第三章表面质量机制工艺.ppt

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1、,3.1 机械加工质量及其对使用性能的影响 3.2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改 进措施 3.3 影响表面层金属力学物理性能的工艺因 素及其改进措施 3.4 机械加工过程中的振动,第三章 机械加工表面质量及其控制,主要内容,一、 加工表面质量的概念 所谓表面质量是指零件加工以后的表面层状态。 它可以从以下两个方面来评定：表面微观几何特征及表面的物理力学性能和化学性能。,1. 表面微观几何特征,（1）表面粗糙度 表面粗糙度是指已加工表面微观几何误差。它是由加工中的残留面积、塑性变形、积屑瘤、鳞刺以及工艺系统的高频振动等原因引起的。,波长与波高之比,3.1 机械加工表面质量及其对使用性能的影

2、响,L1 范围内的凸凹不平（平面度）H1,L3 范围内的凸凹不平（粗糙度）H3,L2 范围内的凸凹不平（波度）H2,（2）波度 是介于宏观与微观（波长与波高之比：501000）几何形状误差之间的周期性几何形状误差。 波度主要是由加工中工艺系统的低频振动造成的。,（3）纹理方向 指表面刀纹的方向。纹理方向取决于表面形成过程中所采用的加工方法。,纹理平行,纹理垂直,纹理交叉,纹理呈近似同心圆,纹理呈多方向,纹理呈近似放射状,C,M,R,（4）表面缺陷 指加工表面上出现的缺陷。 缺陷是在表面个别位置随机出现的，包括：砂眼、夹砂、气孔、裂痕等。,2. 表面的物理力学性能和化学性能,（1）表面层材料的塑

3、性变形与冷作硬化 由于表面层材料的塑性变形引起金属材料的强度和硬度都提高的现象，被称之为冷作硬化。 用硬化程度和硬化深度来衡量。 （2）金相组织的变化 在加工过程中，由于切削热而引起金属的金相组织变化。 （3）表面层材料残余应力 由于塑性变形和金相组织变化，使表面层金属产生残余应力。,二、加工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,（1）表面粗糙度、波纹对零件耐磨性的影响 一对刚加工好的摩擦副的两个接触表面之间，最初阶段只是在表面粗糙度的峰部接触，实际接触面积远小于理论接触面积，在相互接触的峰部，有非常大的单位压力，使实际接触面积处产生塑性变形、弹性变形和峰部之间的剪切

4、破坏，引起严重磨损。,零件磨损的特点: 零件磨损一般可分为三个阶段，图中、和三个区域分别表示了这三个阶段。,磨损量,工作 时间,初期磨损阶段,：磨损快、时间较短。,：随着表面粗糙度峰部不断被碾平和被剪切，实际接触面积不断加大，单位压力也逐渐减小，摩擦副即进入正常磨损阶段。正常磨损阶段经历的时间较长。,：随着表面粗糙度的峰部不断被碾平和被剪切，接触面积越大，零件间的金属分子亲和力增大，表面间机械咬合作用增大，磨损急剧增加。区是剧烈磨损区，此时摩擦副不能正常工作。,正常磨损阶段,剧烈磨损阶段,表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般说来，表面粗糙度值越小，其耐磨性越好。但表面粗糙度值太小，润滑油不

5、易储存，接触面之间容易发生分子粘接，磨损反而增加。因此，接触面的表面粗糙度有一个最佳值一般由试验确定。,平均磨损量，%,表面粗糙度,发动机活塞销最合适的表面粗糙度值,（2） 表面加工纹理方向的影响, 在压强不大、充分润滑的条件下，当两摩擦面的加工纹理方向都与摩擦运动方向平行时，磨损量最小。 当两摩擦面的加工纹理方向都与摩擦运动方向垂直时，磨损量最大。, 当压强增加时，若加工纹理方向都与摩擦运动方向平行，则磨损量就大；当加工纹理方向相互垂直时，咬合的危险性小，因而磨损量就小。,发动机曲轴轴颈在充分润滑的条件下工作，故轴颈与轴瓦的加工纹理方向都应平行于摩擦运动的方向。,（3）表面冷作硬化对零件耐磨

