第4章44机械加工表面质量

2019/8/21武汉理工大学机电工程学院1/63内容提要一、机械加工后的表面质量二、表面质量对零件使用性能的影响三、机械加工后的表面粗糙度四、机械加工后的表面层物理力学性能五、改善机械加工表面质量的途径4.4机械加工表面质量一、机械加工后的表面质量1、表面层的几何形状表面粗糙度表面波度2、表面层的物理机械性能表面层冷作硬化程度表面层残余应力性质与大小表面层金相组织的变化机械加工后的表面质量2019/8/21武汉理工大学机电工程学院4/63表面粗糙度与波度表面粗糙度表面波度动画演示movie4-1动画演示8.1指已加工表面微观几何形状误差，由加工中的残留面积、塑性变形、积屑瘤、磷刺以及工艺系统高频振动等因素造成。周期性几何形状误差，波距1～10mm。由工艺系统低频振动造成。2019/8/21武汉理工大学机电工程学院5/63表面层的物理机械性能表面层冷作硬化（简称冷硬）：零件在机械加工中表面层金属产生强烈的冷态塑性变形后，引起的强度和硬度都有所提高的现象。表面层金相组织的变化：由于切削热引起工件表面温升过高，表面层金属发生金相组织变化的现象。表面层残余应力：是由于加工过程中切削变形和切削热的影响，工件表面层产生残余应力。表面层显微硬度的变化情况。表面残余应力分布状况。零件表面层沿深度方向的变化情况二、表面质量对零件使用性能的影响1、影响零件的耐磨性Ra的影响：Ra，磨损量Ra，磨损量∴存在最佳表面粗糙度值。加工表面硬化：提高耐磨性0.5-1倍。表面层金相组织变化：导致表面硬度变化，影响工件耐磨性动画演示8.22019/8/21武汉理工大学机电工程学院10/632、对零件工作精度的影响Ra：Ra，零件工作精度；Ra，摩擦系数小，工作表面接触刚度，故可提高零件工作精度，减少发热和功率损失。表面残余应力：残余应力工作精度。原因是：加工表面层的残余应力会使零件在使用中继续变形，失去原有精度。2019/8/21武汉理工大学机电工程学院11/633、对零件配合性质的影响对于间隙配合表面粗糙度，磨损，配合间隙；对于过盈配合使实际过盈量减小，降低连接强度。2019/8/21武汉理工大学机电工程学院12/634、对零件疲劳强度的影响Ra：Ra，零件疲劳强度表面残余应力：若是压应力，疲劳强度若是拉应力，疲劳强度表面加工硬化：合适的冷作硬化能阻碍疲劳裂纹的出现和扩大，有助于提高疲劳强度。但过高的加工硬化会增加表面脆性，反而降低疲劳强度。2019/8/21武汉理工大学机电工程学院13/635、对零件抗腐蚀性能的影响零件表面粗糙度值越大，潮湿空气和腐蚀介质越容易堆积在零件表面凹处而发生化学腐蚀，或在凸峰间产生电化学作用而引起电化学腐蚀，故抗腐蚀性能越差。表面冷硬和金相组织变化都会产生内应力。零件在应力状态下工作时，会产生应力腐蚀，若有裂纹，则更增加了应力腐蚀的敏感性。因此表面内应力会降低零件的抗腐蚀性能。三、机械加工后的表面粗糙度2019/8/21武汉理工大学机电工程学院15/63影响切削加工后的表面粗糙度的因素大致可归纳为四方面的原因：几何因素：刀具相对于工件作进给运动时在加工表面上遗留下来的切削层残留面积。物理因素：被加工材料的塑性、硬度等工艺因素：主要是切削用量的影响。工艺系统的振动：切削过程中出现振动，刀具将在工件上切出波纹，严重影响工件的表面粗糙度。减小f、κr、κr′及加大rε，可减小残留面积的高度2019/8/21武汉理工大学机电工程学院17/63由图8.6可知，切削加工后表面的实际粗糙度与理论粗糙度有比较大的差别。这主要是与被加工材料的性能及切削机理有关的物理因素的影响。切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工件挤压与摩擦而产生塑性变形。韧性越好的材料塑性变形就越大，且容易出现积屑瘤与鳞刺，使粗糙度严重恶化。