已加工表面质量课件

1、已加工表面质量教学内容教学内容教学重点教学重点第第9章章 已加工表面质量已加工表面质量金属切削原理与刀具金属切削原理与刀具第第 1 0 讲讲已加工表面质量的形成过程及衡量指标已加工表面质量的形成过程及衡量指标各项指标对材料使用性能的影响各项指标对材料使用性能的影响表面粗糙度的形成过程及影响因素表面粗糙度的形成过程及影响因素加工硬化加工硬化 残余应力的影响因素及控制措施残余应力的影响因素及控制措施已加工表面质量 已加工表面已加工表面 产生产生 第三变形区第三变形区 第一变形区第一变形区工件上工件上H 被圆刃口下方被圆刃口下方挤压挤压 9.1 已加工表面的形成过程已加工表面的形成过程r 已加工表面

2、内已加工表面内组织纤维化弹性恢复组织纤维化弹性恢复高度为高度为h后面后面的磨损带的磨损带与已加工面摩擦与已加工面摩擦与与挤压挤压已加工表面质量2 衡量指标衡量指标表面粗糙度表面粗糙度 表层硬化程度及硬化深度表层硬化程度及硬化深度 表层金相组织变化表层金相组织变化 残余应力残余应力9.2 已加工表面质量概述已加工表面质量概述表层物理机械性能表层物理机械性能 表层加工硬化、表层残余应力表层加工硬化、表层残余应力表面微观几何形状表面微观几何形状 表面粗糙度表面粗糙度 表面波度表面波度 纹理方向、伤痕纹理方向、伤痕 划痕划痕 裂纹裂纹 砂眼砂眼 1 检测项目检测项目一一 已加工已加工表面质量表面质量

3、概述概述已加工表面质量Ra m0 m重载荷重载荷轻载荷轻载荷 初期磨损快、明显初期磨损快、明显表面粗糙度值表面粗糙度值Ra影响影响表面硬化：表面硬化：控制控制(0.10.5)mm 硬度高硬度高 耐磨性高耐磨性高提高提高Ra 形成高点形成高点 干磨擦干磨擦 磨损快磨损快表面光滑表面光滑润滑油无法进入接触面润滑油无法进入接触面 易产生易产生粘结性粘结性磨损磨损二二 表面质量表面质量 对产品使用性能的影响对产品使用性能的影响高精度零件建立薄层油膜高精度零件建立薄层油膜Ra 最佳值最佳值 = (0.321.25)mRa 0.160.04 纹理纹理与相对与相对运动方向运动方向相近相近1 对零件耐磨性的影

4、响对零件耐磨性的影响表面粗糙度值表面粗糙度值 Ra 初期磨损量初期磨损量0大大纹理选圆弧状纹理选圆弧状 凹坑状凹坑状 提高耐磨性提高耐磨性经跑合进入正常磨损阶段经跑合进入正常磨损阶段已加工表面质量 应力作用应力作用 加工硬化加工硬化提高表面粗糙度提高表面粗糙度Ra值值 使应力集中加大使应力集中加大 疲劳强度降低疲劳强度降低拉应力使疲劳强度降低拉应力使疲劳强度降低 组织紧密程度组织紧密程度：细密使疲劳强度提高细密使疲劳强度提高 2 表面质量对零件疲劳强度影响表面质量对零件疲劳强度影响表层热膨胀塑变表层热膨胀塑变冷却受阻拉应力冷却受阻拉应力应力集中区尤其明显应力集中区尤其明显挤压摩擦产生残余压应力

