第七节机械加工表面质量ppt课件.ppt

第七节 机械加工表面质量,一、机械加工表面质量概述二、表面质量对零件使用性能的影响三、加工表面粗糙度的影响因素四、表面层物理机械性能的影响因素五、提高表面质量的加工方法,一、机械加工表面质量概述,加工表面质量：由一种或几种加工、处理方法获得的表面层状况(几何的、物理的、化学的或其他工程性能的)。加工表面质量包括两个方面的内容：（一）加工表面的几何形状误差（二）表面层金属的力学物理性能和化学性能,（一）加工表面的几何形状误差,加工表面的几何形状误差，包括如下四个部分：（1）表面粗糙度表面粗糙度是加工表面的微观几何形状误差，其波长与波高比值一般小于50。其大小是以表面轮廓的算术平均偏差Ra或微观不平度的平均高度Rz表示。,（一）加工表面的几何形状误差,（2）波度加工表面下平度中波长与波高的比值等于501000的几何形状误差称为波度，它是由机械加工中的振动引起的。注意：当波长与波高比值大于1000时，称为宏观几何形状误差例如：圆度误差圆柱度误差等，属于加工精度范畴。,（一）加工表面的几何形状误差,（3）纹理方向纹理方向是指表面刀纹的方向，它取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法即主运动和进给运动的关系。 （4）伤痕伤痕是在加工表面上一些个别位置上出现的缺陷，它们大多是随机分布的，例如砂眼、气孔、裂痕和划痕等。,（二）表面层金属的力学物理性能和化学性能,由于机械加工中力因素和热因素的综合作用，加工表面层金属的力学物理性能和化学性能将发生一定的变化：1 表面层金属的冷作硬化（1）含义在机械加工过程中，工件表面层金属都会有一定程度的冷作硬化使表面层金属的显微硬度有所提高。（2）表示法表面层金属硬度的变化用硬化程度和深度两个指标来度量。,（二）表面层金属的力学物理性能和化学性能,（3）产生原因 位错密度及其它晶体缺陷的增加是导致加工硬化的主要原因。 随着变形量的增加，位错密度急剧增高，金属晶体中各原子间失去了正常的相邻关系，晶格发生畸变，形成许多亚晶界为错畸变区，这使得位错与位错间的相互缠结及大量位错在亚晶界上的塞积加重，以致位错的运动越来越困难，金属继续塑性变形的抗力增大，塑性下降，强度、硬度升高。,（二）表面层金属的力学物理性能和化学性能,2 表面层金属的金相组织机械加工过程中，由于切削热的作用会引起表面层金属的金相组织发生变化。如：在磨削淬火钢时，由于磨削热的影响会引起淬火钢的马氏体的分解，或出现回火组织，由马氏休转变为屈氏体、索氏休，使表面硬度降低。3 表面层的残余应力由于切削力和热的综合作用，表面层金属晶格会发生不同程度的塑性变形或产生金相组织变化，使表面层产生残余应力。,（三）表面质量的内容,零件表面质量,二、表面质量对零件使用性能的影响,1.对零件疲劳强度的影响（1）表面粗糙度很容易形成应力集中。对承受交变载荷的零件，减小其上容易产生应力集中部位的表面粗糙度值，可以明显提高零件的疲劳强度。（2）加工硬化适度的加工硬化，可使表层金属强化，故能减小交变变形的幅值，阻碍疲劳裂纹的产生和扩展，从而提高疲劳强度。但过高的加工硬化，会使表面脆性增加，可能出现较大的脆性裂纹，反而降低疲劳强度。,二、表面质量对零件使用性能的影响,（3）表面层残余应力（a）若表面的残余应力为压应力，则能部分抵消交变载荷施加的拉应力，防碍和延缓疲劳裂纹的产生或扩大，从而可以提高零件的疲劳强度。（b）若表面的残余应力为拉应力，则容易使工件在交变载荷作用下产生裂纹，从而大大降低零件的疲劳强度。,二、表面质量对零件使用性能的影响,2.