机械制造工艺-3第三章-机械加工表面质量ppt课件

1 机械制造工艺学 主讲 胡大超 第三章机械加工表面质量 2 3 1加工表面质量及其对使用性能的影响3 2影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施3 3影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改善措施3 4机械加工中的振动 本章内容 3 零件的机械加工质量不仅指加工精度 而且包括加工表面质量 机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面 它存在着不同程度的表面粗糙度 冷硬 裂纹等表面缺陷 虽然只有极薄的一层 几微米 几十微米 但都错综复杂地影响着机械零件的精度 耐磨性 配合精度 抗腐蚀性和疲劳强度等 从而影响产品的使用性能和寿命 因此必须加以足够的重视 第三章机械加工表面质量 4 一 加工表面质量的概念加工表面质量 或表面完整性 包含的内容 3 1加工表面质量及其对使用性能的影响 微观几何轮廓 宏观几何轮廓 5 1 表面粗糙度对耐磨性的影响表面粗糙度太大和太小都不耐磨表面粗糙度太大 接触表面的实际压强增大 粗糙不平的凸峰相互咬合 挤裂 切断 故磨损加剧 表面粗糙度太小 也会导致磨损加剧 因为表面太光滑 存不住润滑油 接触面间不易形成油膜 容易发生分子粘结而加剧磨损 一 表面质量对零件耐磨性的影响 二 加工表面质量对机器零件使用性能的影响 6 图3 4表面粗糙度与初期磨损量的关系 表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关 载荷加大时 磨损曲线向上 向右移动 最佳表面粗糙度值也随之右移 7 2 表面纹理对耐磨性的影响 表面纹理的形状及刀纹方向对耐磨性的影响 纹理形状及刀纹方向影响有效接触面积与润滑液的存留 8 3 冷作硬化对耐磨性的影响 加工表面的冷作硬化 一般能提高零件的耐磨性 因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高 塑性降低 减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形 并非冷作硬化程度越高 耐磨性就越高 这是因为过分的冷作硬化 将引起金属组织过度 疏松 在相对运动中可能会产生金属剥落 在接触面间形成小颗粒 使零件加速磨损 图3 5 9 二 表面质量对零件疲劳强度的影响1 表面粗糙度对疲劳强度的影响表面粗糙度越大 抗疲劳破坏的能力越差 对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大 在交变载荷作用下 表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中 产生疲劳裂纹 表面粗糙度值越小 表面缺陷越少 工件耐疲劳性越好 反之 加工表面越粗糙 表面的纹痕越深 纹底半径越小 其抗疲劳破坏的能力越差 材料对应力集中敏感程度 钢 铸铁 非铁金属 10 2 表面层金属的力学物理性质对耐疲劳性的影响适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度残余应力有拉应力和压应力之分 残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度 残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力 延缓疲劳裂纹的扩展 从而提高零件的疲劳强度 11 三 表面质量对耐蚀性的影响1 表面粗糙度对耐腐蚀性的影响零件表面越粗糙 越容易积聚腐蚀性物质 凹谷越深 渗透与腐蚀作用越强烈 减小零件表面粗糙度 可以提高零件的耐腐蚀性能 2 表面金属的力学物理性质对耐腐蚀性能的影响零件表面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 而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性 表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响 如减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度 密封性和测量精度 对滑动零件 可降低其摩擦系数 从而减少发热和功率损失 12 四 