6、性的影响,加工表面的冷作硬化，使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，减少了摩擦副接触处的弹性和塑性变形，故一般可使耐磨性提高。,但也不是冷作硬化程度越高耐磨性也越高，这是因为过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降。,磨损量,HB,320,340,360,380,400,420,440,50,60,70,80,90,2. 表面质量对零件疲劳强度的影响 金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏往往发生在零件表面或表面冷硬层下面，因此零件的表面质量对疲劳强度影响较大。 （1） 表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 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

7、疲劳裂纹。表面粗糙度值越大，表面的裂纹越深，纹底半径越小，抗疲劳破坏的能力越差。零件上易产生应力集中的沟槽、圆角等处的表面粗糙度，对疲劳强度的影响更大。,（2） 残余应力对零件疲劳强度的影响 残余应力对疲劳强度强度的影响较大。表面残余拉应力将使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏；而表面残余压应力能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的发生，有利于提高疲劳强度。 （3） 冷作硬化对零件疲劳强度的影响 表面冷作硬化一般伴有残余压应力的产生，可以防止裂纹产生并阻止已有裂纹的扩展，对提高疲劳强度有利。但表面冷作硬化过高时，可能会产生较大的脆性裂纹，从而降低疲劳强度。,3. 表面质量对耐腐蚀性能的影响,（1）表面

8、粗糙度对零件耐蚀性的影响,大气里气体、液体与金属工件接触，会在金属表面凝聚而使金属腐蚀。表面粗糙度越大，接触面越大，腐蚀物质越易沉积于凹坑中，耐蚀性越差。,（2）表面层金属力学物理性能对零件耐蚀性的影响 当零件表面有残余压应力时，有利于阻止表面裂纹的进一步扩大，耐蚀性提高； 当零件表面有残余拉应力时，则会使表面裂纹的进一步扩大，耐蚀性变差。,4. 表面质量对零件配合质量的影响,（1）间隙配合,对于间隙配合，工作表面越粗糙，磨损越大，使配合间隙很快增大，从而改变原有的配合性质，降低配合精度。对于液压、气动元件，还会造成泄露量增大；,（2）过盈配合,对于过盈配合，由于在轴压入孔时，表面粗糙度的部分

9、凸峰被挤平，而使过盈量减小，降低了连接强度，影响配合的可靠性。,因此，具有配合精度要求的表面，需具有较小的表面粗糙度。,3.2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改进措施,一、切削加工的表面粗糙度,在切削加工中刀具的几何形状、切削用量、切削液、振动等工艺因素，都会影响表面粗糙度。以车削外圆为例来说明切削加工表面粗糙度的形成。,由国家标准规定的表面粗糙度定义，轮廓的算术平均偏差：,1几何因素 外圆车削时，其切削轨迹为一螺旋线，切削后在工件表面留下的残留面积（其形状是刀具几何形状的复映），形成了表面理论粗糙度。, 圆弧刃刃车刀,（1）在切削过程中，刀具的刃口圆角及后刀面的挤压与摩擦使金属材料发生塑性

10、变形而使理论残留面积挤歪或沟纹加深，因而增大了表面粗糙度。,实际轮廓,理论轮廓,2物理因素 切削加工后表面粗糙度的实际轮廓之所以与纯几何因素所形成的理论轮廓有很大的差异，主要是由于切削过程中塑性变形的影响。,（2）在切削过程中出现刀瘤 （积屑瘤）,定不变的，而是不断地形成、长大，然后粘附在切屑上被带走或留在工件上。由于积屑瘤有时会伸出切削刃之外，其轮廓也很不规则，因而使加工表面上出现深浅和宽窄都不断变化的刀痕，大大恶化了表面粗糙度。,积屑瘤是切削过程中切屑底层与前刀面冷焊的结果。积屑瘤形成后并不是稳,加工塑性材料时，切削速度为中、低速，易产生积屑瘤。,（3）在切削过程出现鳞刺 鳞刺是已加工表面