5、挤压摩擦产生残余压应力滚压滚压精车精车 疲劳强度提高疲劳强度提高2080%适度可提高疲劳强度适度可提高疲劳强度压应力使疲劳强度提高压应力使疲劳强度提高40CrNiMoA轴轴孔边缘抛光孔边缘抛光 疲劳强度提高疲劳强度提高30%4Cr14Ni14W2Mo件件 Ra 0.32 降至降至 Ra 0.04 疲劳强度下降疲劳强度下降25%过高疲劳强度降低过高疲劳强度降低 易出现裂纹与剥落现象易出现裂纹与剥落现象已加工表面质量凹陷处杂质易产生化学反应凹陷处杂质易产生化学反应 形成原电池产生电化学腐蚀形成原电池产生电化学腐蚀 表面压应力有利于提高耐蚀性表面压应力有利于提高耐蚀性表面粗糙度值表面粗糙度值 耐蚀性

6、耐蚀性 3 表面质量对零件耐蚀性影响表面质量对零件耐蚀性影响已加工表面质量Ra值与配合值与配合性质的影响性质的影响静配合静配合实际实际过盈量过盈量对对高精度配合要求高精度配合要求轴有效尺寸轴有效尺寸= 轴实测直径轴实测直径Rz50mm Rz =（0.100.15）4 表面质量表面质量对零件配合对零件配合性质影响性质影响Rz ：微观不平度平均高度：微观不平度平均高度过盈过盈配合配合变变成成过渡过渡配合、配合、间隙间隙配合；配合；静静配合配合变变成成动动 配合配合提高提高Ra 接触刚度、联接牢固性与位置准确度降低接触刚度、联接牢固性与位置准确度降低孔有效尺寸孔有效尺寸=孔实测直径孔实测直径+Rz

7、18mm Rz = (0.20 0.25) 1850mm Rz= (0.15 0.20) ：尺寸公差尺寸公差已加工表面质量1 零件宏观几何形状误差零件宏观几何形状误差表面粗糙度表面粗糙度 波长波长/波高波高509.3 表面粗糙度表面粗糙度波度波度 波长波长/波高波高 = 501000平面度平面度 波长波长/波高波高1000一一 表面几何质量衡量指标表面几何质量衡量指标已加工表面质量 轮廓仪测量轮廓仪测量H波度波度 表面粗糙度表面粗糙度已加工表面质量RmaxfvfrrmaxcotcotrrfR理论粗糙度理论粗糙度直线刃车刀：残留面积直线刃车刀：残留面积已加工表面质量frRmaxvfrrfRman

8、82r增增大大减减小小 rrf圆弧刃车刀：残留面积圆弧刃车刀：残留面积减少理论减少理论Ra 方法方法脆性材料或高速切塑性材料接近理论脆性材料或高速切塑性材料接近理论Ra已加工表面质量二二 实际实际Ra 的的影响因素影响因素1 积屑瘤积屑瘤影响影响积屑瘤积屑瘤切入工件切入工件2 鳞刺鳞刺影响影响 突出形态突出形态塑性材料切削加工塑性材料切削加工4545钢钢 vc = 32m/min突出形态突出形态鳞纹方向与鳞纹方向与vc垂直垂直表面粗糙不平表面粗糙不平低低C 大大 f严重摩擦和挤压严重摩擦和挤压 保护刀尖保护刀尖 脱落加剧刀具磨损脱落加剧刀具磨损增大前角增大前角 降低切削力降低切削力不稳定不稳定

9、 影响表面质量影响表面质量 已加工表面质量崩刃复映崩刃复映4 振动振动影响影响Ra 增大增大3 刀具磨损刀具磨损后面磨损后面磨损刀具后面磨损刀具后面磨损后面磨损后面磨损损坏刀具损坏刀具 影响健康影响健康影响机床精度影响机床精度刃口毛剌刃口毛剌 微小裂口微小裂口 崩刃崩刃刀尖微崩刀尖微崩切削力波动切削力波动纵向振纹纵向振纹已加工表面质量前角前角o c 大于大于 50m/min 影响很小影响很小1 刀具几何刀具几何参数对参数对Ra 影响与控制影响与控制刀面与刀刃刀面与刀刃控制控制刀具磨纯后刀具磨纯后 Rz 增长增长 5060%刃口与刃口与r 应应光滑无缺陷光滑无缺陷刀刃前后刀面刀刃前后刀面 Ra

