机械制造工艺学课件第15讲.ppt

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1、第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量5-35-4概述概述表面粗糙度及其降低的工艺措施表面粗糙度及其降低的工艺措施表面层物理、力学性能及其改善的工艺措施表面层物理、力学性能及其改善的工艺措施机械加工中的振动及其控制措施机械加工中的振动及其控制措施内容提纲内容提纲5-25-1第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量5-1 概述概述一、表面质量的含义零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包括加工表面质量。机械加工表面质量决定了机器的使用性能和使用寿命。机械加工表面质量是以机械零件的加工表面和表面层作为分析和研究对象的。机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表

2、面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（几微米几十微米），但都错综复杂地影响着机械零件的耐磨性、抗腐蚀性、配合质量和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须引起足够的重视。第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量 零件加工表面沿深度的组成及变化吸附层 8nm基体材料纤维层压缩区 几十几百微米热影响区显微硬度残余应力加工表面层沿深度变化示意图第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量表面粗糙度波纹度纹理方向表面缺陷（划痕、裂纹、砂眼等）表面质量表面质量表面质量表面质量的内容的内容的内容的内容表面微观几何形状特征表层物理力学性能变化表层加工冷作硬化表层金相组织变化表

3、层残余应力第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量表面质量的内容表面质量的内容表面质量的内容表面质量的内容表面粗糙度：是指表面微观微观几何形状误差，其波长与波高的比值在L/H50的范围内，波距1mm。表面波度：是介于加工精度（宏观宏观几何形状误差L/H 1000）和表面粗糙度间的一种带有周期性的几何形状误差，其波长与波高的比值在50L/H1000的范围，波距=110mm纹理方向：纹理方向是指表面刀纹的方向，它取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法。表面缺陷：是加工表面上一些个别位置上出现的缺陷。例如：砂眼、气孔、裂痕等。表面微观几何形状特征第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量

4、 a）波纹度 b）表面粗糙度 零件加工表面的粗糙度与波度RZHRZ1)表面层冷作硬化(简称冷硬)：在机械加工中,零件表面层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。一般情况下表面硬化层的深度可达0.05 0.30mm。2)表面层金相组织的变化：机械加工过程中，由于切削热或磨削热的作用引起工件表面温升过高，表面层金属的金相组织发生变化的现象。3)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，工件表面层产生的残余应力。表层物理力学性能变化 第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量二、表面质量对零件使用性能的影响二、表面质量对零件使用性能的影响 1.1.对耐磨性影响

5、对耐磨性影响Ra（m）初始磨损量初始磨损量重载荷重载荷轻载荷轻载荷表面粗糙度与初始表面粗糙度与初始磨损量磨损量1）表面粗糙度值小，耐疲劳性好；2）适当硬化可提高耐疲劳性。1）表面粗糙度值小，耐蚀性好；2）表面压应力：有利于提高耐蚀性。表面粗糙度值大，配合质量差。1）表面粗糙度值大，耐磨性差，有一定限度（图）；2.2.对耐疲劳性影响对耐疲劳性影响3.3.对耐蚀性影响对耐蚀性影响4.4.对配合质量影响对配合质量影响2）纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好；3）适当硬化可提高耐磨性。第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量零件表面质量零件表面质量粗糙度太大、太小都不耐磨。粗糙度太大、太小都不耐磨

6、。适度冷硬能提高耐磨性。适度冷硬能提高耐磨性。对疲劳强度的对疲劳强度的影响影响对耐磨性影响对耐磨性影响对耐腐蚀性能对耐腐蚀性能的影响的影响对工作精度的对工作精度的影响影响粗糙度越大，疲劳强度越差。粗糙度越大，疲劳强度越差。适度冷硬、残余压应力能提高适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度。疲劳强度。粗糙度越大、工作精度降低。粗糙度越大、工作精度降低。残余应力越大，工作精度降低残余应力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蚀性越差。粗糙度越大，耐腐蚀性越差。压应力提高耐腐蚀性，拉应力压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性。反之则降低耐腐蚀性。总结：总结：1）表面粗糙度对零件的密封和摩擦性能的影响很大

