第八章机械加工表面质量正式PPT课件

1、123 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图1 加工质量包含的内容4 表面质量：机器零件加工后表面层的状态。它分为两个部分: 表面层的几何形状，包括零件宏观几何形状误差、波度、表面粗糙度 a）波度 b）表面粗糙度 图8-2 零件加工表面的粗糙度与波度RZHRZ5（2）表面层的物理机械性能）表面层的物理机械性能 表面层冷作硬化（冷硬）：零件在机械加工中表面表面层冷作硬化（冷硬）：零件在机械加工中表面层金属产生强烈的冷态塑

2、性变形而引起强度、硬度层金属产生强烈的冷态塑性变形而引起强度、硬度提高的现象。提高的现象。 表面层金相组织的变化：切削热温升引起工件表层表面层金相组织的变化：切削热温升引起工件表层温升过高，表面金属层发生金相组织变化的现象。温升过高，表面金属层发生金相组织变化的现象。 表面层残余应力：加工中切削变形和切削热的影响表面层残余应力：加工中切削变形和切削热的影响导致工件表层产生残余应力导致工件表层产生残余应力。6Ra（m）初始磨损量重载荷轻载荷图8-2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 配合质量表面粗糙度值耐磨

3、性，但有一定限度（图8-2）纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好 见书p217图8-3适当硬化可提高耐磨性78图8-4 车削时残留面积的高度（8-1）maxrrfRctgctg2max8fRr（8-2）,rrrkkf刀尖圆弧半径主偏角副偏角进给量frRmaxvfrb）Rmaxfa）vfrr形成原因：几何因素形成原因：几何因素 、物理因素、工艺系统的振动、物理因素、工艺系统的振动9图8-5 切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（m）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度 h（m） 0200400600hK

4、sRz10磨削机理磨削机理: 磨削的切削刃由无数砂粒组成，分布不均匀；磨削的切削刃由无数砂粒组成，分布不均匀； 大多数砂粒为负前角切削；大多数砂粒为负前角切削； 砂粒三种切削状态砂粒三种切削状态: 弹性变形不形成切削屑弹性变形不形成切削屑 钝化砂粒钝化砂粒 塑性变形形成沟槽不形成切削屑塑性变形形成沟槽不形成切削屑 较钝砂粒较钝砂粒 塑性变形强烈形成切屑塑性变形强烈形成切屑 锋利的砂粒锋利的砂粒 单位面积上的刻痕数愈多，刻痕的等高性好则粗糙度单位面积上的刻痕数愈多，刻痕的等高性好则粗糙度也愈小。也愈小。影响表面粗糙度的三个因素： 几何因素几何因素 物理因素物理因素 工艺系统的振动工艺系统的振动1

5、1v 砂轮速度v，Rav 工件速度vw，Ra v 砂轮纵向进给f，Ra v 磨削深度ap，Ra 图8-6 磨削用量对表面粗糙度的影响vw = 40(m/min)f = 2.36(m /min)ap = 0.01(mm)v = 50(m/s)f = 2.36(m /min)ap = 0.01(mm)v(m/s), vw(m/min)Ra(m)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(m)00.20.60.020.030.04b） 图8-7 光磨次数-Ra关系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW1

6、4KB)v光磨次数，Ra12v 砂轮粒度，Ra；但要适量v 砂轮硬度适中， Ra ；常取中软v 砂轮组织适中，Ra ；常取中等组织v 采用超硬砂轮材料，Ra v 砂轮精细修整， Ra v 工件材料v 冷却润滑液等1314切削或磨削加工时，表面层金属由于塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格发生拉长，扭曲和破碎而得到强化。评价指标：冷硬层的深度h和表面层的显微硬度H,硬化程度N.取决因素：产生塑性变形的力，变形速度，变形时的温度。完全强化与不完全强化；机械加工时的表面层的冷作硬化是强化作用和回复作用的综合结果。0HNH 15切削用量影响刀具影响00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)10

7、0180260340硬度(HV)50钢，v = 40(m/min) f = 0.120.2(mm/z)图8-8 后刀面磨损对冷硬影响工件材料图8-7 f 和 v 对冷硬的影响硬度(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：4516磨削用量砂轮工件材料图8-9 磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削17影响磨削加工金相组织变化的因素：影响磨削加工金相组织变化的因素： 工件材料，磨削温度，温度梯

8、度及冷却速度。工件材料，磨削温度，温度梯度及冷却速度。加工表面层的金相组织变化加工表面层的金相组织变化 热变质层热变质层 切削加工中由于切削热的作用，加工表面层会产生金相切削加工中由于切削热的作用，加工表面层会产生金相组织变化。金相组织变化原因：加工区温升达到一定值，出组织变化。金相组织变化原因：加工区温升达到一定值，出现金相组织变化，强度和硬度下降，产生残余应力，甚至引现金相组织变化，强度和硬度下降，产生残余应力，甚至引起裂纹，既产生烧伤现象。起裂纹，既产生烧伤现象。18磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下三种磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下三种： 回火烧伤回火烧伤：磨削区温度超过马氏体转变

9、温度而未超过相变温：磨削区温度超过马氏体转变温度而未超过相变温度，工件表面的马氏体组织产生回火，转化成硬度低的回火度，工件表面的马氏体组织产生回火，转化成硬度低的回火组织组织索氏体或屈氏体。索氏体或屈氏体。 淬火烧伤淬火烧伤：磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，：磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，由于冷却液的急冷作用，表面层会出现二次淬火马氏体，硬由于冷却液的急冷作用，表面层会出现二次淬火马氏体，硬度高于回火马氏体，而它的下层则因缓慢冷却成为硬度低的度高于回火马氏体，而它的下层则因缓慢冷却成为硬度低的回火组织回火组织。磨削烧伤色磨削烧伤色 磨削烧伤后由于表层的氧化膜磨削烧伤后

