《已加工表面质量》PPT课件.ppt

《《已加工表面质量》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《已加工表面质量》PPT课件.ppt（73页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、金属切削原理与机床,机械工程系,第六章 已加工表面质量,机械零件的加工质量包括加工精度和表面质量两方面，它们的好坏将直接影响产品的使用性能、使用寿命、外观质量、生产率和经济性。已加工表面质量包括零件表面的:微观几何形状、表面层材质的变化两个方面，一般以表面粗糙度、表面层加工硬化及表面层残余应力来衡量。表面质量对零件的使用性能有着很大的影响,学习内容,一、已加工表面质量概述,二、已加工表面粗糙度,三、加工硬化法,四、残余应力,第一节 已加工表面质量概述,一、已加工表面的形成过程,VB,a 受到刀刃顿圆半径挤压VB的摩擦弹性恢复h加工表面在CD长度上继续与后刀面摩擦已加工表面，加工变质层。,（通常

2、形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）,表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）,图1 加工质量包含的内容,二、已加工表面质量的范畴,第一节 已加工表面质量概述,1表面粗糙度对耐磨性的影响 由于两相互摩擦零件配合时，不是全部表面接触，只是一些凸峰相接触，其实际接触面小，导致单位面积上压力增大，磨损加快，这些凸峰很快压扁磨平，使零件从而失去了原有的精度。表面粗糙度并不是越小越好，若表面粗糙度太小，不利于润滑油储存，致使接面形成干摩擦。在一定条件下，摩擦表面有一个最佳表面粗糙度值，一般为0.40.8m。,第一节 已加工表面质量概述,2表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 零件表面越

3、粗糙，在交变载荷的作用下容易引起应力集中。其应力超过疲劳极限，就会产生疲劳裂纹。3表面粗糙度对耐腐蚀性的影响 表面粗糙度值大，腐蚀物质易积于坑凹中腐蚀金属表面，降低工件的表面质量。,第一节 已加工表面质量概述,4表面粗糙度对配合性质的影响 表面粗糙度太粗，对于间隙配合的表面，会因峰尖在工作过程中很快磨掉而使问隙增大，降低配合精度；对于过盈配合，则因装配时表面的峰顶被挤平，使有效实际过盈量减小，同样降低配合的连接强度。,第一节 已加工表面质量概述,5加工硬化的影响 加工硬化在某些情况下可提高工件的耐磨性和疲劳强度，但常伴随大量细微裂纹出现，降低抗冲击能力。另外，加工硬化也能使后道工序切削加工困难

4、，使刀具磨损严重。,第一节 已加工表面质量概述,6残余应力的影响 残余应力的存在使工件逐渐变形，影响工件形状、尺寸精度。另外，残余应力易使零件产生裂纹而降低耐磨性、疲劳强度和耐腐蚀性。实践证明：许多零件的报废往往起源于零件的表面缺陷。,第二节 已加工便面粗糙度,一、表面粗糙度产生的原因 1几何因素所产生的粗糙度。残留面积高度 2由于切削过程不稳定因素所产生的粗糙度。积屑瘤、鳞刺、切削变形、刀具的边界磨损、刀刃与工件相对位置变动。,第二节 已加工便面粗糙度,一、表面粗糙度产生的原因1残留面积 由于刀具上有主偏角Kr和副偏角kr，使工件的被切削层材料不能完全被切除，而在工件已加工表面上形成间距等于

5、进给量f的螺旋状条纹。残留面积高度愈大，表面光洁度愈差。,图 4-8 已加工表面上理论粗糙度 a）r=0 b）r0,第二节 已加工便面粗糙度,残留面积是形成表面粗糙度的主要组成部分，残留面积亦称为理论粗糙度，常用它的高度Rmax表示。图4-8a中由 形成残留面积高度Rmax,第二节 已加工便面粗糙度,图4-8b中由 0形成残留面积高度Rmax,残留面积高度，随着进给量f的减小及主、副偏角的减小或刀尖圆弧半径的增大而减小。,第二节 已加工便面粗糙度,2、积屑瘤的影响 不利方面：A、其增大背吃刀量，造成过切现象，而影响加工的尺寸精度；B、高低不平，会在工件表面造成犁沟现象，影响表面粗糙度；C、脱落

