3章机械加工表面质量及控制.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,机械制造工艺学,单击此处编辑母版标题样式,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,机械制造工艺学,青岛学院,赵佳峰,2011,年,4,月,1,zhaojiafeng2010,密码：,123456789,QQ:1574641234,加工表面质量及其对使用性能的影响度,影响表面粗糙度的工艺因素及其改进措施,影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施,机械加工过程中的振动,第三章 机械加工表面质量及控制,本章要点,第三章 第一讲,主要内容,1,、加工表面质量的概念：表面的几何形状误差；表面层金属的力学物理性能和化学性能变化。,2,、表面质量对零件使用性能的影响（耐磨性、耐腐蚀、疲劳强度、配合性质）,3,、影响表面粗糙度的因素：切削加工、磨削加工,重点,：,表面的几何形状误差；表面质量对零件使用性能的影响（耐磨性、耐腐蚀、疲劳强度、配合性质）,难点：,影响表面粗糙度的因素,作业：,3-3,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,加工质量包含的内容,一、,加工表面质量的概念,3.1,加工表面质量及其对使用性能的影响,加工表面质量,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,纹理方向,伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）,a,）波度,b,）表面粗糙度,零件加工表面的粗糙度与波度,R,Z,H,R,Z,（一）,表面的几何形状误差,表面粗糙度,：加工表面的微观几何误差，波长与波高比值小于,50,。,表面波度：加工表面不平度波长与波高比值在,50,1000,的几何形状误差,3.1,加工表面质量及其对使用性能的影响,纹理方向 是指表面刀纹的方向，取决于表面形成所采用的机械加工方法。一般运动副或密封件对纹理方向有要求。,伤痕 是指在加工表面个别位置出现的缺陷，如沙眼、气孔、裂痕等。,（二）表面层金属的力学物理性能和化学性能,变化,表面层金属的冷作硬化,表面层的残余应力,表面层金相组织的变化,3.1,加工表面质量及其对使用性能的影响,切屑,刀具,切屑的分离和积屑瘤,积屑瘤,表示方法,1,、表面金属层的冷作硬化,在加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形，使工件加工表面层的强度和硬度都有所提高的现象。,冷硬层深度,h,硬化程度,N,硬化程度：,其中：,HV,加工后表面层的显微硬度,HV,0,材料原有的显微硬度,（二）表面层金属的力学物理性能和化学性能,变化,2,、表面层金相组织变化,3,、表面层产生残余应力,在加工中，,由于切削热的作用引起表层金属金相组织发生变化的现象。,在加工中，,由于切削变形和切削热的作用，工件表层及其基体材料的交界处产生相互平衡的弹性应力的现象。,1,表面质量对零件耐磨性的影响,表面粗糙度值耐磨性，但有一定限度,表面粗糙度,Ra,值约为,0.32,0.25,m,较好。,1),表面粗糙度对耐磨性的影响,重裁,2),表面纹理方向对耐磨性的影响,表面纹理方向影响金属表面的,实际接触面积,和,润滑液的存留情况,。,轻载,过度的加工硬化也会使耐磨性下降。,加工硬化一般能提高耐磨性,0.5,1,倍。,3),冷作硬化对耐磨性的影响,2,表面质量对零件疲劳强度的影响,表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷员易形成应力集中。,适当的加工硬化能有助于提高疲劳强度。应控制在一定范围内。,拉应力加剧疲劳裂纹的产生和扩展；,残余压应力，能延缓疲劳裂纹的产生、扩展，而使零件疲劳强度提高。,2),表面残余应力对疲劳强度的影响,影响极大,1),表面粗糙度的影响,3),表面层的加工硬化对疲劳强度影响,3,表面质量对零件耐腐蚀性的影响,残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性；,表面粗糙度的影响,表面粗糙度值越大，越容易积聚腐蚀性物质；,波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。,零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度,表面残余应力对零件耐腐蚀性影响,拉应力则降低耐腐蚀性,4,表面质量对配合性质的影响,表面残余应力会引起零件变形，使零件形状和尺寸发生变化，因此对配合性质有一定的影响。,相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。,表面粗糙度的影响,对间隙配合而言，会使配合表面很快磨损而增大配合间隙，改变配合性质，降低配合精度。