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1、第三节机械加工表面质量 机械制造工程 第三章 评价零件的质量指标除机械加工精度外 还包括机械加工表面质量表面质量是指零件加工后的表面层状态表面质量影响零件的工作性能 可靠性 寿命 概述 一 机械加工表面质量的含义1 表面层的几何形状特征表面粗糙度 即表面微观几何形状误差表面加工纹理 即表面切削加工刀纹的形状和方向表面波度 介于宏观几何误差与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差伤痕 加工表面个别位置出现的缺陷 2 表面层的物理力学性能的变化物理力学性能 表面层塑性变形引起的冷作硬化层深度 表面层硬度的变化 表面层内的残余应力 刀瘤引起的撕裂 折皱等 微观及宏观裂纹 性能的变化 如强度等 重熔金属的
2、沉积层金相组织 相变 再结晶 过时效 化学性质 晶间腐蚀和选择性浸蚀 表面脆化 氢脆 二 表面质量对零件使用性能的影响1 表面质量对零件耐磨性的影响两零件作相对运动时 接触的凸峰处产生弹性变形 塑性变形 剪切等现象 即产生磨损 磨损达到一定程度 接触面积增大 金属分子间的亲和力使表面咬焊 表面轮廓形状 加工纹路以及吸附层 冷作硬化层等也影响耐磨 零件表面层材料的冷作硬化 能提高表面层的硬度 增强表面层的接触刚度 减少摩擦表面间发生弹性和塑性变形的可能性 使金属之间咬合的现象减少 因而增强耐磨性 但硬化过度会降低金属组织的稳定性 使表层金属脆化而脱落 致使磨损加剧 2 表面质量对零件疲劳强度的影
3、响表面粗糙度 划痕 裂纹等缺陷引起应力集中而产生疲劳损坏 表面层的残余应力和冷作硬化能提高疲劳强度 故有专门的表面强化工艺 喷丸 滚压 但硬化过度会降低金属组织的稳定性 使表层金属脆化而脱落或产生裂纹 致使磨损加剧 3 表面质量对零件耐腐蚀性能的影响零件表面粗糙的凹谷处容易积聚腐蚀性介质而发生化学腐蚀或电化学腐蚀 在应力状态下 特别是在拉应力状态下工作 容易出现裂纹 引起晶间破坏 产生应力腐蚀 4 表面质量对零件间配合性质的影响相配零件的配合关系是利用间隙量和过盈量来表示的 由于表面粗糙度的存在 使得有效的间隙或过盈量发生变化 影响配合精度和配合性质 动配合件的磨损改变原来的配合性质 影响动配
4、合的稳定性 粗糙的静配合的实际过盈量比预定的小 静配合的可靠性差 5 表面质量对零件其他性能的影响零件的表面质量还将影响零件的密封性能零件的接触刚度运动的灵活性和发热损失原有精度等 影响表面质量的因素机械加工表面不可能是理想光滑表面表面层材料加工时会产生物理 化学变化切削力 切削热使表层产生各种变化外界介质的腐蚀等等 三 影响机械加工表面粗糙度的因素及降低表面粗糙度的工艺措施1 影响切削加工表面粗糙度的因素几何因素尖刀切削时 带圆角半径的刀切削时 影响表面粗糙度的几何因素有 刀具的几何形状和几何角度进给量刀刃本身的粗糙度物理因素切削力和摩擦力塑性变形过程中形成的积屑瘤切削过程中工件表面上形成鳞
5、刺 工艺系统的动态因素 振动机械振动分为自由振动 强迫振动 自激振动三大类 金属切削过程中 主要是强迫振动和自激振动两种类型振动主要是产生波度 粗糙度而影响零件表面质量 机械振动破坏正常切削运动的表现使成形运动受到干扰 使加工表面出现振纹 恶化加工表面质量 引起崩刃 引起机床 夹具松动 缩短刀具及机床 夹具的使用寿命 限制切削用量的提高 降低生产效率 甚至使切削加工无法继续进行 噪声污染环境 有害工人身心健康 机械振动的基本类型强迫振动 指在外界周期性变化的干扰力作用下产生的振动 自激振动 指切削过程本身引起切削力周期性变化而产生的振动 自由振动 指由于切削力突然变化或其它外界偶然原因引起的振
