机械制造工艺表面质量第3章

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1、第一节 第一节第一节概述 第二节 影响表面质量的工艺因素 第三节 控制表面质量的工艺途径 第四节 机械加工中的振,机械制造工艺学 第三章 机械加工表面质量及其控制第一节 基本概念 第二节影响表面质量的因素分析 第三节表面质量的控制方法 第四节机械加工过程中的振动,第一节 基本概念,本节内容,一、表面质量的内容,二、表面质量对零件使用性能的影响,一、表面质量的内容,指零件加工后表面层的状态。包括两部分：,（1）表面层的几何形貌,表面粗糙度,表面波纹度,指加工表面的微观几何形状误差 波长/波幅50,介于形状误差与表面粗糙度之间的周期性形状误差 50波长/波幅1000,还包含表面纹理方向、表面伤痕,

2、表面粗糙度的放大状况,形状误差、表面波纹度及表面粗糙度示意图,（2）表面层的力学物理性能,表面层冷作硬化（简称冷硬）,表面层金相组织的变化,表面层残余应力,面层金属产生冷态塑性变形后，引起的强度、硬度提高的现象。,由于切削热引起表面温升过高，使表面层金属发生金相组织变化的现象。,由于加工过程中切削变形和切削热的影响，使表面层产生残余应力。,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,表面粗糙度,对初期磨损影响大；不同工况、不同材料对应不同的最佳表面粗糙度值；滚动表面以交叉网纹为好；完全液体润滑时表面粗糙度值越小越好。,冷作硬化,适度硬化可显著地减少零件的磨损。但如果表面硬

3、化过度，会使磨损加剧。,2、表面质量对零件疲劳强度的影响,表面粗糙度,表面层加工硬化,表面层残余应力,有应力集中，表面粗糙度值越大，抗疲劳破坏能力越差。,适度的硬化会提高疲劳强度，但过大易产生裂纹。,残余拉应力促使裂纹扩展，压应力会延缓裂纹的产生和阻止裂纹扩展。,3、表面质量对零件耐腐蚀性能的影响,表面粗糙度,表面层残余应力,表面腐蚀过程示意图,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。 Ra值，耐腐蚀性,残余压应力，耐腐蚀性 残余拉应力，耐腐蚀性,4、表面质量对零件配合性质的影响,一定的精度应有相应的表面粗糙度；,实验研究表明： 零件尺寸大于50mm时，推荐：Ra=(

4、0.1-0.15)T 零件尺寸在18-50mm时，推荐： Ra=(0.15-0.20)T 零件尺寸小于18mm时，推荐： Ra=(0.20-0.25)T T尺寸公差（mm）,表面比较粗糙时，轮廓凸峰在工作中被逐渐磨掉，零件尺寸发生变化，进而影响到配合性质。,零件表面质量,对疲劳强度的影响,对零件配合的影响,对耐腐蚀性能的影响,对耐磨性的影响,适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度,粗糙度值越大，疲劳强度越差,适度冷硬能提高耐磨性,粗糙度太大、太小都不耐磨,粗糙度越大，耐腐蚀性越差,压应力，耐腐蚀性，拉应力反之,一定的精度要求相对应的表面粗糙度,作业 2-17 3-1 3-4,第二节 影响表面质量的

5、工艺因素,本节内容,一、影响表面粗糙度的因素,二、影响表面力学物理性能的工艺因素,一、影响表面粗糙度的因素,几何因素,物理因素,1、普通切削加工中影响表面粗糙度的因素,切削刃与工件相对运动轨迹所形成的表面粗糙度 （切削层的残留面积）,与工件材料性质及切削机理有关的因素 （表层塑性变形）*有时还有加工中的振动影响,几何因素,尖刀切削时,带圆角半径的刀切削时,切削层残留面积,减小f 、r 、r及加大r ，可减小残留面积的高度。,刀尖圆弧半径、进给量对表面粗糙度的影响,物理因素：多因素致表层不均匀塑性变形,工件材质,切削速度,加工脆性材料时，切削速度对于粗糙度影响不大； 加工塑性材料时，积屑瘤对粗糙

