机械制造工艺学第三章-XXXX

第三章机械加工表面质量及其控制任何机械加工方法获得的加工表面，都不是绝对理想的表面。既存在宏观几何形状误差，又存在微观表面粗糙度、波度，以及表面划痕和裂纹等缺陷。一些重要零件常在高温、高速、高应力条件下工作，表面存在任何缺陷都可能引起应力集中、应力腐蚀而导致零件损坏。实践证明机械零件破坏一般总是从表面层开始的，说明零件的表面质量至关重要。研究表面质量的目的，是要掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，以便应用这些规律控制加工过程，最终达到提高表面质量提高产品使用性能的目的。一、加工表面质量的概念第一节加工表面质量及其对使用性能的影响已加工表面质量表面粗糙度表面波度表面物理力学性能的变化表面微观几何形状特征表面层冷作硬化表面层残余应力表面层金相组织的变化图5-2a）波度b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ（一）加工表面的几何形貌表面粗糙度：加工表面的微观几何误差，波长与波高比值小于50。表面波度：加工表面不平度波长与波高比值在50～1000的几何形状误差。1000为宏观几何形状误差，属加工精度研究的范围纹理方向：表面刀纹的方向，取决于加工方法伤痕：加工表面出现的缺陷，如划痕、气孔、砂眼等（二）表面层材料的力学物理性能与化学性能由于力和热的作用，表面层的力学物理性能和化学性能将发生变化。1）表面层金属的冷作硬化；表层金属因塑性变形而引起强度硬度提高，用硬化程度和硬化深度衡量。一般机械加工方法，硬化深度为0.05-0.3mm用滚压加工可达几毫米。2）表面层金相组织的变化。加工过程中，表面层因切削或磨削热引起温度升高而产生的金相组织的变化；如磨削淬火钢,引起马氏体分解,成回火组织.3）表面层金属的残余应力。表面层在切削力和切削热的作用下而产生不均匀的体积变化而产生残余应力。二、表面质量对产品使用性能的影响（一）表面质量对耐磨性的影响零件精度保持性取决于耐磨性，耐磨性越高则工作精度保持性越好。耐磨性除与摩擦副的材料和润滑条件有关外，还与零件表面质量有关。1、粗糙度、波纹度对耐磨性的影响表面越粗糙，有效接触面积越小，初期磨损越大。一般说来随着粗糙度的减小，耐磨性提高，但也不是越小越好。当表面粗糙度小到一定程度后，零件间的分子亲和力加强，接触面容易发生分子粘接，润滑液难以储存，磨损加快。2、表面纹理对耐磨性的影响表面纹理的形状和方向影响有效接触面积和润滑油的存留。一般说来，圆弧状，坑状表面纹理的耐磨性好，尖峰状的表面纹理由于接触面压强大,耐磨性差。纹理方向与运动方向相同，耐磨性好；纹理方向与运动方向垂直,则耐磨性差。3、表面冷作硬化对耐磨性的影响表面层冷作硬化减少了摩擦副接触部位的弹性变形和塑性变形，因而减少了磨损，提高耐磨性，但并不是硬化程度越高耐磨性越好，在硬化过度时，引起组织疏松磨损会加剧，甚至产生剥落，所以硬化层要控制在一定的范围。4、表面层金相组织变化影响加工过程中，由于切削温度过高，表层金相组织会发生某些变化，如磨淬火零件时，表层的马氏本组织要分解或出现回火组织或出现二次淬火组织，直接影响耐磨性。1）粗糙度:在交变载荷的作用下，零件表面的粗糙度、划痕、裂纹等缺陷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。对受交变载荷的零件，减小表面粗糙度值可使疲劳强度提高30—40%，表面越粗糙，搞疲劳性越差。2）残余应力:残余压应力,能部分抵削工作载荷所施加的拉应力，延缓裂纹的扩展，因而提高零件的疲劳强度。但残余拉应力容易使表面产生裂纹，因而降低疲劳强度。3）冷作硬化:冷作硬化提高零件的疲劳强度。因为硬化层阻碍已有裂纹的扩大和新疲劳裂纹的产生。（二）表面质量对耐疲劳性的影响（三）表面质量对抗腐蚀性能的影响1、表面粗糙度的影响零件在空气中或腐蚀介质中常发生化学腐蚀和电化学腐蚀，表面越粗糙则加工表面与空气和腐蚀性介质的接触面积越大，因而抗腐蚀性能越差。