零件的表面质量

零件加工质量——表面质量发言人：刘宗阳郭逢炜王瑞禛卫传杰刘陈明王开和汪洋黄浩邓广零件加工质量组成尺寸精度形状精度位置精度（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度表面质量表面几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工质量图3-1加工质量包含的内容零件加工质量表面质量◆表面质量：机器零件加工后表面层的状态。（1）表面层的几何形状◆零件宏观几何形状误差、波度、表面粗糙度宏观几何形状误差（平面度、圆度等）—波长/波高＞1000波度—波长/波高=50～1000；且具有周期特性表面粗糙度——波长/波高＜50a）波度b）表面粗糙度图3-2零件加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ表面质量（2）表面层的物理机械性能冷作硬化—表面层金属在机械加工中产生强烈冷态塑性变形后，强度和硬度升高的现象。金相组织变化—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。残余应力——由于切削变形和切削热的影响，工件表面层产生残余应力。表面粗糙度——影响因素&减小措施残留面积积屑瘤和鳞刺其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液、高频振动等磨削用量影响砂轮速度v↑，Ra↓工件速度vw↑，Ra↑砂轮纵向进给f↑，Ra↑磨削深度ap↑，Ra↑砂轮影响砂轮粒度↑，Ra↓；但要适量砂轮硬度适中，Ra↓；常取中软砂轮组织适中，Ra↓；常取中等组织采用超硬砂轮材料，Ra↓砂轮精细修整，Ra↓其他影响因素工件材料冷却润滑液等表面粗糙度——减小措施1.切削①几何因素：(1)刀具：可通过增大刀尖圆弧半径，减小主偏角、副偏角，采用主偏角为零的修光刃刀具(2)切削用量：减小进给量②物理因素：对于影响加工表面粗糙度的物理因素，可采取控制刀具几何角度、切削速度及对工件材料改性等，来有效地抑制积屑瘤和鲮刺的产生。2.磨削①提高砂轮转速、减小工件转度、降低进给量、减小磨削深度定义：表面波度是间距大于表面粗糙度但小于表面几何形状误差的表面几何不平度，属于微观和宏观之间的几何误差。其波长与波高的比值在40~1000之间。表面波度形成原因：通常表面波度形成原因是零件表面在机械加工过程中，机床与工具系统的振动所产生。表面波度对零件的影响：它直接影响零件表面的机械性能，如零件的接触刚度、耐磨性、抗振性、疲劳强度、结合强度和密封性等。纹理方向纹理一般是指由大量或多或少的纹理基元或（模式）组成的一种结构，它可以由组成纹理的基元及基元之间的相互关系来描述。工件表面纹理是指对已加工工件表面形貌或集合特征等参数的定义。机械加工过程中车、铣、刨、磨等加工工艺由于受刀具行程的影响,在加工工件表面上会形成各种纹理,有直条形纹理、螺旋线纹理、圆形纹理等等，如图1,2所示。若表中所列符号不能清楚地表明所要求的纹理方向应在图样上用文字说明加工伤痕的产生的原因1.摩擦划痕加工铜、铝、不锈钢等金属过程中，由于这类材料会粘刀，会在模具上产生很微小类似于积屑瘤的东西，且硬度很高，板材在下模具上来来回拖动被这种积屑瘤划伤，产生划痕。加工过程中与模具之间的摩擦产生划痕。板材在工作台上来回拖动时，板材与工作台面之间的摩擦，也会造成板材底部产生划痕。表面划痕表面裂纹2.磨削裂纹磨削加工中，热态塑性变形和金相组织变化的影响较大，故大多数磨削灵剑的表面层往往会有残余拉应力。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。磨削硬质合金时，由于其脆性大，抗拉强度低以及导热性差，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，易产生磨削裂纹。工件淬火后如果存在残余应力，也会产生磨削裂纹。3.表面砂眼型腔内沙粒没清净时，必然会产生砂眼。浇注前从浇道或冒口等开放处侵入了沙粒，会出现砂眼现象。