表面质量对零件配合质量的影响 1 表面粗糙度对零件配合精度的影响表面粗糙度较大 则降低了配合精度 对间隙配合 对过盈配合影响 2 表面残余应力对零件工作精度的影响表面层有较大的残余应力 就会影响它们精度的稳定性 13 加工表面质量对零件使用性能的影响 零件表面质量 粗糙度太大 太小都不耐磨 适度冷硬能提高耐磨性 对疲劳强度的影响 对耐磨性影响 对耐腐蚀性能的影响 对配合质量的影响 粗糙度越大 疲劳强度越差 适度冷硬 残余压应力能提高疲劳强度 粗糙度越大 工作精度降低 残余应力越大 工作精度降低 粗糙度越大 耐腐蚀性越差 压应力提高耐腐蚀性 拉应力反之则降低耐腐蚀性 14 机械加工中 表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面 一 切削加工表面粗糙度 1 几何因素 刀尖圆弧半径r 主偏角kr 副偏角kr 进给量f 3 2影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施 15 残留面积高度的计算 当刀尖圆弧半径r 0时 残留面积高度H为 残留面积高度的计算 当刀尖圆弧半径r 0时 残留面积高度H为 减小进给量f 减小主偏角kr和副偏角kr 增大刀尖圆弧半径r 都能减小理论残留面积的高度H 也就减小了零件的表面粗糙度 16 2 非几何因素 1 工件材料的影响 韧性材料 工件材料韧性愈好 金属塑性变形愈大 加工表面愈粗糙 故对中碳钢和低碳钢材料的工件 为改善切削性能 减小表面粗糙度 常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理 脆性材料 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 17 2 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 对积屑瘤和鳞刺的影响 加工脆性材料 切削速度影响不大 此外 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 4 其它因素的影响 此外 合理使用冷却润滑液 适当增大刀具的前角 提高刀具的刃磨质量等 均能有效地减小表面粗糙度值 振动 3 进给量的影响 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 18 影响切削加工表面粗糙度的因素 刀具几何形状 刀具材料 刃磨质量 切削用量 工件材料 影响加工表面粗糙度的因素 19 外圆磨削 二 磨削加工表面粗糙度 磨削用量 砂轮转速 工件转速 轴向进给量 f 砂轮纵向进给量 ap 砂轮的六因素 磨料 粒度 结合剂 硬度 组织 形状尺寸 20 一 几何因素的影响 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砂粒数越多 则刻痕越多 刻痕的等高性越好 表面粗糙度值越小 砂轮转速越高 单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多 表面粗糙度值就越小 工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影响相反 工件转速增大 通过加工表面的磨粒数减少 因此表面粗糙度值增大 砂轮纵向进给量小于砂轮的宽度时 工件表面将被重叠切削 而被磨次数越多 工件表面粗糙度值就越小 1 磨削用量对表面粗糙度值的影响 21 3 砂轮修整 砂轮修整除了使砂轮具有正确的几何形状外 更重要的是使砂轮工作表面形成排列整齐而又锐利的微刃 因此 砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大 磨粒在砂轮上的分布越均匀 磨粒越细 刃口的等高性越好 则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒越多 磨削表面上的刻痕就越细密均匀 表面粗糙度值就越小 2 砂轮粒度 22 二 物理因素的影响 表面层金属的塑性变形 磨削速度比一般切削速度高得多 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 1 磨削用量 砂轮的转速 材料塑性变形 表面粗糙度值 磨削深度 工件速度 塑性变形 表面粗糙度值 为提高磨削效率 通常在开始磨削时采用较大的径向进给量 而在磨削后期采用较小的径向进给量或无进给量磨削 以减小表面粗糙度值 23 2 砂轮的选择 