分散由随机性误差引起 这表明工艺过程处于受控状态中 如果样本工件尺寸不服从正态分布 可根据工件尺寸实际分布图分析是哪种变值性系统误差在显著地影响着工艺过程 119 2 确定工序能力系数和工序能力工序能力系数CP按下式计算 式中 T 工件公差 120 3 确定机床调整精度系数E 式中 分布曲线中心与公差带中心的偏移量 尺寸分布中心相对于公差带中心的偏差量应尽量小 其允许值为 121 4 确定合格品率及不合格品率不合格品率包括废品率和可修复的不合格品率 122 三 加工误差的统计分析 工艺过程的点图分析方法点图分析法能够反映质量指标随时间变化的情况 因此 它是进行统计质量控制的有效方法 这种方法既可以用于稳定的工艺过程 也可以用于不稳定的工艺过程 一 点图的基本形式点图分析法所采用的样本是顺序小样本 即每隔一定时间抽取样本容量n 5 10的小样本 计算小样本的算术平均值和极差R 123 124 式中 xmax xmin 分别为某样本中个体最大值与最小值 125 二 R图上 下控制限的确定确定 R图上 下控制限 首先需要知道样本均值和样本极差R的分布规律 由数理统计学的中心极限定理可以推论 即使总体不是正态分布的 若总体均值为 方差为 2 则样本均值也是近似服从于均值为 方差为 2 n的正态分布的 式中n为样本的个数 即有 N 2 n 样本均值的分散范围为 126 点图上 下控制限可按下式求取 127 R点图上 下控制限可按下式求取 式中系数A2 D1 D2可由表4 7查得 128 例4 4磨削发动机气门挺杆轴颈外圆 尺寸要求为试为该工件加工制订 R点图 解 在磨削发动机气门挺杆轴颈外圆加工中 每隔一定时间抽取一个样本 样本容量为5 共抽取20个样本 每个样本的 R值列于表4 8中 129 计算样本平均值的均值 计算样本极差的均值 图上的上 下控制限分别为 24 981 0 58 0 007 mm 24 977mm 130 R图上的上 下控制限分别为UCL D1 2 11 0 007 mm 0 0148mmLCL D2 0按上述计算结果作 R点图 如图4 39所示 131 三 工艺过程的点图分析若只有随机波动 表明工艺过程是稳定的 属于正常波动 若出现异常波动 表明工艺过程是不稳定的 就要及时寻找原因 采取措施 132 第四节机械加工表面质量 133 一 加工表面质量的概念1 表面粗糙度与波度 L H 1000称为宏观几何形状误差 例如圆度误差 圆柱度误差等 它们属于加工精度范畴 L H 50 1000 称为波纹度 它是由机械加工振动引起的 L H 50 称为微观几何形状误差 亦称表面粗糙度 134 2 表面层材料的物理力学性能 1 表面层的冷作硬化机械加工过程中表面层金属产生强烈的塑性变形 使晶格扭曲 畸变 晶粒间产生剪切滑移 晶粒被拉长 这些都会使表面层金属的硬度增加 塑性减小 统称为冷作硬化 2 表面层残余应力机械加工过程中由于切削变形和切削热等因素的作用在工件表面层材料中产生的内应力 称为表面层残余应力 它是在加工表面材料中平衡的应力 它的重新分布不会引起工件变形 但它对机器零件表面质量有重要影响 135 3 表面层金相组织变化机械加工过程中 在工件的加工区域 温度会急剧升高 当温度升高到超过工件材料金相组织变化的临界点时 就会发生金相组织变化 136 二 机械加工表面质量对机器使用性能的影响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表面粗糙度值大 接触表面的实际压强增大 粗糙不平的凸峰间相互咬合 挤裂 使磨损加剧 表面粗糙度值越大越不耐磨 但表面粗糙度值也不能太小 表面太光滑 因存不住润滑油使接触面间容易发生分子粘接 也会导致磨损加剧 所以 表面粗糙度有最佳值 最佳值与机器零件的工况有关 137 138 2 表面冷作硬化对耐磨性的影响加工表面的冷作硬化 一般能提高耐磨性 但是过度的冷作硬化将使加工表面金属组织变得 疏松 严重时甚至出现裂纹 使磨损加剧 139 3 表面纹理对耐磨性的影响在轻载运动副中 两相对运动零件表面的刀纹方向均与运动方向相同时 耐磨性好 两者的刀纹方向均与运动方向垂直时 耐磨性差 在重载时 两相对运动零件表面的刀纹方向均与相对运动方向一致时容易发生咬合 磨损量反而大 两相对运动零件表面的刀纹方向相互垂直 且运动方向平行于下表面的刀纹方向 磨损量较小 140 2 表面质量对零件疲劳强度的影响在交变载荷作用下 表面粗糙度的凹谷部位容易产生应力集中 出现疲劳裂纹 加速疲劳破坏 零件上容易产生应力集中的沟槽 圆角等处的表面粗糙度 对疲劳强度的影响更大 减小零件的表面粗糙度 可以提高零件的疲劳强度 零件表面存在一定的冷作硬化 可以阻碍表面疲劳裂纹的产生 缓和已有裂纹的扩展 有利于提高疲劳强度 但冷作硬化强度过高时 可能会产生较大的脆性裂纹反而降低疲劳强度 加工表面层如有一层残余压应力产生 可以提高疲劳强度 141 3 表面质量对抗腐蚀性能的影响零件表面粗糙度越大 加工表面与气体 液体接触面积越大 腐蚀作用就越强烈 加工表面的冷作硬化和残余应力 使表层材料处于高能位状态 有促进腐蚀的作用 4 表面质量对零件配合性质的影响对于间隙配合 零件表面越粗糙 磨损越大 使配合间隙增大 降低配合精度 对于过盈配合 两零件粗糙表面相配时凸峰被挤平 使有效过盈量减小 将降低过盈配合的连接强度 142 三 加工表面的表面粗糙度切削加工的表面粗糙度值主要取决于切削残留面积的高度 对于刀尖圆弧半径r 0的刀具 工件表面残留面积的高度 143 144 对于刀尖圆弧半径r 0的刀具 工件表面残留面积的高度 145 除了几何因素外 塑性变形对切削加工表面粗糙度的影响也很大 一般来说 塑性变形大 表面粗糙度也大 加工塑性材料时 凡是影响塑性变形的因素都会影响表面粗糙度的大小 切削速度v对加工表面粗糙度的影响如图4 43所示 在某一切削速度范围内 容易生成积屑瘤 使表面粗糙度增大 加工脆性材料时 切削速度对表面粗糙度的影响不大 146 147 四 加工表面的物理力学性能 一 表面层材料的冷作硬化1 冷作硬化及其评定参数概念 切削过程中产生的塑性变形 会使表层金属的晶格发生扭曲 畸变 晶粒间产生剪切滑移 晶粒被拉长 甚至破碎 这些都会使表层金属的硬度和强度提高 这种现象称作冷作硬化 亦称强化 冷作硬化的程度取决于塑性变形的程度 被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态 只要一有可能 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 热作用时间的长短和表层金属的强化程度 148 由于在加工过程中表层金属同时受到变形和热的作用 加工后表层金属的最后性质取决于强化和弱化综合作用的结果 评定冷作硬化的指标是 表层金属的显微硬度HV 硬化层深度h和硬化程度N N HV HV0 HV0 100 式中HV0为工件内部金属的显微硬度 149 2