《加工表面质量》PPT课件

第四节机械加工表面质量,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、冷作硬化、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。,一、概述,零件表面质量,表面质量的含义（内容）,（1）表面粗糙度表面的微观几何形状误差，即L1/H11000）与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差，即40L2/H21000。它主要是加工过程中工艺系统的振动引起。,（3）表面层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。（4）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。在铸造、锻造、焊接、热处理等加工过程产生的内应力与这里介绍的表面残余应力的区别在于前者是在整个工件上平衡的应力，它的重新分布会引起工件的变形；后者则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。,（5）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。如磨削淬火钢件时，常会出现回火烧伤、退火烧伤等金相组织变化，将严重影响零件的使用件能。,右图为加工变质层示意图。吸附层：氧化膜或其他化合物，并吸收、渗进了气体、液体和固体的粒子。压缩区：塑性变形区。纤维层：加工材料与刀具间的摩擦力造成。切削热也会使表面层产生相变及晶粒大小变化。,（1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响表面粗糙度太大和太小都不耐磨，图54-2。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。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。,二、表面质量对零件使用性能的影响,图54-2表面粗糙度与初期磨损量的关系,（2）表面层冷作硬化对零件耐磨性的影响,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。,（1）表面粗糙度对零件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。,（2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度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。,3.表面质量对零件工作精度的影响（1）表面粗糙度对零件配合精度的影响间隙配合：如果配合表面粗糙度较大，则在初期磨损阶段磨损量就大，造成零件尺寸和形状发生变化，影响到配合间隙量，改变了配合性质。过盈配合：如果配合表面粗糙，则装配后表面的波峰产生塑性变形，从而使有效的过盈量减小，减弱了过盈配合的结合强度。因此，对配合精度要求比较高的零件应该规定较小的表面粗糙度。（2）表面残余应力对零件工作精度的影响零件表面层有较大的残余应力，就会影响其工作精度的稳定性。,4.表面质量对零件耐腐蚀性能的影响,（1）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能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。因此，减小零件表面粗糙度，可以提高其耐腐蚀性能。（2）表面残余应力对零件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。,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,对工作精度的影响,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则降低耐腐蚀性,三、影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制,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,刀尖圆弧半径r主偏角kr、副偏角kr进给量f,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：,对于刀尖圆弧半径r0的刀具，工件表面残留面积的高度：,切削加工表面粗糙度的实际轮廓形状，一般都与纯几何因素形成的理论轮廓有较大的差别，这是由于切削加工中有塑性变形的缘故。,塑性材料：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。,切削过程中出现积屑瘤与鳞刺，会使表面粗糙度严重恶化。积屑瘤形成后并不是稳定的，而是不断地形成长大粘附在切屑或留在工件上（图54-），使加工表面出现深浅和宽度不断变化的刀痕，大大增加表面粗糙度。鳞刺是已加工表面上出现的鳞片状毛刺般的缺陷。鳞刺的出现不依赖于积屑瘤，但积屑瘤的存在会影响鳞刺的生成。,图54-积屑瘤对表面质量的影响,图54-鳞刺的产生,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，如下图。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。,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。,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。,背吃刀量对表面粗糙度的影响不大，但太小会打滑，划伤已加工表面。,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,影响切削加工表面粗糙度的因素,3.降低表面粗糙度的措施由几何因素引起的粗糙度过大，可通过减小切削层残留面积来解决。如：f、r、r，rRa由物理因素引起的粗糙度过大，主要应采取措施减少加工时的塑性变形，避免产生刀瘤和磷刺。1）采用较高的v；2）对工件材料采用正火或调质处理；3）增大刀具、s，提高刀具刃磨质量等；4）合理选用冷却润滑液及其使用方式。,图54-切削速度对表面粗糙度的影响,（二）磨削加工表面粗糙度,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（如右图），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。,磨粒在砂轮上的分布越均匀、粒度越细，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。