11、上出现的鳞片状毛刺般的缺陷。切削过程中出现鳞刺是由于切屑在前刀面上的摩擦和冷焊作用造成周期性地停留，代替刀具推挤切削层，造成切削层和工件之间出现撕裂现象。,I.抹拭,II.沉积,III.导裂,IV.刮成,鳞刺的形成过程,鳞刺的形成经过4个阶段： I. 抹拭（切屑与前刀面刮擦干净） II. 沉积（切屑与前刀面冷焊） III. 导裂（切屑与已加工表面间撕裂） IV. 刮成（切屑沿前刀面流出）,如此往复，就在已加工表面上出现一系列的鳞刺，构成已加工表面的粗糙度。,二. 磨削加工后的表面粗糙度,磨削加工与切削加工比较，有许多特点，主要表现在：, 砂轮表面的形貌很复杂，磨粒在砂轮表面上的分布是随机的，高

12、低不一，也很不规则。 磨削速度高，且磨粒大多数为负前角，单位切削力很大，所以切削温度很高（9000C以上），超过了相变温度，因此产生了比切削加工大得多的塑性变形。 被加工表面是由无数个高低不等的磨粒滑擦、刻划和切削而成的，因而衡量表面粗糙度的依据是单位时间内通过单位磨削面积的磨粒数多少（即刻痕数多少）、刻痕的深浅以及刻痕的均匀性。,影响磨削表面粗糙度的因素是：,（1）砂轮的粒度,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。但磨粒太细，砂轮易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，若导热情况不好，还会烧伤工件

13、表面。,（2）砂轮的硬度,砂轮的硬度是指磨削时磨粒受力后从砂轮上自行脱落的难易程度（即砂轮的自砺性）。,1砂轮方面,（3）砂轮的组织,砂轮太软，磨粒太容易脱落，不易保证砂轮修整后的形状精度，使粗糙度增加；如果太硬，磨钝了的磨粒就不容易脱落，切削作用减小而挤压、摩擦及塑性变形增加，表面粗糙度增大，同时还容易烧伤。,组织细密的砂轮，磨粒在砂轮组织（磨粒、粘结剂、空隙）中占的比例大，单位时间内通过单位磨削面积的磨粒数多，而获得较低的表面粗糙度。但砂轮的组织若过于紧密，空隙太小，则容易堵塞砂轮，使加工表面产生烧伤。,不同的磨粒，其锋利程度、硬度不同。砂轮磨粒材料种类很多，可分为三大系，即： 氧化物系（

14、刚玉类） 碳化物系（碳化硅、碳化硼等） 高硬磨粒系,（4）砂轮的修整,砂轮磨钝后，必须进行仔细地修整，修整质量对磨削表面的粗糙度有很大的影响。用金刚石笔修整砂轮相当于在砂轮工作表面上车出一道螺纹，其导程和切深越小，修整出的砂轮就越光滑，磨削刃的等高性越好，因而磨出的工件表面粗糙度就越小。,（5）磨粒的材料,一般磨削钢类件用刚玉类，磨削铸铁、硬质合金用碳化物类磨料，可获得较好的效果。 金刚石、立方氮化硼类的高硬磨粒砂轮，可获粗糙度很低的表面。其中立方氮化硼，虽然其硬度较金刚石低（金刚石硬度为HV10000，立方氮化硼为HV80009000）,但其耐热性（1400oC）比金刚石（800oC）高，且

15、对铁元素的化学惰性高，磨削钢类件可获得很低的表面粗糙度。,2塑性变形,砂轮的磨削速度远比一般切削加工的速度高得多，且磨粒大多数为负前角，单位切削力很大，所以切削温度很高（ 以上 ），超过了相变温度，因此产生了比切削加工大得多的塑性变形。,由于塑性变形，被磨削表面的几何形状与由几何因素所得到的原始形状大不相同，在力因素和热因素的综合作用下，被磨削表面的晶粒在横向上被拉长，有时还产生细微的裂口和局部的金属堆积现象，因此，塑性变形往往是影响表面粗糙度的主要因素。,3磨削用量方面,（1）砂轮线速度,（2）工件速度,（3）背吃刀量,一、 表面层的冷作硬化,1. 加工硬化（或冷作硬化）定义 机械加工时，工

