哈工大版金属切削原理与刀具课件第9章

第九章已加工表面质量9.1已加工表面的形成过程•已加工表面的形成与第三变形区的关系密切：•实际的切削刃并非一条直线，而是近似于半径为rn的圆柱表面。高速钢刀具rn＝10—18μm，硬质合金刀具rn＝18—32μm。后刀面毗邻切削刃的那部分一经切削便被磨损，成为一条后角为0º的棱面，宽度为VB。钝圆半径的大小取决于刀具材料、楔角大小、刃磨质量等因素。刀具刃口钝圆半径及刃口磨损形成的磨损棱面，会使已加工表面产生剧烈的塑性变形。•o点以上的那部分沿前刀面流出，成为切屑的底层。在o点以下的那部分，将绕过切削刃沿后刀面流出，成为已加工表面的表层。0点可以看作切削层金属的分流点。表层剧烈的塑性变形造成已加工表面加工硬化及表面层的残余应力。加工硬化和残余应力的存在，会影响已加工表面的质量和工件的疲劳强度，并增加了下道工序加工的困难及刀具磨损。9.2已加工表面质量概述•9.2.1已加工表面质量的衡量指标•1.几何方面的质量•表面粗糙度•2.材料特性方面的质量•已加工表面质量的衡量指标：表面粗糙度、加工硬化程度及硬化深度、残余应力的性质及其大小。•已加工表面质量对工件成为机器零件后的使用性能有很大的影响。9.2.2表面质量对产品使用性能的影响•1.表面质量对耐磨性能的影响•切削加工后的零件表面，在微观上是由许多峰谷构成的。两个零件表面相接触，实际上是凸峰最先磨损。一般来说，表面粗糙度差的零件，装配后接触刚度低、运动平稳性差，机器噪音大、使用寿命低。表面粗糙度太差，甚至会使机器达不到预期的性能。•但表面粗糙度不一定越小越好，太高的表面粗糙度反而不利于润滑油的贮存，加快机器磨损。•表面的硬度越高，耐磨性能越好。如果表面过度强化甚至出现裂纹，磨损反而急剧增加，引起断裂。•2.表面质量对疲劳强度的影响•工件在承受交变载荷的作用下，对疲劳强度影响很大。表面的凹陷越深，底部的半径越小，应力集中现象越强烈，也就越容易在表面凹陷底部开始金属晶体破坏，产生细微的裂纹并逐步扩大加深，直至最后断裂。金属表面粗糙度越低，冷硬现象和残余拉应力越大，疲劳强度就越低。•残余应力对疲劳强度有极大的影响。表面内有残余压应力，可以部分的抵消交变载荷下所产生的拉应力作用，阻碍裂纹的产生与扩张，疲劳强度提高50%左右。当表面有残余应力时，残余拉应力越大，疲劳强度越低。•3.表面质量对抗腐蚀性的影响•提高表面质量是增加抗腐蚀能力的有效措施，大气里所含的气体和液体金属表面相接触，便凝结在金属表面上，对表面有腐蚀作用。腐蚀的物质沉淀在不平度的凹部，逐渐向表面内侵蚀。当侵蚀的裂缝相交时，凸峰被腐蚀脱落，形成新的凹凸面，这种腐蚀作用是不断重复进行的。•表面不平度的形状，对腐蚀作用有很大影响，表面凹陷底部处曲率半径越大，抗腐蚀能力越强。•残余应力对表面腐蚀性有一定影响，当零件表面存在残余压应力时，能使表层的显微裂纹合拢，阻碍侵蚀作用的扩张，比存在残余拉应力的表面抗腐蚀性能强•4.影响配合性质9.3表面粗糙度•9.3.1概述•加工表面上较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特征，即加工表面的微观几何形状误差。其波长与波高的比值一般小于50。•理论粗糙度和实际粗糙度•实际粗糙度：H1－H5•9.3.2减小实际粗糙度的措施•1.减小理论粗糙度•把切削刃看作纯几何线时，相对于工件运动所形成的已加工表面的粗糙度，称为理论粗糙度。•理论粗糙度的数值决定于残留面积的高度。实际上，只有切削脆性材料或高速切削塑性材料时，已加工表面的粗糙度才比较接近理论组糙度，因为许多其他因素，如鳞刺、积屑瘤、振动、切削刃不平整、工件材料组织的缺陷等等的影响，使已加工表面难以接近理论粗糙度。•减小理论粗糙度，要减小f、Kr、Kr′或增大rε。•2.抑制积屑瘤•（1）积屑瘤的形成条件：切削塑性材料；切削区温度高；接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素，符合内摩擦条件。