6、的碎片会粘附或嵌入工作表面上，而影响表面加工质量。（精加工必须抑制积屑瘤）,图4-9 积削瘤对表面粗糙度影响（32x）a)积削瘤掉落时的照片 b）积削瘤影响表面粗糙度,第二节 已加工便面粗糙度,3鳞刺的影响 鳞刺是在已加工表面的速度方向上残留着突出的鳞片状毛刺，它是经常产生在对塑性材料的车、拉、攻丝和滚齿等加工中。鳞刺是在使用中、低速及较大进给量，并在严重摩擦和挤压条件下切削使切削层导裂而形成的，由于鳞刺的影响促使已加工表面更为粗糙不平。,图 4-10 在已加工表面上突出的鳞刺,关于鳞刺产生的两种观点：1）积屑瘤说 持这种观点的人认为：积屑瘤底部稳定，顶部不稳定；不稳定的顶部的生长与分裂，是导

7、致鳞刺产生的主要原因。积屑瘤对已加工表面粗糙度的影响 积屑瘤自身能增大已加工表面粗糙度之外，它还在已加工表面上导致鳞刺的形成，进一步增大粗糙度。,第二节 已加工便面粗糙度,3、鳞刺,2）层积金属说持此种观点的人认为：形成鳞刺的过程经过了4个阶段：抹拭、导裂、层积、切顶。,4、切削过程的变形,切削变形影响表面粗糙度的过程：1）切削单元带有周期性的断裂，这种断裂深入到切削表面以下，从而在加工表面上留下挤压的痕迹，而成为波浪形。2）由于切削刃两端没有来自侧面的约束力，加工过程中工件材料被挤压，产生隆起，降低了被加工表面的粗糙度。说明见下图,5、刀具的边界摩擦对粗糙度地影响,刀具磨损后，有时会在副后面

8、上产生沟槽形的边界磨损，从而在已加工表面上形成锯齿状的凸出，影响被加工表面的粗糙度。,第二节 已加工便面粗糙度,刀具磨损的影响 刀具的后角过小或后面出现严重磨损，使刀具后面与加工表面间产生挤压和摩擦，形成了理论粗糙度高度被挤平和划伤。,图 4-11 刀具后面磨损对已加工表面粗糙度的影响,6 刀刃与工件相对位置变动,原因：1）主轴回转精度不高；2）滑动导轨面的形状误差；3）材料的不均匀；4）切削过程不连续等。自激振动，使振幅发生变化，影响被加工表面的粗糙度。,第二节 已加工便面粗糙度,7振动的影响 切削过程中发生振动表面变得粗糙，降低了表面质量，严重时会影响机床精度和损坏刀具。,图 4-12 在

9、已加工表面上复映的划痕及振纹 a）复映刻痕 b）振纹,二、影响表面粗糙度的因素,1、刀具方面1)采用较大的刀尖圆弧半径r；采用较小的副偏角k，尤其使用k=0的修光刃。2）前角：一般情况下，前角对表面粗糙度影响不大；但在加工塑性材料时，采用较大的前角可减小积屑瘤和鳞刺，从而提高被加工零件的表面粗糙度。但前角不能太，why？注：为提高加工表面质量，首先在刀具强度和寿命允许条件下，尽量选用大的前角。,图 4-14 副偏角r和刀尖圆弧半径r对表面粗糙度Ra影响 a）r影响 b）r影响,第四节 已加工表面粗糙度,3)稍微增大刀具后角 能减小后刀面与加工表面的摩擦，对减小表面粗糙度值有利。4)减小刀具副偏

10、角P106,5）刀面及切削刃的表面粗糙度：提高刀具表面的粗糙度，减小摩擦，可抑制积屑瘤、鳞刺的产生。6）刀具材料：与工件材料的亲和力不同，产生积屑瘤及粘结磨损的程度不同，产生的表面粗糙度不同。,第一节 已加工表面质量概述,2、工件方面地影响1）材料塑性越大，加工粗糙度越大；2）材料金相组织的影响：对于中碳钢、中碳合金钢，在高速切削时，粒状珠光体组织粗糙度高；低速切削时，片状珠光体+细晶粒的铁素体，有利于提高粗糙度；易切钢中含硫、铅等元素；被加工材料的韧性越大，粗糙度越低。,3、积屑瘤的影响4、切削用量的影响6、刀具材料,6.刀具材料 选择合适的刀具材料，提高刀具刃磨质量能减小表面粗糙度。刀具材

