第7章机械加工表面质量

机械制造工程学MachineManufacturingEngineering机械制造工程学2020年1月22日机械制造工程学第七章机械加工表面质量第一节表面质量的概念第二节影响表面质量的因素第三节控制加工表面质量的措施机械制造工程学第一节表面质量的概念一、表面质量的含义：机械加工表面质量也称表面完整性，它包含两个方面的内容：表面的几何特征；表面层力学物理性能。机械制造工程学第一节表面质量的概念一、表面质量的含义：1.加工表面的几何形状特征：①表面粗糙度指加工表面的微观几何形状误差。波长与波高(L3/H3)的比值小于50。表面粗糙度的现行标准为：GB/T131-93。表示方法：Ra、Rz、Ry。②表面波度介于形状误差与表面粗糙度之间的周期性形状误差。波长与波高(L2/H2)的比值一般为：50~1000。③纹理方向指表面刀纹的方向。它取决于表面形成所采用的机械加工方法。机械制造工程学一、表面质量的含义2.加工表面的物理力学性能的变化：①表面层因塑性变形引起的加工硬化(冷作硬化)；②表面层因力或热的作用产生的残余应力；③表面层因切削热或磨削热的作用引起的金相组织变化。机械制造工程学二、表面质量对零件使用性能的影响1.对零件耐磨性的影响：①表面粗糙度对耐磨性的影响就零件的耐磨性而言，最佳表面粗糙度Ra的值在0.8μm～0.2μm之间为宜。机械制造工程学二、表面质量对零件使用性能的影响1.对零件耐磨性的影响：①表面粗糙度对耐磨性的影响②刀纹方向对耐磨性的影响轻载时，摩擦副表面纹理方向与相对方向一致时，磨损最小。重载时，摩擦副的两个表面纹理相垂直、且运动方向平行于下表面的纹路方向时，磨损最小。两个表面纹理方向均与运动方向垂直时，磨损最大。机械制造工程学二、表面质量对零件使用性能的影响1.对零件耐磨性的影响：①表面粗糙度对耐磨性的影响②刀纹方向对耐磨性的影响③冷作硬化对耐磨性的影响机械制造工程学二、表面质量对零件使用性能的影响1.对零件耐磨性的影响：①表面粗糙度对耐磨性的影响②刀纹方向对耐磨性的影响③冷作硬化对耐磨性的影响④残余应力对耐磨性的影响表面为压应力时，耐磨性高。机械制造工程学二、表面质量对零件使用性能的影响2.对零件耐疲劳性的影响：①表面粗糙度对耐疲劳性的影响②残余应力对耐疲劳性的影响③冷作硬化对耐疲劳性的影响表面为压应力时，耐疲劳性好。冷作硬化程度↗→耐疲劳性↗④刀纹方向对耐疲劳性的影响机械制造工程学二、表面质量对零件使用性能的影响3.对零件耐腐蚀性的影响：Ra值↗耐腐蚀性↙表面压应力表面致密耐腐蚀性↗机械制造工程学二、表面质量对零件使用性能的影响4.对零件配合精度的影响：实验研究表明：零件尺寸大于50mm时，推荐：Ra=(0.1~0.15)T零件尺寸在18~50mm时，推荐：Ra=(0.15~0.20)T零件尺寸小于18mm时，推荐：Ra=(0.20~0.25)T机械制造工程学第二节影响表面质量的因素一、切削加工中影响表面粗糙度的因素1.几何因素：'rrmaxctgctgfR机械制造工程学第二节影响表面质量的因素一、切削加工中影响表面粗糙度的因素1.几何因素：'rrmaxctgctgfR考虑刀尖圆弧角：r8fHR2max机械制造工程学第二节影响表面质量的因素一、切削加工中影响表面粗糙度的因素1.几何因素：'rrmaxctgctgfR考虑刀尖圆弧角：r8fHR2max'rr,,fRa值↙机械制造工程学一、切削加工中影响表面粗糙度的因素2.物理因素：多数情况下是在已加工表面的残留面积上叠加着一些不规则的金属生成物、粘附物或刻痕。形成它们的原因有积屑瘤、鳞刺、振动、摩擦、切削刃不平整、切屑划伤等。机械制造工程学一、切削加工中影响表面粗糙度的因素2.物理因素：①切削速度：V↗→Ra↙②工件材料性质：一般韧性较大的塑性材料，加工后表面粗糙度值较大，而脆性材料加工后易得到较小的表面粗糙度值。对于同样材料，其晶粒组织越粗大，加工表面粗糙度值越大。机械制造工程学一、切削加工中影响表面粗糙度的因素2.物理因素：①切削速度：V↗→Ra↙②工件材料性质：③刀具几何形状、材料：前角↗Ra值↙④冷却润滑：切削液的冷却和润滑作用能减小切削过程中的界面摩擦，降低切削区温度，使切削区金属表面的塑性变形程度下降，抑制鳞刺和积屑瘤的产生，因此可大大减小加工表面粗糙度值。机械制造工程学二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素磨削加工时磨粒很钝，常具有很大的负前角，会使加工表面产生严重的塑性变形，形成沟槽和隆起，增大了表面粗糙度。因此，砂轮的粒度、修整、速度和磨削切深、工件速度等都对磨削时的表面粗糙度造成影响。机械制造工程学二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素1.磨削用量机械制造工程学二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素2.砂轮的特性①粒度：粒度号↗Ra值↙②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↙③砂轮的修整：修整砂轮是改善磨削表面粗糙度的重要因素，砂轮修整得越好，砂轮磨粒微刃等高性越好，磨出工件的表面粗糙度值越小。机械制造工程学二、磨削加工中影响表面粗糙度的因素3.冷却机械制造工程学三、影响表面层物理、力学性能变化的因素1.