物理因素动画演示8.6切削速度对表面粗糙度的影响积屑瘤由积屑瘤形成机理可知，积屑瘤将严重影响工件的表面粗糙度。鳞刺：工件表面上微小的鱼鳞状倒刺。鳞刺的生成机理：在中低速切削塑性金属材料且较大时，刀－屑之间由于冷焊而产生粘结现象，切屑在前刀面上流动时周期性地受阻而瞬时停留，切屑代替前刀面推挤切削层，造成已加工表面上出现拉应力而导裂，生成鳞刺。积屑瘤对表面粗糙度的影响积屑瘤对表面粗糙度的影响鳞刺的形成过程（节状切屑或单元切屑时）机械加工过程中的振动问题加工过程中，工艺系统如果发生振动，使工艺系统的正常运动受到干扰，破坏了机床、工件、刀具间的正确位置关系，使加工表面出现振纹，严重地恶化加工质量。研究机械加工中产生振动的机理，探求有效的消振减振措施，是机械加工工艺领城的一个重要课题。1）自由振动——衰减性振动在初始干扰力作用下，使系统的平衡被破坏而产生的仅靠系统弹性恢复力维持的振动。2）受迫振动——非衰减性振动在外界周期性干扰力持续作用下，系统受迫产生的振动。3）自激振动——非衰减性振动依靠振动系统在自身运动中激发出交变力维持的振动。切削过程中的自激振动一般称之为切削颤振。1、振动的分类2、现象：工艺系统除切削运动外还出现一种周期性的相对运动。3、后果：恶化表面质量、缩短刀具和机床的寿命、噪音2019/8/21武汉理工大学机电工程学院27/631、产生的原因(1)系统外部周期性干扰力的作用(2)机床运动零件的惯性力的作用(3)机床传动件的制造缺陷(4)切削过程不连续强迫振动2、强迫振动的运动方程m——系统等效质量k——系统等效弹簧刚度r——系统等效阻尼系数txxxtpkxxrxmmpnsin2sin02...0...式中:——衰减系数.=/2mn——系统无阻尼振动的固有频率通解:稳态后的振动方程:mkntAxsintAteAxxxntsinsin2122121A——振幅——振动振幅相对于激振力的相位移。表示位移滞后于激振力的程度2222201241tanAA式中——频率比=/n——阻尼比0——临界阻尼系数A0——系统在静力p0作用下承受的静位移mk20kpA00022kmmkmn2019/8/21武汉理工大学机电工程学院32/633、特性分析受迫振动稳态过程是谐振。交变力消失,受迫振动停止。受迫振动频率=激振力频率，与固有频率无关。受迫振动的振幅与静刚度、阻尼比、频率比有关。2019/8/21武汉理工大学机电工程学院33/63自激振动1.特征自激振动的频率接近或等于系统的固有频率无外界周期性干扰力，由外部激振力偶然触发是不衰减振动切削运动一停止,交变力消失,自激振动便停止动画演示8.24减振措施(1)消除或减小机内振源的激振力(2)改变激振频率或系统固有频率以避免共振(3)隔振(4)阻振器(5)摩擦减振器四、机械加工后的表面层物理力学性能2019/8/21武汉理工大学机电工程学院36/631、加工表面的冷作硬化切削或磨削加工时，表面层金属由于塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格发生拉长、扭曲和破碎而得到强化。冷作硬化的特点是：变形抵抗力提高（屈服点提高），塑性降低（相对延伸率降低）。冷硬的指标通常用冷硬层的深度h、表面层的显微硬度H以及硬化程度N来表示（图8．8），其中N=H/H0，H0为原来的显微硬度。动画演示8.80HHN影响冷作硬化的因素1)刀具：刀具前角，切削变形，切削力，冷作硬化切削刃的钝圆半径，已加工表面在形成过程中受挤压程度，冷作硬化后刀面磨损量，冷作硬化2)工件材料：HBs，，冷作硬化3)切削液：使用合适的切削液，冷作硬化4)切削速度，冷作硬化进给量，冷作硬化冷作硬化硬化程度硬化程度2、金相组织的变化工件表面层在磨削时，磨削热使得工件温升很大，严重时使表层金属的金相组织发生变化，形成与基体不一样的金相结构。经常是强度和硬度下降，产生残余应力，甚至产生显微裂纹，出现黄褐、紫、青等颜色变化，这种现象称为磨削烧伤。