机械加工质量(3)－金锄头文库

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1、 3.7 机械加工表面质量概述,掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高产品性能的目的。,实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量。,研究机械加工表面质量的目的：,机械产品的失效形式,因设计不周而导致强度不够；磨损、腐蚀和疲劳破坏。,少数,多数,上一页下一页,机械加工表面质量对零件使用性能的影响,一、机械加工表面质量的含义：,1表面的几何特征,2表面层物理力学、化学性能,(1)表面粗糙度 (2)表面波度 (3)纹理方向,(1)表面层加工硬化(

2、冷作硬化) (2)表面层金相组织变化 (3)表面层产生残余应力,上一页下一页,1、表面的几何形状特征,加工后表面形状，总是以“峰”、“谷”的形式偏离其理想光滑表面。按偏离程度有宏观和微观之分。,波距：峰与峰或谷与谷间的距离，以L表示；波高：峰与谷间的高度，以H 表示。,波距与波高,L/H1000时，属于宏观几何形状误差； L/H50时，属于微观形状误差，称作表面粗糙度； L/H = 501000时，称作表面波度；,主要是由机械加工过程中工艺系统低频振动所引起。,上一页下一页,纹理方向是指表面刀纹的方向，取决于表面形成所采用的机械加工方法。一般运动副或密封件对纹理方向有要求。,伤痕是

3、指在加工表面个别位置出现的缺陷，如沙眼、气孔、裂痕等。,上一页下一页,2、表面层物理力学、化学性能,表示方法,(1)表面金属层的冷作硬化指工件在加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形，使工件加工表面层的强度和硬度都有所提高的现象。,冷硬层深度 h 硬化程度 N,硬化程度：,其中：,H加工后表面层的显微硬度 H0材料原有的显微硬度,上一页下一页,(2)表面层金相组织变化,(3)表面层产生残余应力,加工中，由于切削热的作用引起表层金属金相组织发生变化的现象。如磨削时常发生的磨削烧伤，大大降低表面层的物理机械性能。,加工中，由于切削变形和切削热的作用，工件表层及其基体材料的交界处产生相互平衡的

4、弹性应力的现象。残余应力超过材料强度极限就会产生表面裂纹。,上一页下一页,二、加工表面质量对机器零件使用性能的影晌,1表面质量对零件耐磨性的影响,第一阶段初期磨损阶段第二阶段正常磨损阶段第三阶段急剧磨损阶段,零件的磨损可分为三个阶段,不是表面粗糙度值越小越耐磨，在一定工作条件下，摩擦副表面总是存在一个最佳表面粗糙度值，表面粗糙度Ra值约为0.320.25m较好。,表面粗糙度对摩擦副的影响,上一页下一页,重载情况下，由于压强、分子亲和力和润滑液的储存等因素的变化，其规律与上述有所不同。,表面纹理方向对耐磨性的影响,影响金属表面的实际接触面积和润滑液的存留情况,轻载时，两表面的纹理方

5、向与相对运动方向一致时，磨损最小；当两表面纹理方向与相对运动方向垂直时，磨损最大。,过度的加工硬化会使金属组织疏松，甚至出现疲劳裂纹和产生剥落现象使耐磨性下降。,表面层的加工硬化对耐磨性的影响,由于加工硬化提高了表面层的强度减少了表面进一步塑性变形和咬焊的可能。一般能提高耐磨性0.5 1倍。,上一页下一页,2表面质量对零件疲劳强度的影响（3方面）,在交变载荷作用下，零件表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷容易形成应力集中，并发展成疲劳裂纹，零件疲劳破坏。,1方面：表面粗糙度的影响,对于重要零件表面如连杆、曲轴等，应进行光整加工，减小表面粗糙度值，提高其疲劳强度。,上一页下一页,2表面质量对零件疲劳