6、动 机械加工过程中主要是强迫振动和自激振动 机械加工过程中产生强迫振动的原因机床 传动零件制造精度不高 主轴与轴承间隙过大 往复机构的转向和冲击 皮带接头太粗 某些零件缺陷刀具 多刀 多刃 刃高误差 断续切削引起的冲击工件 断续表面 表面余量不均或硬度不一 强迫振动的特点强迫振动的稳态过程是谐振 只要干扰力存在 振动就不会被阻尼衰减掉 去除干扰力 振动就停止 频率等于干扰力的频率 增加阻尼 能有效地减小振幅 在共振区 较小的频率变化会引起较大的振幅和相位角的变化 消除强迫振动的途径改进机床传动结构 进行消振与隔振消除回转零件的不平衡提高传动件的制造精度提高系统刚度 增加阻尼合理安排固有频率 避
7、开共振区 自激振动产生的机理系统受到外界或本身某些偶然的瞬时干扰力作用而触发的振动由振动过程本身的某种原因使得切削力产生周期性变化 又由这个周期性变化的动态力反过来加强和维持振动 电铃自激振动原理 自激振动的特点是一种不衰减的振动其频率等于或接近于系统的固有频率能否产生以及振幅的大小 取决于每一振动周期内系统所获得的能量与所消耗的能量的对比情况其形成和持续均由于过程本身产生的激振和反馈作用 消除自激振动的途径合理选择与切削过程有关的参数合理选择切削用量合理选择刀具的几何参数提高工艺系统本身的抗振性提高机床的抗振性提高刀具的抗振性提高工件安装时的刚性使用消振器装置 防振车刀 薄壁封砂床身 车床上
8、用冲击消振器 镗杆上用冲击消振器 干摩擦阻尼器 液体阻尼器 2 减小表面粗糙度值的工艺措施合理选择刀具的几何角度适当增大前角 后角增大刀尖圆弧半径减小主 副偏角通过热处理改善材料切削性能减小材料塑性 采取正火 调质等方法 细化材料晶粒 热处理 合理选择切削用量合理选择切削速度 避开积屑瘤 鳞刺产生的切削速度区减少进给量切削深度不宜过小正确使用切削液乳化液 硫化油 植物油等性能各有不同 应合理选用 采用辅助加工方法常用的有 研磨 珩磨 超精加工等提高工艺系统的精度和刚度主运动和进给运动系统的精度要高系统的刚度和抗振性好受力变形和热变形要小 四 影响表面物理力学性能的工艺因素 1 表面层的残余应力
9、表面层残余应力的产生当切削过程中表面层组织发生形状变化和组织变化时 在表面层及其与基体材料的交界处就会产生互相平衡的弹性应力 称为表面残余应力 残余应力分类 零件整个尺寸范围内平衡的残余应力晶粒范围内平衡的残余应力晶胞间平衡的残余应力 残余应力产生的原因冷塑性变形 切削力的作用 热塑性变形 切削热的作用 金相组织变化 切削高温作用下 引起表面层金属发生相变 通常是上述三种原因综合作用的结果 2 表面层的加工硬化表面冷作硬化现象切削 含磨削 过程中 刀具前面迫使金属受到挤压而产生塑性变形 使晶体间产生剪切滑移 晶格严重扭曲 并使晶粒拉长 破碎和纤维化 引起材料强化 硬度提高 这就是冷作硬化现象
10、表面层硬化后的金属性质的具体特点晶体形状改变 拉长 破碎 晶体方向改变 塑变后形成纤维化 变形抵抗力增加 产生冷作硬化 导电性 导磁性 导热性亦有变化表面层产生残余应力 决定表面层硬化程度的因素产生塑性变形的力塑性变形的速度塑性变形时的温度 影响加工冷作硬化的因素切削用量 主要是切削速度 进给量 切削速度的影响 低速时 塑性变形大 冷硬大 速度增加 冷硬减少 但速度超过100m min时 冷硬又增加 进给量增大 塑性变形增大 冷硬增加 进给量太小 刀具挤压作用增大 冷硬增加 刀具 刀具的刃口圆角大和后刀面的磨损严重以及前刀面的粗糙度高 都将使得刀具对工件表面层金属的挤压和摩擦作用增加 因而冷硬
11、程度和深度都增加 工件材料的影响 工件材料硬度越低 切削时塑性变形越大 冷硬现象越严重 五 磨削加工的表面质量1 磨削加工的特点磨削精度高 通常作为终加工工序磨削过程比切削复杂 一般滑擦 刻划 切削作用是同时进行的磨削速度高 通常v砂 40 50m s 目前甚至高达v砂 80 200m s磨削温度高 磨削点附近的瞬时温度可高达800 1000 会引起烧伤和裂纹径向切削力大 会引起机床发生振动和弹性变形 2 影响磨削加工表面粗糙度的因素砂轮的线速度 砂轮线速度越高 粗糙度越低工件的线速度 工件线速度越低 粗糙度越低纵向进给量 纵向进给量增加 粗糙度增大光磨次数 光磨次数越多 粗糙度越低磨削温度