对抗腐蚀性能的影响（1）表面粗糙度在粗糙表面的凹谷处容易因积聚腐蚀性介质而发生化学腐蚀，凸峰处可能因产生电化学作用而引起电化学腐蚀。,二、表面质量对零件使用性能的影响,（2）表面层残余应力对抗腐蚀性有较大影响。残余压应力使表面紧密，腐蚀介质不易进入，从而增强抗腐蚀性；残余拉应力则会降低抗腐蚀性。（3）表面冷硬或金相组织变化引起残余应力而降低耐腐蚀性。,二、表面质量对零件使用性能的影响,对配合质量的影响（1）表面粗糙度值使配合间隙增大，实际过盈量减小。（2）表面层残余应力可能引起变形，改变零件的形状和尺寸，从而影响配合精度。,二、表面质量对零件使用性能的影响,4.对耐磨性的影响（1）表面粗糙度值 直接影响有效接触面积和压强，以及润滑油的保存状况。,二、表面质量对零件使用性能的影响,（2）表面层加工硬化提高硬度，减小接触区的弹性、塑性变形，使分子亲和力减小，从而减小磨损。但过度硬化时，表面脆性过高，将引起金属组织的“疏松”，甚至会出现疲劳裂纹，使磨损加剧，乃至产生剥落，故加工硬化的硬度也有一个最优值。（3）表面层金相组织变化改变零件材料的原有硬度，影响耐磨性。适度的残余压应力一般使结构紧密，有助于提高耐磨性。,二、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,三、加工表面粗糙度的影响因素,1.影响切削加工后表面粗糙度的因素（1）几何因素 切削加工表面租糙度值主要取决于切削残留面积的高度。,1.影响切削加工后表面粗糙度的因素,（2）物理因素积屑瘤、鳞刺，在切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面的挤压和摩擦会使金属材料产生塑性变形，理论残留断面歪曲，使表面粗糙度值增大。,1.影响切削加工后表面粗糙度的因素,（3）工艺因素A.刀具的几何形状、材料和刃磨质量（a）前角前角增加，刀具易于 切入工件，塑性变形小 可以减小表面粗糙度。但前角太大，刀刃有切 入工件的倾向，表面粗 糙度值增加。,1.影响切削加工后表面粗糙度的因素,（b）后角后角增加时，后刀面与工件摩擦减小，粗糙度有所改善。后角一般在3-10内变化。后角太大时，积屑瘤易于流到后刀面；同时，后角大容易产生切削振动，因此使表面粗糙度值反而增加。,1.影响切削加工后表面粗糙度的因素,（c）刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径增加，从几何因素来看会减小表面粗糙度值。但会增加切削过程中的挤压，塑性变形增大，使表面粗糙度值增加。 （d）刃倾角增大刃倾角，对降低表面粗糙度有利。因为刃倾角增大，实际工作前角也随之增大，切削过程中的金属塑性变形程度随之下降，这会显著地减轻工艺系统的振动，从而使加工表面的粗糙度下降。,1.影响切削加工后表面粗糙度的因素,（E）刀具刃磨质量刀具的前刀面、后刀面等本身粗糙度值小，则被加工表面的粗糙度值也小。由于金刚石刀具质地细密，平刃性极高，切削刃钝圆半径小，故可进行精密切削及超精密切削。硬质合金刀具的刃磨质量不如高速钢刀具。硬质合金刀具易崩刃。因此在精加工时，习惯上用高速钢刀具。结论：刀具前后刀面的粗糙度应比加工表面的粗糙度低，如硬质合金刀具的前后刀面都应抛光到Rz0.8R3.2,1.影响切削加工后表面粗糙度的因素,（2）切削用量进给量f：直接影响理论残留高度，还会影响切削力和材料塑性变形的变化。f0.15mm：f减小,表面粗糙度值减小；f0.15mm：减小f对粗糙度的影响不显著。背吃刀量ap:对粗糙度影响不明显。切削速度v：高，常能防止积屑瘤、鳞刺的产生。对塑性材料，高速切削时超过塑性变形速度，材料来不及充分变形；对脆性材料，高速切削时温度较高，材料会不那么脆，故高速切削有利于减小粗糙度值,1.