第4讲-已加工表面质量分析讲课讲稿.ppt

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,*,翟鹏,*,第4讲-已加工表面质量分析,第一节,已加工表面质量的概念,已加工表面质量的标志,工件经过切削加工后，已加工表面质量的主要标志是：,表面的粗糙度、表面层冷作硬化程度、表面层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。,1/18/2025,2,翟鹏,第二节,已加工表面的形成过程,主要研究第三变形区的情况,1/18/2025,3,翟鹏,已加工表面的形成过程,1/18/2025,4,翟鹏,左图为剪切区应力分布图，从图中可以看出：正应力在O点处最大，两侧急剧减小；,剪应力在O点处为零，在O点两侧逐渐增加。,说明切屑层在O点分离,1/18/2025,5,翟鹏,从三个变形区观点，看已加工表面质量形成过程,1/18/2025,6,翟鹏,从三个变形区观点，看已加工表面质量形成过程,1/18/2025,7,翟鹏,第三节,已加工表面粗糙度,一、表面粗糙度产生的原因,（1）几何因素，主要决定于残留面积高度；,（2）切削过程不稳定，其中包括：积屑瘤、鳞刺、切削变形、刀具的边界磨损、刀刃与工件相互位置的变动（振动等）等。,下面就每个原因进行分析：,1/18/2025,8,翟鹏,1、残留面积高度（理论粗糙度）,切削刃相对于工件运动，能够形成已加工表面。如果把切削刃看作几何学的线，由相对于工件运动时，应该形成的已加工表面的粗糙度，称为,理论粗糙度,。它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，因为除此之外，还有许多其他因素，诸如鳞刺、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。,1/18/2025,9,翟鹏,残留面积的高度,a,b,c,d,e,R,max,R,max,2,f,2,f,r,r,1/18/2025,10,翟鹏,残留面积高度,1/18/2025,11,翟鹏,残留面积高度,1/18/2025,12,翟鹏,2、积屑瘤,积屑瘤对粗糙度影响的,3个,方面，如上分析,1/18/2025,13,翟鹏,3、鳞刺,（1）鳞刺，就是已加工表面上出现的鳞片状毛刺。,（2）加工塑性材料时，易出现。,高速钢、硬质合金、陶瓷刀具加工碳钢、中碳钢、铬钢、不锈钢、铝合金、铜合金等塑性材料时，易出现。,1/18/2025,14,翟鹏,鳞刺及其对已加工表面粗糙度的影响,鳞刺就是已加工表面上的鳞片状毛刺。生产实践及科学实验表明，在较低的及中等的切削速度下，用高速钢、硬质合金或陶瓷刀具，切削一些常用的塑性金属，如低碳钢、中碳钢、铬钢(40Cr、20Cr)、不锈钢、铝合金、紫铜等，在车、刨、插、钻、拉、滚齿、螺纹车削、板牙铰螺纹等工序中，都可能出现鳞刺。鳞刺的产生是切削加工中获得较小粗糙度的表面的一大障碍。,1/18/2025,15,翟鹏,3、鳞刺形貌,1/18/2025,16,翟鹏,3、鳞刺形貌,1/18/2025,17,翟鹏,3、鳞刺,（3）关于鳞刺产生的两种观点：,1）积屑瘤说,持这种观点的人认为：积屑瘤底部稳定，顶部不稳定；,不稳定的顶部的生长与分裂，是导致鳞刺产生的主要原因。,积屑瘤对已加工表面粗糙度的影响,积屑瘤自身能增大已加工表面粗糙度之外，它还在已加工表面上导致鳞刺的形成，进一步增大粗糙度。,1/18/2025,18,翟鹏,3、鳞刺,2）层积金属说,持此种观点的人认为：形成鳞刺的过程经过了4个阶段：抹拭、导裂、层积、切顶。,1/18/2025,19,翟鹏,4、切削过程的变形,切削变形影响表面粗糙度的过程：,1）切削单元带有,周期性的断裂,，这种断裂深入到切削表面以下，从而在加工表面上留下,挤压的痕迹,，而成为,波浪形,。,2）由于切削刃两端,没有来自侧面的约束力,，加工过程中工件材料被挤压，产生,隆起,，降低了被加工表面的粗糙度。,说明见下图,1/18/2025,20,翟鹏,4、切削过程的变形,1/18/2025,21,翟鹏,5、刀具的边界摩擦对粗糙度地影响,刀具磨损后，有时会在副后面上产生沟槽形的边界磨损，从而在已加工表面上形成锯齿状的凸出，影响被加工表面的粗糙度。