工业生产过程13机械加工表面质量和加工精度

2014-11-3工业生产过程机械加工表面质量和加工精度ZZQ2014-11-3本节课内容：零件加工表面质量对使用性能的影响;对零件加工表面质量的影响因素;提高零件加工表面质量的途径；机械加工精度和加工误差；工艺系统的静态几何误差对机械加工精度的影响。2014-11-3今天的课程学完后，预期学习结果：了解机械加工表面质量的含义及其对零件使用性能的影响；熟悉影响已加工表面粗糙度的因素；熟悉机械加工后表面物理机械性能的变化；了解提高加工表面质量的途径；了解振动对表面质量的影响及其抑制手段；掌握机械加工精度的概念；熟悉误差分类和组成；熟悉工艺系统的静态几何误差对机械加工精度的影响。2014-11-3CDIO相关能力在今天课程中的培养：应用基础科学知识与工程基础知识，实行工程推理和解决问题的能力；通过对“切削条件如何影响零件加工表面质量、零件加工表面质量如何影响零件使用性能”和“工艺系统的静态几何误差如何影响机械加工精度”的了解，提高系统思维的能力；对各项学习任务进行合理的时间安排，有效高质量地完成。2014-11-3表面质量的概念加工表面质量包括两个方面的内容：加工表面的几何形状误差和表面层金属的力学物理性能。2014-11-3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，如图所示。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。波度加工表面不平度中波长与波高的比值等于50～1000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。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，它们属于加工精度范畴。2014-11-3加工纹理方向及其符号标注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。图给出了各种纹理方向及其符号标注。伤痕伤痕是在加工表面上一些个别位置上出现的缺陷，例如砂眼、气孔、裂痕等。2014-11-3表面层金属的力学物理性能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将发生一定的变化，主要反映在以下几个方面：表面层金属的冷作硬化表面层金属硬度的变化用硬化程度和深度两个指标来衡量。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。一般情况下，硬化层的深度可达0.05～0.30mm；若采用滚压加工，硬化层的深度可达几个毫米。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。在磨削淬火钢时，由于磨削热的影响会引起淬火钢中的马氏体的分解，或出现回火组织等等。表面层金属的残余应力由于切削力和切削热的综合作用，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的变化，使表层金属产生残余应力。2014-11-3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2014-11-3零件加工表面质量对使用性能的影响加工表面质量对零件耐磨性、对零件抗疲劳强度、对零件工作精度和零件耐腐蚀性能均有直接影响。因此，对于直接影响产品性能的零件重要表面，必须选用合适的最终加工工序，严格控制表面质量。2014-11-3影响切削加工后已加工表面粗糙度的主要因素切削层残留面积；表面随机性的塑性变形；鳞刺与积屑瘤现象；刀刃平直性和刃口钝圆半径。切削条件（包括切削用量、工件材料性能和刀具几何参数等）通过影响上述因素而间接影响切削加工后的已加工表面粗糙度。