•（2）形成过程•切削加工时，在切屑流经前刀面过程中，由于极大的变形形成的高温和极大的压力使切屑在前刀面上形成了滞流，当滞流层冷作硬化后，形成了能抵抗切削力作用而不从前刀面上脱落的刀瘤核，在刀瘤核的外侧继续产生着滞流层及冷作硬化，这样在刀瘤核上粘结物接连不断地堆积，形成了刀瘤。当刀瘤长到一定高度时，由于积屑瘤改变了前刀面的实际形状，使切屑与前刀面的接触条件和受力状况发生变化，积屑瘤不再继续生长，一个完整的积屑瘤便形成了。（3）积屑瘤特点•硬度高，约为工件的2～3倍，由于加工硬化而产生；•金相组织与工件材料相比未发生相变；•生成、逐渐长大、脱落，周期性发生。高度随切削速度不同而变：切削速度低于3m/min时，由于摩擦系数小，切削温度低，无积屑瘤；在3～20m/min范围内提高，积屑瘤高度随着增加；在20m/min左右时，积屑瘤达最高；在20～40m/minn范围内提高，积屑瘤逐渐消失；高于40m/min时，由于切削温度较高，无积屑瘤。对于碳素钢，切削温度约为300℃时，积屑瘤高度最大，500℃以上时趋于消失。•（4）积屑瘤对切削过程的影响•1.积屑瘤包覆在切削刃上，代替刀具进行切削，对切削刃起到一定的保护作用。•2.增大了实际工件前角，可使切削力减小。•3.当积屑瘤突出于切削刃之外时，会造成一定的过切量，从而使切削力增大，在工件表面划出沟纹并影响到零件加工的尺寸精度。•4.积屑瘤被撕裂后，若被切屑带走，会划伤刀面，加快刀具的磨损，若留在已加工表面上，会形成毛刺，影响工件表面质量。•5.由于积屑瘤局部不稳定，容易使切削力产生波动而引起振动。•6.硬度高于刀具，积屑瘤脱落加剧刀具的粘结磨损。•积屑瘤对切削加工弊多利少。精加工时一定要设法避免。•Ω•（5）控制措施•控制积屑瘤的产生要从减小变形与刀、屑间的摩擦入手。•1）对塑性金属材料来说，可采取适当的热处理，改变其金相组织。例如低碳钢通过正火、调质处理后，能提高其硬度，降低其塑性，减小积屑瘤生长。•2）避开积屑瘤的生长速度范围。为此，采用高速钢刀具精加工时，为了获得较高的表面光洁度，总是采用低速。如铰精密孔（2级精度▽6~▽7时），一般可取υ=2~5m/min，并添加切削液，减少摩擦。拉削时采用υ=1~5m/min的低速。在车削精密丝杆时，采用γo=0o的车刀，取低于1.1m/min的切削速度，可得到▽8~▽9时级光洁度。另一方面可采用高速切削，当切削速度υ增至一定值时可使积屑瘤完全消失。例如切软钢时一般υ100m/min，相当于已超过形成积屑瘤上限的温度（约560℃），积屑瘤的变形强化能力消失，也不会产生积屑瘤。•3）采用润滑性能好的切削液可以抑制积屑瘤。•4）增大前角也可抑制积屑瘤，当γo35o时，一般即不再产生积屑瘤。•5）减小进给量或切削厚度，使前刀面的正压力减小。•6）其他如采用人工加热或降温切削区等措施，也可以减小甚至消除积屑瘤。•3.抑制鳞刺•在工件的已加工表面常会出现一种鳞片状的毛刺称为鳞刺。•在用高速钢、硬质合金刀具拉削、插齿、滚齿与螺纹切削低、中碳钢，铬钢（20Cr，40Cr），不锈钢，铝合金及紫铜等塑性金属时，经常会产生鳞刺。它严重地影响了加工表面光洁度，往往使光洁度降低2~4级。鳞刺形成的原因是在较低的切削速度下形成挤裂切屑或单元切屑时，刀~屑间的摩擦力发生周期性的变化，促使切屑在前刀面上周期性地停留，代替刀具推挤切削层，这时，切屑以圆钝的外形代替前刀面进行挤压，使切削刃前下方，屑~工之间产生裂口（称为导裂）。继续切削时，使受到挤压的金属不断地层积在切屑单元下面，一起参加切削，使裂口扩大，切削厚度与切削力随之增大。当层积到某一高度后，增大了切削力，克服了刀~屑间的粘结和摩擦，推动切屑单元重新沿前刀面滑动，这时切削刃过去便形成一个鳞刺。接着又开始另一个新鳞刺的形成过程。如此周而复始，在已加工表面上不断生成一系列的鳞刺。•鳞刺是切削过程中变形与摩擦的产物，产生于刀~工接触区，与刀~屑接触区的摩擦密切有关。可从减小刀~屑，刀~工间的摩擦入手，使挤裂切屑转化为带状切屑。