磨加工表面质量.ppt

1、现代磨削技术 湖南大学 机械与运载工程学院,第章磨削加工表面质量,第六章 磨削加工表面质量 6.1 磨削加工表面质量的含义及其对使用性能的影响 6.2 磨削表面纹理 6.3 磨削表面层物理力学性能 6.4 磨削表面完整性参数综合影响及改善措施 6.5 磨削加工中的振动,6.1 磨削加工表面质量的含义及其对使用性能的影响,机械加工方法导致工件存在问题,微观不平度,加工中冷作硬化,表层残留应力,金相组织变化,现代磨削技术的发展趋势,高精度,低表面粗糙度值,低残余应力,低硬化层,实现零件,6.1.1 表面质量的含义 表面质量是指机器零件加工后表面层的状态。,磨削表面质量指标,表面纹理指标,表面层物理

2、力学性能指标,表面粗糙度,波度,纹理方向,表面瑕疵,表面层硬度,表面层组织,表面层残余应力,6.1.2 磨削表面粗糙度与磨削加工精度的关系,零件的精度,零件的表面粗糙度,一定的精度应有相应的表面粗糙度，即一定的尺寸公差要有相应的表面粗糙度。一般情况下，对尺寸要进行有效控制，表面粗糙度Ra值应不超过尺寸公差的1/8。,1.对零件的耐磨性的影响,2.对零件的耐疲劳性影响,3.对零件的耐腐蚀性影响,4.对零件的其它影响,6.1.3 表面质量对零件使用性能的影响 零件表面层状态对其使用性能主要是因为： 1.承受载荷应力的最大表面层是金属的边界，机械加工后破坏了晶粒的完整性，从而降低了表面的某些机械性能

3、。 2.表面层有裂纹、加工痕迹等各种缺陷，在动载荷的作用下，可能引起应力集中而导致破坏。 3.零件表面进行加工后，表面层的物理、机械、冶金和化学性能都变得和基体材料不同了。,6.2 磨削表面纹理 6.2.1 磨削表面的创成机理 根据磨削表面沟痕的构成来考察表面粗糙度的创 成机理。从磨削表面上方观察，众多的切削沟痕的棱线和磨削方向倾斜 角。 其中， 磨粒切削刃圆弧半径 Rs 砂轮半径 S 沿磨削方向上切削沟痕的间隔 磨削表面上的切削沟痕,6.2.1 磨削表面的创成机理 砂轮的速度为Vs，工件的速度为Vw,砂轮工作表面每单位面积上切削刃数为Ce,则切削沟痕的长度和宽度可由几何关系求得： 其中菱形切

4、削沟痕模型的深度h为：,磨粒切削微刃都在同一高度情况磨削表面创成后，可以以切削沟痕深度h为基础，能够确定磨削表面最大粗糙度值。但实际上切削刃高度不在同一高度上，其磨削表面的创成生成切削沟痕深度h的变化大，从而使得表面粗糙度值增大。,6.2.2 磨削表面粗糙度的理论分析 1.以磨粒切削刃路径几何学为基础的理论 外圆切入磨削表面理论粗糙度的最大值的理论公式为：,第一项为沿磨削方向上的粗糙度,第二项为垂直于磨削方向断面中的粗糙度,2.以菱形切削沟模型为基础的理论公式 实际磨削粗糙度高度处于hmin-hmax范围内。,6.2.3 影响磨削加工表面粗糙度的因素,6.2.4 磨削加工表面粗糙度的经验公式

5、磨削条件与表面粗糙度Ra值间的经验公式： 式中， 与被磨材料物理力学性能有关的参数 与砂轮粒度有关的系数 与无火花磨削次数有关的系数 与磨削液有关的系数,6.3 磨削表面层物理力学性能 6.3.1 磨削表面加工硬化层的产生 1.加工硬化的产生及其指标,工件材料 磨削表面,磨削力,磨削热,加工硬化(或称强化),表面硬度提高，塑性降低,使塑性变形产生恢复和再结晶,失去加工硬化软化,衡量加工硬化的指标： 表面层显微硬度 HV 硬化层深度 h（mm） 硬化程度 N 其中： N=（ HV- HV0)/HV0 式中的HV0为金属原来的显微硬度,2.磨削加工表面层加工硬化的影响因素,加工硬化的影响因素,磨削

