机械加工表面质量及其控制(PPT 82页).pptx
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1、第六章第六章 机械加工表面质量机械加工表面质量概概 述述 掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律,并应用这些规律控制加工过程,以达到提高加工表面质量、提高产品性能的目的。 实践表明,零件的破坏一般总是从开始的。产品的工作性能,尤其是它的可靠性、耐久性等,在很大程度上取决于其主要零件的。研究机械加工表面质量的目的机械产品的失效形式因设计不周而导致强度不够;磨损、腐蚀和疲劳破坏。 少数多数23表面粗糙度表面粗糙度波度波度纹理方向纹理方向伤痕伤痕 (划痕、裂纹、砂眼等划痕、裂纹、砂眼等)表面质量表面质量表面几何形状精度表面几何形状精度表面物理、机械性能表面物理、机械性能表层加工硬化表层加工硬
2、化表层金相组织变化表层金相组织变化表层残余应力表层残余应力加工质量包含的内容加工质量包含的内容1、表面的几何形状特征 加工后表面形状,总是以“峰”、“谷”的形式偏离其理想光滑表面。按偏离程度有宏观和微观之分。波距:峰与峰或谷与谷间的距离, 以L表示;波高:峰与谷间的高度,以H 表示。 波距与波高L/H1000时,属于宏观几何形状误差;L/H50时,属于微观形状误差,称作表面粗糙度微观形状误差,称作表面粗糙度;L/H=50 1000时,称作表面波度;主要是由机械加工过程中工艺系统低频振动低频振动所引起。451、轮廓算术平均偏差、轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差62微观不平度十点高度微观不平度十点
3、高度R微观不平度十点高度Rz示意图7轮廓最大高度Ry 示意图891011 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。122、表面层物理力学、化学性能表示方法(1)表面金属层的冷作硬化 指工件在加工过程中,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 13(2)表面层金相组织变化(3)表面层产生残余应力 指的是加工中,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。如磨削时常发生的磨削烧伤,大大降低表面层的物理机
4、械性能。 指的是加工中,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。残余应力超过材料强度极限就会产生表面裂纹。141516v表面粗糙度的最佳值表面粗糙度的最佳值17181920(2)表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响 残余拉应力残余压应力214表面质量对零件耐腐蚀性的影响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
5、性 2223表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响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适度冷硬、残余压应力能提高疲适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度劳强度粗糙度越大、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,拉应力反压应力提高耐腐蚀性,拉应力反之则降低耐腐蚀性之则降低
6、耐腐蚀性粗糙度值越小,工件耐疲劳性越好粗糙度值越小,工件耐疲劳性越好2425车削时残留面积的高度车削时残留面积的高度(3-1)rrfHctgctg28fHr(3-2)影响因素:影响因素:frHvfrb)Hfa)vfrr刀尖圆弧半径主偏角副偏角进给量 6.2 影响表面粗糙度的工艺因素及其改善措施影响表面粗糙度的工艺因素及其改善措施表面粗糙度的形成和影响因素几何因素物理因素一、切削加工表面粗糙度一、切削加工表面粗糙度切削切削残留面积残留面积的高度的高度金相组织金相组织 : 金相组织越大,粗糙度也越大;切削液的选用及刀具刃磨质量切削液的选用及刀具刃磨质量2627因素水平因素水平1234每齿进给量每齿
7、进给量fz(m)0.5124轴向切深轴向切深ap(m)10203040切削速度切削速度vc(m/min)4070100140 表面粗糙度实验因素水平编码表面粗糙度实验因素水平编码28序号序号每齿进给量每齿进给量fz(m)轴向切深轴向切深ap(m) 切削速度切削速度vc(m/min) 表面粗糙度表面粗糙度Ra(nm)10.51040176.320.52070185.630.530100206.440.540140223.1511070154.7612040142.37130140193.48140100176.69210100228.210220140242.41123040197.612240
8、70218.613410140319.514420100294.11543070273.81644040257.4 表面粗糙度正交实验测量结果表面粗糙度正交实验测量结果29048160180200220240260280300表面粗糙度 Ra/nm水平数048160180200220240260280300表面粗糙度 Ra/nm水平数048160180200220240260280300表面粗糙度 Ra/nm水平数轴向切深切削速度每齿进给量300.250.511.522.533.54200210220230240250260270280表面粗糙度 Ra/nm每齿进给量 fz/m31(b) fz