12、应合理使用切削液 砂轮性质对粗糙度影响 砂轮的粒度砂轮的硬度砂轮的修整工件材料的影响 硬度 塑性 导热性等影响较大 工件材料太软 太硬 太韧都不容易降低粗糙度 3 磨削表面层的残余应力 磨削裂纹问题磨削过程中残余应力的产生磨削加工比切削加工的表面残余应力更为复杂 一方面 磨粒切削刃为负前角 法向切削力一般为切向切削力的2 3倍 切削加工时只有0 5倍 磨粒对加工表面作用 引起冷塑性变形 产生压应力 另一方面 磨削温度高 易引起热塑性变形 表面出现拉应力 磨削时 残余应力可能超过材料的强度极限 零件会产生裂纹 有的在外表层 有的在内层下 裂纹方向常与磨削方向垂直 或呈网状 裂纹常与烧伤同现 磨削
13、裂纹产生的原因磨削用量 磨削深度和纵向走刀量大 则塑性变形大 切削温度高 拉应力过大 可能产生裂纹工件材料 含碳量高者易裂纹热处理工序 与淬火方式 速度及操作方法有关 消除和减少磨削裂纹的措施合理选材正确制订热处理工艺逐渐减小切除量改善散热条件 加强冷却效果 设法降低切削热合理选择砂轮 4 磨削表面层金相组织变化 磨削烧伤问题磨削过程中的烧伤问题磨削过程中 由于磨削温度很高 而且磨削热有60 80 传给工件 当磨削温度超过相变临界点时 则会引起工件表面的金相组织发生变化 此时表面层的显微硬度也相应发生变化 这种现象称为磨削烧伤 磨削烧伤的类型磨削淬火钢时 会产生如下三种金相组织变化退火烧伤 磨
14、削温度超过相变温度Ac3 未予冷却时淬火烧伤 磨削温度超过相变温度Ac3 充分冷却时回火烧伤 磨削温度低于相变温度Ac3 但超过350 时 三种烧伤以退火烧伤最为严重磨削后 表面常出现黄 褐 紫 青等烧伤色 这是工件在瞬时高温下产生的氧化膜颜色 相当于回火时的颜色 影响烧伤的因素磨削用量磨削深度增加 烧伤增加纵向进给量增加 烧伤减少工件转速增大 发热量增大 但接触时间缩短 工件材料材料硬度高 磨削热量多 易烧伤材料过软 易堵塞砂轮而产生烧伤材料强度高 耗功多 发热量大 易烧伤材料韧性好 磨削力大 发热量大 易烧伤材料导热性能差 易烧伤 砂轮选择砂轮硬度太高 自砺性差 易发生烧伤树脂结合剂比陶瓷
15、结合剂容易产生烧伤橡胶结合剂比树脂结合剂更易产生烧伤砂轮粒度越细 越容易发生烧伤冷却条件 冷却 散热条件越差 越易发生烧伤 避免烧伤的途径设法减少磨削热量的产生 加速热量的传出 采取强有力冷却方式合理选择磨削用量 适当提高工件的转速考虑工件材料的硬度 塑性 韧性 热导率的影响合理选择砂轮的硬度和粒度 带有空气挡板的切削液喷嘴 内冷却砂轮结构 六 控制表面质量的工艺途径提高加工表面质量的加工方法低效率 高成本的工艺措施 寻求各工艺参数的最佳组合 以降低表面粗糙度着重改善表面的物理力学性能 提高工件的表面质量 1 降低表面粗糙度的加工方法超精密切削和小粗糙度值磨削主要是在机床上下功夫采用超精加工
16、珩磨 研磨 抛光等方法作为终工序加工 珩磨原理及磨粒运动轨迹 外圆研磨 在车床上研磨外圆 2 改善表面物理力学性能的加工方法滚压加工利用淬过火的滚压工具对工件表面施加压力 使其产生塑性变形 金属表面晶格产生畸变 硬度增加 并使表面冷和产生残余 压 应力 从而提高零件的承载能力和疲劳强度金刚石压光利用金刚石挤压 压光后Ra值可达0 4 0 02 m 喷丸强化利用大量的珠丸 0 4 2的铸铁 砂石或钢丸 高速打击已加工表面 使表面产生冷硬层和残余 压 应力 从而提高零件的疲劳强度液体磨料强化利用液体和磨料的混合物高速喷射到已加工表面 以强化工件表面 提高工件的耐磨性 抗蚀性和抗疲劳强度 典型滚压加工 外圆滚压工具 液体磨料喷射加工原理 返回