10、应比加工面应比加工面 Ra 小小 12 级级硬质合金刀片应抛光硬质合金刀片应抛光 Ra 0.630.62在刀具寿命许可条件下取大值在刀具寿命许可条件下取大值低速低速 o 增大增大 Ra 减小减小 宜于精加工宜于精加工三三 对对Ra 影响与控制影响与控制已加工表面质量一般采取减小一般采取减小r 易引起振动易引起振动r 、Ramax 小小 Fp 增大增大适用刚性工艺系统适用刚性工艺系统其中增大其中增大 r 最有效最有效加工条件加工条件45钢钢 YT15ao=8o r= =0.2mmap=0.5mm u uc=150mm组合对组合对 Ra 波形影响波形影响 rror刀刀尖尖圆圆弧弧副副偏偏角角主主偏

11、偏角角 rr生产中用减小生产中用减小 及加修光刃减小及加修光刃减小 Ra maxr增增大大 r 据据Ramax 可近似确定可近似确定r与与r已加工表面质量后后 角角 o 生产中用生产中用o 0o 挤压光整加工挤压光整加工提高表层硬度和疲劳强度提高表层硬度和疲劳强度精加工精加工o 适当增大：适当增大：o 8o增大增大o 减小已加工表面的摩擦减小已加工表面的摩擦 硬化硬化 鳞剌鳞剌Ra 达达 2.5 0.125 m用高精度用高精度 高刚度机床高刚度机床浇注润滑性能好切削液浇注润滑性能好切削液较低较低u uc 较小较小ap其它措施其它措施 已加工表面质量2 切削切削用量用量对对 Ra 的影响的影响低

12、速变形大低速变形大 易产生积屑瘤易产生积屑瘤、鳞剌鳞剌中速中速积屑瘤高度达到最大值积屑瘤高度达到最大值高速高速可获得较小表面粗糙度可获得较小表面粗糙度加工条件加工条件:45钢钢 P10(YT15) o=15o r =45o f =0.01mm/r p =0.5mm加工条件：高速钢加工条件：高速钢 ap=1.2mm切削速度切削速度c 已加工表面质量切削切削4545钢时切削速度与粗糙度关系钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度表面粗糙度Rz（m）481216202428变形变形系数系数K Ks s1.52.02.53.0积屑瘤高度积屑瘤高度 h h（

13、m m） 0200400600hKsRz高速钢高速钢 c 1.6 m/s控制方法控制方法选用切削液选用切削液减小减小 f 提高刀具刃磨质量提高刀具刃磨质量优选高速、中低速选较大优选高速、中低速选较大oc 10 50 m/minc 选取应选取应 避开产生积屑瘤和鳞刺避开产生积屑瘤和鳞刺已加工表面质量rfRa82max减小减小 f 优点优点 切削刃切削刃r对加工表面挤压加剧对加工表面挤压加剧 硬化严重硬化严重减小减小 f 缺点缺点降低降低 Ra 抑制积屑瘤、鳞剌抑制积屑瘤、鳞剌 不易产生振纹不易产生振纹最大缺点是降低生产效率最大缺点是降低生产效率 f 推荐值推荐值 f 选取适当减小选取适当减小 避

14、开避开( (0.150.05) )m 硬质合金硬质合金 f 不宜小于不宜小于 0.05 mm / r改善改善 f 小影响生产率措施小影响生产率措施提高提高c 选用较小选用较小r 磨出磨出b、rmaxcotcotrrafRf 对对 Ra 的影响及控制的影响及控制已加工表面质量一般来说一般来说 切削深度对加工表面粗糙度影响不明显切削深度对加工表面粗糙度影响不明显 ap 选取控制选取控制 (0.020.03)mm 在实际切削中可以忽略不计在实际切削中可以忽略不计否则不能维持正常切削否则不能维持正常切削工件工件材料韧性好材料韧性好、塑性大塑性大 对对Ra 要求低要求低减减小小切削加工切削加工Ra 措施