,1/18/2025,22,翟鹏,6 刀刃与工件相对位置变动,原因：,1）主轴回转精度不高；,2）滑动导轨面的形状误差；,3）材料的不均匀；,4）切削过程不连续等。,自激振动，使振幅发生变化，影响被加工表面的粗糙度。,1/18/2025,23,翟鹏,二、影响表面粗糙度的因素,1、刀具方面,1)采用较大的刀尖圆弧半径,r,；,采用较小的副偏角k，尤其使用k=0的修光刃。,2）前角：一般情况下，前角对表面粗糙度影响不大；但在加工塑性材料时，采用较大的前角可减小积屑瘤和鳞刺，从而提高被加工零件的表面粗糙度。,3）刀面及切削刃的表面粗糙度：提高刀具表面的粗糙度，减小摩擦，可抑制积屑瘤、鳞刺的产生。,4）刀具材料：与工件材料的亲和力不同，产生积屑瘤及粘结磨损的程度不同，产生的表面粗糙度不同。,5）刀具的磨损情况不同，对粗糙度也有影响。,1/18/2025,24,翟鹏,二、影响表面粗糙度的因素,2、工件方面地影响,1）材料塑性越大，加工粗糙度越大；,2）材料金相组织的影响：,对于中碳钢、中碳合金钢，在高速切削时，粒状珠光体组织粗糙度高；,低速切削时，片状珠光体+细晶粒的铁素体，有利于提高粗糙度；,易切钢中含硫、铅等元素；,被加工材料的韧性越大，粗糙度越低。,1/18/2025,25,翟鹏,二、影响表面粗糙度的因素,3、切削条件方面,1）切削速度的影响（结合图9-14讲解）,中低切削速度下，切削塑性材料易产生积屑瘤及鳞刺；,提高切削速度，可使积屑瘤及鳞刺减小或消失，并可减小材料的塑性变形；,切削脆性材料时，由于不产生积屑瘤，切削速度对表面粗糙度没明显的影响。,2）进给量的影响：减小进给量，有利于提高粗糙度。,3）切削液的影响：采用高效切削液，有利于提高粗糙度。,1/18/2025,26,翟鹏,第四节 加工硬化,一、加工硬化产生的原因,：,1、金属塑性变形的影响,1）切削加工过程中，金属的塑性变形区范围扩展到切削表面以下，使已加工表面的一部分金属也产生了塑性变形；,2）刀具钝圆半径，使一部分金属从刀刃钝圆部分以下挤压过去，产生更大的附加塑性变形；随后由于弹性恢复，使刀具后刀面与已加工表面摩擦，再次发生剪切变形。,结果：经过以上几次变形，使金属晶格发生扭曲，晶粒拉长、破碎，阻碍了金属的进一步变形，而使金属进一步强化，硬度显著提高。,1/18/2025,27,翟鹏,第四节 加工硬化,2、切削温度的影响,切削温度低于相变温度，使金属弱化，硬度降低；更高的温度时，将发生相变。,已加工表面的硬度，就是这种强化、弱化、相变综合作用的结果。,表示硬化程度N的两种表示法（P151）：,N=(H-H0)/H0 x100%,N=H0/Hx100%,1/18/2025,28,翟鹏,第四节 加工硬化,二、影响加工硬化的原因,1、刀具方面,1）前角越大，硬化层深度越小。图9-15所示。,2）切削刃刀钝圆半径越大，加工硬化越大，图9-16所示。,3）后刀面磨损量VB越大，加工硬化深度越大，图9-17所示。,1/18/2025,29,翟鹏,第四节 加工硬化,2、,工件方面的影响：,1）工件材料的塑形越大，硬化越严重；,2）高锰钢材料强化指数大，加工硬化大;,3）有色金属熔点低，容易弱化，所以其硬化现象比钢低。,3、切削条件方面的影响,1）切削速度的影响（图9-18所示）：加工硬化，先是随着速度的增加而减小；到较高速度后，又随着速度的增加而增加。原因：开始变形硬化来不及，后来变形速度高于弱化速度。,1/18/2025,30,翟鹏,第四节 加工硬化,2）进给量的影响：,进给量的增加，加工硬化现象增加（图9-19所示）,；,背吃刀量对加工硬化现象影响不大（图9-20所示）。,3）切削液的影响,采用有效的切削液，可降低硬化层深度。,1/18/2025,31,翟鹏,第五节 残余应力,残余应力的基本概念,：残余应力是指在没有外力的作用下，在物体内部保持平衡而存留的应力。,一、造成残余应力的原因,（悟语：,明确机理，才能寻找解决途径,。