7、。降 低粗糙度到一定值一定值是保证良好密封、防止泄漏、降摩 减摩、提高效率和节能降耗的有效途径；2）表面粗糙度对机械产品的精度、寿命等起重要作用。零件设计时，确定表面粗糙度要求时，应考虑其使用 及工艺方法的可行性和经济性；3）图纸上一般不规定零件表层的物理机械性能，当达到 表面粗糙度要求时，表层物理机械性能也能满足。重 要机械零件（如在高速、重载荷下工作，要求零件有 较高的疲劳强度和耐磨性的零件）才作规定；4）零件精度等级与表面粗糙度值两者应协调一致。注注 第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量 表面粗糙度及其降低的工艺措施表面粗糙度及其降低的工艺措施第五章第五章 机械加工表面质量机械

8、加工表面质量三、表面质量的研究内容 零件表层物理、力学性能及其改善的工艺措施零件表层物理、力学性能及其改善的工艺措施 机械加工中的振动及其控制机械加工中的振动及其控制一、切削加工表面粗糙度影响因素及改善措施 车削时残留面积的高度车削时残留面积的高度1 1）直线直线刃车刀（图刃车刀（图a a）2 2）圆弧圆弧刃车刀（图刃车刀（图b b）3 3）影响因素：）影响因素：1.切削残留面积5-2 表面粗糙度及其改善的工艺措施表面粗糙度及其改善的工艺措施 第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量 加工过程中存在加工过程中存在塑性塑性变形等。物理变形等。物理因素影响一般比较因素影响一般比较复杂复杂，与

9、加工，与加工表面形表面形成成过程有关，如过程有关，如积屑瘤积屑瘤、鳞刺鳞刺和和振动振动等。等。2.物理因素第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量1）工件材料的影响 （1 1）塑性材料：塑性、韧性愈好，塑性变形愈大，加工 表面愈粗糙。中碳钢和低碳钢的工件，为改善切削性能 ，减小表面粗糙度，粗或精加工前正火或调质处理。（2）脆性材料：切屑的崩碎性，加工表面粗糙。2）切削速度的影响 加工塑性材料，切削速度对表面粗糙度的影响（对积屑 瘤的影响）见如下图所示。切削速度越高，塑性变形越 不充分，表面粗糙度值越小。低速宽刀和高速精切，表面粗糙度值小。3.工艺因素与改进措施第五章第五章 机械加工表面质

10、量机械加工表面质量 切削速度影响最大：v=1050m/min范围内，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差。切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度表面粗糙度Rz（m）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度 h（m）0200400600hKsRz第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量3）进给量的影响 减小进给量可减小切削残留面积高度，切削塑性变形减 小，有利于表面粗糙度值下降。进给量太小，刀刃在切削过程形成挤压效应，增加工件 塑性变形，表面粗糙度值变大。4）切削深度的影响 切削深度对表面粗糙度的影响不明显

11、。5）工艺系统振动 工艺系统低频振动，产生表面波度；工艺系统高频振动 将会对粗糙度产生影响。确保工艺系统有足够的刚度和 采用积极的消振和减振措施，如适当增加阻尼、接触刚 度等。第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量6）刀具的影响 （1）刀具的几何形状及刃磨质量 减小刀具的主偏角、副偏角，增大刀尖圆弧半径均 能有效地降低表面粗糙度值；适当增大刀具前角，刀具轻松切入，减少切屑塑性 变形，可降低粗糙度值。前角不能太大，否则刀刃有 嵌入倾向，会增大表面粗糙度值；前角一定，增大后角，钝圆半径减小，刀刃磨钝后 ，后刀面与已加工表面产生摩擦和挤压，有利于减小 的粗糙度值。刀具后角不能太大，否则刀刃强

12、度下降 ，易产生切削振动，对表面粗糙度不利。第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量（2）刀具的材料 化学成分不同，刀具与被加工材料分子亲合程度、摩 擦系数等均不同。相同切削条件下，用硬质合金加工 的表面粗糙度要比用高速钢好，金刚石刀具加工比用 硬质合金好，金刚石刀具主要用于有色金属及合金件 的镜面加工，其原因在于：金刚石硬度和强度高，能在高温下保持其性能，长 时间的切削，其刀尖圆弧半径和刃口半径均能保持不 变，刃口锋利；金刚石系共晶结合，与其它金属材料亲合力很小，切屑不会焊接或粘结在刀尖上(即不产生积屑瘤)；金刚石刀具前后刀面摩擦系数非常小，切削力及表 面金属塑性变形程度小，可降低加工

