《机械制造技术基础 第8章(修改)课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械制造技术基础 第8章(修改)课件（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第八章 机械加工表面质量（约4学时）本章提要,本章旨在研究零件表面层在加工中的变化和发生变化的机理，掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量的影响规律，运用这些规律来控制加工中的各种影响因素，以满足表面质量的要求。 本章主要讨论机械加工表面质量的含义、表面质量对使用性能的影响、表面质量产生的机理等。对生产现场中发生的表面质量问题，如受力变形、磨削烧伤、裂纹和振纹等问题从理论上作出解释，提出提高机械加工表面质量的途径。,8.1 机械加工后的表面质量,一、表面质量的含义 表面质量是指机器零件加工后表面层的状态。它包括表面几何特征和物理力学性能两方面： 表面层的几何形状（见图8.1） 表面粗糙度是指表面
2、微观几何形状误差，其波长与波高的比值在L1H140的范围内。 表面波度是介于加工精度(几何形状误差L3H3 1000)和表面粗糙度之间的一种带有周期性的几何形状误差，其波长与波高的比值在40 L2H21000的范围。如图8.1所示。 表面波度是指由于工艺系统中具有振动现象或进给不均匀等原因所引起的周期性几何形状误差。, 表面层金属的物理力学性能 由于机械加工中切削力和切削热的综合作用，加工表面层金属的物理力学性能将发生一定的变化，主要反映在以下几方面： 表面层金属的冷作硬化(简称冷硬)加工中表面层金属产生强烈的冷态塑性变形后，引起的强度和硬度都有所提高的现象。一般情况下，硬化层深度可达0.05
3、0.30mm，采用滚压加工可达几个毫米。 表面层金属的金相组织变化由于切削热引起工件表面温升过高，表面层金属发生金相组织变化的现象。 表面层金属的残余应力由于加工过程中切削变形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性变形或金相组织变化，产生残余应力。,二、表面质量对零件使用性能的影响,1. 对零件耐磨性的影响 机械零件的使用寿命往往由其耐磨性来决定，当相互摩擦的零件逐渐磨损时，机器的精度及性能也将逐步丧失，耐磨性主要与摩擦副的材料及润滑条件有关，但在这些条件已经确定的情况下，零件表面质量对耐磨性的影响就突出了。 实际接触面积大小的影响,如图8.2所示是实验所得的不同表面粗糙度对初
4、期磨损量的影响曲线。,图8.3(a)和(b)表示两个不同零件的表面有相同的粗糙度值，但轮廓形状不同，其耐磨性相差可达34倍。 试验表明，耐磨性取决于轮廓峰顶形状和凹谷形状。前者决定干摩擦时的实际接触面积，后者决定润滑摩擦时的容油情况。,(2) 粗糙度的轮廓形状及纹路方向,图8.4所示两摩擦表面粗糙度纹路方向对零件耐磨性的影响。,磨损量,（3）表面加工冷作硬化对磨损的影响 结论：表面层的冷硬层提高了表面接触点处的屈服强度，可显著地减少零件的磨损。 原因：减少了进一步塑性变形的可能性，并减少了摩擦表面金属的冷焊现象。 但如果表面硬化过度，零件心部和表面层硬度差过大，会发生表面层剥落现象，使磨损加剧
5、。表面层产生金相组织变化时，由于改变了基体材料原来的硬度，因而也直接影响其耐磨性。,2.对零件疲劳强度的影响,(1) 在交变载荷作用下，零件表面的粗糙度、划痕和微观裂纹等缺陷容易产生应力集中现象。产生疲劳裂纹，致使零件疲劳损坏。 (2) 加工纹路的方向对疲劳强度的影响较大，在纹路方向(刀痕方向)和相对运动方向(受力方向)垂直时，疲劳强度明显降低。,齿轮轴断轴照片,齿轮轴断轴照片,(3) 表面残余应力的状态对疲劳强度的影响很大。 压应力状态：有利； 拉应力状态：不利。 (4) 表面冷作硬化有助于提高零件的疲劳强度，但不能过度硬化。,3. 对零件抗腐蚀性能的影响 (1)零件表面粗糙度值越大，抗腐蚀