表面层的加工硬化机械加工中，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高的现象，称加工硬化。评定指标：①表面层的显微硬度HV②硬化层深度h③硬化程度N%100HVHVHVN00机械制造工程学三、影响表面层物理、力学性能变化的因素1.表面层的加工硬化机械加工中，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高的现象，称加工硬化。评定指标：①表面层的显微硬度HV②硬化层深度h③硬化程度N%100HVHVHVN00机械制造工程学三、影响表面层物理、力学性能变化的因素1.表面层的加工硬化机械加工中，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高的现象，称加工硬化。评定指标：①表面层的显微硬度HV②硬化层深度h③硬化程度N影响因素：①刀具②切削用量③工件材料工件材料的硬度越低，塑性越大时，冷作硬化程度也越大。机械制造工程学2.表面层的金相变化加工中产生θ℃达到相变温度产生相变①烧伤的形式：退火烧伤回火烧伤淬火烧伤三、影响表面层物理、力学性能变化的因素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，其下层仍为回火屈氏体或索氏体。机械制造工程学2.表面层的金相变化②影响磨削烧伤的因素：a)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↙b)工件材料c)砂轮特性d)冷却工件材料对磨削区温度的影响主要取决于它的硬度、强度、韧性和导热系数。工件材料硬度高、强度高、韧性和密度大都会使磨削区温度升高，因而容易产生磨削烧伤。导热性能比较差的材料，如耐热钢、轴承钢、不锈钢等，在磨削时也容易产生烧伤。砂轮表面上磨粒的切削刃口尖锐锋利些，摩削力、温度就会下降，所以提高磨粒硬度和强度是关键。此外采用粗粒度砂轮、较软的砂轮都可提高砂轮自锐性，同时砂轮不易被切屑堵塞，因此都可避免磨削烧伤发生。机械制造工程学3.表面层的残余应力冷态塑性变形热态塑性变形局部金相组织变化三、影响表面层物理、力学性能变化的因素机械制造工程学3.表面层的残余应力冷态塑性变形热态塑性变形局部金相组织变化三、影响表面层物理、力学性能变化的因素不同的金相组织有不同的密度，如ρM=7.75g/cm3ρA=7.96g/cm3、ρP=7.78g/cm3、ρF=7.88g/cm3当金相组织变化时，由于密度不同，体积会发生变化。如果表层金属膨胀则残余应力为压应力(-)，反之，如果表层金属体积缩小则产生残余拉应力(+)。在切削热的作用下，已加工面产生热膨胀，此时表层产生热压应力。加工后，表层已产生的热塑性变形收缩受到内层金属的阻碍。故加工后表面层残余应力为拉应力(+)，里层为压应力(-)。在切削力的作用下，已加工面受后刀面的挤压，使晶格扭曲，表层金属比容积增大，体积膨胀，而内层金属又阻止其伸长。故加工后表面层残余应力为压应力(-)，里层为拉应力(+)。机械制造工程学3.表面层的残余应力冷态塑性变形热态塑性变形局部金相组织变化例如：淬火钢表面回火，表层金属由马氏体转变成屈氏体或索氏体，密度由7.75g/cm3变为7.78g/cm378.775.778.7VVV78.703.0VV210129.078.701.0V3VLL)MPa(9.27010129.0101.2LLE25拉三、影响表面层物理、力学性能变化的因素机械制造工程学第三节控制加工表面质量的措施一、采用光整加工方法降低表面粗糙度机械制造工程学第三节控制加工表面质量的措施1.渗氮、渗碳等化学热处理2.激光表面处理技术二、表面强化工艺改善物理力学性能3.机械强化工艺：②喷丸强化；①滚压加工；一、采用光整加工方法降低表面粗糙度③液体磨料强化。机械制造工程学零件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机械制造工程学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机械制造工程学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•残留面积↓→Ra↓•前角↑→Ra↓•后角↑→摩擦↓→Ra↓•刃倾角会影响实际工作前角•v↑→Ra↓•f↑→Ra↑•ap对Ra影响不大，太小会打滑，划伤已加工表面•材料塑性↑→Ra↑•同样材料晶粒组织大↑→Ra↑，常用正火、调质处理•刀具材料强度↑→Ra↓•刃磨质量↑→Ra↓•冷却、润滑↑→Ra↓机械制造工程学影响磨削加工表面粗糙度的因素•粒度↓→Ra↓•金刚石笔锋利↑，修正导程、径向进给量↓→Ra↓•磨粒等高性↑→Ra↓•硬度↑→钝化磨粒脱落↓→Ra↑•硬度↓→磨粒脱落↑→Ra↑•硬度合适、自励性好↑→Ra↓•太硬、太软、韧性、导热性差↑→Ra↓砂轮粒度工件材料性质砂轮修正磨削用量砂轮硬度•砂轮V↑→Ra↓•ap、工件V↑→塑变↑→Ra↑•粗磨ap↑→生产率↑•精磨ap↓→Ra↓(ap=0光磨)机械制造工程学表面物理力学性能影响金相组织变化因素影响显微硬度因素影响残余应力因素•塑变引起的冷硬•金相组织变化引起的硬度变化•冷塑性变形•热塑性变形•金相组织变化•切削热机械制造工程学下次课内容第8章装配工艺的制订机械制造工程学本章作业第七章习题：五-2、5、6