6、径向力,磨削温度,磨削力愈大，塑性变形大，硬化程度愈大，硬化层深度也愈大,磨削温度愈高，软化作用增大，使冷硬作用减少，硬化深度和程度都减少,3.加工硬化层深度测量方法 金相法 测量显微硬度法 X光法 激光全息摄影法,6.3.2 磨削表面金相组织变化磨削烧伤 1.磨削烧伤的产生与实质,负前角的磨粒在高速磨削的条件下,很高的磨削温度，工件表层的金相组织产生变化,工件表面呈现氧化膜的颜色 磨削烧伤,实质,6.3.2 磨削表面金相组织变化磨削烧伤 磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下几种：,磨削烧伤的分类,回火烧伤,淬火烧伤,退火烧伤,磨削区温度超过了马氏体转变温度而未超过相变温度，则马氏体 回火组织（

7、索氏体或者屈氏体）。,磨削区的温度超过了相变温度,马氏体 奥氏体，又由于冷却液的急冷作用，表层会出现二次淬火马氏体,干磨削时，磨削区温度超过了相变温度，马氏体 奥氏体，因工件冷却缓慢工件表层被退火,暗层组织由回火屈氏体、回火马氏体组成，其中靠近白层处为回火屈氏体并含少量的黑色团状索氏体,马氏体,二次淬火马氏体,索氏体,2.影响磨削烧伤的工艺因素,磨削温度高,磨削烧伤（工艺因素）,磨削用量,加工材料,砂轮参数,磨削液,工件表面层的温度 ta 可表示为：,耐热钢、不锈钢和轴承钢等传热性能差的材料，磨削时易产生烧伤,软砂轮和粗砂轮可以减轻烧伤,磨削充分冷却有利于防止烧伤和裂纹,3. 表面层磨削烧伤的

8、测定 磨削表面烧伤后，工件表面呈现氧化膜，随着温度的变化，氧化膜呈现黄色、褐色、紫色、青色及灰色。 常用的测量表面磨削烧伤的方法有： 氧化膜颜色法 显微硬度法 金相组织法 酸洗法,氧化膜颜色和膜厚数值的大小,来判断,磨削烧伤,回火处理的AISI D2钢磨削加工二次回火空冷热处理 根据不同温度二次回火试样的氧化膜颜色近似估计磨削中所能达到的平均温度,磨削表面与二次回火后试样表面的氧化膜颜色对比,氧化膜颜色预测磨削区平均温度,不同二次回火温度时AISI D2钢试样块表面氧化颜色,28,6.3.3 表面层残余应力 1.表面层残余应力的产生 磨削加工时，残余应力是指在没有外力作用情况下,在物体内部保持

9、平衡而存在的残余应力，有残余压应力与拉应力。,残余应力的分类,宏观残余应力,晶粒范围内平衡的残余应力,原始晶胞内平衡的残余应力,它是整个工件内互相平衡的残余应力，由力、热作用产生塑性变形不均匀而引起，引起零件变形，产生裂纹。,晶粒范围内平衡的残余应力,它只存在于多晶体金属中，是由于各晶粒变形程度不同而产生的，产生微观裂纹。,在原始晶胞内平衡的残余应力，它是工件受到冷作硬化所产生的，产生微观裂纹。,2.表面残余应力的产生的原因,表面残余应力的产生的原因,冷态塑性变形,热态塑性变形,金相组织变化,表面层受磨削力的作用,热的作用,温度的作用,不同的磨削方式,3.磨削裂纹及影响因素 磨削加工中热态塑性

10、变形和金相组织变化影响较大，故大多数磨削零件的表面层往往有残余拉应力。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。,热态塑性变形,金相组织变化,表面层易产生残余拉应力,当残余拉应力超过材料的强度极限时,磨削裂纹,6.3.3 表面层残余应力 影响磨削裂纹产生的因素主要有：,磨削裂纹,磨削用量,被加工材料,热处理,提高工件速度，减少残余拉应力，消除烧伤与裂纹,降低砂轮速度可以得到残余压应力，消除烧伤、裂纹,渗碳钢和渗氮钢受温度影响易在晶界面析出脆性碳化物和氧化物，故在磨削时易出现网状裂纹,磨削导热性能差的材料(如高强度合金钢、不锈钢等)及脆性大材料时，在磨削加工中表面易产生裂纹,提高砂