6、强度的影响（3方面）,适当的加工硬化能阻碍已有裂纹的继续扩大和新裂纹的产生，有助于提高疲劳强度。但加工硬化程度过大，易产生裂纹加工硬化程度应控制在一定范围内。,1）拉应力加剧疲劳裂纹的产生和扩展；,2方面：表面残余应力对疲劳强度的影响,影响极大,3方面：表面层的加工硬化对疲劳强度影响,2）残余压应力，能延缓疲劳裂纹的产生、扩展，而使零件疲劳强度提高。,上一页下一页,3表面质量对零件耐腐蚀性的影响,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；,表面粗糙度的影响,表面粗糙度值越大，越容易积聚腐蚀性物质；波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。,零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表

7、面粗糙度,表面残余应力对零件耐腐蚀性影响,拉应力则降低耐腐蚀性,上一页下一页,4表面质量对配合性质的影响,表面残余应力会引起零件变形，使零件形状和尺寸发生变化，因此对配合性质有一定的影响。,相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。,表面粗糙度的影响,对间隙配合而言，表面粗糙度值太大，会使配合表面很快磨损而增大配合间隙，改变配合性质，降低配合精度。,对过盈配合而言，装配时配合表面的波峰被挤平，减小实际过盈量，降低了连接强度，影响了配合的可靠性。,表面残余应力的影响,上一页下一页,刀尖圆弧半径主偏角副偏角进给量,3.8 影响表面粗糙度的工艺因素及其改善措施,表面粗糙度的形成和影响

8、因素,几何因素物理因素,一、切削加工表面粗糙度,切削残留面积的高度,金相组织,切削液的选用及刀具刃磨质量,P137图7-3,上一页下一页,金相组织越大，粗糙度也越大；,由刀具相对于工件作进给运动时在加工表面上遗留下来的切削层残留面积。理论上的最大粗糙度Rmax （图中H）可由刀具形状、进给量f，按几何关系求得。当不考虑刀尖圆弧半径时：,图车削时的残留面积高度,几何因素,当背吃刀量和进给量很小时，粗糙度主要由刀尖圆弧构成：,上一页下一页,主要是与被加工材料的性能及切削机理有关的物理因素的影响。切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工件挤压与摩擦而产生塑性变形。韧性越好的材料塑性变形越大，且容

9、易出现积屑瘤与鳞刺，使粗糙度严重恶化。,图塑性材料加工后表面的实际轮廓和理论轮廓,物理因素,实际粗糙度与理论粗糙度差别较大,还有切削用量、冷却润滑液和刀具材料等因素影响,上一页下一页,几何原因塑性变形机械加工振动,二、磨削过程中表面粗糙度的形成,1、形成因素,切削用量砂轮的粒度和砂轮的修整情况,(1) 几何原因,1）切削用量对表面粗糙度的影响,上一页下一页,砂轮的速度,单位时间内的磨削量，粗糙度；,工件的速度,单位时间内的磨削量，粗糙度；,砂轮纵向进给速度,每部位重复磨削次数，粗糙度。,2）砂轮的粒度和砂轮的修整对表面粗糙度的影响,砂轮的粒度,磨粒的大小磨粒间的距离,砂

10、轮的粒度号，参与磨削的磨粒，粗糙度；,砂轮的粒度号越大，磨粒和磨粒间距离越小,修整砂轮时，纵向进给量对表面粗糙度的影响甚大；,纵向进给量砂轮表面的等高性越好，粗糙度。,上一页下一页,（2）金属表面层的塑性变形,在磨削过程中，由于磨粒大多具有很大的负前角，很不锋利，所以大多数磨粒在磨削时只是对表面产生挤压作用而使表面出现塑性变形，磨削时的高温更加剧了塑性变形，增大了表面粗糙度值。,砂轮转速，切削速度，工件材料来不及变形，塑性变形，粗糙度；,工件转速，工件材料塑性变形，粗糙度；切削深度，工件材料塑性变形，粗糙度；,合理选用砂轮和切削液，有利于减少塑性变形，降低粗