10、由于表层的氧化膜 按烧伤程度按烧伤程度颜色由浅到深颜色由浅到深黄黄褐褐紫紫青青浅黄浅黄退火烧伤退火烧伤：干磨削时，磨削区温度超过相变温度，马氏体：干磨削时，磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，因工件冷却缓慢，则表层硬度急剧下降，转变为奥氏体，因工件冷却缓慢，则表层硬度急剧下降，工件表层被退火。工件表层被退火。19 在机械加工中，工件表面层金属相对基体金属发生形状、体在机械加工中，工件表面层金属相对基体金属发生形状、体积或金相组织的变化时，工件表层中将残留相互平衡的残余积或金相组织的变化时，工件表层中将残留相互平衡的残余应力。产生原因：（实际机加工后表层残余应力为三因素综应力。产生原因：

11、（实际机加工后表层残余应力为三因素综合）合）（略讲）（略讲）（1）冷态塑性变形）冷态塑性变形（2）热态塑性变形）热态塑性变形 （3）金相组织变化）金相组织变化20产生残余应力的原因：产生残余应力的原因：冷塑性变形影响冷塑性变形影响表层压表层压应力、应力、里层拉里层拉应力应力切削力切削力受拉应力表层产受拉应力表层产生塑性变形伸长生塑性变形伸长表层面积增大里表层面积增大里层弹性伸长层弹性伸长切削结束里层弹切削结束里层弹性变形要恢复受性变形要恢复受阻外层塑性变形阻外层塑性变形区区工件工件工件工件+-+o ooo加工时加工时加工后加工后由冷塑性变形产生的残余应力由冷塑性变形产生的残余应力里表21热塑性

12、变形热塑性变形表层受表层受拉应力拉应力、里层、里层受压应受压应力力切削切削温度温度高高表层体积膨胀受表层体积膨胀受阻基体，产生压阻基体，产生压缩应力，产生热缩应力，产生热塑性变形塑性变形切削结束温度下切削结束温度下降表层要收缩受降表层要收缩受里层阻止里层阻止工件工件工件工件-+o o+oo-加工时加工时加工后加工后由热塑性变形产生的残余应力由热塑性变形产生的残余应力22机械加工以冷塑性变形为主机械加工以冷塑性变形为主 压应力压应力切削加工切削加工(温度高温度高)以热塑性变形为主以热塑性变形为主 拉应力拉应力磨削加工磨削加工热塑性为主热塑性为主 拉应力拉应力机械加工后是这三方面原因综合作用的结果

13、：机械加工后是这三方面原因综合作用的结果：人们希望获得表面人们希望获得表面残余残余压应力压应力，往往进行表面，往往进行表面强化处理。强化处理。23切削用量刀具工件材料图8-11 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)0.2000.2001 00200300400距离表面深度(m) f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r仅讨论切削加工图8-10 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0501001

14、50200距离表面深度(m)残余应力(Gpa)-0.2000.20vc =213m/minvc =86m/minvc =7.7m/min24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 图8-12 带空气挡板冷却喷嘴258.4 8.4 控制加工表面质量的工艺控制加工表面质量的工艺途径途径268.4 控制加工表面质量的工艺途径控制加工表面质量的工艺途径减小残余拉应力，防止磨削烧伤和磨削裂纹的工艺途径减小残余拉应力，防止磨削烧伤和磨削裂纹的工艺途径（1）选择合理的磨削参数，为减少磨削热，降低磨削区温）选择合理的磨削参数，为减少磨

15、削热，降低磨削区温度，可减少砂轮速度和背吃刀量，适当提高进给量和工件度，可减少砂轮速度和背吃刀量，适当提高进给量和工件速度，但会使工件粗糙度增加可行办法是试验确定参数。速度，但会使工件粗糙度增加可行办法是试验确定参数。（2）选择有效的冷却方法（高压大流量、内冷却，加装空）选择有效的冷却方法（高压大流量、内冷却，加装空气挡板等）气挡板等）采用精密和光整加工工艺采用精密和光整加工工艺（1）精密加工工艺：高速精镗、高速精车、宽刃精刨、细）精密加工工艺：高速精镗、高速精车、宽刃精刨、细密磨削等。密磨削等。（2）光整加工工艺：珩磨、超精加工、研磨、抛光）光整加工工艺：珩磨、超精加工、研磨、抛光27图8-

16、14 滚压加工原理图图8-13 珠丸挤压引起残余应力 压缩拉伸塑性变形区域8.4 控制加工表面质量的工艺途径控制加工表面质量的工艺途径2829v 影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度v 影响生产效率 v 加速刀具磨损，易引起崩刃v 影响机床、夹具的使用寿命v 产生噪声污染，危害操作者健康v 工艺系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。v 由于系统中总存在由阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。自由振动强迫振动自激振动30v 由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起v 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

17、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v 频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数v 幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振v 相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。313233图8-16 自激振动系统能量关系A B C能量EQEE0振幅电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)图8-15 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）34调整振动系统小刚度主轴的位置（图8-19）式中 f 和 fn 分别为振源频率和系统固有频率x2x2x1x1x1x1x2x2图8-19 两种尾座结构0.25nfff（7-33）35减小切削或磨削时的重叠系数（图8-20）图8-20 重叠系数apfaB振动方向XDfbbda）切削b）磨削rr，式中 bd 等效切削宽度，即本次切削实际切到上次切削残留振纹 在垂直于振动方向投影宽度；