11、轮速度同时提高工件速度，得到好的表面质量,减少磨削深度，可以减少残余应力,磨削淬火钢易产生裂纹,磨削碳钢时，钢中含碳量愈高，亦易产生裂纹,4.改善磨削表层残余应力的措施：,无火花磨削,对被磨表面进行滚光加工,使用珩磨工艺,低应力磨削，选择合适的磨削参数,可以很好地改善表层残余应力,5.残余应力及裂纹的测量,残余应力的测量方法,物理化学法,X光法,磁粉探伤法,机械法,声发射检测,显微分析法,涡流探伤法,超声波探伤法,裂纹的测量方法,5.残余应力及裂纹的测量,5.残余应力及裂纹的测量,6.4 磨削表面完整性参数综合影响及改善措施 6.4.1磨削表面缺陷,磨削表面缺陷,微裂纹,表面层污染,表面划伤,

12、金相组织变化,磨削裂纹在磨削表面上表现为微裂纹，呈不规则的网状，大体上与磨削方向垂直它的形成与残余应力、热处理引起的内应力有关,磨削钢时，由于磨削热作用下，除发生烧伤与裂纹外，还会产生氧化膜。热作用时间越长，氧化膜厚度越大,光磨时由于磨粒脱落、尘埃等原因，容易出现表面划伤,6.4.2 磨削表面完整性参数间关系 磨削表面完整性是由表面粗糙度、波度、加工硬化、残余应力，金相组织相变、烧伤与裂纹各因素参数组成的，各因素之间有一定的关系。,表面粗糙度增大,硬化层深度及程度均增大,残余应力增大,裂纹增加,残余应力,加工硬化层,如磨削淬火钢，在出现二次淬火马氏体时，产生残余压应力，而回火组织中分布的是残余

13、拉应力。组织不同，其硬度不同。硬度最低时，应力最大。,6.4.3 改善磨削加工零件表面完整性措施,改善磨削加工零件表面完整性措施,低应力磨削,合理选择VwVs之比,保持砂轮间隙和锋利,修整砂轮，保持磨具的锋利性。注意解决砂轮的自动修整与补偿,供给充分的磨削液,选择合适的磨削条件，注意操作规范,减少变形和表面损伤，产生低应力表面,提高表面完整性,降低磨削区的温度， 减少烧伤,降低砂轮与工件接触区的磨削温度，减少磨削表面的损伤,6.5 磨削加工中的振动 6.5.1 磨削加工中的颤振现象 颤振: 在磨削加工中产生了振动，加工就不能进行，即使加工进行下去，也不能得到良好的加工表面。 从产生颤振的机理来

14、分：强迫颤振和自激颤振。 强迫颤振：由于某种强制性的振动原因的影响而产生的，分为外力干扰型强迫颤振和位移干扰型强迫颤振。 自激颤振：是不存在强迫振源情况下，机械结构系统的动态特性及切削过程的动态特性二者的耦合满足一定条件下所产生的动态不稳定现象。,6.5.1 磨削加工中的颤振现象 外圆磨削过程中，工件转速高，且磨床系统固有频率低于200HZ以下，很容易产生颤振，如砂轮不经修整，砂轮外圆磨损的波纹，就会复印到工件表面，影响工件表面质量，即砂轮表面再生效应。 外圆磨床的强迫振源是驱动砂轮旋转的电机，不同频率与机床系统固有频率将近会发生共振，引起砂轮与工件之间产生相对振动位移。 影响磨床的磨削性能的

15、因素：砂轮轴的弯曲振动固有频率及动刚度，磨床结构系统的固有频率与砂轮轴转速的相对关系，砂轮轴的精度及动平衡，砂轮轴的轴承精度等。,6.5.2 强迫颤振 1.力引起的强迫颤振：强迫振动是由外界周期性的干扰力所支持的不衰减振动，如冲床、气锤工作的周期性干扰，电动机转子、砂轮不平衡产生的周期干扰力。,强迫振动的特点,强迫振动的稳态过程是简谐振动，外界力存在，就存在振动。,当阻尼较小，而外界交变力频率又接近振动系统的固有频率时，系统易出现共振。,强迫振动的频率等于外界支持振动交变力的频率,消除强迫颤振的途径,最有效的途径,找出外界干扰力(根源)并把它去除,2.位移引起的强迫振动（颤振） 对于有粘性阻尼

16、的单自由度系统，力不直接加在质量上，依靠基础的运动，力通过弹簧和阻尼器间接地作用给质量时，这就是由位移引起的强迫振动。,6.5.3 再生颤振 再生颤振是自激颤振一种形式，如磨削时，由于某种原因使的砂轮在半径方向上有微小位移，则砂轮轴就随之作短时间的振动，在工件表面残余一系列波纹，工件继续回转，波纹表面再次与砂轮接触时，砂轮产生交变力作用。 再生效应：由于前一次磨削的振动的原因残留在加工表面上的波纹，在下一次再磨削到同一个地力时使磨削力发生变动，再一次发生振动，而又产生新的波纹的现象称之为再生效应。,再生颤振的特点,易形成倾斜的条状花纹,加大进给量，不易产生颤振,低速稳定性效应可以防止颤振,产生