2、金属力学与物理性质的影响加工表面的冷作硬化和残余应力都将金属表面处于高能位的不稳定状态，容易与空气中的物质发生化学反应而被腐蚀。（四）表面质量对配合质量的影响无论是间隙配合、过盈配合还是过渡配合，如果表面粗糙度太大，则必然影响实际配合的性质。对间隙配合，如果表面粗糙度太大，则初期磨损量就越大，工作时间一长配合间隙就越大，以致改变原有的配合性质，影响间隙配合的稳定性。初期磨损Δ0与粗糙度的关系Δ0=KRaK为比例系数这就是新机器为什么需要经过跑合阶段才能进入正常工作状态的原因。对于过盈配合，由于表面粗糙度的影响，会使实际过盈量小于计算过盈量，装配时凸峰被剂掉，使实验过盈量减小。第二节影响表面粗糙度的因素及其改进措施在切削和磨削过程中，表面粗糙度的形成由几何因素、物理因素(表层金属的塑性变形)和工艺系统的振动决定。一、切削加工表面粗糙度（一）几何因素切削加工表面粗糙度取决于切削残留面积的高度。残留面积高度与刀具的进给量，主偏角、副偏角和刀尖圆角半径有关。`rrctgKctgKfHrfrfrH8)4(222图中的虚线为Rz与rE、f的计算关系曲线，而实线为实际加工的结果。两者数值上的差别是由于Rz不仅受刀具几何形状的影响，同时还受表面金属层塑性变形的影响。进给量越小，这种影响越大。由几何因素引起表面粗糙度过大，可通过减小切削层残留面积来解决。如减小进给量、减小刀具的主副偏角，增大刀具园角半径。（二）物理因素零件加工后实际轮廓与纯几何因素所形成的理想轮廓有较大差别，因为在加工过程中还有塑性变形等物理因素的影响。1）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变形，使理论残留面积挤歪，因而增大了表面粗糙度。2）切削过程中出现刀瘤与鳞刺会使表面粗糙度严重恶化，加工塑性材料时是影响粗糙度的主要因素。刀馏是在切削过程中，切屑底层与前刀面发生冷焊的结果。鳞刺是在已加工表面上出现磷片状毛刺般的缺陷。1、切削用量的影响（1）进给量的影响在粗加工和半精加工中，当f0.15mm/r，进给量对表面粗糙度影响大；当f0.15mm/r，则f的进一步减小，不能引起表面粗糙度明显下降；当f0.02mm/r时，表面粗糙度主要取决于被加工面的金属塑性变形。（2）切削速度的影响V愈高，切削过程中切屑和加工表面的塑性变形程度就愈轻，粗糙度愈小；刀瘤和鳞刺都是在较低速度范围内产生，V愈高可防止刀瘤和鳞刺的产生。提高切削速度既有利于降低表面粗糙度，又有利于提高生产率。加工脆性材料时，切削速度对表面粗糙度影响不大。加工脆性材料比加工塑性材料容易达到表面粗糙度要求。（3）切削深度的影响切削深度对表面粗糙度的影响不大，但由于刀刃存在圆角半径，当切削深度小到一定程度后，不能进行正常切削，会出现刀具挤压打滑等现象，从而使表面粗糙度增大。2、被加工材料性能的影响韧性较大的塑性材料加工后表面粗糙度大，脆性材料其加工粗糙度比较接近理论粗糙度。对于同种材料，晶粒组织愈粗大，加工后粗糙度也愈大，为减小加工后的粗糙度,常在切削加工前进行调质或正火处理，以获得均匀细密的晶粒组织。3、刀具几何形状、材料、刃磨质量的影响前角r0增大，则塑性变形小、粗糙度小；r0为负，塑性变形大、粗糙度大。不同刀具材料，其化学成分不同，其硬度、刀具材料与工件材料的亲和程度、以及前后刀面与切屑和已加工表面的磨擦系数不同。硬质合金刀具加工所得的表面粗糙度比高速钢刀具加工所获得的小，金刚石刀具加工所得的表面粗糙度比硬质合金刀具加工所得的还要小。1）金刚石强度和硬度高，在高温下能保持其性能。刃口锋利，在切削过程中，其刀尖圆角半径和刃口半径保持不变。2）金刚石与金属材料的亲和力小，加工中不会产生积屑瘤。3）金刚石刀具前后刀面的摩擦系数小，加工时的切削力及表层金属的塑性变形小，有利于降低表面粗糙度。降低表面粗糙度措施合理选择刀具的几何角度，适当增大刀具前角和刃倾角，提高刀具的刃磨质量，降低前刀面和后刀面的表面粗糙度，选择合适冷却润滑液，提高润滑效果（可以抑制刀瘤和鳞刺的产生），均有利于降低表面粗糙度。在影响表面粗糙度的几何因素和物理因素中，何者占主导地位，这取决于不同情况。