砂轮粒度 磨粒太细 砂轮易被磨屑堵塞 使表面粗糙度值增大 若导热情况不好 还会烧伤工件表面 砂轮硬度 太硬 磨粒脱落 表面粗糙度增大 太软 磨粒脱落 使表面粗糙度值增大 硬度合适 自励性好 Ra 砂轮组织 紧密组织在精密磨获得高精度和较小的表面粗糙度值 疏松组织不易堵塞 砂轮材料 氧化物 刚玉 砂轮磨钢类零件 碳化物 碳化硅 碳化硼 砂轮磨铸铁 硬质合金等 高硬材料 人造金刚石 立方氮化硼 砂轮可获极小表面粗糙度值 成本高 磨削液 24 影响磨削加工表面粗糙度的因素 砂轮粒度 工件材料性质 砂轮修正 磨削用量 砂轮硬度 影响磨削加工表面粗糙度的因素 25 三 表面粗糙度和表面微观形貌的测量比较法触针法表面微观形貌 26 影响表面层物理力学性能的主要因素 表面物理力学性能 3 3影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改善措施 27 一 加工表面层的冷作硬化 一 表面层加工硬化的产生 定义 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 28 衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项 1 表面层的显微硬度HV 2 硬化层深度h 3 硬化程度NN HV HV0 HV0 100 3 3 式中HV0 工件原表面层的显微硬度 29 二 影响切削加工表面冷作硬化的因素 2 刀具几何形状的影响 1 切削用量的影响 工件材料性能的影响 30 三 影响磨削加工表面冷作硬化的因素 1 工件材料性能的影响 2 磨削用量的影响 3 砂轮粒度的影响 四 冷作硬化程度的测量方法 31 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 磨削加工时 表面层有很高的温度 当温度达到相变临界点时 表层金属就发生金相组织变化 强度和硬度降低 产生残余应力 甚至出现微观裂纹 使工件表面呈现氧化膜颜色 这种现象称磨削烧伤 二 表层金属的金相组织变化 一 机械加工表面层金相组织变化 32 1 淬火烧伤 2 回火烧伤 3 退火烧伤 磨削时 如果工件表面层温度只是超过原来的回火温度 则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象而转变为硬度较低的回火组织 索氏体或屈氏体 这种现象称为回火烧伤 磨削时 当工件表面层温度超过相变临界温度时 则马氏体转变为奥氏体 若此时无冷却液 表层金属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织 硬度和强度均大幅度下降 这种现象称为退火烧伤 淬火钢在磨削时 由于磨削条件不同 产生的磨削烧伤有三种形式 磨削时工件表面温度超过相变临界温度时 则马氏体转变为奥氏体 在冷却液作用下 工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织 其硬度比原来的回火马氏体高 但很薄 其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体 由于二次淬火层极薄 表面层总的硬度是降低的 这种现象称为淬火烧伤 33 合理选择磨削用量 砂轮与工件材料 改善冷却条件 1 砂轮转速 磨削烧伤 2 径向进给量fp 磨削烧伤 3 轴向进给量fa 磨削烧伤 4 工件速度vw 磨削烧伤 1 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 2 磨削导热性差的材料 耐热钢 轴承钢 不锈钢 磨削烧伤 3 应合理选择砂轮的硬度 结合剂和组织 磨削烧伤 采用内冷却法 磨削烧伤 二 减少磨削烧伤的工艺途径 采用开槽砂轮 间断磨削 受热 磨削烧伤 34 三 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 35 一 表面层残余应力的产生的原因 1 冷态塑变 2 热态塑变 3 金相组织变化 36 磨削裂纹的产生 磨削裂纹和残余应力有着十分密切的关系 在磨削过程中 当工件表面层产生的残余应力超过工件材料的强度极限时 工件表面就会产生裂纹 磨削裂纹常与烧伤同时出现 37 机械加工后工件表面层的残余应力是冷态塑性变形 热态塑性变形和金相组织变化的综合结果 切削加工时起主要作用的往往是冷态塑性变形 表面层常产生残余压缩应力 二 影响表层金属残余应力的工艺因素 38 三 影响磨削残余应力的工艺因素 