17、刀瘤时，动态切削力系数降低，不易产生再生颤振,切削力只产生小的振动时不易引起再生颤振,决定了机床强力切削性能的界限,上述特征巳成为实际解决颤振时区别再生颤振和共他种类颤振的判别根据，是抑制和消除颤振的有效途径。,磨削加工时，由于被磨金属层比较薄，大约60-95%的热被传入工件，仅有不到10的热量被磨屑带走。这些传入工件的热量在磨削过程中来不及传入工件深处，而聚集在表面层里形成局部高温。工件表面温度可高达1000以上，易引起表面热烧伤。 1.磨削的热效应对工件表面质量和使用性能影响极大。 2.磨削区的磨削热影响到砂轮的使用寿命。,6.4 磨削温度,磨削热来源于磨削功率的消耗。 磨削加工时，磨除单

18、位体积（或质量）金属所消耗的能量称为比磨削能Ee。单位：Nm/mm3或J/mm3。下式表示： 公式中逆磨取“+”，顺磨取“-”。 磨削能量绝大部分消耗在加热工件、砂轮和磨屑以及辐射散逸。,6.4.1 磨削热的产生和传散,比磨削能2060J/mm3,比磨削能1030J/mm3,切割磨削磨屑厚度较大，耗于磨屑形成的比能小，传入工件的热量小。 当进给速度选择适当时，切割磨削时，大部分预热的材料被迅速去除，避免热向工件内部传递。,6.4.2 磨削区温度分布的理论解析,1磨削区的热模型 磨削的热问题视作带状热源在半无限体表面上移动的情况来考虑。实验表明，由三角形热源计算的温度分布情况，更接近实际测定的情

19、况。如图为J.C.Jaeger在1942年提出的磨削运动热源的理论模型。,矩形热模型,2.带状运动热源引起温度分布的理论解析,矩形热模型,为任意点m（x，z）处的温度：,K0(u)-零阶二类修正贝塞尔函数。 m-任意点m（x，z）出的温度（） xm -m点在x坐标方向上离开热源的距离。 zm -m点在z坐标方向上离开热源的距离。 v-线热源运动速度（cm/s）； q-热源强度J/（ m2ks）； -热导率（w/（mk）； -热扩散率， ； c为质量定压比热容（J/（kgK）。,3三角形分布热源引起的温度分布理论解析,在三角形热源分布的情况下，可将整个磨削区的热源看成无限个不断增大的，热源强度为

20、q的线热源从xi=0到xi=l形成的 。其热量Qm可表达为：,令z=0，可得工件表面温度分布公式：,利用数值解法可解得：,在单向导热计算中，max出现在x/l=1/2处，在双向导热计算中，估计结果相差不会太大。,L=vl/,4工件表面的平均温度及其简化计算 （1）Jeager模型分析,当 L20时，沿着滑动体的温度变化可近似为线性的。若所有热能都传入工件，砂轮与工件接触的单位宽度上的平均表面温度为：,（2）Jeager模型的线性化,用线性化模型计算出的工件表面平均温度和经典解的平均温度除系数不同外，其余均相同，两种计算的误差仅在6%之内，即由线性模型求出的工件表面平均温度比经典解略低6%。,5

21、磨削磨粒点的平均温度和最高温度 (1)磨削磨粒点的平均温度 根据磨削情况作如下假设： 假设砂轮为一直径为ds宽度为bs的盘状铣刀，在铣刀上分布着和砂轮磨粒数相等的切削刃。 切削刃以均等的间隔分布在刀具的外圆周上。,传入磨粒的比例系数不随温度变化而变化，那么传入磨粒的热可看作与能量E成正比，得到磨粒磨削的平均温度为：,Ft切向磨削力，B砂轮宽度，b工件宽度，Nt单位长度上的有效磨粒刃数。,上式似乎于磨削条件的vs、vw、ap无关，但是由于Ft和Nt是vs、vw、ap的函数，根据第三节的计算公式，可以从理论上得到Ft和Nt的解析值。 由于磨削过程的复杂性，由理论解析式所得到的计算值与实测值相差较大