影响切削加工后表面粗糙度的因素,（3） 冷却润滑液的影响（A）冷却润滑液可以渗入切削切口的裂缝中，帮助金属被切削时的撕裂作用，减少金属内摩擦，因而减小了塑性变形。（B）冷润液中的活性物质会在工件、切屑和刀面间产生一层吸附膜而减少工件、切屑和刀面的摩擦力，不易产生积屑瘤和鳞刺。（C）冷润液起冷却作用，降低切削温度，减少塑性变形，降低切削力，使表面粗糙度值减小。,1.影响切削加工后表面粗糙度的因素,（4） 工件材料性能的影响（A）工件材料的韧性和塑性变形倾问越大，在切削加工后的表面粗糙度越高。（B）工件材料金相组织的晶粒越均匀、粒度细，加工时越能获得较低的表面粗糙度。,1.影响切削加工后表面粗糙度的因素,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,2.影响磨削加工后表面粗糙度的因素,（1）砂轮粒度（a）在相同的磨削条件下，砂轮的粒度号数越大，参加磨削的磨粒越多，表面粗糙度就小；（b）粒度愈细，磨削深度应愈小，否则易将砂轮堵死，产生相反效果，还容易产生烧伤，因此常用粒度为4660号。,2.影响磨削加工后表面粗糙度的因素,（2）砂轮硬度砂轮的硬度是指磨粒在磨削力作用下从砂轮上脱落的难易程度，通常选用中软砂轮砂轮选得太硬，磨粒不易脱落，磨钝了的磨粒不能及时被新磨粒代替，应表面粗糙度增大。砂轮选得太软，磨粒易脱落，磨削作用减弱，也会使表面粗糙度值增大,2.影响磨削加工后表面粗糙度的因素,（3）砂轮的组织砂轮的组织是指磨粒、结合剂和气孔的比例关系，选用中等组织的砂轮。紧密组织中的磨粒比例大，气孔小，在成形磨削和精密磨削时，能获得高精度和较小的表面祖糙度值。疏松组织的砂轮不易堵塞，适于磨削软金属、非金属软材料和热敏性村料（磁钢、不锈钢、耐热钢等），可获得较小的表面粗糙度值。,2.影响磨削加工后表面粗糙度的因素,（4）砂轮材料砂轮材料可分为氧化物系（刚玉）、碳化物系（碳化硅、碳化硼）和高硬磨料系（人造金刚石、立方氮化硼）。氧化物系：适于磨削钢类零件碳化物系：磨削铸铁、硬质合金等材料高硬磨料：可获得极小的表面粗糙度值，但加工成本很高。,2.影响磨削加工后表面粗糙度的因素,（5）砂轮的修整修整工具有单颗粒金刚石笔和金刚石滚轮，也可用白口铸铁或砂轮来修整，以单颗粒金刚石笔修整的质量为最好。修整砂轮的纵向进给量愈小，磨削的表面粗糙度值愈小。,2.影响磨削加工后表面粗糙度的因素,（6）砂轮速度砂轮速度越高，就有可能使表层金属塑性变形的传播速度大于切削速度，工件材料来不及变形，致使表层金属的塑性变形减小，磨削表面的粗糙度值将明显减小。砂轮的速度越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数就越多，因而工件表面的租糙度值就越小。一般取：v=30-40m/s,2.影响磨削加工后表面粗糙度的因素,（7）工件速度 工件速度对表面租糙度的影响刚好与砂轮速度的影响相反，增大工件速度时，单位时间内通过被磨表面的磨粒数减少，表面粗糙度值将增加。工件速度增加，塑性变形增加，表面粗糙度值将增大。 一般取：v=30m/min,2.影响磨削加工后表面粗糙度的因素,（8）磨削深度磨削深度对表层金属塑性变形的影响很大，增大磨削深度塑性变形将随之增大，被磨的表面粗糙度值会增大。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。,2.影响磨削加工后表面粗糙度的因素,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,四、表面层物理机械性能的影响因素,1.