机械制造技术基础第4章14秋VIP

第四章机械加工质量,产品的质量与零件的加工质量、产品的装配质量密切相关，而零件的加工质量是保证产品质量的基础。,4.1机械加工精度概述,（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）,表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）,图4-1加工质量包含的内容,4.1.1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、形状及各表面相互位置等参数）与理想几何参数的符合程度。符合程度越高，加工精度就越高。反之，越低。,表面绝对平面、圆柱面等；位置绝对平行、垂直、同轴等；尺寸位于公差带中心。,加工误差是指零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，所以，加工误差的大小反映了加工精度的高低。,实际加工时不可能也没有必要把零件做得与理想零件完全一致，而总会有一定的偏差，即加工误差。只要这些误差在规定的范围内，即能满足机器使用性能的要求。,4.1.2尺寸、形状和位置精度间的关系,独立原则是处理形位公差和尺寸公差关系的基本原则，即尺寸精度和形位精度按照使用要求分别满足；在一般情况下，尺寸精度高，其形状和位置精度也高；通常，零件的形状误差约占相应尺寸公差的3050；位置误差约为尺寸公差的6585。通常：形状公差位置公差破坏油膜金属挤裂、破碎、切断加速磨损；Ra过小分子亲合力增大润滑油挤出表面咬合加速磨损。表面粗糙度大和太小都不耐磨。如图4-38所示。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。,4.5.2表面质量对零件使用性能的影响,图438表面粗糙度与初期磨损量的关系,2）表面层的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。冷作硬化硬度提高，塑性降低摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形减少减少磨损。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。冷作硬化过度脆性增加金属剥落加速磨损。,1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响表面粗糙度应力集中疲劳裂纹抗疲劳强度表面粗糙度对耐疲劳性的影响还与材料对应力集中的敏感程度和材料的强度极限有关。钢材对应力集中最为敏感，钢材的强度极限越高，对应力集中的敏感程度就越大，而铸铁和有色金属对应力集中的敏感性较弱。,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。拉应力抗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压应力抗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。对于间隙配合表面：表面粗糙度越大初期磨损配合间隙对于过盈配合表面：表面粗糙度越大过盈量配合精度,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。,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，可以提高零件的耐腐蚀性能。2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响残余压应力抗裂纹扩展能力抗腐蚀的能力残余拉应力应力腐蚀抗腐蚀的能力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，拉应力反之则降低耐腐蚀性,4.5.3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,1、几何因素,刀尖圆弧半径r主偏角kr、副偏角kr进给量f（图440）,图440车削、刨削时残留面积高度,H=f/(cotr+cotr)(4-1),H=f2/(8r)(4-2),2、物理力学因素,（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。脆性材料：加工脆性材料时，其切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。,（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）见如图4-41所示。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。,（3）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。,图441加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响,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,（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，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、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。,（1）砂轮粒度与硬度,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。,砂轮太硬，使表面粗糙度增大；砂轮选得太软，使表面粗糙度值增大。,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；,太硬易使磨粒磨钝Ra；太软容易堵塞砂轮Ra；,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（图447）。,图447砂轮上的磨粒,影响磨削加工表面粗糙度的因素,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,4.5.4影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制,表面物理力学性能,一.表面层的冷作硬化,（1）表面层加工硬化的产生,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。机械加工过程中产生的切削热，将使金属冷作硬化得到恢复，成为弱化现象。,（2）衡量表面层冷作硬化的指标,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（8-3）式中HV0工件原表面层的显微硬度。,（3）影响表面层加工硬化的因素,刀具几何形状的影响,切削用量的影响,工件材料性能的影响,砂轮粒度,磨削用量的影响,工件材料性能的影响,二表面层残余应力,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。,（1）表面层残余应力的产生,1）冷态塑变,2）热态塑变,3）金相组织变化,(2)影响层金属残余应力的因素,v残余应力（热应力起主导作用，图4-67）,切削用量,刀具,前角+，残余拉应力刀具磨损残余应力,工件材料,材料塑性残余应力铸铁等脆性材料易产生残余压应力,仅讨论切削加工,f残余应力（图4-68）,切削深度影响不显著,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。,三表面层金相组织变化与磨削烧伤,表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生,磨削残余应力通常是由磨削温度和金相组织变化引起的。磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现。,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图,影响磨削烧伤的因素及改善途径,采用开槽砂轮,间断磨削受热磨削烧伤图,图内冷却装置1锥形盖2通道孔3砂轮中心孔4有径向小孔的薄壁套,图开槽砂轮a）槽均匀分布b）槽均匀分布,四表面强化工艺,利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态挤压金属表面，将凸起部分下压下，凹下部分上凸，修正工件表面的微观几何形状,形成压缩残余应力，提高耐疲劳强度（图4-71）,利用大量快速运动珠丸打击工件表面,使工件表面产生冷硬层和压应力,疲劳强度（图4-70）,喷丸强化,图4-71滚压加工原理图,用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，例如板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等,第6节机械加工中的振动,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。,1、振动对机械加工的影响,机械加工中振动的种类及其主要特点,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，如图8-14a所示。(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