2014-11-3工艺参数对加工表面粗糙度的影响实验实验课的实验：“工艺参数对加工表面粗糙度的影响”中，将由学生自行设计实验方案来研究切削速度、进给量、切深、刀具主偏角、刀尖半径、刀具前角、工件材料（钢，铸铁）等对加工表面粗糙度的影响。2014-11-3残留面积和塑性变形2014-11-3积屑瘤积屑瘤前端伸出刀刃外，代替刀刃进行切削。它不但使切削厚度增加，影响工件尺寸精度，而且由于积屑瘤前端不规则，会在工件表面上划出沟痕和挤歪已有沟痕，在已加工表面留下不规则的切削痕迹——犁沟。2014-11-3鳞刺2014-11-3刀刃平直性2014-11-3影响磨削加工表面粗糙度的主要因素正像切削加工时表面粗糙度的形成过程一样，磨削加工表面粗糙度的形成也是由几何因素和表面层金属的塑性变形(物理因素)决定的，但磨削过程要比切削过程复杂得多。几何因素——磨削表面是由砂轮上大量的磨粒刻划出的无数极细的沟槽形成的。单从几何因素考虑，可认为在单位面积上刻痕越多，即通过单位面积的磨粒数越多，刻痕等高性越好，则磨削表面粗糙度值越小。表面层金属的塑性变形（物理因素）——磨削速度远比一般切削加工速度高得多，且磨粒大多为负前角，磨削比压大，磨削区温度很高，工件表层温度有时可达900℃，工件表层金属容易产生相变而烧伤。因此，磨削过程的塑性变形要比一般切削过程大得多。2014-11-3磨削加工后的表面粗糙度磨削条件（包括磨削用量、砂轮参数与修整参数、以及工件材料性能等）通过影响上述因素而间接影响磨削加工后的已加工表面粗糙度。2014-11-3磨削加工后的表面粗糙度2014-11-3机械加工后表面物理机械性能的主要变化加工表面的显微硬度变化（冷作硬化）加工表面金相组织变化（如磨削烧伤）加工表面层的残余应力（包括磨削裂纹）2014-11-3物理机械性能的主要变化已加工表面的显微硬度是加工时塑性变形引起的冷作硬化和切削热产生的金相组织变化引起的硬度变化综合作用的结果。表面层的残余应力也是塑性变形引起的残余应力、切削热产生的热塑性变形和金相组织变化引起的残余应力的综合。许多试验研究结果认为：磨削过程中由于磨削速度高，大部分磨削刃带有很大的负前角，磨粒除了切削作用外，很大程度是在刮擦、挤压工件表面，因而产生比切削大得多的塑性变形和磨削热。加之，磨削时约有70％以上的热量瞬时进入工件，只有小部分通过切屑、砂轮、冷却液、大气带走，而切削时只有约10％的热量进入工件，大部分则通过切屑带走。所以在磨削时磨削区的瞬时温度可达到800一1200℃，当磨削条件不适当时，甚至达到2000℃。因此磨削后表面层的金相组织、显微硬度都会产生很大变化，并会产生有害的残余拉应力。2014-11-3加工表面的冷作硬化2014-11-3表面金相组织变化——磨削烧伤2014-11-3思考磨削端面时，应采用平板砂轮还是碗形砂轮？注意：两种砂轮的接触方式不同。2014-11-3加工表面层的残余应力2014-11-3磨削裂纹当残余应力超过材料的强度极限时，零件表面就会产生裂纹，有的磨削裂纹也可能不在工件的外表面，而是在表面层下成为肉眼难于发现的缺陷。裂纹的方向常与磨削方向垂直或呈网状，裂纹的产生常与烧伤同时出现。因此避免产生裂纹的途径也在于降低磨削热与改善其散热条件。在磨削前进行去除应力工序能有效地防止磨削裂纹，至于热处理工序引起的磨削裂纹就必须从热处理工艺着手采取措施去解决。2014-11-3避免产生裂纹的措施提高冷却效果现有的冷却方法往往效果很差，由于旋转的砂轮表面上产生强大气流层以致没有多少冷却液能进入磨削区，而常常是大量地喷注在已经离开磨削区的已加工表面上，此时磨削热量已进入工件表面造成热损伤，所以改进冷却方法提高冷却效果是非常必要的。为减轻高速旋转的砂轮表面的高压附着气流的作用，可以加装空气挡板（图），以使冷却液能顺利地喷注到磨削区，这对于高速磨削更为必要。采用内冷却，砂轮是多孔隙能渗水的，冷却液引到砂轮中心孔后靠离心力的作用甩出，从而使冷却液可以直接冷却磨削区，起到有效的冷却作用（下页图）。