《机械制造工艺》课件-机械表面加工质量及其对零件使用性能的影响

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机械加工表面质量及其对零件使用性能的影响机械加工表面质量的定义任何机械加工所得到的零件表面，实际上都不是完全理想的表面。实践表明，机械零件的破坏，一般都是从表面层开始的，这说明零件的机械加工表面质量对产品的质量有很大影响。机械加工表面质量包括两个方面的内容：加工表面的几何形貌和表面层材料的力学物理性能和化学性能。机械加工表面质量的定义由加工过程中刀具与被加工工件的相对运动在加工表面上残留的切痕、摩擦、切屑分离时的塑性变形以及加工系统的振动等因素的作用，在工件表面上留下的表面结构。01加工表面的几何形貌机械加工表面质量的定义01加工表面的几何形貌图5-1无氧铜镜面三维形貌和表面轮曲线图a)表面三维形貌b)表面轮廊曲线图机械加工表面质量的定义01加工表面的几何形貌表面粗糙度这是加工表面的微观几何轮廓，波长与波高的比值一般小于50。它反映了零件表面的微观不平度。机械加工表面质量的定义01加工表面的几何形貌表面波度加工表面上波长与波高的比值等于50～1000的周期性几何轮廓，也称为波纹度；它是由机械加工中的振动引起的。加工表面上波长与波高比值大于1000的几何轮廓，称为宏观几何轮廓，它属于加工精度范畴。机械加工表面质量的定义01加工表面的几何形貌纹理方向指表面刀纹的方向，取决于所采用的机械加工方法。机械加工表面质量的定义01加工表面的几何形貌表面缺陷加工表面上出现的缺陷，如砂眼、气孔、裂痕等。机械加工表面质量的定义由于机械加工中力因素和热因素的综合作用，加工表层金属的力学物理性能和化学性能将发生一定的变化，主要反映在三个方面。02表面层材料的力学物理性能和化学性能机械加工表面质量的定义02表面层材料的力学物理性能和化学性能表面层金属的冷作硬化表层金属的冷作硬化表层金属硬度的变化用硬化程度和硬化层深度两个指标来衡量。在机械加工过程中，工件表层金属都会有一定程度的冷作硬化，使表层金属的显微硬度有所提高。一般情况下，硬化层的深度可达0.05-0.30mm；若采用滚压加工，硬化层的深度可达几毫米。机械加工表面质量的定义02表面层材料的力学物理性能和化学性能表面层金属的金相组织变化机械加工过程中，由于切削热的作用会引起表面层金属的金相组织发生变化。在磨削淬火钢时，由于磨削热的影响会引起淬火钢马氏体的分解，或出现回火组织等。机械加工表面质量的定义02表面层材料的力学物理性能和化学性能表面层金属的残余应力由于切削力和切削热的综合作用，表面层金属晶格会发生不同程度的塑形变形或产生金相组织的变化，使表面层金属产生残余应力。机械加工表面质量对零件使用性能的影响由于零件表面存在微观不平度和波纹度，当两个零件表面相互接触时，实际上有效接触面积只是名义接触面积的一小部分，表面波纹度越大、表面粗糙度值越大，有效接触面积就越小。01表面质量对耐磨性的影响表面粗糙度、波纹度对耐磨性的影响机械加工表面质量对零件使用性能的影响在两个零件做相对运动时，开始阶段由于接触面积小，压强大，在接触点的凸峰处会产生弹性变形、塑性变形及剪切等现象，这样凸峰很快就会被磨掉。被磨掉的金属微粒落在相配合的摩擦表面之间，会加速磨损过程。01表面质量对耐磨性的影响表面粗糙度、波纹度对耐磨性的影响机械加工表面质量对零件使用性能的影响即使是有润滑液存在的情况下，也会因为接触点处压强过大，破坏油膜，形成干摩擦。01表面质量对耐磨性的影响表面粗糙度、波纹度对耐磨性的影响机械加工表面质量对零件使用性能的影响01表面质量对耐磨性的影响零件表面在起始磨损阶段的磨损速度很快，起始磨损量较大，随着磨损的发展，有效接触面积不断增大，压强也逐渐减小，磨损将以较慢的速度进行，进人正常磨损阶段；表面粗糙度、波纹度对耐磨性的影响机械加工表面质量对零件使用性能的影响01表面质量对耐磨性的影响在这之后，由于有效接触面积越来越大，零件间的金属分子亲和力增加，表面的机械咬合作用增大，使零件表面又产生急剧磨损而进人快速磨损阶段，此时零件将不能继续使用。表面粗糙度、波纹度对耐磨性的影响机械加工表面质量对零件使用性能的影响01表面质量对耐磨性的影响表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般来说，表面粗糙度值越小，其耐磨性越好；但是表面粗糙度值太小，因接触面容易发生分子粘接，且润滑液不易储存，磨损反而增加。