砂型强度不够，受外力作用引起脱落。浇注不连续或浇注速度太慢导致型腔内沙粒不能顺利漂浮到冒口上，而滞留在温度较低的地方。表面砂眼减小表面伤痕的措施1.摩擦划痕1.加工前检查原料表面，如有杂物时，应用喷气枪和抹布清理干净。2.安装磨具前检查模具上下和转塔内部是否有杂物，如有则清理干净。3.研磨过的模具和长时间使用的模具都要退磁才能继续使用。4.采用气吹喷油模具等2.磨削裂纹1.减少砂轮速度和背吃刀量；适当提高进给量和工件速度。2.可加装空气挡板以使冷却液能顺利的喷注到磨削区。3.采用开槽砂轮，在砂轮的四周开一些横槽，即能使冷却液带入磨削区，还可以改善散热条件。3.铸造砂眼浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道与铸件封闭结合严密。浇注系统多刷一遍涂料以增强其强度。浇口杯无浮砂、尘土等杂物。浇注时，浇包嘴尽量靠近浇口杯，以免压力头过大。应适当减小负压，负压过大时，会使金属液流经开裂、裂纹处时，吸入干砂和杂物可能性加大，粘砂严重。表面层的物理机械性能表面层的物理机械性能表层冷作硬化表层金相组织变化表层残余应力冷作硬化：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，引起强度和硬度都有所提高的现象。冷作硬化对零件使用性能的影响耐磨性：一般可显著提高。提高接触点屈服强度，减少进一步塑性变形的可能性减少摩擦表面金属的冷焊现象冷硬过度造成内部与表面硬度差过大，金属易疏松剥落疲劳强度：一般可提高抑制裂纹产生扩大冷硬过度则易产生裂纹，降低疲劳强度抗腐蚀性：冷硬产生内应力，产生应力腐蚀加工时，表面层金属由于塑性变形使晶粒间产生剪切滑移，晶格扭曲，晶粒发生拉长、破碎、纤维化，从而使表层材料强化，强度和硬度提高。冷硬程度取决于产生塑性变形的力变形速度变形时的温度冷作硬化产生原因力塑性变形冷硬程度变形速度塑性变形不充分冷硬程度完全强化0.25T熔不完全强化（0.25-0.3）T熔完全回复0.4T熔影响冷作硬化主要因素刀具切削刃口圆角和后刀面的磨损量增大前角减小切削用量切削速度进给量冷硬层深度硬度增加被加工材料硬度塑性冷硬现象冷硬层深度硬度轴向进给量大时；进给量小时径向不明显表面冷压强化工艺冷压加工使表面层金属发生冷态塑性变形，减小表面粗糙度，提高表面硬度，产生残余压应力及冷硬层，提高耐疲劳强度和抗腐蚀特性。喷丸滚压和挤压表面金属的金相组织变化（一）机械加工表面金相组织的变化金相组织是指金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组成，其中包括固溶体、金属化合物及纯物质。金相组织是反映金属金相的具体形态，如马氏体，奥氏体，铁素体，珠光体等等。机械加工过程中，在加工区由于加工时所消耗的能量绝大部分转化为热能而使加工表面出现温度的升高。当温度升高到超过金相组织变化的临界点时，就会产生金相组织变化。将钢材取样，经过打磨、抛光，最后用特定的腐蚀剂腐蚀显示后，在金相显微镜下观察到的组织称为钢材的金相组织。显微镜下金相组织磨削加工切削速度高，切削时产生大量的切削热。这些热量部分由切削带走，很小一部分传入砂轮，若冷却效果不好，则很大一部分将传入工件表面。因此，磨削加工是一种典型的易于出现加工表面金相组织变化的加工方法。磨削加工磨削淬火钢时，在工件表面层形成的瞬时高温将使表层金属产生以下三种金相组织变化：（1）如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度（碳钢的相变温度为720°C），但已超过马氏体的转变温度（中碳钢为300°C入工件表层金属的马氏体将转化为硬底较低的回火组织（索氏体或托氏体），这称为回火烧伤。（2）如果磨削区温度超过了相变温度，再加上冷却液的急冷作用，表层金属会出现二次淬火马氏体组织，硬度比原来的回火马氏体高；在它的下层。由冷却较慢，出现了硬度比原来的回火马氏体低的回火组织（索氏体或托氏体），这称为淬火烧伤。（3）如果磨削区温度超过了相变温度，而磨削过程又没有冷却液，表层金属将产生退火组织，表层金属的硬度将急剧下降，这称为退火烧伤。