加工脆性材料以几何因素为主；而加工塑性材料、特别是韧性大的材料，以物理因素为主。二、磨削加工后的表面粗糙度与车削不同，磨削加工表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的沟槽所形成，每单位面积上的刻痕数愈多，即通过单位面积的磨粒数愈多，刻痕的等高性越好，则粗糙度愈小。磨削表面粗糙度与几何因素、物理因素和振动有关。（一）几何因素的影响：1、磨削用量对表面粗糙度的影响1）砂轮的速度：提高砂轮速度，单位时间内通过被加工表面的磨粒数越多，同时塑性变形造成的隆起量随砂轮速度的增大而下降，有利于降低表面粗糙度。2）工件速度和进给量的影响提高工件速度和进给量,单位时间内通过被磨表面的磨粒数减少，会增大表面粗糙度；3）磨削深度增大磨削深度，将增加塑性变形程度，从而增大粗糙度。2、砂轮粒度和砂轮修整对表面粗糙度的影响：1）砂轮的粒度愈细，则砂轮工作面的单位面积上的磨粒愈多，在工件上的刻痕愈密愈细，所以粗糙度愈小。因此，选择粒度号大的砂轮有利于降低表面粗糙。但如果粒度号过大，则只能采用很小的磨削深度，还需要很长时间的空行程，否则砂轮容易堵塞，造成表面烧伤。一般磨削其粒度号不超过80，常用46-60号。2）砂轮的修整：如果砂轮工作表面修整不好，则表面上的磨粒不处在同一高度，其中高度较低的磨粒不能起到磨削作用，加工时会使单位面积上的磨粒数减少，从而增大表面粗糙度。因此在磨削加工最后几次行程前，应精细修整砂轮。砂轮修整时导程和切深越小，磨粒的微刃等高性越好，相当于选用大粒度号砂轮，磨削表面粗糙度越小。砂轮修整时常用金刚石修整器。在磨削过程中，通常在开始时采用较大的磨削深度，以提高生产率而最后采用小切深或无进给磨削以降低粗糙度。（二）物理因素的影响由于磨削速度比切削加工的速度高很多，且磨粒大多为负前角，磨削比压大，磨削区域的温度很高（有时达900度）工件容易产生相变而烧伤，同时产生比切削加工更大的塑性变形，增大表面粗糙度。1、磨削用量1）砂轮的速度：砂轮速度越高，工件材料来不及塑性变形，因而表面层金属的塑性变形减小，表面粗糙度将明显减小；2）工件速度：工件速度增加，塑性变形增加，表面粗糙度增大；3）进给量：进给量增大，塑性变形增大，表面粗糙度增大2、砂轮的选择粒度、硬度、组织和材料对磨削表面粗糙度影响很大。粒度：粒度越细，磨削表面粗糙度越小，但如果磨粒太小，砂轮容易堵塞，引起表面烧伤，使表面粗糙度增大。硬度：砂轮的硬度是指磨粒在磨削力作用下从砂轮表面上脱落的难易程度。砂轮太硬，钝化了的磨粒不能及时被新磨粒替代，使表面粗糙度增大；砂轮太软，磨粒易脱落，磨削作用减弱，也会使表面粗糙度增大。组织：指磨粒、结合剂和气孔的比例关系。组织细密，能获得高精度和较小表面粗糙度，组织疏松，不易堵塞，适于磨削软金属材料，如：磁钢、不锈钢和耐热钢。材料：氧化物（刚玉）砂轮用于磨钢类零件；碳化物砂轮（碳化硅）用于磨铸铁和硬质合金等材料，人造金刚石和立方氮化硼，可获得很少的表面粗糙度，但成本较高。第三节、影响表面层物理力学性能的工艺因素及其改措施在切削力和切削热作用下，加工表面的机械物理性能会发生变化，与基体材料性能有很大不同，主要变化：表层金相组织的变化，微观硬度变化和在表层中产生残余应力。一、加工表面的冷作硬化冷作硬化：在切削（磨削）过程中，如果加工表面层产生的塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格严重扭曲，并产生晶粒的拉长、破碎和纤维化，引起材料表层强度和硬度提高，这种现象称冷作硬化。冷硬的结果：变形阻力增大、塑性降低，导电性、导热性发生变化。弱化：冷作硬化使金属处于高能位的不稳定状态，在温度较高时会本能向低能位的稳定状态转变。冷作硬化的评定指标：1）表层金属的显微硬度，用HV表示2）硬化层深度h3）硬化程度N%10000HVHVHVN硬化程度越大，则硬化层的深度越大。硬化程度取决于：1）产生塑性变形的力：力越大，塑性变形越大，硬化程度越大。2）变形速度：变形速度越快，变形越不充分，硬化程度越小。3）变形