15、措施前工序表面中留有冷硬层要超过切削加工深度前工序表面中留有冷硬层要超过切削加工深度Ra3 工件材料工件材料对对Ra的影响及控制的影响及控制精加工前对工件进行调质处理精加工前对工件进行调质处理 提高硬度降低塑性提高硬度降低塑性精加工前安排细化晶粒的热处理工序精加工前安排细化晶粒的热处理工序ap 对对Ra的影响与控制的影响与控制已加工表面质量工件材料与刀具材料间的摩擦系数工件材料与刀具材料间的摩擦系数刀具材料的耐磨性刀具材料的耐磨性刀具材料的刃磨质量刀具材料的刃磨质量适用：适用：中低速中低速切削切削工件材料与刀具材料间的亲合程度工件材料与刀具材料间的亲合程度高高 速速 钢钢 优点：刃磨时较易获得

16、锋利刀刃和光整平面优点：刃磨时较易获得锋利刀刃和光整平面4 刀具材料刀具材料对对Ra的影响及选用的影响及选用精加工：精加工： 切削用量与切削液相配合切削用量与切削液相配合Ra 0.1252.5 m选用要点选用要点刀具材料对刀具材料对Ra的影响的影响已加工表面质量硬硬 质质 合合 金金立方氮化硼立方氮化硼与与金刚石金刚石刀具刀具适用：机床精度和工艺系统刚度良好条件下高速切削适用：机床精度和工艺系统刚度良好条件下高速切削特点特点：不出现粘屑不出现粘屑涂层涂层硬质合金硬质合金 陶瓷陶瓷材料材料高温时高温时:表面摩擦系数小表面摩擦系数小 高抗粘结能力高抗粘结能力易获得高刃磨质量易获得高刃磨质量 可保持

17、持久切削刃锋利可保持持久切削刃锋利钢钢 Ra 0.800.40 m精加工精加工 Ra（0.10.05） m铸铁铸铁 Ra 0.800.16 m已加工表面质量正正s 配合大圆弧断屑槽配合大圆弧断屑槽 流畅排屑流畅排屑r 取大值取大值,减小减小Fp 采用低或高采用低或高c 增大增大 f 减小减小 ap 振动类型：自由振动振动类型：自由振动 受迫振动受迫振动 自激振动自激振动刀具角度刀具角度 取小取小ao 增大后面与工件间摩擦阻尼增大后面与工件间摩擦阻尼 磨消振棱磨消振棱o 中低速时中低速时取较大值取较大值 降低降低Fc o h 振纹表面后继切削发生再生颤振振纹表面后继切削发生再生颤振切削无振纹表面

18、发生初生颤振切削无振纹表面发生初生颤振 r 尽量取小值尽量取小值综合考虑刀具寿综合考虑刀具寿命与表面粗糙度命与表面粗糙度切削用量切削用量 4 控制振纹措施控制振纹措施已加工表面质量切削液对切削液对Ra 作用不明显作用不明显5 合理使用合理使用切削液切削液使用切削液使用切削液干切削干切削较较低低切削切削速速度度是提高是提高Ra的的常用方法常用方法低速时低速时 可使用切削液可使用切削液控制积屑瘤控制积屑瘤、鳞刺鳞刺高速时高速时易被切屑流出时带走、零件转动时被甩出易被切屑流出时带走、零件转动时被甩出已加工表面质量P98 表表9-2100%0HHN100%00HHHN2 9.4 加工硬化加工硬化1 产