16、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。,3.3 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施, 但在加工过程中所产生的切削热又将使冷作硬化弱化，故硬化程度取决于强化和弱化的综合。,2. 衡量表面层加工硬化的指标 表面层的显微硬度HR； 硬化层深度h； 硬化程度N,HR0：工件原表面层的显微硬度。,1. 表面残余应力的产生机理 当切削及磨削过程中加工表面相对于基体材料发生形状、体积变化或金相组织变化时，在加工后表面层中将残留有应力，应力大小随深度而变化，

17、其最外层的应力和表面层与基体材料交界处（以下简称里层）的应力符号相反，并相互平衡。 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。,二、 表层金属的残余应力,（1）冷塑性变形的影响 在切削加工过程中，工件表面层受切削力的作用，会拉长表层金属的纤维，产生塑性变形，使表层金属的比容增大，导致体积膨胀；刀具后刀面与已加工表面的摩擦，会加大这种拉伸作用。 但表层金属体积膨胀会受到与之相连的里层金属的阻碍。故：在加工时，表层产生拉应力，里层处于弹性变形状态下。,（1）冷塑性变形的影响 当切削加工完成后，切削力已去除，里层金属趋向复原（弹性恢复）

18、，但受到已产生塑性变形的表面层限制，回复不到原状，因而在表面层产生残余压应力，里层则为拉应力与之相平衡。,（2）热塑性变形的影响 在机械加工中，切削区将会产生切削热，工件表面的温度很高，特别是磨削，温度更高。,距表层深度,工件表层温度分布如图所示：,距表层深度,0,+,加工时,-,（2）热塑性变形的影响（表层未达到融化温度） 表面层在切削热的作用下产生热膨胀，此时基体温度较低，因此表面热膨胀受到基体的限制而产生热压缩应力。当表面层的温度超过材料的弹性变形的温度范围时，就会产生热塑性变形（在压力作用下材料相对缩短）。当切削过程结束，温度下降至与基体温度一致时，因为表面层已产生热塑性变形，但受到基

19、体的限制产生拉应力，里层则为残余压应力。,距表层深度,三、金相组织变化的影响 切削时产生的高温会引起表面层的相变。由于不同的金相组织有不同的比重，表面层金相组织变化的结果造成了体积的变化。表面层体积膨胀时，因为受到基体的限制，产生压应力；反之表面层体积缩小，则产生拉应力。各种金相组织中，马氏体比重最小，奥氏体比重最大。,磨削淬火钢时若表面产生回火现象，马氏体转变成索氏体或屈氏体（这两者组织均为扩散程度很高的珠光体），因体积缩小，表面层产生残余拉应力，里层产生残余压应力。若表面层产生二次淬火现象，则表面层产生二次淬火马氏体，其体积比里层的回火组织大，因而表层产生压应力，里层产生拉应力。,（1）磨

20、削烧伤 当被磨削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、硬度降低，并伴随有残余力产生，甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。 在磨削热的作用下，磨削表面生成氧化膜，这种氧化膜由于厚度不同，其反射光线的干涉状态不同，因而形成不同的颜色（表面层呈现黄、褐、紫、青等色），它反映了表面层金相组织变化的程度。,（2）磨削烧伤三种形式,淬火烧伤,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

21、硬度是降低的，这种现象称为淬火烧伤。,磨削淬火钢时，若表面层产生二次淬火现象，则表面层产生二次淬火马氏体，其体积比里层的回火组织大，因而表层产生压应力，里层产生拉应力。,0,-,距表层 深度,+,回火烧伤,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。,磨削淬火钢时若表面产生回火现象，马氏体转变成索氏体或屈氏体（这两者组织均为扩散程度很高的珠光体），因体积缩小，表面层产生残余拉应力，里层产生残余压应力。,退火烧伤,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

22、。若此时无冷却液，表层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。,4. 提高零件疲劳强度的加工方法,（1） 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残余压应力，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）。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52.5m 减小到0.630.32m （Ra），可几倍甚至几十倍地提高零件的使用寿命。,滚压

23、加工原理,（2）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。,单滚柱滚压,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。,3.4 机械加工过程的中振动,机械加工过程中产生的振动，是一种十分有害的现象。它将导致：, 刀具与工件产生位移而使加工表面产生波纹；, 加剧刀具磨损，甚至崩刃；, 机床联接特性受到破坏；, 危害人的健康；,