9、=4(a) fz=1320.25 0.511.522.533.54200240280320360400440480表面粗糙度 Ra/nm每齿进给量 fz/m rn=2 rn=3 rn=533切削切削45钢时切削速度与粗糙度关系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收缩系数收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度积屑瘤高度 h(m) 0200400600hRz3435几何原因塑性变形机械加工振动二、磨削过程中表面粗糙度的形成二、磨削过程中表面粗糙度的形成1、形成因素切削用量砂轮的粒度和砂轮的修整情况
10、(1) 几何原因1)磨削用量对表面粗糙度的影响砂轮的速度 ,单位时间内的磨削量 ,粗糙度 ;工件的速度 ,单位时间内的磨削量 ,粗糙度 ;砂轮纵向进给速度 ,每部位重复磨削次数 ,粗糙度。3637在工件表面上的磨痕就越细密,表面粗糙度值也就在工件表面上的磨痕就越细密,表面粗糙度值也就越小。越小。2、砂轮工作表面的几何形、砂轮工作表面的几何形态由磨削机理知,砂轮磨料态由磨削机理知,砂轮磨料的粒度越细,在单位时间,的粒度越细,在单位时间,通过工件单位面积上的磨粒通过工件单位面积上的磨粒数越多数越多,3839v 砂轮粒度号砂轮粒度号,Ra;但要适量;但要适量;v 砂轮硬度适中,砂轮硬度适中, Ra
11、;常取中软;常取中软;v 砂轮组织适中,砂轮组织适中,Ra ;常取中等组织;常取中等组织;v 采用超硬砂轮材料,采用超硬砂轮材料,Ra ;v 砂轮精细修整,砂轮精细修整, Ra 。 除了从上述几个方面考虑采取措施外,还可从加工方法上着手改善,如用研磨、珩磨、超精加工、抛光等。切削液切削液 砂轮磨削时温度高,热的作用占主导地位。采用切削液可以降低磨削区温度,减少烧伤,冲去脱落的砂粒和切屑,以免划伤工件,从而降低表面粗糙度度值。但必须选择适当的冷却方法和切削液。减少加工表面的表面粗糙度的其它方法减少加工表面的表面粗糙度的其它方法404142%10000HVHVHVN 机械加工过程中产生的塑性变形,
12、使晶格扭曲、畸变,晶粒间产生滑移,晶粒被拉长,这些都会使表面金属的硬度增加,统称为冷作硬化冷作硬化(强化)强化)。 金属冷作硬化的结果,使金属处于高能位不稳定状态,只要一有条件,金属的冷硬结构就会本能地向比较稳定的结构转化,这些现象称为弱化弱化。 由于金属在机械加工过程中同时受到力因素和热因素的作用,机械加工后表面层金属的最后性质取决于强化和弱化两个过程的综合。 评价冷作硬化的指标有下列三项:(1)表层金属的显微硬度HV(2)硬化层深度h(um)(3)硬化程度N:43切削用量影响切削用量影响刀具影响刀具影响00.20.40.60.81.0磨损宽度磨损宽度VB(mm)100180260340硬度
13、硬度(HV)50钢,钢,v = 40(m/min) f = 0.120.2(mm/z) 后刀面磨损对冷硬影响后刀面磨损对冷硬影响工件材料工件材料 f 和和 v 对冷硬的影响对冷硬的影响硬度硬度(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:工件材料:4544用显微硬度计测量用显微硬度计测量45 对于磨削加工来说,由于单位面积上产生的切削热比一般切削方法要大几十倍,易使工件表面层的金相组织发生变工件表面层的金相组织发生变化,从而使表面层的硬度和强度下降,并伴随残余应力产生,
14、化,从而使表面层的硬度和强度下降,并伴随残余应力产生,同时出现彩色氧化膜。同时出现彩色氧化膜。这种现象称为磨削烧伤磨削烧伤。 1 1表面层金相组织变化与磨削烧伤原因表面层金相组织变化与磨削烧伤原因 机械加工过积中,在工件的加工区及其邻近的区域,温度会急剧升高,当温度超过工件材料金相组织变化的临界点,就会发生金相组织变化。对于一般切削加工而言,温度还不会上升到如此程度。磨削烧伤将严重地影响零件的使用性能。46 1)如果工件表面层温度未超过淬火钢相变温度(一般中碳钢为720 ,但超过马氏体的转变温度(一般中碳钢为300),这时马氏体将转变为硬度较低的回火屈氏体或索氏体,这叫回火烧伤回火烧伤。 2)
15、当工件表面层温度超过相变温度,如果这时有充分的切削液,则表面层将急冷形成二次淬火马氏体,硬度比回火马氏体高,但很薄,只有几微米厚。其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体,导致表面层总的硬度降低,这称为淬火烧伤淬火烧伤。 3)当工件表面层温度超过相变温度,如果这时无切削液,则表面硬度急剧下降,工件表层被退火,这种现象称为退火烧伤退火烧伤。 磨淬火钢时,在工件表面层上形成的瞬时高温将使表面金属产生以下三种金相组织变化:47 工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时,表层工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时,表层金相组织、显微硬度发生变化,并伴随残余应力产生,同金相组织、显微硬度发生变化,并伴随残余
16、应力产生,同时出现彩色氧化膜。时出现彩色氧化膜。 磨削表面残余拉应力达到材料强度极限,在表层或表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。,常与烧伤同时出现。 4849 磨削深度,工件横向进给量和工件速度 ,砂轮与工件表面接触时间相对,因而热的作用时间 ,磨削烧伤 。 为减轻烧伤而同时又保持高的生产率、一般选用较大的工件速度和较小的磨削深度。同时,为了弥补因增大工件速度而造成表面粗糙度值增大的缺陷,可以提高砂轮速度。(1)(1)合理选择磨削用量合理选择磨削用量但:磨削深度
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