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1、第三章机械加工表面质量及其控制 零件的机械加工质量不仅指加工精度 而且包括加工表面质量 机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面 它存在着不同程度的表面粗糙度 冷硬 裂纹等表面缺陷 虽然只有极薄的一层 几微米 几十微米 但都错综复杂地影响着机械零件的精度 耐磨性 配合精度 抗腐蚀性和疲劳强度等 从而影响产品的使用性能和寿命 因此必须加以足够的重视 一 概念 第一节加工表面质量及其对使用性能的影响 零件表面质量 表面质量的含义 内容 1 表面粗糙度对零件耐磨性的影响表面粗糙度太大和太小都不耐磨 如图所示 表面粗糙度太大 接触表面的实际压强增大 粗糙不平的凸峰相互咬合 挤裂 切断 故磨损加剧
2、表面粗糙度太小 也会导致磨损加剧 因为表面太光滑 存不住润滑油 接触面间不易形成油膜 容易发生分子粘结而加剧磨损 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 二 表面质量对零件使用性能的影响 图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 因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高 塑性降低 减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形 并非冷作硬化程度越高 耐磨性就越高 这是因为过分的冷作硬化 将引起金属组织过度 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
3、粒 使零件加速磨损 1 表面粗糙度对零件疲劳强度的影响表面粗糙度越大 抗疲劳破坏的能力越差 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 表面粗糙度值越小 表面缺陷越少 工件耐疲劳性越好 反之 加工表面越粗糙 表面的纹痕越深 纹底半径越小 其抗疲劳破坏的能力越差 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 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
4、表面质量对零件工作精度的影响 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 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零件表面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 而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性 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
5、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 第二节 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
6、r 主偏角kr 副偏角kr 进给量f H f cot r cot r 8 1 H f2 8r 8 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 故对中碳钢和低碳钢材料的工件 为改善切削性能 减小表面粗糙度 常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理 脆性材料 加工脆性材料时 其切削呈碎粒状 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
7、度 4 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 3 进给量的影响 减小进给量f固然可以减小表面粗糙度值 但进给量过小 表面粗糙度会有增大的趋势 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 1 磨削中影响粗糙度的几何因素 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
8、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 砂轮的磨粒 砂轮转速越高 单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多 表面粗糙度值就越小 工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影响相反 工件的转速增大 通过加工表面的磨粒数减少 因此表面粗糙度值增大 砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时 工件表面将被重叠切削 而被磨次数越多 工件表面粗糙度值就越小 3 磨削用量 2 砂轮修整 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 因此 砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大 2 磨削中影响粗糙度的物理因素 磨削速度比一般切削速度高得多 且磨
9、粒大多数是负前角 切削刃又不锐利 大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压 没有切削作用 加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起 又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形 故表面粗糙度值增大 1 磨削用量 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 为提高磨削效率 通常在开始磨削时采用较大的径向进给量 而在磨削后期采用较小的径向进给量或无进给量磨削 以减小表面粗糙度值 2 工件材料 太硬易使磨粒磨钝 Ra 太软容易堵塞砂轮 Ra 韧性太大 热导率差会使磨粒早期崩落 Ra 2 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
10、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 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 第三节影响表层金属物理力学性能的工艺因素及其改进措施 影响表面层物理力学性能的主要因素 表面物理力学性能 1 表面层的冷作硬化 1 表面层加工硬化的产生 定义 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 2 衡量表面层加工硬化的指标 衡量表面层加工硬化程度的指标有
11、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 HV0 100 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 2 表面层残余应力 定义 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 机械加工后工件表面层的残余应力是冷态塑性变形 热态塑性变形和金相组织变化的综合结果 切削加工时起主要作用的往往是冷态塑性变形 表面层常产生残余压缩应力 磨削加
12、工时起主要作用的通常是热态塑性变形或金相组织变化引起的体积变化 表面层常产生残余拉伸应力 2 磨削裂纹的产生 磨削裂纹和残余应力有着十分密切的关系 在磨削过程中 当工件表面层产生的残余应力超过工件材料的强度极限时 工件表面就会产生裂纹 磨削裂纹常与烧伤同时出现 3 影响表面残余应力的主要因素 切削加工中 由于切削热的作用 在工件的加工区及其邻近区域产生了一定的温升 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
13、相组织变化与磨削烧伤 1 表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生 淬火烧伤 回火烧伤 退火烧伤 磨削时工件表面温度超过相变临界温度Ac3时 则马氏体转变为奥氏体 在冷却液作用下 工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织 其硬度比原来的回火马氏体高 但很薄 其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体 由于二次淬火层极薄 表面层总的硬度是降低的 这种现象称为淬火烧伤 磨削时 如果工件表面层温度只是超过原来的回火温度 则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象而转变为硬度较低的回火组织 索氏体或屈氏体 这种现象称为回火烧伤 磨削时 当工件表面层温度超过相变临界温度Ac3时 则马氏体转变为奥氏体 若此时无冷却液 表层
14、金属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织 硬度和强度均大幅度下降 这种现象称为退火烧伤 2 磨削烧伤的三种形式 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 3 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
15、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 1 滚压加工滚压加工是利用经过淬火和精细研磨过的滚轮或滚珠 在常温状态下对金属表面进行挤压 使受压点产生弹性和塑性变形 表层的凸起部分向下压 凹下部分向上挤 逐渐将前工序留下的波峰压平 降低了表面粗糙度 同时它还能使工件表面产生硬化层和残余压应力 因此提高了零件的承载能力和疲劳强度 滚压加工可以加工外圆 孔 平面及成型表面 通常在普通车床 转塔车床或自动车床上进行 如图为典型的滚压加工示意图 图滚压加工原理 2 喷丸强化喷丸强化是利用大量快速运动的珠丸打击被加工工件表面 使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力 如图8 13所示为珠丸挤
16、压工件表面的状态 可显著提高零件的疲劳强度 珠丸可以是铸铁的 也可以是切成小段的钢丝 使用一段时间后 自然变成球状 对于铝质工件 为避免表面残留铁质微粒而引起电解腐蚀 宜采用铝丸或玻璃丸 珠丸的直径一般为0 2 4mm 对于尺寸较小 表面粗糙度值较小的工件 采用直径较小的珠丸 喷丸强化主要用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件 如板弹簧 螺旋弹簧 连杆 齿轮 焊缝等 经喷丸加工后的表面 硬化层深度可达0 7mm 零件表面粗糙度值可由Ra5 2 5 m减小到Ra0 63 0 32 m 可几倍甚至几十倍地提高零件的使用寿命 第四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 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