2014-11-3内冷却装置1－锥形盖2－通道孔3－砂轮中心孔4－有径向小孔的薄壁套2014-11-3开槽砂轮增大砂轮表面磨粒分布的间距，可以使砂轮和工件间断接触。这样不仅改善了散热条件、而且工件受热时间缩短，金相转变来不及进行，因此能够很大程度地减少工件表面的热损伤。例如生产中用粗修整砂轮、疏松组织砂轮来解决烧伤裂纹问题通常是很见效的，开槽砂轮的效果则更好。开槽砂轮就是在砂轮的工作部位上开有一定宽度、一定深度和一定数量的沟槽。沟槽参数见图。槽可以等距开(如A型)，也可以变距开(如B型)。2014-11-3控制加工表面质量的途径在加工过程中影响表面质量的因素是非常复杂的。为了获得要求的表面质量，就必须对加工方法、切削参数进行适当的控制。控制表面质量常会增加加工成本，影响加工效率，所以对于一般零件宜用正常的加工工艺保证表面质量，不必提出过高要求。而对于一些直接影响产品性能、寿命和安全工作的重要零件的重要表面就有必要加以控制。例如，承受较高应力交变载荷的零件需要控制受力表面不产生裂纹与残余拉应力；为了提高轴承沟道的接触疲劳强度必须控制表面不产生磨削烧伤和微观裂纹；测量块规则主要应保证其尺寸精度及稳定性，故必须严格控制表面粗糙度和残余应力等等。类似这样的零件表面，就必须选用合适的加上工艺，严格控制表面质量、并进行必要的检查。2014-11-3提高加工表面质量的途径控制磨削参数——磨削作为精加工常用于加工淬硬钢、耐热钢及特殊合金材料等坚硬材料的表面。选用磨削作为最终加工工序时，需控制磨削参数以控制磨削加工后的已加工表面粗糙度、抑制磨削烧伤和磨削裂纹；采用超精加工、珩磨等光整加工方法作为最终加工工序——超精加工、珩磨等都是利用磨条以一定的压力压在工件的被加工表面上，并作相对运动以降低工件表面粗糙度和提高工件加工精度的工艺方法，由于切削速度低，磨削压强小，所以加工时产生的热量很少，不会产生热损伤，并具有残余压应力，如果加工余量合适还可以去除磨削加工变质层；采用喷九、滚压、辗光等强化工艺——对于承受高应力、交变载荷的零件可以采用喷九、滚压、辗光等强化工艺使表面层产生残余压应力和冷作硬化并降低表面粗糙度，同时消除了磨削等工序的残余拉应力，由此可以大大提高耐疲劳强度及抗应力腐蚀性能。2014-11-3采用光整加工方法超精加工、珩磨等都是利用磨条以一定的压力压在工件的被加工表面上，并作相对运动以降低工件表面粗糙度和提高工件加工精度的工艺方法，一般用于粗糙度为Ra=0.1μm以上表面的加工，由于切削速度低，磨削压强小，所以加工时产生的热量很少，不会产生热损伤，并具有残余压应力，如果加工余量合适还可以去除磨削加工变质层。采用超精加工、珩磨工艺虽然比直接采用精磨达到粗糙度要多增加一道工序，但由于这些加工方法都是靠加工表面自身定位进行加工的，因而机床结构简单，精度要求不高，而且大多设计成多工位机床，并能进行多机床操作，所以生产效率较高，加工成本较低。由于上述优点．在大批大量生产中应用得比较广泛。例如在轴承制造中为了提高轴承的接触疲劳强度和寿命，愈来愈普遍地采用超精加工来加工套圈与滚子的滚动表面。2014-11-3采用强化工艺对于承受高应力、交变载荷的零件可以采用喷九、滚压、辗光等强化工艺使表面层产生残余压应力和冷作硬化并降低表面粗糙度，同时消除了磨削等工序的残余拉应力，出此可以大大提高耐疲劳强度及抗应力腐蚀性能。借助强化工艺还可以用次等材料代替优质材料，以节约贵重材料。但是采用强化工艺时应注意不要造成过度硬化，过度硬化的结果会使表面层完全失去塑性甚至引起显微裂纹和材料剥落，带来不良的后果。因此采用强化工艺时必须很好控制工艺参数以获得要求的强化表面。2014-11-3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压缩残余应力，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）。对于铝质工件，为避免表面残留铁质微粒而引起电解腐蚀