,对过盈配合而言，减小实际过盈量，降低了连接强度，影响了配合的可靠性。,表面残余应力的影响,二、,表面质量对零件使用性能的影响,对耐磨性影响,R,a,（,m,）,初始磨损量,重载荷,轻载荷,表面粗糙度与初始磨损量,表面粗糙度值 耐疲劳性,适当硬化可提高耐疲劳性,表面粗糙度值耐蚀性,表面压应力：有利于提高耐蚀性,表面粗糙度值 配合质量,对耐疲劳性影响,对耐蚀性影响,对配合质量影响,纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好,适当硬化可提高耐磨性,3.1,加工表面质量及其对使用性能的影响,表面粗糙度值耐磨性，但有一定限度,第三章 第一讲 小结,主要内容,1,、加工表面质量的概念：表面的几何形状误差；表面层金属的力学物理性能和化学性能变。,2,、表面质量对零件使用性能的影响（耐磨性、蚀、疲劳强度、配合性质）,3,、影响表面粗糙度的因素：切削加工、磨削加工,重点,：,表面的几何形状误差；表面层金属的力学物理性能和化学性能变,难点：,影响表面粗糙度的因素,第三章 第二讲,主要内容,1,、,影响表面粗糙度的因素及改进措施；切削加工表面的粗糙度；磨削加工表面粗糙度影响；,切削表面塑性变形和积屑瘤；他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等,2,、影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施：表层材料的冷作硬化；表层金属金相组织变化；表层材料的残余应力；,重点,：,切削加工表面的粗糙度,难点：,材料力学物理性能的工艺因素,;,表层材料的残余应力；,直线刃车刀（图,a,）,圆弧刃车刀（图,b,）,影响因素：,车削时残留面积的高度,f,r,R,max,v,f,r,b,）,R,max,f,a,）,v,f,一、切削加工表面的粗糙度,3.2,影响表面粗糙度的因素及改进措施,二、,磨削加工,表面粗糙度影响因素,磨屑的形成过程,磨屑形成过程,a,）平面示意图,b,）截面示意图,砂轮速度,v,，,R,a,工件速度,v,w,，,R,a,砂轮纵向进给,f,，,R,a,磨削深度,a,p,，,R,a,磨削用量对表面粗糙度的影响,v,w,=40(m/min),f,=2.36(m/min),a,p,=0.01(mm),v,=50(m/s),f,=2.36(m/min),a,p,=0.01(mm),v,(m/s),v,w,(m/min),R,a,(,m),0,30,40,50,60,0.5,1.0,a,）,a,p,(mm),0,0.01,0.4,0.8,R,a,(,m),0,0.2,0.6,0.02,0.03,0.04,b,）,磨削用量影响,光磨次数,-,Ra,关系,Ra,(,m),0,10,20,30,0.02,0.04,0.06,光磨次数,粗粒度砂轮,(WA60KV),细粒度砂轮,(WA/GCW14KB),光磨次数，,R,a,二、磨削加工表面粗糙度影响因素,砂轮粒度，,R,a,；但要适量,砂轮硬度适中，,R,a,；常取中软,砂轮组织适中，,R,a,；常取中等组织,采用超硬砂轮材料，,R,a,砂轮精细修整，,R,a,砂轮影响,其他影响因素,工件材料,冷却润滑液等,二、磨削加工表面粗糙度影响因素,切削速度影响最大：,v=10,50m/min,范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差（如图）。,其他影响因素：,刀具几何角度,、刃磨质量，切削液等,图,3-61,切削,45,钢时切削速度与粗糙度关系,100,120,v,（,m/min,）,0,20,40,60,80,140,表面粗糙度,R,z,（,m,）,4,8,12,16,20,24,28,积屑瘤高度,h,（,m,）,0,200,400,600,h,R,z,3.2,影响表面粗糙度的因素及改进措施,三、切削表面塑性变形和,积屑瘤,机械加工中产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变、晶粒间产生滑移，表层材料硬度增加的现象,冷作硬化,机械加工中力的作用强化、热的作用弱化,冷作硬化程度可用三个指标衡量：,表层金属的显微硬度,HV,硬化层深度,h,（微米）,硬化程度,N,一、表层材料的冷作硬化,3.3,影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施,进给量冷硬程度,切削速度影响复杂（力与热综合作用结果）,切削深度影响不大,切削用量,工件材料,材料塑性 冷硬倾向,材料强度 