13、表面粗糙度值。7）其他因素：合理使用冷却润滑液等第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量影响切削加工表面影响切削加工表面粗糙度的因素粗糙度的因素刀具几何形状刀具几何形状刀具材料、刃磨质量刀具材料、刃磨质量切削用量切削用量工件材料工件材料残留面积残留面积 RaRa前角前角 RaRa后角后角摩擦摩擦RaRa刃倾角会影响实际工作前角刃倾角会影响实际工作前角 v Ra v Raf Raf Raapap对对RaRa影响不大，太小会影响不大，太小会打滑，划伤已加工表面打滑，划伤已加工表面材料塑性材料塑性 RaRa同样材料晶粒组织大同样材料晶粒组织大 RaRa，常用正火、调质处理，常用正火、调质处理刀

14、具材料强度刀具材料强度 RaRa刃磨质量刃磨质量 RaRa冷却、润滑冷却、润滑 RaRav总结：总结：工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的刻痕形成的，工件单位面积上通过的砂粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多数是负前角，切削刃又不锐利，大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压，没有切削作用。一般情况下，可得出以下结论：砂轮的磨料粒度号越大、且速度越高，工件速度越低，砂轮相对工件的进给量越小，则磨削后工件加工表面的粗糙度越低。二、磨削加工表面粗糙度影响因素及改善措施 第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量v 1）

15、砂轮速度v越高，Ra好；v 2）工件速度vw越高，Ra 差；v 3）砂轮纵向进给f越大，Ra 差；v 4）磨削深度ap越大，Ra 差。图 磨削用量对表面粗糙度的影响f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)v(m/s),vw(m/min)Ra(m)0304050600.51.0a,b）ap(mm)00.010.40.8Ra(m)00.20.60.020.030.04c）1.磨削用量影响光磨次数-Ra关系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次数光磨次数粗粒度砂轮粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮细粒度砂轮(WA/GCW14K

16、B)v 5）光磨次数越多，Ra越好。第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量v 1）砂轮粒度大，Ra小，应适当；v 2）砂轮硬度适中，Ra小，常取中软；v 3）砂轮组织适中，Ra 小，常取中等组织；v 4）采用超硬砂轮材料，Ra 小；v 5）砂轮精细修整，Ra 小；2.砂轮影响3.其他影响因素v 1）工件材料；v 2）冷却润滑液等。第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量 表面粗糙度的测量表面粗糙度的测量表面粗糙度的测量表面粗糙度的测量比较法触针法光切法干涉法第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量 1 1）比较法：将被测表面与表面粗糙度样板进行对比，以将被测表面与表面粗糙度

17、样板进行对比，以确定被测表面的表面粗糙度等级。确定被测表面的表面粗糙度等级。（2 2）方方法法简简便便，适适应在生产现场使用。应在生产现场使用。（3 3）准确度取决）准确度取决于检测人员的经验于检测人员的经验 。（4 4）仅用于粗糙度）仅用于粗糙度值较大的工件表面值较大的工件表面 。（1 1）方方法法要要求求样样板板的的材材料料与与加加工工纹纹理理与与被被测测表面尽可能一致。表面尽可能一致。第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量 2 2）触针法：将将触针触针在被测表面在被测表面移动移动时所时所作的上下运动经机作的上下运动经机电转换电转换放大后输出表放大后输出表面轮廓参数值或表面轮廓图形

18、。面轮廓参数值或表面轮廓图形。（1 1）接触式测量接触式测量 （2 2）测量精度的影响因素：测量精度的影响因素：vv 触针针尖圆角半径；触针针尖圆角半径；vv 触针的作用力；触针的作用力；vv 传传感感信信号号随随触触针针移移动动的的非非线线性等因素的影响。性等因素的影响。3 3）适用检测）适用检测R Ra a=0.025=0.025mm。第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量 3 3）光切法：利用利用光切原理光切原理测量表面粗糙度的方法。测量表面粗糙度的方法。（1 1）RzRz值值是是在在测测量量长长度度范范围围内内，n(nn(n取取5)5)个个取取样样长长度度的的平均值平均值 。（