6、度影响很大。,工件材质韧性、塑性 ，Ra ； 工件材质晶粒越均匀，颗粒越细小，Ra 。,受纯几何因素的影响,刀具材料,刀具越硬，越耐磨，Ra ,改善工件材料性能（正火、调质）,选择合适的切削速度,冷却润滑,2、磨削加工中影响表面粗糙度的因素,磨削表面由砂轮上大量的磨粒刻划出的无数极细的沟槽所形成。单位面积上刻痕越多，刻痕的等高性越好，则粗糙度值越小。,磨粒上的微刃,砂轮的修整,砂轮修整越细， Ra 磨粒具有很大的负前角易产生塑性变形,砂轮的粒度,砂轮粒度 表面粗糙度Ra 常取46-60号。,砂轮速度,工件速度,v砂 Ra,v工 Ra,磨削用量对Ra影响的实验公式：,二、影响表面物理力学性能的工

7、艺因素,1、表面层残余应力,机械加工中，工件表层金属有冷、热塑性变形、金相组织变化受里层金属约束，在表层产生的内应力。,产生原因：,冷态塑变,热态塑变,金相组织变化,产生残余压应力（里层为残余拉伸应力） （分单向和周向）,产生残余拉应力,若表层体积收缩，则产生拉应力 若表层体积膨胀，则产生压应力,普通切削加工（车、铣、刨等）时主要是冷态塑性变形，表面层常产生残余压应力。,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。,磨削加工时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应力。 零件表面残余应力的大小、性质主要取决于终加工工序,影响表

8、面残余应力的主要因素,2、表面层加工硬化,产生原因：,切削加工时（温度不太高），表面层金属由于塑性变形使晶格扭曲，晶粒被拉长、纤维化从而得到强化。,衡量指标：,表面层显微硬度HV、冷硬层的深度h、硬化程度N（%）HV。基体硬度表面层加工硬化有利有弊,影响加工硬化的因素,切削用量的影响,刀具几何形状的影响 （刀具锋利性）,工件材料性能的影响,切削刃钝圆半径 r径向切削分力表层金属的塑变加剧冷硬,切削速度v塑变冷硬 进给量f切削力塑变冷硬 背吃刀量p影响不大 （温度冷硬）,材料塑性冷硬如：低碳钢； 但有色金属的熔点低，容易弱化，冷作硬化现象比钢材轻得多。,3、表面层金相组织变化（磨削烧伤）,磨削加

9、工时会使表面层产生很高的温度，瞬时磨削热即可使淬火钢表层发生金相组织变化，产生大的残余应力、甚至出现裂纹。这种现象称为磨削烧伤。,淬火烧伤,三种形式,回火烧伤,退火烧伤,磨削区温度超过相变温度，未用冷却液，工件缓慢冷却，发生退火。（硬度）,磨削区温度超过马氏体转变温度，而未达相变温度，产生回火组织。（硬度）,磨削区温度超过相变温度，由于冷却液急冷，表层出现二次淬火马氏体。（硬脆）,黑,青,淡青,米黄,淡黄轻,表面颜色与烧伤程度之间的关系： 重,影响磨削烧伤的因素,磨削用量,ap 磨削烧伤（可分次磨、无进给磨） 工件速度vw磨削烧伤层越薄，易去除（所以vw是提高生产率减轻烧伤的有效途径，但会使粗

10、糙度值，故同时应砂轮转速，即发展高速磨削）,砂轮与工件材料,磨粒刃锋利磨削力温度 磨削烧伤（CBN） 磨削导热性差的材料（合金钢）磨削烧伤,改善冷却条件,采用高压大流量注液；安装空气挡板；内冷却法磨削烧伤,改进冷却方法，提高冷却效果,第三节 控制表面质量的工艺途径（简介）,本节内容,降低表面粗糙度的加工方法,改善表面物理力学性能的加工方法,一、降低表面粗糙度的加工方法,精度为30.3 m，粗糙度为0.30.03m；,精度为0.30.03 m，粗糙度为0.030.005 m；,精度为0.03 m，粗糙度优于0.005 m以上。,在高精度加工的范畴内，根据精度水平的不同，分为三个档次：,精密加工,