11、糙度。,上一页下一页,对磨削表面粗糙度来说，振动是主要影响因素。振动产生的原因很多，将在后面讲述。,3加工时的振动,上一页下一页,3.9 工艺系统的振动,1自由振动 2强迫振动 3自激振动,一、机械振动的分类,当系统受到初始干扰力作用而破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动。,1自由振动,在切削过程中，加工材料硬度不均或工件表面有缺陷，都会引起自由振动，但由于阻尼作用，振动将迅速减弱，因而对机械加工影响不大。,振动的频率就是系统的固有频率；自由振动将逐渐衰减。,由于系统中总存在阻尼,特点,产生原因：,本节主要讨论机械加工过程中强迫振动和自激振动的规律。,上一页下一页,既可

12、指工艺系统以外也可指工艺系统内部由刀具和工件组成的切削系统,2强迫振动,强迫振动由外界周期性激振力引起和维持的振动。,外界,在定条件下，由振动系统本身产生的交变力激发和维持的一种稳定的周期性振动称为自激振动。,质量、弹簧和阻尼以外,3自激振动,上一页下一页,二、振动对机械加工的影响,(1)影响零件的表面质量振动破坏了工艺系统的各种成形运动，使工件与刀具的相对位置发生周期性的改变，因而振动频率低时产生波度，振动频率高时将增大表面粗糙度值。,振动对加工质量和生产率有很大影响，主要表现在:,(2)影响生产率为了避免发生振动或减小振动，有时不得不降低切削用量，从而限制和影响生产率的提高。,(

13、3)影响机床、夹具和刀具寿命振动使刀具受到附加动载荷，加速刀具磨损，有时甚至发生崩刃；同时振动使机床、夹具等零件的连接部分松动，从而增大间隙，降低刚度和精度，缩短其使用寿命。,(4)振动噪声污染工作环境由于高频振动会发出刺耳的尖叫声，造成噪声污染，危害操作者的身心健康。,上一页下一页,通常，机械加工过程中产生的振动对机械加工来讲是十分有害的。,振动的利用,上一页下一页,近来，对切削机理进行研究得到这样的观点，即在切削过程中，切屑不是根据刀尖与工件间的静力学关系形成，而是由连续地产生与一次冲击破坏机理相类似的动力学关系而形成的。,有人利用振动来更好地切削，如振动磨削、振动研抛、超声波加工

14、等，都是利用振动来提高表面质量或生产率。,四、机械加工中振动的控制（书P164）,消除或减弱产生机械振动的条件；,改善工艺系统的动态特性，增强工艺系统的稳定性；,采取各种消振减振装置。,五、经济加工精度和表面粗糙度（看书P164）,上一页下一页,五、机械加工的经济精度和表面粗糙度（看书P164）,影响加工的精度的因素有很多，如机床本身的精度、切削余量、进给速度、刀具磨损情况等。也就是说，同一种加工方法，随着加工条件的改变，所能达到的加工精度是不一样的。所谓经济精度是这样定义的。,各种加工方法的加工误差和加工成本之间存在一定的关系。这种关系呈负指数函数曲线形状。,是指在正常的机床、刀具、人工等

15、工作条件下，以合适的工时消耗，某种加工方法所能达到的加工精度。在经济精度范围内，加工精度和加工成本是相互适应的。, 有利于合理地选择加工方法；有利于准确地标注产品的技术要求。,经济精度：,经济精度的重要性：,各种加工方法的加工经济精度及表面粗糙度可查阅手册。如书本P165 P167页。,经济精度局限性的表现：有的加工方法因受到工件材料或加工尺寸的限制而不宜采用该加工方法；如：车、铣、刨、钻等加工方法不能加工已淬硬钢；铰孔不宜加工大孔；镗孔不宜加工小孔。有时会碰到多种加工方法都能达到所需的加工要求，对此需进一步对加工成本进行定量分析，择优采用；经济精度的数值不是一成不变的。随着技术进步，尤其是计算机技术在制造系统中的广泛应用，使得一些加工方法的加工精度和生产不断提高，成本不断下降。经济精度的数值不断下降。,

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