冷硬倾向,1,、,切削加工中影响表面冷作硬化的因素,f,对冷硬的影响,硬度,(HV),0,f,(mm/r),0.2,0.4,0.6,0.8,v,=170(m/min),135(m/min),100(m/min),50(m/min),100,200,300,400,工件材料：,45,3.3,影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施,刀具几何参数,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,磨损高度,VB,(mm),100,180,260,340,硬度,(HV),50,钢，,v,=40(m/min),f,=0.12,0.2(mm/z),刀具后刀面磨损对冷硬影响,冷硬程度,3.3,影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施,磨削速度冷硬程度（弱化作用加强）,工件转速冷硬程度,纵向进给量影响复杂,磨削深度冷硬程度,磨削用量,砂轮,砂轮粒度冷硬程度,砂轮硬度、组织影响不显著,工件材料,材料塑性 冷硬倾向,材料导热性冷硬倾向,磨削深度对冷硬的影响,a,p,(mm),硬度,(HV),0,0.25,300,350,450,500,400,0.50,0.75,普通磨削,高速磨削,2,、,磨削加工,中影响表面冷作硬化的因素,3.3,影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施,回火,烧伤：磨削温度介于其相变温度,720C,和马氏体转变温度,300C,之间马氏体回火转变,淬火,烧伤：磨削温度超过其相变温度,723C,+,急冷,二次淬火,退火,烧伤：磨削温度超过其相变温度,723C,+,不冷却,退火,机械加工过程中加工区域温度达到或超过工件材料相变温度时，金相组织会发生变化（主要指磨削）,磨削烧伤（淬火钢）,二、表层金属金相组织变化,3.3,影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施,烧伤表现：,彩色氧化膜 残余应力 微裂纹,1,、机械加工表层金相组织变化,带空气挡板冷却喷嘴,2,、磨削烧伤与磨削裂纹的控制,3.3,影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施,合理选择砂轮,根据工件材料、磨削性质选择砂轮的硬度、结合剂和组织,合理选择磨削用量,合理选择磨削过程的,a,p,、,f,1,、,v,w,、,v,s,改善冷却条件,内冷却、喷汽冷却、强制冷却等,2,、磨削烧伤与磨削裂纹的控制,3.3,影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施,内冷却砂轮,内冷却砂轮,开槽砂轮,a,）槽均匀分布,b,）,90,度内变距开槽,选择开槽砂轮,第三章 第二讲 小结,主要内容,1,、,影响表面粗糙度的因素及改进措施；,切削加工表面的粗糙度；磨削加工表面粗糙度影响；切削表面塑性变形和积屑瘤；他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等,2,、影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施：表层材料的冷作硬化；表层金属金相组织变化；表层材料的残余应力；,重点,：,切削加工表面的粗糙度,难点：,材料力学物理性能的工艺因素,;,表层材料的残余应力；,回顾内容,主要内容,影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施：,1,、表层材料的冷作硬化；,2,、表层金属金相组织变化；,第三章 第三讲,主要内容,教学内容要点,1,、影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施：表层材料的残余应力；表面强化工艺,2,、机械加工过程中振动：危害、类型：自由振动、强迫振动、自激振动；消除振动的方法,重点：,影响表层材料力学物理性能的工艺因素；消除振动的方法,难点：,影响表层材料力学物理性能的工艺因素：表层材料的残余应力,3.3,影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施,1,、残余应力产生的原因,三、表层材料的残余应力,1),机械加工中表层材料的塑性变形,外压内拉,（,表面层金属产生塑性变形，比容增大，体积膨胀,),2),磨削温度造成表层材料的塑性变形,外拉内压,热生残余拉应力的示意图,奥氏体密度为,7.96 g/cm,3,，铁索体密度为,7.88 g/cm,3,；珠光体密度为,7.78 g/cm,3,，马氏体密度为,7.75 g/cm,3,.