11、料对加工表面质量的影响，主要决定于：材料的摩擦系数 抗粘结能力 耐磨性 刃磨质量,第二节 已加工表面粗糙度,三、磨削加工影响表面粗糙度的因素 磨削是机械制造中最常用的加工方法之一。常用于精加工和超精加工。磨削常用于加工淬硬钢、高温合金、硬质合金及其它硬脆材料。磨削的工具是砂轮。砂轮是结合剂将磨粒固结成一定形状的多孔体。砂轮的特性主要由磨料、粒度、结合剂、硬度、相组织等五因素所决定。均对粗糙度有影响。,图13-2 砂轮的构造1砂轮 2结合剂 3磨粒 4磨屑 5气孔 6工件,1、磨料 磨料直接担负着切削工作，应具有很高的硬度的韧性，破碎时应能形成尖锐的棱角。磨料分为天然磨料和人造磨料两大类。2、粒

12、度 粒度表示磨料颗粒的大小。砂轮粒度越细，则砂轮工作表面单位面积上磨粒越多，因而在工件上的刀痕也越细密，粗糙度就小。,图13-4 砂轮上的磨粒形状a)外形 b）典型磨粒断面,第二节 已加工表面粗糙度,3、砂轮硬度 砂轮硬度是指砂轮上的磨粒受力后从砂轮表面脱落的难易程度，也反映磨料与结合剂的粘结强度。砂轮硬度高，则表示磨粒难于脱落；砂轮软，则反之。注意：砂轮硬度与磨料硬度是两个不同的概念，切不可混淆。砂轮的硬度是由结合剂的粘结强度和砂轮的制造工艺决定的，与磨粒本身的硬度无关。,第二节 已加工表面粗糙度,砂轮硬度选用原则如下：(1)工件材料越硬，应选用越软的砂轮。(2)砂轮与工件磨削接触面积大时，

13、磨粒参加切削的时问较长，易磨损，应选用较软的砂轮。(3)半精磨与粗磨相比，需用较软的砂轮，以免工件发热烧伤。但精磨和成形磨削时为了较长时间保持砂轮球形、保证磨削表面精度，需选用较硬些砂轮。,第二节 已加工表面粗糙度,4.砂轮的修整5.磨削速度 提高速度，增加了工件单位面积上的磨削磨粒数量，使刻痕数量增大，同时塑性变形减小，因而表面粗糙度减小。6.磨削径向进给量与光磨次数7.工件圆周进给速度与轴向进给量8.工件材料9.切削液,(1)砂轮速度较高或与工件接触面积较大时 宜选用粗粒度砂轮，以减少同时参加磨削的磨粒数，避免发热过多引起工件表面烧伤。(2)磨削软而韧的金属时 选用较粗粒度砂轮，以增大容屑

14、空间，避免砂轮过早堵塞；（3）磨削硬而脆的金属时 选用较细粒度砂轮，以增加同时参加磨削的磨粒数，提高生产效率。,第三节 加工硬化,一、加工硬化产生的原因 1、金属塑性变形的影响1）切削加工过程中，金属的塑性变形区范围扩展到切削表面以下，使已加工表面的一部分金属也产生了塑性变形；2）刀具钝圆半径，使一部分金属从刀刃钝圆部分以下挤压过去，产生更大的附加塑性变形；随后由于弹性恢复，使刀具后刀面与已加工表面摩擦，再次发生剪切变形。结果：经过以上几次变形，使金属晶格发生扭曲，晶粒拉长、破碎，阻碍了金属的进一步变形，而使金属进一步强化，硬度显著提高。,第三节 加工硬化,2、切削温度的影响 切削温度低于相变

15、温度，使金属弱化，硬度降低；更高的温度时，将发生相变。已加工表面的硬度，就是这种强化、弱化、相变综合作用的结果。表示硬化程度N的两种表示法（P151）：N=(H-H0)/H0 x100%N=H/H0 x100%,第三节 加工硬化,二、影响加工硬化的原因1、刀具方面 1）前角越大，硬化层深度越小。2）切削刃刀钝圆半径越大，加工硬化越大 3）后刀面磨损量VB越大，加工硬化深度越大2、工件方面1）工件材料的塑形越大，硬化越严重；2）高锰钢材料强化指数大，加工硬化大P109;3）有色金属熔点低，容易弱化，所以其硬化现象比钢低。,第三节 加工硬化,3、切削条件方面的影响1）切削速度的影响：加工硬化，先是