磨削加工中 塑性变形大且热量大 工件表面温度高 热因素和塑性变形对磨削表面残余应力的影响均较大 若热因素主导 工件表面产生残余拉应力 若塑性变形主导 工件表面产生残余压应力 当工件表面温度超过相变温度且又冷却充分时 工件表面出现淬火烧伤 此时金相组织变化起主要作用 工件表面产生残余压应力 精细磨削时 塑性变形起主导作用 工件表面产生残余压应力 39 四 工件最终工序加工方法的选择 考虑零件具体工作条件及零件可能的破坏形式 交变载荷作用下 拉应力造成微观裂纹扩大 导致零件断裂破坏 压应力加工方法 滑动表面 抵抗磨损 拉应力加工方法 表3 3各种加工方法在工件表面上残留的内应力 40 四 表面强化工艺 指通过冷压加工的方法使表面层金属发生冷态塑性变形 以减小表面粗糙度值 提高表面硬度 并在表面层产生残余压应力的表面强化工艺 滚压机轧辊表面强化 41 一 喷丸强化 42 喷丸强化是利用大量快速运动的珠丸打击被加工工件表面 使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力 珠丸挤压工件表面的状态 可显著提高零件的疲劳强度 珠丸可以是铸铁的 也可以是切成小段的钢丝 使用一段时间后 自然变成球状 对于铝质工件 为避免表面残留铁质微粒而引起电解腐蚀 宜采用铝丸或玻璃丸 珠丸的直径一般为0 2 4mm 对于尺寸较小 表面粗糙度值较小的工件 采用直径较小的珠丸 喷丸强化主要用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件 如板弹簧 螺旋弹簧 连杆 齿轮 焊缝等 经喷丸加工后的表面 硬化层深度可达0 7mm 零件表面粗糙度值可由Ra5 2 5 m减小到Ra0 63 0 32 m 可几倍甚至几十倍地提高零件的使用寿命 43 二 滚压加工 飞机起落架螺栓 44 滚压加工是利用经过淬火和精细研磨过的滚轮或滚珠 在常温状态下对金属表面进行挤压 使受压点产生弹性和塑性变形 表层的凸起部分向下压 凹下部分向上挤 逐渐将前工序留下的波峰压平 降低了表面粗糙度 同时它还能使工件表面产生硬化层和残余压应力 因此提高了零件的承载能力和疲劳强度 滚压加工可以加工外圆 孔 平面及成型表面 通常在普通车床 转塔车床或自动车床上进行 典型的滚压加工示意图 45 振动会在工件加工表面出现振纹 降低了工件的加工精度和表面质量 振动会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨损 振动使机床连接部分松动 影响运动副的工作性能 并导致机床丧失精度 强烈的振动及伴随而来的噪声 还会污染环境 危害操作者的身心健康 为减小加工过程中的振动 有时不得不降低切削用量 使机械加工生产率降低 一 机械加工中的振动现象 1 振动对机械加工的影响 3 4机械加工中的振动 46 机械加工振动 当系统受到初始干扰力激励破坏了其平衡状态后 系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动 由于总存在阻尼 自由振动将逐渐衰减 占5 系统在周期性激振力 干扰力 持续作用下产生的振动 称为强迫振动 强迫振动的稳态过程是谐振动 只要有激振力存在振动系统就不会被阻尼衰减掉 占35 在没有周期性干扰力作用的情况下 由振动系统本身产生的交变力所激发和维持的振动 称为自激振动 切削过程中产生的自激振动也称为颤振 占65 机械加工中振动的种类及其主要特点 47 系统外部的周期性干扰力机外振源 通过地基 机内震源旋转零件的质量偏心传动机构的缺陷油泵排出的压力油脉动性切削过程的间隙特性往复运动 二 机械加工过程中的强迫振动与控制 48 1 强迫振动是由周期性激振力引起的 不会被阻尼衰减掉 振动本身也不能使激振力变化 2 强迫振动的振动频率与外界激振力的频率相同 而与系统的固有频率无关 3 强迫振动的幅值既与激振力的幅值有关 又与工艺系统的特性有关 激振力的影响 A0 F k 49 当 0时 1 0 6 0 7 准静态区 在该区增加系统静刚度 可减小振动 当 1时 会急剧增大 此现象称为共振 0 7 1 4的区域称为共振区 在该区增大阻尼 共振 当 1时 0 1 4区域称为惯性区 在该区增加振动体的质量 可减小振动振幅 频率比 的影响 50 三 机械加工中的自激振动 颤振 在实际加工过程中 由于偶然的外界干扰 如工件材料硬度不均 加工余量有变化等 会使切削力发生变化 从而使工艺系统产生自由振动 系统的振动必然会引起工件 刀具间的相对位置发生周期性变化 这一变化若又引起切削力的波动 