19、2 2）检测精度）检测精度R Rz z=0.560 =0.560 mm 。Zp2lrZv6Zv5Zp6Zp5Zp4Zp3Zv4Zv3Zp1Rz中线Zv1Zv2第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量4 4）干涉法：应用应用光波干光波干涉涉原理测量粗糙度。原理测量粗糙度。（1 1）R Rz z值值是是在在测测量量长长度度范范围围内内，n n（n n取取5 5）个取样长度的平均值个取样长度的平均值;（2 2）检测精度）检测精度R Rz z=0.050.8=0.050.8mm.第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量5-3 表面层物理、力学性能及其改善的工艺措施表面层物理、力学性能及其改

20、善的工艺措施表面物理、力学性能影响残余应力因素影响冷作硬化因素影响金相组织变化因素 塑变引起的冷硬 金相组织变化引起的硬度 变化 切削热 冷塑性变形 热塑性变形 金相组织变化冷作硬化金相组织变化残余应力表现形式第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量一、表面层的冷作硬化 产生原因 机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用 产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲、剪切滑移、晶粒 拉长、纤维化甚至碎化，使表面层的强度和硬度增加。评定指标 1）表面层的显微硬度HV；2）硬化层深度h；3）硬化程度N N=(HV-HV0)/HV0100式中：HV0工件原表面层的显微硬度。第五章第五章 机械加工表面质量机

21、械加工表面质量 影响表面冷作硬化的因素1.切削加工进给量增大，冷硬程度明显；1 1）切削用量影响 2 2）刀具影响 刀尖半径越大，冷硬程度越明显；刀尖半径越大，冷硬程度越明显；其他几何参数影响不明显；其他几何参数影响不明显；后刀面磨损影响显著。后刀面磨损影响显著。00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v=40(m/min)f =0.120.2(mm/z)后刀面磨损对冷硬影响 3 3）工件材料 材料塑性越大，冷硬倾向越明显。材料塑性越大，冷硬倾向越明显。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。f 和 v 对冷硬的影响硬度

22、(HV)0f(mm/r)0.20.40.60.8v=170(m/min)135(m/min)100(m/min)50(m/min)100200300400工件材料：45第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量磨削速度越高，冷硬程度不明显（弱化作用加强）；工件转速越高，冷硬程度越明显；纵向进给量影响复杂。磨削深度越大，冷硬程度越明显；1 1）磨削用量 2 2）砂轮 砂轮粒度越大，冷硬程度不明显；砂轮硬度、组织影响不显著。3 3）工件材料 材料塑性越高，冷硬倾向越明显；材料导热性越好，冷硬倾向不明显。磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度硬度(HV)00.253003504505004000.

23、500.75普通磨削高速磨削高速磨削2.磨削加工第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量使用刀具时，应合理限制其后刀面的磨损程度；合理选择切削用量，采用较高的切削速度和较小的进给 量；加工时采用有效的冷却润滑液。合理选择刀具的几何形状，采用较大的前角和后角，并在刃磨时尽量减小其切削刃口半径；减少表面冷硬的措施第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量带空气挡板冷却喷嘴带空气挡板冷却喷嘴二、表面金属的金相组织变化 1）合理选择砂轮；2）合理选择磨削用量；3）改善冷却条件。工件表层温度达到或超过材料相变温度，表层金相组织、显微硬度发生变化，伴随残余应力产生，出现彩色氧化膜。1.磨削烧伤

24、磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现。3.磨削烧伤与磨削裂纹的控制2.磨削裂纹第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量三、影响表层金属残余应力的因素 1）切削速度越高，残余应力越大（热应力起主导作用）。1.1.切削用量 2.2.刀具1）前角越小，残余拉应力越大；2）刀具磨损严重，残余应力大。3.3.工件材料1）材料塑性越高，残余应力越大；2）铸铁等脆性材料易产生残余压应力。f 对残余应力的影响工件：45，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液 残余应力(Gpa)0.2000.200100200

25、300400距离表面深度(m)f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r2）进给量越大，残余应力越大。3）切削深度影响不显著。vc 对残余应力的影响0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件：45切削条件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200距离表面深度(m)残余应力(Gpa)-0.2000.20vc=213m/minvc=86m/minvc=7.7m/min第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量四、表面强化工艺 方法：用淬硬和精细研磨的滚轮或滚珠，在常温下挤压金属表面，压下凸起部分，修正下凹、微观几何形状，形成压应力，提高耐疲劳强度。1）方法：用大量快速运动珠丸打击工件表面,工件表面产生冷硬层和压应力，疲劳强度好。1.喷丸强化 滚压加工原理图 2）应用：强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，如板弹簧、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第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量