加工表面的冷作硬化刀具的影响：切削刃钝圆半径增大，对表层金属的挤压作用增强，塑性变形加剧，导致冷硬增强。刀具后刀面磨损增大，后刀面与被加工表面的摩擦加剧，塑性变形增大，导致冷硬增强。切削用量的影响：切削速度增大，刀具与工件的作用时间缩短，使塑性变形扩展深度减小，冷硬层深度减小。切削速度增大后，切削热在工件表面层上的作用时间也缩短了，将使冷硬程度增加。进给量增大，切削力也增大，表层金属的塑性变形加剧，冷硬作用加强。加工材料的影响：工件材料的塑性愈大，冷硬现象就愈严重。,四、表面层物理机械性能的影响因素,2.加工表面层残余应力在机械加工过程中，加工表面层相对基体材料发生形状、体积或金相组织变化时，表面层中即会产生残余应力。外层应力与内层应力的符号相反、相互平衡。产生表面层残余应力的主要原因（1）冷塑性变形（2）热塑性变形（3）金相组织变化,四、表面层物理机械性能的影响因素,（1）冷态塑性变形工件在进行切削、磨削和滚压加工时，表面层受切削力和滚压力的作用，产生冷态塑性变形。冷态塑性变形主要是力的作用，表面产生压缩残余应力，心部为拉伸残余应力。,四、表面层物理机械性能的影响因素,（2）热态塑性变形热应力切削热引起的表层金属残余拉应力状态，里层为残余压应力。,四、表面层物理机械性能的影响因素,（3）金相组织变化不同的金相组织有不同的比重，马氏休的比重7.75，奥氏体为比重7.96，前者是各种金相组织中的比重最小（比容最大）者，后者是比重最大（比容最小）者。当金相组织发生变化时，由于比重的不同，休积就要变化，产生残余应力。（A）如果金相组织的变化引起表层金属的比容增大，则表层金属将产生压缩残余应力，而里层金属产生拉伸残余应力。（B）若金相组织的变化，引起表层金属的比容减小，则表层金属产生拉伸残余应力，里层金属产生压缩残余应力,四、表面层物理机械性能的影响因素,（定义）磨削烧伤当被磨工件表面层温度达到相变温度以上时，表层金属发生金相组织的变化，使表层金属强度和硬度降低，并伴有残余应力产生，甚至出现微观裂纹，这种现象称为。在磨削淬火钢时，可能产生以下三种烧伤：（1）回火烧伤 如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度，但已超过马氏体的转变温度，工件表层金属的回火马氏体组织将转变成硬度较低的回火组织（索氏体或托氏体）。,四、表面层物理机械性能的影响因素,（2）淬火烧伤 若磨削区温度超过相变温度，加上冷却液急冷作用，则表层金属二次淬火，其中出现二次淬火马氏体组织，其硬度比原来回火马氏体的高，在它的下层，因冷却较慢，出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织（索氏体或托氏体）。（3）退火烧伤 若磨削区温度超过相变温度，而磨削区域又无冷却液进入，表层金属将产生退火组织，表面硬度急剧下降。,五、提高表面质量的加工方法,1.减小表面粗糙度值的加工方法（1）可提高尺寸精度的精密加工方法（2）光整加工方法超精加工 珩磨 研磨 用研磨工具和研磨剂 从工件上研去一层极 薄表面层的精加工方法。抛光 抛光是在毡轮、布轮、皮带轮等软研具上涂上抛光膏，利用抛光膏的机械作用和化学作用，去掉工件表面粗糙度峰顶，使表面达到光泽镜面的加工方法。,五、提高表面质量的加工方法,2.改善表面层物理机械性能的加工方（1）机械强化 使表面层产生冷塑性变形，以提高硬度，减小粗糙度，消除残余拉应力并产生残余压应力。滚压加工、金刚石压光,五、提高表面质量的加工方法,喷丸强化,五、提高表面质量的加工方法,（2）化学热处理 用渗碳、渗氮或渗铬等方法，使表层变为密度较小，即比容较大的金相组织，从而产生残余压应力。,