则使工艺系统产生振动 因此通常将自激振动看成是由振动系统 工艺系统 和调节系统 切削过程 两个环节组成的一个闭环系统 激励工艺系统产生振动运动的交变力是由切削过程本身产生的 而切削过程同时又受工艺系统的振动的控制 工艺系统的振动一旦停止 动态切削力也就随之消失 51 自激振动特点 它由振动过程本身引起切削力周期性变化 从不具备交变特性的能源中周期获得能量 使振动得以维持 自激振动由振动系统本身参数决定 与强迫振动显著不同 自由振动受阻尼作用将迅速衰减 而自激振动不会因阻尼存在而衰减 自激振动的频率接近于系统的固有频率 即颤振频率取决于振动系统的固有特性 这与自由振动相似 而与强迫振动根本不同 自激振动的特征 52 自激振动的激振机理 再生原理 振型耦合原理 负摩擦原理 滞后原理 53 四 机械加工振动的诊断技术 机械加工中产生振动分两大类 强迫振动和自激振动 颤振 自激振动 颤振 又分4种类型 机械加工振动诊断 1 分清强迫 自激振动 2 进一步分清自激振动1 强迫振动诊断诊断依据 强迫振动频率和外界干扰力频率相同 或整数倍 强迫振动诊断方法和诊断步骤 1 现场加工振动信号提取 2 频谱分析 3 环境试验 查机外振源 停机 4 空转试验 查机内振源 空转 不加工 5 查干扰力源 确定机内震源 54 1 时域分析法 直观 了解信号的幅值和时间的关系 确定振动的程度 设备是否有故障及严重程度 不能确定故障部位 特征量的统计分析 相关分析等 均值 有效值 均方根值 方差等 2 频域分析法 了解信号的频率结构 寻找故障源 幅值谱分析 应用傅里叶变换 傅里叶傅里叶积分将时域信号变为频域信号 功率谱分析 在频域中对信号能量或功率分布情况的描述 滤波谱 分析平稳性故障信号解调谱 分析冲击性故障信号 机械振动故障诊断信号分析方法 55 2 控制自激振动的途径 抑制自激振动途径 V 30 70m min 自振 f 自振 保证Ra时 f 提高机床抗振性提高刀具抗振性 采用消振刀具 提高工件安装刚性 根据振型耦合原理 工艺系统的振动还受到各振型的刚度比及其组合的影响 合理调整它们之间的关系 就可以有效地提高系统的抗振性 抑制自激振动 削扁镗杆试验 前角 主偏角 自振 后角 自振 但太小时 自振 抑制再生颤振方法用于工艺系统刚性较好的场合 56 减振装置 1 阻尼器的原理及应用 利用固体或液体的阻尼来消耗振动的能量 实现减振 2 吸振器的原理及应用 动力吸振器摩擦减震器冲击吸振器 57 阻尼器减振装置 58 用于镗刀杆的动力吸振器 冲击式吸振器1 自由质量2 弹簧3 螺钉 59 加工表面质量 表面粗糙度 波度 纹理方向 表面缺陷 及其对使用性能的影响影响加工表面粗糙度的工艺因素 几何 物理 及其改善措施影响表层金属力学物理性能 冷作硬化 表层金相组织变化 残余应力 表面强化工艺 的工艺因素及其改善措施机械加工中的振动 强迫振动 自激振动习题P140页第1 3 7 16 18 21 22题 本章小结 60 61 62 图加工变质层 63 图3 6车削 刨削时残留面积高度 64 图3 7加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响 65 66 砂轮上的磨粒 67 图3 23内冷却装置1 锥形盖2 通道孔3 砂轮中心孔4 有径向小孔的薄壁套 68 图3 24开槽砂轮a 槽均匀分布b 槽均匀分布 69 图3 19切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图 70 图3 25滚压加工原理 71 72 73 图3 32自激振动系统的组成 74 如图4 27a所示为单自由度机械加工振动模型 设工件系统为绝对刚体 振动系统与刀架相连 且只在y方向作单自由度振动 在背向力Fp作用下 刀具作切入 切出运动 振动 刀架振动系统同时还有F弹作用在它上面 y越大 F弹也越大 当Fp F弹时 刀架的振动停止 对上述振动系统而言 背向力Fp是外力 Fp对振动系统作功如图4 27b所示 刀具切入 其运动方向与背向力方向相反 作负功 即振动系统要消耗能量W振入 刀具切出 其运动方向与背向力方向相同 作正功 即振动系统要吸收能量W振出 二 产生自激振动的条件 75 图3 27单自由度机械加工振动模型a 振动模型b 力与位移的关系图 76 1 当W振出W振入时 刀架振动系统将有持续的自激振动产生 77 三种情况 W振出 W振入 W摩阻 振入 时 系统有稳幅的自激振动 W振出 W振入 W摩阻 振入 时 系统为振幅递增的自激振动 至一定程度