11、超精密加工 (亚微米加工),纳米加工,1、超精密切削和小粗糙度值磨削加工,超精密切削,微量切削,超精密设备及装备,小粗糙度值磨削,工件表面粗糙度Ra值低于0.2m的磨削加工。,精密磨削、超精密磨削、镜面磨削,2、超精加工、珩磨、研磨、抛光,共同特点,1）加工余量小，切削速度低,2）降低表面粗糙度效果明显，提高精度不明显,超精加工,用细粒度油石，以恒定压力和复杂相对运动对工件进行微量切削。 Ra=0.012-0.08m,A、工件低速回转运动 B、磨条轴向进给运动 C、磨条高速往复振动,珩磨,利用珩磨工具对工件表面施加一定压力，珩磨工具同时做相对旋转和直线往复运动，切除工件极小余量地一种精密加工方

12、法。Ra=0.025-0.2m，生产效率高。,加工对象：圆柱孔,珩磨余量：0.020.15mm,珩磨孔径范围：15500mm，孔深径比可达10以上,珩磨,研磨,利用研磨工具和研磨剂，从工件上研去一层极薄表面层的精密加工方法。Ra=0.025-0.006m，生产效率低。,基本原理：通过介于工件和硬质研具之间的磨料或研磨液的流动产生机械摩擦和化学作用去除微小加工余量。,可提高形状、尺寸精度，但不能提高位置精度。,手工研磨外圆,在加工表面上涂上研磨剂，再把研具套上，工件低速旋转， 手握研具轴向往复移动。,手工研磨内圆,手工研磨平面,抛光,用涂有抛光膏的软轮（抛光轮）高速旋转对工件进行微弱切削，从而降

13、低工件表面粗糙度，提高光亮度的一种精密加工方法。 Ra=0.04-0.16m,原理与研磨相似，只是研具采用无纺布等软质材料，可用于自由曲面加工。,不能提高尺寸、形状及位置精度，主要用于表面的修饰加工及电镀前的预加工。,二、改善表面物理力学性能的加工方法,1、喷丸强化,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。可以用于任何复杂形状的零件。,喷丸强化,2、滚压加工,用淬硬的滚轮或钢珠在零件上进行滚压，使表层材料产生塑性流动，形成新的光洁表面。,槽和凸肩滚压加工,3、金刚石压光,a)压光外圆,b)压光内孔,第四节 机械加工中的振动,机械加工过程中振动的危害,1、影

14、响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波纹度,2、加速刀具磨损，易引起崩刃,4、影响生产效率,3、影响机床、夹具的使用寿命,5、产生噪声污染，危害操作者健康,三种基本类型,强迫振动（30%）,自由振动,自激振动（65%）,机械加工过程中振动的类型,仅受到初始干扰力的激励而引起的振动，靠弹性恢复力来维持，受阻尼影响会很快消失。,自由振动,强迫振动,一、强迫振动,指系统在周期性激振力(干扰力)持续作用下被迫产生的振动。,产生原因,内部振源,外部振源,回转零部件质量的不平衡,断续切削,其他机床、锻锤、火车、卡车等通过机床地基传给机床的振动。,机床传动件的制造误差和缺陷,消除强迫振动的途径,1、减小激

15、振力、消除不平衡、提高传动件的精度；,2、调整振源频率，避开共振区；,3、采用减振、隔振措施；,强迫振动的特征,1、由周期性激振力引起的，不会被阻尼衰减掉；,2、与外界激振力的频率相同，振频在系统的固有频率附近时会发生共振。,4、提高工艺系统刚度及增加阻尼。 动刚度,二、自激振动（颤振）,由振动系统动态性引起的交变力作用而产生的周期性振动。,自激振动的特征,2、自激振动的频率等于或接近于系统的低阶固有频率；,1、自激振动是一种不受阻尼影响而持续存在的振动；,消除自激振动的基本途径,1、合理选择或改变与切削过程有关的参数；,2、提高工艺系统本身的抗振性；,3、自激振动能否产生及振幅的大小取决于振动系统在每一个周期内获得和消耗的能量对比情况。是特定过程振动。,3、采用减振装置。,作业,3 - 9 3-10 3-14 3-19 3-22,