表面粗糙度、波纹度对耐磨性的影响机械加工表面质量对零件使用性能的影响01表面质量对耐磨性的影响表面粗糙度的最优值与零件工况有关，图中给出了不同工况下表面粗糙度值与起始磨损量的关系曲线。载荷加大时，起始磨损量增大，表面粗糙度最优值也随之加大。表面粗糙度、波纹度对耐磨性的影响机械加工表面质量对零件使用性能的影响01表面质量对耐磨性的影响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有影响的原因是纹理形状及刀纹方向将影响有效接触面积与润滑液的存留。一般来说，圆弧状、凹坑状表面纹理的耐磨性好；尖峰状的表面纹理由于摩擦副接触面压强大，耐磨性较差。机械加工表面质量对零件使用性能的影响01表面质量对耐磨性的影响表面纹理对耐磨性的影响在运动副中，两相对运动零件表面的刀纹方向均与运动方向相同时，耐磨性较好；两者的刀纹方向均与运动垂直时，耐磨性最差；其余情况居于上述两种状态之间。机械加工表面质量对零件使用性能的影响01表面质量对耐磨性的影响表面纹理对耐磨性的影响在重载工况下，由于压强、分子亲和力及润滑液储存等因素的变化，耐磨性规律可能会有所不同。机械加工表面质量对零件使用性能的影响01表面质量对耐磨性的影响冷作硬化对耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，一般都能使耐磨性有所提高。其主要原因是：冷作硬化使表层金属的纤维硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形，故可减少磨损。机械加工表面质量对零件使用性能的影响当冷作硬化硬度达380HBW左右时，耐磨性最佳；若进一步加强冷作硬化，耐磨性反而降低，这是由于过度的硬化将引起金属组织疏松，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，这会加速零件的磨损。01表面质量对耐磨性的影响冷作硬化对耐磨性的影响机械加工表面质量对零件使用性能的影响表面粗糙度对疲劳强度的影响表面粗糙度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。02表面质量对疲劳强度的影响表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件疲劳强度越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抵抗疲劳破坏的能力越差。机械加工表面质量对零件使用性能的影响表面粗糙度对疲劳强度的影响表面粗糙度对疲劳强度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。02表面质量对疲劳强度的影响钢材对应力集中最为敏感，钢材的强度越高，对应力集中的敏感程度就越大，而铸铁和非铁金属对应力集中的敏感性相对较弱。机械加工表面质量对零件使用性能的影响表层金属的力学物理性质对疲劳强度的影响表层金属的冷作硬化能够阻止疲劳裂纹的生长，可提高零件的疲劳强度。在实际加工中，加工表面在发生冷作硬化的同时，必然伴随着残余应力的产生。02表面质量对疲劳强度的影响机械加工表面质量对零件使用性能的影响表层金属的力学物理性质对疲劳强度的影响残余应力有拉应力和压应力之分，拉伸残余应力将使疲劳强度下降，而压缩残余应力可使疲劳强度提高。02表面质量对疲劳强度的影响机械加工表面质量对零件使用性能的影响表面粗糙度对耐蚀性的影响零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。大气里所含气体和液体与金属表面接触时，会凝聚在金属表面上使金属腐蚀。03表面质量对耐蚀性的影响表面粗糙度值越大，加工表面与气体、液体接触的面积越大，腐蚀物质越容易沉积于凹坑中，耐蚀性能就越差。机械加工表面质量对零件使用性能的影响表层金属力学物理性质对耐蚀性的影响当零件表面层有残余压应力时，能够阻止表面裂纹的进一步扩大，有利于提高零件表面抵抗腐蚀的能力。03表面质量对耐蚀性的影响机械加工表面质量对零件使用性能的影响对于间隙配合表面，起始磨损的影响最为显著。零件配合表面