6、性能越差。 (2)表面冷硬和金相组织变化都会产生内应力。零件表面存在拉应力时，可提高耐腐蚀能力；反之，降低零件的抗腐蚀性能。 4. 对零件的其它影响 表面质量对零件的配合质量、密封性能及磨擦系数都有很大的影响。表面粗糙度值越大，对动配合来说，使用不久就会使配合性质发生变化；对静配合来说，压装时会减少过盈量。表面层有裂纹、加工痕迹等各种缺陷，在动载荷的作用下，可能引起应力集中等。,小 结 零件表面层状态对其使用性能有较大影响原因： 承受载荷应力最大的表面层是金属的边界，机械加工后破坏了晶粒的完整性，从而降低了表面的某些机械性能。 表面层有裂纹、加工痕迹等各种缺陷，在动载荷的作用下，可能引起应力集
7、中而导致破坏。 零件表面经过加工后，表面层的物理、机械、冶金和化学性能都变得和基体材料不同了(产生了变质层)。,8.2 机械加工后的表面粗糙度,一、切削加工后的表面粗糙度,1. 几何因素*,2. 物理因素,由图8.6可知，切削加工后表面的实际粗糙度与理论粗糙度有较大的差别，它与被加工材料的性能及切削机理有关物理因素的影响有关。 韧性越好的材料塑性变形就越大，且容易出现积屑瘤与鳞刺，使粗糙度严重恶化。,3. 工艺系统中的高频振动使工件与刀具之间的相对位置发生微幅变动，从而使工件表面的粗糙度增大。,二、磨削加工后表面粗糙度,影响磨削后表面粗糙度的因素也可归纳为三个方面： 与磨削过程和砂轮结构有关的
8、几何因素； 与磨削过程和被加工材料塑性变形有关的物理因素； 工艺系统的振动因素。,为降低表面粗糙度值，应考虑以下主要影响因素： 砂轮的粒度(粒度愈细，粗糙度越低。但磨削效率低) 砂轮的修整(修整质量越高，等高微刃(图8.7)就越多), 砂轮速度(提高砂轮速度增加工件刻痕数和材料来不及变形) 工件速度(工件速度越大，表面粗糙度值增大), 径向进给量(增大磨削径向进给量将增加塑性变形的程度从而增大粗糙度) 轴向进给量(磨削时采用较小的轴向进给量，则磨削后表面粗糙度较低) 另外，工艺系统的振动引起粗糙度增大。,8.3 机械加工后的表面层物理机械性能,一、机械加工后表面层的冷作硬化* 1. 冷作硬化产
9、生的原因 冷作硬化切削或磨削加工时，表面层金属由于塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格发生拉长、扭曲和破碎而得到强化。 冷作硬化的特点变形抵抗力提高(屈服点提高)，塑性降低(相对延伸率降低)。,冷硬的指标通常用冷硬层的深度h、表面层的显微硬度H以及硬化程度N来表示(图8.8)，其中 N(H- H0 )H0 H0 原来的显微硬度。,2. 影响冷作硬化的主要因素, 刀具的几何参数 刀具的切削刃口圆角半径r和后刀面的磨损量对于冷作硬层有很大影响。前角减少时，冷硬也增大。 切削用量 切削速度增大时，刀具与工件接触时间短，塑性变形程度减少，同时切削温度增高，有助于冷硬的回复，所以硬化层深度和硬度度都有所减
10、少。 进给量增大时，切削力增大、塑性变形程度也增大。因此硬化现象增大，但在进给量较小时，出于刀具的刃口圆角在加工表面单位长度上的挤压次数增多，因此硬化倾向会增大。, 被加工工件材料 被加工工件材料硬度愈低、塑性愈大，切削后的冷硬现象愈严重。,二、机械加工后表面层金相组织的变化,1. 金相组织变化的原因 在切削加工中，工件的加工区域温度会升高，当其超过金相组织变化的临界点时，金相组织就会产生变化。,磨削烧伤磨削时，温度可上升到4001000 oC，甚至更高。出现金相织的变化，强度和硬度下降，产生残余应力，甚至引起裂纹，这就是磨削烧伤现象。 磨削淬火钢时表面层烧伤有以下三种： 回火烧伤 磨削区温度
11、超过马氏体转变温度而未超过相变温度; 淬火烧伤 磨削区温度超过相变温度 (用冷却液时); 退火烧伤 不用冷却液进行干磨削时，磨削区温度超过相变温度，工件表层被退火。,2. 影响磨削加工时金相组织变化的因素,(1) 影响因素 工件材料 低碳钢时不会发生相变。 高合金钢如轴承钢、高速钢、镍铬钢等传热性特别差易出现磨削烧伤 磨削温度、温度梯度及冷却速度等可引起工件表面金相组织发生不同变化。,图8.9所示，为高碳淬火钢在不同磨削条件下出现的表面层硬度分布情况。,横坐标：距表面深度,减轻和消除磨削烧伤的工艺措施 选择合适的砂轮； 及时合理地进行砂轮修整； 合理选择磨削用量； 改善冷却条件(如：改进磨削液