19、生原因产生原因 1、3变形区刀具对塑性工件挤压摩擦变形区刀具对塑性工件挤压摩擦后续加工难度增大后续加工难度增大 提高应力集中现象提高应力集中现象 工件表面易产生裂纹工件表面易产生裂纹3 影响：提高零件耐磨性、抗冲击韧性下降影响：提高零件耐磨性、抗冲击韧性下降0.1 0.5mm强化工件表面层的塑性变形强化工件表面层的塑性变形加工硬化加工硬化.rmvb已加工表面质量00.20.40.60.81.0磨损磨损宽度宽度VB(mmVB(mm)1 001 802 603 40硬度硬度(HV)50钢，钢，v = 40(m/min) f = 0.120.2(mm/z)后刀面磨损对冷硬影响后刀面磨损对冷硬影响f

20、和和 v 对冷硬的影响对冷硬的影响硬度硬度(HV)0f (mm /r)0.20.40.60.8v =170(m/min)135(m/min)100(m/min )50(m/min)1 002 003 004 00工件材料：工件材料：45二二 影响因素及控制措施影响因素及控制措施 1 影响因素影响因素 切削用量切削用量 f 冷硬程度冷硬程度切削速度影响复杂切削速度影响复杂背吃刀量影响不大背吃刀量影响不大刀具影响刀具影响 r 冷硬程度冷硬程度其他几何参数影响不明显其他几何参数影响不明显后刀面磨损影响显著后刀面磨损影响显著工件材料工件材料材料塑性材料塑性 冷硬倾向冷硬倾向力力 与与 热热综合作用综合

21、作用已加工表面质量增大增大o o 保持切削刃锋利保持切削刃锋利选择选择性能性能良好良好的的切削液切削液控制后刀面的磨损量控制后刀面的磨损量 减轻后面的挤压摩擦减轻后面的挤压摩擦减小减小 f 降低降低Fc、减小表层塑变程度减小表层塑变程度提高提高u uc 减少刀具与工件接触时间减少刀具与工件接触时间 减小塑性变形程度减小塑性变形程度切削温度上升可切削温度上升可 减小硬化程度和硬化层深度减小硬化程度和硬化层深度 不能过小不能过小 防止切削刃纯圆部分在已加工表面挤压次数增多防止切削刃纯圆部分在已加工表面挤压次数增多2 控制措施控制措施已加工表面质量2 成成 因因疲劳强度疲劳强度 残余拉应力降低残余拉

22、应力降低、残余压应力提高残余压应力提高 精度稳定性精度稳定性 应力减弱消失使零件尺寸形状受损应力减弱消失使零件尺寸形状受损3 影影 响响蠕变作用蠕变作用9.5 残余应力残余应力1 特点特点：应力应力值距表层值距表层高度变化高度变化、最最外外层与层与里里层层符号相反符号相反弹塑性变形弹塑性变形：里层弹性变形恢复受塑变表层牵制产生里层弹性变形恢复受塑变表层牵制产生热塑性变形热塑性变形：降至室温降至室温 表层收缩大表层收缩大 里层收缩小里层收缩小相变作用相变作用：达金属相变温度：达金属相变温度 急冷后表层相变比容增大急冷后表层相变比容增大 内部内部彼此彼此平衡平衡 但又但又不稳定不稳定 残余拉应力残

23、余拉应力残余压应力残余压应力 塑变表层收缩受到里层的牵制塑变表层收缩受到里层的牵制表层体积膨胀受到里层牵制表层体积膨胀受到里层牵制一一 加工表面层中残余应力加工表面层中残余应力已加工表面质量f 对残余应力的影响对残余应力的影响工件：工件：4545，切削条件：，切削条件：v vc c=86m/min =86m/min ap = =2mm 干切削干切削 残余应力残余应力(Gp(Gpa a) )0.2000.20010200300400距离表面深度距离表面深度( (m)m) f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/rv vc c 对残余应力的影响对残余应力的影响0 0=5=5,0 0=5=5,r r=75=75,r,r=0.8mm,=0.8mm,工件：工件：4545切削条件切削条件ap=0.3mm, f=0.05mm/r, ,不加切削液不加切削液050100150200