16、随着速度的增加而减小；到较高速度后，又随着速度的增加而增加。原因：开始变形硬化来不及，后来变形速度高于弱化速度。,第三节 加工硬化,2）进给量的影响：进给量的增加，加工硬化现象增加背吃刀量对加工硬化现象影响不大3）切削液的影响 采用有效的切削液，可降低硬化层深度。,第三节 加工硬化,4.表面层材料金相组织的变化磨削烧伤回火烧伤淬火烧伤退火烧伤,磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下三种：回火烧伤：磨削区温度超过马氏体转变温度而未超过相变温度，工件表面的马氏体组织产生回火，转化成硬度低的回火组织索氏体或屈氏体。淬火烧伤：磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，由于冷却液的急冷作用，表面层会出现二

17、次淬火马氏体，硬度高于回火马氏体，而它的下层则因缓慢冷却成为硬度低的回火组织。,8.3.2 机械加工后表面层金相组织的变化,退火烧伤：干磨削时，磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，因工件冷却缓慢，则表层硬度急剧下降，工件表层被退火。,第三节 加工硬化,防止磨削烧伤的途径磨削烧伤的根源：磨削热途径：尽可能的减少磨削热的产生；改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件；措施：正确选择砂轮合理选择磨削用量改善冷却条件,第四节 残余应力,残余应力的基本概念：残余应力是指在没有外力的作用下，在物体内部保持平衡而存留的应力。一、造成残余应力的原因 悟语：明确机理，才能寻找解决途径。残余应力是影响加工

18、精度的重要因素，如何避免或降低 1、机械应力引起的塑性变形 1）切削过程中，切削刃前方的晶体一部分随切屑流出另一部分停留在已加工表面，在分离出的水平方向晶粒 受压，而在垂直方向，晶粒受拉，这样就形成了残余拉应力；,第四节 残余应力,2）在已加工表面形成过程中，刀具后刀面与已加工表面 产生很大的挤压与摩擦，使表层金属产生拉伸塑性变形，刀具离开后，在里层金属的作用下，表层金属产生残余压应力。2、热应力引起的塑性变形 切削过程产生热，切削层温度里低外高，变形不一致使表层金属产生热应力，热应力超过屈服极限使表层金属产生压缩塑性变形；切削后冷却至室温后，表层金属的收缩又受到里层金属的限制，使表层金属产生

19、残余拉应力。,第四节 残余应力,3、相变引起的体积变化 切削时，若表层温度大于相变温度，则表层组织可能发生相变；由于各种金相组织的体积不同，从而产生残余应力。对于碳钢而言：相对奥氏体体积小，马氏体体积大，屈氏体或索氏体体积小。奥氏体体积马氏体体积时，表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力；奥氏体 屈氏体或索氏体时（金属表面退火），表层产生残余拉应力。切削碳钢时，一般在已加工表面层常为残余拉应力,第四节 残余应力,4.热态塑性变形引起的残余应力5.金相组织变化引起的残余应力,二、影响残余应力的因素 1、刀具方面 1）当刀具前角由正值逐渐变为负值时，表层的残余拉应力逐渐减小，但残余应力深度逐渐增加

20、。原因：前角越小，切削刃钝圆半径越大，刀具对已加工表面的挤压与摩擦作用越大，从而降低了了残余拉应力。在切削用量一定的情况下，采用较大的副前角，可得到残余应力为压应力的加工表面，提高零件表面性能。,2）刀具后刀面磨损量VB增加时，可使已加工表面残余拉应力增大，残余应力层深度也增加。原因：刀具后刀面磨损量VB增加时，使已加工表面切削温度上升，热应力引起的残余应力逐渐增加。2、工件材料方面 1）工件材料塑性越大，残余拉应力越大；2）切削灰铁等脆性材料时，加工表面产生残余压应力。原因：切削加工时，后到面的挤压与摩擦起主导作用，使加工表面产生拉伸变形。,3、切削条件方面 1）切削速度增加时，热应力引起的