•适当地提高工件材料的硬度，增大刀具的后角，减小切削厚度，采用润滑性能较好的切削液，采用人工加热切削；在较低切削速度下适当增大前角，在较高切削速度下适当减小前角等，均有利于抑制鳞刺的产生，提高加工表面的光洁度。•4.控制振动产生金属切削过程中，工件和刀具之间常常发生强烈的振动，这是一种破坏正常切削过程的极其有害的现象。当切削振动发生时，工件表面质量严重恶化，粗糙度增大，产生明显的表面振痕，这时不得不降低切削用量，使生产率的提高受到限制。振动严重时，会产生崩刃现象，使加工过程无法进行下去。此外，振动将加速刀具和机床的磨损，从而缩短刀具和机床的使用寿命；振动噪音也危害工人的健康。机械加工过程中产生的振动，也和其它的机械振动一样，按其产生的原因可分为自由振动、强迫振动和自激振动三大类。⑴自由振动自由振动是指由于切削力突然变化或其它外界偶然原因引起的振动。自由振动的频率就是系统的固有频率，由于工艺系统的阻尼作用，这类振动会在外界干扰力去除后迅速自行衰减，对加工过程影响较小。⑵强迫振动强迫振动是指在外界周期性变化的干扰力作用下产生的振动。磨削加工中主要会产生强迫振动。⑶自激振动自激振动是指切削过程本身引起切削力周期性变化而产生的振动。切削加工中主要会产生自激振动。消除振动的途径：提高工艺系统本身的抗振性；合理选择切削用量；合理选择刀具的几何参数；使用消振减振装置；抑制积屑瘤、鳞刺。9.4加工硬化•9.4.1概述•1.概念•机械加工过程中，工件表层金属在切削力的作用下产生强烈的塑性变形，金属的晶格扭曲，晶粒被拉长、纤维化甚至破碎而引起表层金属的强度和硬度增加，塑性降低，这种现象称为加工硬化（或冷作硬化）。•2.成因•工件表层加工硬化是由于表层金属在形成已加工表面的过程中经受强烈的塑性变形。•在切削的过程中，切削刃前方的金属朝着切削刃运动，同时这部分金属的晶粒伸长成为纤维状，继而包围着切削刃。切削层金属以0点为分流点，在0点以上的金属流向前刀面，成为切屑；0点以下的金属流向后刀面，成为已加工表面。因为o点所在的位置比已加工表面的位置为高，所以当o点以下的金属流过后刀面时受到压缩，切削刃和后刀面与工件之间存在很大的压力，因而也就产生很大的摩擦力，使得流过的金属发生很大的塑性变形。这就是第三变形区的变形。•与后刀面接触和摩擦的已加工表面下的极薄一层金属的变形最大，它的晶粒受到破坏，成为非晶质层；因此这一薄层金属的冷作硬化最为强烈。从表面层往下，塑性变形逐渐减小，因而硬化程度从表层向深处也就逐渐减小。•非晶质层硬度最大，塑性变形层硬度次之，母体金属的硬度最小。塑性变形层的硬度可以达到母体硬度的二倍，或更高。车削碳钢时，加工硬化的深度可达十分之几毫米，有时可能更深些。•3.表示方法•（1）硬化程度N•H0：基体的显微硬度•H：硬化层的显微硬度•（2）硬化层深度Δhd•9.4.2影响加工硬化的因素及控制•1.加工材料性能的影响•工件的硬度越低、塑性越好，加工时塑性变形越大，冷作硬化越严重。％10000HHHN％1000HHN•2.刀具几何参数及磨损的影响•刀刃钝圆半径对加工硬化影响最大。已加工表面的显微硬度随着刀刃钝圆半径的加大而增大，这是因为径向切削分力会随着刀刃钝圆半径的增大而增大，使得表层金属的塑性变形程度加剧，导致加工硬化增大。此外，刀具磨损会使得后刀面与工件间的摩擦加剧，表层的塑性变形增加，导致表面冷作硬化加大。•前角越大，硬化层深度越小•磨损量磨损VB越大，硬化层深度越大•3.切削用量与切削液的影响•切削用量中进给量和切削速度对加工硬化的影响较大。•增大进给量，切削力随之增大，表层金属的塑性变形程度增大，加工硬化程度增大；•增大切削速度，刀具对工件的作用时间减少，塑性变形的扩展深度减小，故而硬化层深度减小。另外，增大切削速度会使切削区温度升高，有利于减少加工硬化。•背吃刀量无明显影响。•切削液可减轻加工硬化•4.减小加工硬化的措施9.5残余应力•9.5.1概述•1.概念：•外载荷去除后，仍残存在工件表层与基体材料交界处的相互平衡