改善金相组织变化的工艺途径金相组织变化原因对于一般的切削加工，切削温度一般不会达到相变临界点，金相组织不会发生变化；但对于磨削加工，由于磨削温度较高，很容易达到相变临界点，使表面层的金相组织发生变化，引起表面层的硬度和强度改变，从而产生残余应力，甚至出现裂纹，这种现象称为磨削烧伤。金相组织变化影响因素粒度砂轮的选择硬度结合剂磨削深度αp途径磨削用量横向进给量ft速度冷却方式1．正确选择砂轮砂轮的粒度越细，硬度越高，则磨削温度越高，磨削烧伤越严重。硬度太高的砂轮，砂轮钝化之后不易脱落，容易产生烧伤。为避免产生烧伤，应选择较软的砂轮。选择具有一定弹性的结合剂（如橡胶结合剂，树脂结合剂），也有助于避免烧伤现象的产生。2．合理选择磨削用量今以平磨为例，来分析磨削．用量对烧伤的影响。磨削深度αp。对磨削温度影响极大，如图4-14所示。从减轻烧伤的角度考虑，αp不宜过大。加大横向进给量ft对减轻烧伤有好处。图4-15给出了横向进给量ft对磨削温度分布影响的实验结果，为了减轻烧伤，宜选用较大的ft。加大工件的回转速度νw，磨削表面的温度升高，但其增长速度与磨削深度αp。的影响相比小得多；且νw越大，热量越不容易传入工件内层，具有减小烧伤层深度的作用。但增大工件速度νs。会使表面粗糙度增大，为了弥补这一缺陷，可以相应提高砂轮速度νs。实践证明。同时提高砂轮速度νs和工件速度νw，可以避免烧伤。从减轻烧伤而同时又尽可能地保持较高的生产率考虑，在选择磨削用量时，应选用较大的工件速度νw和较小的磨削深度ap。3.改善冷却条件采用切削液进行冷却可避免磨削烧伤。但由于磨削时，砂轮转速较高，其表面会产生一层强气流，采用一般的冷却方法时，切削液很难进入磨削区，因此，冷却效果不理想。目前采用的比较有效的冷却方法有高压大流量法、喷雾冷却法和内冷却法等。内冷却法是指利用砂轮的多孔隙特点，从中心通过通孔将切削液引入砂轮的中心腔中，然后通过离心力的作用，使切削液经过砂轮内部的孔隙甩出，直接进入磨削区，以达到充分冷却的目的。开槽砂轮在砂轮的圆周上开一些横槽，能使砂轮将冷却液带入磨削区，对防止工件烧伤十分有效。表面残余应力残余应力是工件在冷态塑性变形，热态塑性变形及金相组织的变化引起的综合结果，表层残余应力严重，将可能导致裂纹的产生，严重影响零件的疲劳强度，降低零件的使用性能。因此对表层残余应力的产生及影响要进行深入分析，采取有效的工艺措施，保证工件表面的完整性。残余应力产生的原因：1、冷态塑性变形引起的残余应力在切削力作用下，已加工表面产生强烈的塑性变形，表面层产生残余压应力，里层产生残余拉应力。当刀具从被加工表面上切除金属时，由于后刀面的挤压和摩擦作用，加大了表面伸长的塑性变形，表面层的伸长变形受到基体金属的限制，也产生了残余压应力。冷态塑性变形的结果，金属晶格被扭曲，晶格中紧密排列的原子被移动，所有这些变动都会导致金属密度的下降（或称比容增大）。表面残余应力2、热态塑性变形引起的残余应力工件已加工表面在切削热作用下，产生热膨胀，此时，金属基体温度较低，因此，表层产生热压应力。当切削过程结束时，表面温度下降由于表层已产生热塑性变形要收缩并受到基体的限制，因而产生残余拉应力。磨削加工表面层的瞬时温度很高，必然引起表层金属膨胀，使工件变长、变粗，由于内部金属体积大而不发生变形，受热变形的外层金属所承受的压应力，按虎克定律应力：表面残余应力3、金相组织变化引起的残余应力切削时产生的高温会引起表面层金相组织的变化。不同的金相组织就有不同的比容，表面层金相变化的结果将造成体积的变化。表面层体积膨胀时，因为受到基体的限制，产生了压应力，反之，表面层体积收缩时，则产生拉应力。机械加工后表面层的残余应力是由冷、热态塑性变形及金相组织变化引起的综合结果。在一定条件下，其中某一种或两种原因可能起主导作用。切削加工：温度不高，以冷态塑性变形为主；温度高，以热态塑性变形为主。磨削加工：轻磨削条件时，产生浅而小的残余压应力，没有金相组织的变化，温度影响小，主要是塑性变形起作用；中等磨削条件时产生浅而大的拉应力。淬火钢重磨产生深而大的拉应力，显然由于热态塑性变形和金相组织变化的影响在起主导作用的缘故。残余压应力能