21、残余拉应力起主导作用。速度越高，残余拉应力越大；速度越高，残余应力深度越浅。原因：塑性变形区减小。速度越高，超过相变温度时，情况不同，如前述。2）进给量的影响：进给量的增加，加工表面残余拉应力及深度增加。原因：热应力引起的残余应力占优势 3）背吃刀深度对残余应力影响不大。,磨削加工中影响表面粗糙度的因素,磨削用量,砂轮的特性,粒度：,粒度号,Ra值,砂轮的硬度：,硬度,难脱落,Ra值,硬度,易脱落,不易保持形状,精度,砂轮的修整：,冷却,加工硬化,定义,机械加工中，金属被加工表面层受切削力的作用产生塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生滑移剪切，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，引起表面层的强度和硬度都提

22、高的现象，称加工硬化。,评定指标：表面层的显微硬度 H硬化程度 N硬化层深度 h,影响因素：刀具切削用量工件材料,2、产生原因A已加工表面的形成过程中，表层金属受了复杂的塑性变形；（强化）B刀具钝圆半径的挤压摩擦；（强化）C温度影响（弱化、相变）,表面层的金相变化,加工中,达到相变温度,产生相变,烧伤的形式：,退火烧伤,回火烧伤,淬火烧伤,工件表面温度超过相变温度AC3，但无冷却液，工件表面被退火。工件干磨时易发生这种烧伤。,工件表面温度未达到相变温度AC3，但超过马氏体的转变温度，工件表层组织为回火屈氏体或索氏体。,工件表面温度超过相变温度AC3，冷却充分，工件表面被二次淬火。但淬透层很薄，

23、其下层仍为回火屈氏体或索氏体。,表面层的金相变化,影响磨削烧伤的因素：,磨削用量,aP,工件表层温度,烧伤,V砂轮,工件表层温度,烧伤,f,工件表层温度,烧伤,V工件,工件表层温度,热源作用时间,烧伤,工件材料,砂轮特性,冷却,残余应力,原因:外力使零件变形，其中引起塑性变形的外力作的功以零件内部材料变形而贮存在零件内。当外力消除后，应力不均匀的能量要释放出来，引起零件缓慢的变形，及残余应力作功，使原有的加工精度丧失，直到能量全部释放出来为止，变形结束。机械应力、热应力、相变、热态塑性变形、金相组织变化等引起的残余应力,一、减小残余拉应力、防止磨削烧伤和磨削裂纹的途径1.选择合理的磨削参数 磨

24、削用量是影响残余应力和磨削裂纹的首要因素。提高工件速度和进给速度可以减小残余拉应力，消除裂纹。但工件速度和进给速度的提高受到表面粗糙度要求的限制。减小磨削深度也可减小残余应力，当磨削深度减小到一定值后可得到低残余应力的表面层。,控制加工表面质量的工艺途径,2.选择有效的冷却方法 选择合适的磨削液和冷却方法可有效地降低磨削温度。生产中常用高压大流量冷却、内冷砂轮、加装空气档板等方法来提高磨削液的冷却效果，如图所示。,控制加工表面质量的工艺途径,二、采用冷压表面强化工艺 表面强化工艺是通过对工件表面施加冷挤压使之发生冷态塑性变形，从而提高其表面硬度强度，并形成表面残余压应力的一种加工方法。通过冷挤

25、压，表面微观不平度的波峰被压平，因而表面粗糙度得到一定程度的减小。常用的表面强化工艺有滚压强化、挤压强化和喷丸强化。,控制加工表面质量的工艺途径,利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态挤压金属表面，将凸起部分下压下，凹下部分上凸，修正工件表面的微观几何形状,形成压缩残余应力，提高耐疲劳强度（图8-14）,利用大量快速运动珠丸打击工件表面,使工件表面产生冷硬层和压应力,疲劳强度（图8-13）,喷丸强化,图8-14 滚压加工原理图,用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，例如板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等,三、采用精密和光整加工 机械加工精度，分一般加工、精密加工与超精密加工。现在，一般将加工误差10m以上，表面粗造度值Ra0.20.8m以上的加工方法划分为一般加工；加工误差为100.1m，表面粗糙度值为Ra0.10.01m的加工方法划分为精密加工；加工误差小于0.1m，面表粗糙度值小于Ra0.025m的工方法划分为超精密加工。采用精密和超精密加工可全面提高加工精度和表面质量。,控制加工表面质量的工艺途径,（1）精密加工工艺：高速精镗、高速精车、宽刃精刨、细密磨削等。（2）超精密加工（光整加工工艺）：珩磨、超精加工、研磨、抛光,采用光整加工方法降低表面粗糙度,