12、的配方、加大磨削液的流量和压力、改进喷嘴结构等，目的使磨削区的温度降低)。,三、机械加工后表面层的残余应力,1. 残余应力产生的原因 在机械加工中，工件表面层金属相对基体金属发生形状、体积的变化或金相组织变化时，工件表面层中将残留相互平衡的残余应力。 不同的加工方法和不同的工件材料所产生的残余应力不同： 车削和铣削一般为200N/mm2 高速切削及加工合金钢时可达10001100N/mm2 磨削时约为400700N/mm2 表面层残余应力对零件的使用性能影响较大，一般控制表面产生残余压应力可提高工件表面的耐磨性和疲劳强度。如：采用滚压加工。, 冷态塑性变形 机械加工时，表层全属产生强烈的塑性变
13、形，沿切削速度方向表面产生拉伸变形，晶粒被拉长，金属密度会下降，即比容增大(体积增大)，而里层材料则阻碍这种变形，因而在表面层产生残余压应力，在里层则产生残余拉应力。 比容单位质量的物质所占有的容积(体积)称为比容。其数值是密度的倒数。, 热态塑性变形 机械加工时，切削或磨削热使工件表面局部温升过高，引起高温塑性变形(图8.10为因加工温度而引起残余应力的示意图)。,+, 金相组织变化 切削时产生的高温会引起表面的相变。 由于不同的金相组织有不同的比容，表面层金相变化的结果将造成体积的变化。表面层体积膨胀时，因为受到基体的限制，产生了压应力。反之，表面层体积缩小时，则产生拉应力。,小 结 实际
14、机械加工后的表面层残余应力及其分布，是上述三方面因素综合作用的结果，在一定条件下，其中某一或二种因素可能主导作用。(图8.11所示为三类磨削条件下产生的表面层残余应力) 影响残余应力的工艺因素主要是刀具的前角、切削速度以及工件材料的性质和冷却润滑液。,2.磨削裂纹的产生,磨削加工中热态塑性变形和金相织变化的影响较大，故大多数磨削零件的表面层往往有残余拉应力。当残余拉应力超过材料的强度极限时，零件表面就会出现裂纹。(如图8.12所示),8.4 控制加工表面质量的工艺途径,一、减小残余拉应力、防止磨削烧伤和磨削裂纹的工艺途径 对零件使用性能危害很大的残余拉应力、磨削烧伤和磨削裂纹均起因于磨削热，所
15、以如何降低磨削热(降低磨削区的温度)并减少其影响是解决问题的主要出发点。 原则：一是减少磨削热的发生，二是加速磨削热的传出。,1. 选择合理的磨削参数 为了直接减少磨削热的发生，降低磨削区的温度，应合理选择磨削参数： 减小砂轮速度和背吃刀量；适当提高纵向进给量和工件速度。 上述的目的是减少磨削热源以及与工件表面的接触时间，从而降低工件表面温度，但会使粗糙度值增大。 一般砂轮和工件线速度之比在50140为宜。磨削深度也应适宜，太大则产生的热量大，太小将引起磨削时滑擦能的增加。 对于大批大量生产中，比较可行的办法是通过试验来确定磨削参数； 国外研究通过计算机进行过程控制磨削和自适应磨削等方法来减少
16、磨削热。,2. 选择有效的冷却方法 选择适宜的磨削液和有效的冷却方法。 采用高压大流量冷却、内冷却或为减轻高速旋转的砂轮表面的高压附着气流的作用，加装空气挡板(图8.13)，以使冷却液能顺利地喷注到磨削区。,二、采用冷压强化工艺1. 喷丸,喷丸是一种用压缩空气或离心力将大量直径细小(0.42mm)的丸粒(钢丸、玻璃丸)以3050m/s的速度向零件表面喷射的方法。如图8.14(a)。 特点：可用于任何复杂形状的零件。喷丸的结果在表面层产生很大的塑性变形，造成表面的冷作硬化及残余压应力。 硬化深度可达0.7mm，表面粗糙度可自3.2m降至0.4m。喷丸后零件的使用寿命可提高数倍至数十倍。例如:齿轮可提高4倍，螺旋弹簧可提高55倍以上。,2. 滚压,用工具钢淬硬制成的钢滚轮或钢珠在零件上进行滚压，如图814(b)，使表层材料产生塑性流动，形成新的光洁表面。 表面粗糙度可自1.6m降至0.1m，表面硬化深度达0.21.5mm，硬化程度1040。,三、采用精密和光整加工工艺,精密和光整加工工艺是指经济加工精度在IT5IT7级以上，表面粗糙度小于0.2m，表面物理机械性能也处于十分良