2019/8/21武汉理工大学机电工程学院42/63磨削温度、温度梯度及冷却速度等对金相组织变化的影响磨削温度、温度梯度、冷却速度等对金相组织变化的影响可以从图8.9得到说明。图8.9所示，为高碳淬火钢在不同磨削条件下出现的表面层硬度分布情况。动画演示8.9磨削淬火钢时可能产生的三种烧伤：回火烧伤：马氏体转变成索氏体或屈氏体退火烧伤:表层产生退火组织表面硬度淬火烧伤:表层二次淬火马氏体下层回火组织影响磨削烧伤的主要因素1)磨削用量：aefavw(相应vs)，磨削温度，烧伤2)砂轮选择：磨粒粒度，硬度，则磨削温度，烧伤3)工件材料：强度，硬度，冲击韧度，磨削热，烧伤2019/8/21武汉理工大学机电工程学院45/63磨削裂纹的产生磨削加工中热态塑性变形和金相组织变化的影响较大，故大多数磨削零件的表面层往往有残余拉应力。当残余拉应力超过材料的强度极限时，零件表面就会出现裂纹。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以发现的缺陷。磨削裂纹一般很浅磨削裂纹的产生与材料性质及热处理工序有很大关系。磨削硬质合金时，由于其脆性大，抗拉强度低以及导热性差，所以特别容易产生磨削裂纹。磨削含碳量高的淬火钢时，由于其晶界脆弱，也容易产生磨削裂纹。动画演示8.122019/8/21武汉理工大学机电工程学院46/633、加工表面产生残余应力(1)由于金属相变引起残余应力的机理磨削淬火钢时，工件表层金属温度极高（此时内层金属的温度较低），表层金属出现回火或退火，工件表层金属的金相组织发生变化（马氏体向奥氏体或回火马氏体转化），相变的金属体积收缩，但受到未相变的内层金属的牵制，故工件表面产生残余拉应力。2019/8/21武汉理工大学机电工程学院47/63残余应力产生的原因1）冷态塑性变形2）热态塑性变形3）金相组织的变化加工表面产生残余应力的机理由于刀具钝圆刃切削时的金属塑性变形所产生的残余应力的机理。如上右图所示，具有钝圆刃的刀具切削工件时，有一厚度为Δ的薄层金属无法被钝圆刃切离工件而被强烈挤压成为已加工表面。机理：工件已加工表面的表层金属受刀具钝圆刃的强烈挤压和摩擦，产生严重塑性变形而不能弹性恢复，当内层金属弹性恢复时受到表层金属的牵制，故工件表层金属产生产生残余拉应力。五、改善机械加工表面质量的途径2019/8/21武汉理工大学机电工程学院50/63刀具方面增大刀具前角，减少切削变形；取稍大的刀具后角；用油石研磨前刀面和后刀面，以减少摩擦；取小的刀具副偏角，减小表面粗糙度；取小的磨钝标准；采用正的刃倾角，以避免切屑划伤已加工表面；采用耐磨性好的刀具材料。2019/8/21武汉理工大学机电工程学院51/63工件方面提高零件毛坯制造质量使毛坯的加工余量均匀。减少毛坯内部组织的杂质以及铸造缺陷；通过热处理改善工件材料的切削加工性。切削用量方面采用高速或极低的切削速度，避免中低速切削；采用较小的进给量和切削深度fpa1、采用冷压强化工艺将残余拉应力减小或将残余拉应力转变为残余压应力。喷丸法：滚压法：视频演示8.14a视频演示8.14b2019/8/21武汉理工大学机电工程学院54/63目的：减小残余拉应力、防止磨削烧伤和磨削裂纹方法：减少磨削热——合理选择磨削参数改善散热环境2、降低磨削热2019/8/21武汉理工大学机电工程学院55/63经济精度：IT5～IT7;Ra0.16，物理力学性能良好精密加工工艺：高速精镗、高速精车、宽刀精刨、精密磨削精密磨削：Ra＝0.08~0.16超精密磨削：Ra＝0.02~0.04细密磨削镜面磨削：Ra＝0.013、采用精密加工和光整加工工艺光整加工——以降低Ra值为主要目的。1)珩磨——利用珩磨头上的细粒度砂条对孔进行加工的方法Ra＝0.04~0.32，只能修正形状精度2)超精加工强烈切削正常切削微弱切削自动停止切削。表面网纹，Ra＝0.04~0