22、，因此Ft和Nt采用实验方法来选取。,根据实验结果，可得:,令工件磨削宽度等于砂轮宽度，得出磨削磨粒点的平均磨削温度为：,由上式可见：磨削磨粒点的平均磨削温度取决于砂轮速度Vs及砂轮和工件材料的特性C3，而与工件速度和磨削深度ap关系不大。,不同磨削条件对磨削温度的影响：,三种不同砂轮磨削55钢时的磨粒点的平均温度分布：,磨削点的平均温度与砂轮的磨料有关。,（2）磨削磨粒点的最高温度 1993年TUeda等人用三种不同的砂轮（白刚玉、CBN、金刚石）对三种不同材料的实验结论指出，磨削点切削磨粒的最高温度大约等于磨削钢质工件材料熔点的温度。 右图为磨削时磨粒 上的温度与频率数 的关系。,磨削磨粒

23、点最高温度与磨削参数的关系和平均温度的变化大致相同，最高磨削温度随磨削深度增加略呈现增大趋势。 磨削磨粒点的最高温度的极限是工件材料的熔点温度。 随着vs的增加,最高温度减少。所以采用高速磨削比低速磨削对砂轮的磨削特性更有利。,结论：,缓进给磨削是一种采用增大磨削深度、降低进给速度、形成砂轮与工件有较大的接触面积，及高的速度比Vs/Vw，达到高的磨除率和表面质量。 1、正常缓进给磨削时弧区工件表面的平均温度分布,6.4.3 缓进给强力磨削的温度分布特征,实验条件：MM7125平面磨床，逆磨直槽，槽宽12mm，砂轮：棕刚玉砂轮，粒度代号46，砂轮速度19m/s,结 论： （1）平均温度分布光滑连

24、续，峰点位置靠近弧区高端峰点附近曲线变化平稳，缓进给磨削时热流密度沿弧长的分布是连续的，接近三角形分布的热源模型。 （2）弧区工件表面平均温度数值很低，弧区低端温度更低，说明正常缓进给磨削时已加工表面的实际生成的温度是很低的。 （3）相对于平均温度而言，磨粒磨削点上的温度高，但正常缓进给磨削工件时表面温度低。,2.使用与不使用磨削液时弧区温度的对比,实验是在使用普通刚玉砂轮及常压磨削液的条件下进行，说明缓进给磨削低温并不只是大气孔超软砂轮与高压喷注磨削液综合作用的结果，而是缓进给磨削本身特有的现象。,不使用磨削液,3.烧伤前兆弧区温度分布的特征变化,缓进给磨削中磨削液成膜沸腾即磨削热流密度超过

25、磨削液的临界热流密度，弧区磨削液出现成膜沸腾引起二相流换热曲线上热平衡点的跃迁，工件表面从正常低温跃升到新热平衡点的温度，从而导致工件突发烧伤。,（1）在约占接触弧长1/10的相当局限的区段上出现了明显高于正常缓进给磨削低温的高温区，且高低温区截然分开，表明磨削液存在膜沸腾发生。 （2）成膜的高温段出现在弧区高端，这与通常认为的磨削热源呈三角形分布的假设相吻合。提示了烧伤的先发部位一定在弧区高段。 （3）成膜高温区温度虽高，在此条件下试验证明该无烧伤发生。因此，缓进给磨削时弧区磨削液确已沸腾但工件并不产生烧伤。,4.烧伤的过程烧伤前后温度的时空分布 采用一个特长型多块组合夹丝测温试件，使之能在

26、一次连续缓磨中等间隔地观察到不同阶段的弧区工件表面的平均温度分布。,结论： 弧区工件表面温度的时空分布表明磨削液成膜沸腾是一个逐步扩展过程； 缓进给磨削烧伤是一个典型的缓变过程。,5.弧区工件表面固定点上温度的瞬变特性,就弧区工件表面上某一点而言，其温度在其进入成膜区前后是有突变的，特别是当该点距弧区高端足够远时，其温度完全有可能自正常低温瞬时跃增到烧伤温度以上，这是因为当成膜区扩展到该点时，成膜区内温度已经达到或超过烧伤温度的缘故。,6.4.4 磨削温度的测量 研究磨削区的温度分布，除了采用分析法外，采用实验方法能得到更加准确的结论。 1热电偶测量法,两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克发现,所以又称西拜克效应。,一、热电偶的工作原理,回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。,热端,冷端,6.4.4 磨削温度的测量 1热电偶测量法 （1）热电偶常用材料 铂铂铑热电偶(S型)：镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型) 镍铬考铜热电偶(E型)：铂铑30铂铑6热电偶(B型) 铁康铜热电偶：铜康铜热电偶 （2）测温试件的结构