,图磨粒在工件上的刻痕,（2）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（下图）。因此，砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大。,图磨粒上的微刃,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。,工件转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，表面粗糙度值增大。,图砂轮速度的影响,图工件速度的影响,背吃刀量塑性变形的程度粗糙度。轴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。,在磨削加工时，最后几次走刀应取极小的磨削深度，并适当安排无进给磨削次数。,实践应用：粗磨时，ap和V工生产率；终磨时，采用小ap或无进给磨削次数Ra。,工件材料、冷却润滑液、工艺系统振动等。,影响磨削加工表面粗糙度的因素,金刚石笔锋利，修正导程、径向进给量Ra磨粒等高性Ra,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,V砂Raap、V工塑变Ra粗磨ap生产率精磨apRa(ap=0光磨),四、表面层物理力学性能及其控制,影响表面层物理力学性能的主要因素,表面物理力学性能,1.表面层的冷作硬化,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)/HV0100式中HV0工件原表面层的显微硬度。,（2）影响表面层加工硬化的因素,刀具几何形状,切削用量,工件材料性能,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。磨削加工时起主要作用的通常是热态塑性变形或金相组织变化引起的体积变化，表面层常产生残余拉伸应力。,2.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。,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。定义：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。这种现象称为磨削烧伤。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。,4.表面层金相组织变化与磨削烧伤,（1）磨削烧伤,淬火烧伤,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。,（2）磨削烧伤的三种形式,回火烧伤,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的现象。,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的现象。,磨削用量,砂轮与工件材料,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,（3）影响磨削烧伤的因素及改善途径,改善冷却条件,采用内冷却法磨削烧伤。,采用开槽砂轮,间断磨削受热磨削烧伤。,图内冷却装置,图开槽砂轮a）槽均匀分布b）槽不均匀分布,五、控制加工表面质量的途径,1.控制磨削参数2.采用超精加工、珩磨等光整加工方法作为最终加工工序光整加工是用粒度很细的磨料对工件表面进行微量切削和挤压、擦光的过程。特点：切削力和切削热都很小，从而能获得很低的表面粗糙度值，表面层不会产生热损伤，并具有残余压应力。工具都是浮动连接，由加工面自身导向、而相对于工件的定位基准没有确定的位置、所使用的机床也不需要具有非常精确的成形运动。主要作用是降低表面粗糙度，一般不能纠正形状和位置误差，加工精度主要由前面工序保证。,（1）超精加工用细粒度的磨条以一定的压力在旋转的工件表面上，并在轴向作往复振荡，进行微量切除的光整加工方法；加工后表面粗糙度可达Ra0.012m，表面加工纹路由波纹曲线交叉形成，易形成润滑油膜，耐磨性好。（2）珩磨与超精加工类似，只是使用的工具以及运动方式不同，珩磨头带有若干块细粒度的磨条靠机械或液压的作用涨紧和施加一定压力在工件表面上，并相对工件作旋转与往复运动，在工件表面形成由螺旋线交叉而成的网状纹路。主要用于内孔的光整加工。,（3）研磨将研磨剂涂敷（干式）或浇注（湿式）在研具与工件间，工件与夹具在一定压力下作不断变更方向的相对运动，在磨粒的作用下逐步刮擦并微量切除工件表面很薄的金属层。（4）抛光是利用布轮、布盘等软的研具涂上抛光膏抛光工件的表面，靠抛光膏的机械刮擦和化学作用去掉表面粗糙度的峰顶，使表面获得光泽镜面。2.采用喷丸、滚压、碾光等表面强化工艺对于承受高应力、交变载荷的零件可以采用喷丸、滚压、碾光等表面强化工艺使表面层产生残余压应力、冷作硬化及降低表面粗糙度，大大提高其疲劳强度及抗应力腐蚀性能。,1.滚压加工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。图54-为典型的滚压加工示意图。,图54-滚压加工原理,图54-滚压加工示意图,通孔用滚光工具,车床用滚压工具,盲孔用滚光工具,平端面用滚光工具,2.喷丸强化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，可显著提高零件的疲劳强度。,图54-喷丸加工原理,图54-珠丸挤压引起残余应力,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0.24mm，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Ra52.5m减小到Ra0.630.32m，可几倍甚至几十倍地提高零件的使用寿命。,第五节机械加工中的振动,振动会在工件加工表面产生振纹，降低加工精度和表面质量；振动会引起刀具崩刃打刀现象，加速刀具或砂轮磨损；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,2.机械加工中振动的种类及其主要特点,机械加工振动,自由振动,强迫振动,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。,系统在周期性激振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。,自激振动,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。,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。,减小强迫振动的措施消除或减小外部激振力调整振源频率，一般要求：式中：f和fn分别为振源频率和系统固有频率提高工艺系统的刚度和阻尼，如