残余应力是影响加工精度的重要因素，如何避免或降低）,1、机械应力引起的塑性变形,1）切削过程中，切削刃 前方的晶体一部分随切屑流出另一部分停留在已加工表面，在分离出的,水平方向晶粒 受压,，而在,垂直方向，晶粒受拉,，这样就形成了,残余拉应力,；,2）在已加工表面形成过程中，刀具后刀面与已加工表面,产生很大的挤压与摩擦，使表层,金属产生拉伸塑性变形,，,刀具离开后，在里层金属的作用下，表层金属产生,残余拉应力,。,1/18/2025,32,翟鹏,第五节 残余应力,2、,热应力引起的塑性变形,切削过程产生热，切削层温度里低外高，变形不一致使表层金属产生热应力，热应力超过屈服极限使表层金属产生压缩塑性变形；切削后冷却至室温后，表层金属的收缩又受到里层金属的限制，使,表层金属产生残余拉应力,。,问题：请同学们想一想解决问题的办法？,1/18/2025,33,翟鹏,第五节 残余应力,3、相变引起的体积变化,切削时，若表层温度大于相变温度，则表层组织可能发生相变；由于各种金相组织的体积不同，从而产生残余应力。,对于碳钢而言：相对奥氏体体积小，马氏体体积大，屈氏体或索氏体体积小。,奥氏体体积马氏体体积时，表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力；,奥氏体 屈氏体或索氏体时（金属表面退火），表层产生残余拉应力。,切削碳钢时，一般在已加工表面层常为,残余拉应力,。,1/18/2025,34,翟鹏,第五节 残余应力,二、影响残余应力的因素,1、刀具方面,1）当刀具前角由正值逐渐变为负值时，表层的残余拉应力逐渐减小，但残余应力深度逐渐增加。,原因：前角越小，切削刃钝圆半径越大，刀具对已加工表面的挤压与摩擦作用越大，从而降低了了残余拉应力。图9-2122（+为拉应力，-为压应力）,在切削用量一定的情况下，采用较大的副前角，可得到残余应力为压应力的加工表面，提高零件表面性能。,1/18/2025,35,翟鹏,第五节 残余应力,2）刀具后刀面磨损量VB增加时，可使已加工表面残余拉应力增大，残余应力层深度也增加。,原因：刀具后刀面磨损量VB增加时，使已加工表面切削温度上升，热应力引起的残余应力逐渐增加。,图9-23所示，VB的增加，拉应力增大。,1/18/2025,36,翟鹏,第五节 残余应力,2、,工件材料方面,1）工件材料塑性越大，残余拉应力越大；,2）切削灰铁等脆性材料时，加工表面产生残余压应力。原因：切削加工时，后到面的挤压与摩擦起主导作用，使加工表面产生拉伸变形。,1/18/2025,37,翟鹏,第五节 残余应力,3、,切削条件方面,1）切削速度增加时，热应力引起的残余拉应力起主导作用。,速度越高，残余拉应力越大；,速度越高，残余应力深度越浅。原因：塑性变形区 减小。,速度越高，超过相变温度时，情况不同，如前述。,2）进给量的影响：进给量的增加，加工表面残余拉应力及深度增加。原因：热应力引起的残余应力占优势,3）背吃刀深度对残余应力影响不大。,1/18/2025,38,翟鹏,第六节 精密切削加工的表面质量,精密切削加工，指表面粗糙度Ra1.250.63的切削加工。,提高精密切削加工表面质量的措施：,1、刀具方面的措施,1）刀具切削刃的微观不平度必须小，不能有锯齿，崩口，卷刃等缺陷；,2）刀具材料：硬度、摩擦系数、亲和性等综合考虑,金刚石刀具较好；,请同学们想一下原因？,采用硬质合金时，应采用细颗粒的，提高被加工零件的粗糙度。,1/18/2025,39,翟鹏,第六节 精密切削加工的表面质量,二、切削条件方面,1、切削用量,1）切削速度：精密加工塑性材料时，随着速度的提高，积屑瘤及鳞刺将消失，有利于提高表面粗糙度；,但速度的提高，将增加振动，降低粗糙度。,2）进给量减小，有利于提高粗糙度；但机床易爬行，将降低粗糙度。,2、工艺系统刚性及机床精度,超精密切削时，机床主轴径向与轴向跳动量小于0.51微米，振幅小于0.2微米。,1/18/2025,40,翟鹏,第六节 精密切削加工的表面质量,3、,切削液,精密切削过程中，应采用适当的切削液，这对于提高被加工零件的表面粗糙度，由积极的意义。,1/18/2025,41,翟鹏,思考题,课后题：1，2，4，7，8,谢谢,1/18/2025,42,翟鹏,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,