(,奥铁珠玛,),淬火钢原来的组织是马氏体,7.75 g/cm,3,磨削加工后,表层可能产生回火，马氏体变为珠光体,7.78 g/cm,3,密度增大而体积减小,表面产生残余拉应力,导致,结果,3),金相组织变化体积变化,表层比容增大,外压内拉,表层比容减小,外拉内压,v,残余应力（热应力起主导作用）,切削用量,2,、影响切削残余应力的工艺因素,切削用量,f,对残余应力的影响,工件：,45,，切削条件：,v,c,=86m/min,，,a,p,=2mm,，不加切削液,残余应力,(Gp,a,),0.20,0,0.20,0,100,200,300,400,距离表面深度,(,m),f,=0.40mm/r,f,=0.25mm/r,f,=0.12mm/r,f,残余应力,切削深度影响不显著,2,、影响切削残余应力的工艺因素,刀具,前角,+,，残余拉应力,刀具磨损残余应力,工件材料,材料塑性残余应力,铸铁等脆性材料易产生残余压应力,2,、影响切削残余应力的工艺因素,3,、影响磨削残余应力的工艺因素,热变形和塑性变形对残余应力影响很大,热因素起主导作用,残余拉应力,塑性变形起主导作用,残余压应力,淬火烧伤时，金相组织变化起主导作用,残余压应力,磨削用量的影响,背吃刀量,a,p,、砂轮速度,v,s,工件的转速,v,w,和进给,f,1,工件材料,强度、导热性、塑性 残余拉应力,3,、影响磨削残余应力的工艺因素,磨削背吃刀量对残余应力的影响,1,普通磨削,2,高速磨削,磨削,T8,钢时背吃刀量对残余应力的影响,1T8,钢磨削,2,工业铁磨削,4,、工件最终工序加工方法的选择,加工方法,残余应力符号,/MPa,应力层深度,h/mm,车削,一般外拉内压,外压内拉,200,800,刀具磨损,1000,一般外拉内压,0.05,0.1,高速、负前角时,0.65,磨削,一般外压内拉,200,1000,0.05,0.30,铣削,外压内拉,600,1500,碳钢淬硬,外压内拉,400,750,钢珠滚压钢件,外压内拉,700,800,喷丸强化钢件,外压内拉,1000,1200,渗碳淬火,外压内拉,1000,1100,镀铬,外拉内压,400,镀铜,外拉内压,200,各种加工方法在工件表面残余的内应力,1,、喷丸强化,滚压加工原理图,板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等,2,、,滚压加工,珠丸挤压引起残余应力,压缩,拉伸,塑性变形区域,四、表面强化工艺,硬度提高,10%-40%,，强度提高,30%-50%,滚压加工,一、机械加工过程中振动的危害,影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度,影响生产效率,加速刀具磨损，易引起崩刃,影响机床、夹具的使用寿命,产生噪声污染，危害操作者健康,二、机械加工过程中振动的类型,自由振动,强迫振动,自激振动,3.4,机械加工过程中的振动,三、强迫振动产生原因,由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起,强迫振动振源：机外机内。机外振源均通过地基把振动传给机床。机内：,1,）回转零部件质量的不平衡,2,）机床传动件的制造误差和缺陷,3,）切削过程中的冲击,3.4,机械加工过程中的振动,四、自激振动的概念,在没有周期性外力作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动,电动机,(,能源,),交变切削力,F(t),振动位移,X(t),图,4-72,自激振动闭环系统,机床振动系统,（弹性环节）,调节系统,（切削过程）,减小机内干扰力的幅值,调整振源的频率,调整振动系统小刚度主轴的位置,五：消除或减弱产生强迫振动的条件,隔振,x,2,x,2,x,1,x,1,x,1,x,1,x,2,x,2,六：消除或减弱产生自激振动的条件,3.4,机械加工过程中的振动,减小切削或磨削时的重叠系数,重叠系数,f,a,B,b,）磨削,3.4,机械加工过程中的振动,图,4-78,车刀消振棱,0.1,0.3,-5,-20,2,3,增加切削阻尼（例采用倒棱车刀）,3.4,机械加工过程中的振动,提高工艺系统刚度,增大工艺系统阻尼,七、改善工艺系统动态特性,阻尼材料,铸铁环,铸铁套筒,图,4-79,零件上加阻尼材料,3.4,机械加工过程中的振动,摩擦式减振器,1,飞轮,2,摩擦盘,3,摩擦垫,4,螺母,5,弹簧,动力减振器,摩擦式减振器）,采用减振装置,3.4,机械加工过程中的振动,冲击式减振器,采用减振装置,图,4-81,冲击式减振镗刀与减振镗杆,1,冲击块,2,紧定螺钉,a,）减振镗刀,b,）减振镗杆,3.4,机械加工过程中的振动,第三章 第三讲 小结,主要内容,教学内容要点,1,、影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施：表层材料的残余应力；表面强化工艺,2,、机械加工过程中振动：危害、类型：自由振动、强迫振动、自激振动；消除振动的方法,重点：,表层材料的残余应力；消除振动的方法,难点：,表层材料的残余应力,机械加工振动,表面粗糙度,波度,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,作业：,3-3 3-7 3-12,机械加工表面质量,切削、磨削用量,材料,强度,塑性,切削速度,对表面粗糙度的影响,当,=0.16,1.3m/s,时，容易产生积屑瘤，表面较为粗糙。,切屑,刀具,切屑的分离和积屑瘤,积屑瘤,冷硬程度,后刀面磨损量,冷硬程度变化如图成阶段性,后角 、主偏角 、副偏角 、刀尖圆弧半径 对冷作硬化影响不大,