第九章 已加工表面质量

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,*,1,、表面几何学方面,零件最外表面的几何形状，通常用,表面粗糙度,表示。,2,、表面层材质的变化,指在一定深度内的表面层产生的变质层。（塑性变形、硬度变化、微观裂纹、晶格畸变、残余应力、热损伤区、化学特性及电磁特性的变化。）,评定表面质量的标志有：,表面粗糙度、表面层的加工硬化程度及硬化层深度、表面层金属组织的变化情况、残余应力的大小及性质。,第九章 已加工表面质量,9.1,已加工表面质量的概念,9.2,已加工表面的形成过程,已加工表面的形成过程,(,第三变形区,),无论怎样仔细刃磨刀具，前、后刀面形成的切削刃不可能绝对锋利，钝圆半径,r,总是存在的。其值经测定：高速钢刀具,3,10,m,；,硬质合金刀具,18,32,m,。,另外，刀具开始切削不久，后刀面就会发生磨损，形成一段,oe,=0,的棱带,VB,。在研究已加工表面形成时,，应考虑,r,、,VB,的影响。,已加工表面的形成过程,当切削层金属以,v,逐渐接近切削刃时，被切层便发生挤压与剪切变形，最终沿剪切面,OM,方向滑移成为切屑。由于,r,的关系，,a,c,中将有,a,无法沿,OM,方向滑移，而是从切削刃钝圆部分,O,点下面挤压过去，继之又受到,VB,的挤压和摩擦，使工件表层金属受到剪切应力，随后弹性恢复，设其高度为,h,，,则已加工表面在,CD,长度上继续与后刀面摩擦。切削刃钝圆部分、,VB,、,CD,构成了后刀面的总接触长度。通过这一剧烈的变形过程形成的已加工表面，其表层的金属具有和基体组织不同的性质，,称加工变质层,。,一、表面粗糙度产生的原因,几何因素,切削过程因素,零件最外表面的几何形状，通常用,表面粗糙度,表示。,切削过程不稳定因素所产生的粗糙度，（积屑瘤、鳞刺、切削变形，刀具的边界磨损、刀刃与工件相对位置的变动等）,9.3,已加工表面粗糙度,1,、残留面积,切削时，由于刀具与工件的相对运动及刀具几何形状的关系，有一小部分金属未被切下来而残留在已加工表面上，称为残留面积。（主、副偏角及刀尖圆弧半径的影响，去除面积不是,ap,f,）,由刀尖圆弧部分形成的残留面积高度为：,由主、副切削刃的直线部分形成的残留面积高度为：,2,、积屑瘤,积屑瘤是指由于刀,屑接触面的摩擦，当切削速度不高又形成连续切屑时，加工钢料和其它塑性材料时，常常在刀刃处粘着剖面呈三角状硬块。,硬度为工件硬度的,2-3,倍。,积屑瘤的变化不但是整体，而且,积屑瘤本身也有一个变化过程,。积屑瘤的底部一般比较稳定，而它的,顶部极不稳定,，经常会破裂，然后再形成。破裂的一部分随切屑排除，另一部分留在加工表面上，使加工表面变得非常粗糙。,切屑,刀具,积屑瘤,积屑瘤,3,、鳞刺,鳞刺指的是已加工表面上出现的鳞片状的毛刺。,4,、切削过程中的变形,5,、刀具的边界磨损,（副后刀面的边界磨损）,6,、刀刃与工件相对位置变动,二、影响表面粗糙度的因素（如何降低表面粗糙度）,减小残留面积，消除积屑瘤和鳞刺，减小工件材料的塑性变形及切削过程中的振动等,。,1,、刀具方面,几何参数,（较大的刀尖圆弧半径，较小的副偏角。降低刀具前后刀面的粗糙度；）,刀具的磨损,（后刀面磨损尺寸越大，粗糙度越大）；,刀具材料,（尽量降低刀具材料与加工工件材料的粘结与摩擦）。,2,、工件方面,工件材料的塑性和金相组织，塑性越大，粗糙度越大。降低材料的塑性。,3,、切削条件方面,切削速度：,切削塑性材料时，切速低时易产生鳞刺和积屑瘤，提高切削速度；,减小进给量，,可降低残留面积高度、鳞刺及积屑瘤高度，从而降低表面粗糙度；切削深度对粗糙度的影响小；,采用高效切削液,。,一、加工硬化产生的原因,1,、,加工硬化概念,已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象。,2,、加工硬化产生原因,已加工表面的形成过程中，表层金属经受了复杂的塑性变形。加工表面严重变形层内金属晶格拉长、挤紧、扭曲、碎裂，使表层组织硬化。,9.4,加工硬化,式中,H,硬化层显微硬度（,HV,）；,H,0,基体层显微硬度（,HV,）。,N,可达,120,200,。,硬化层深度：,已加工表面至硬化处的垂直距离。即指硬化层深入基体的,距离,h,d,（,m,）。,一般为,几十至几百微米,。,3,、加工硬化的度量,硬化程度,N,：,已加工表面的显微硬度增加值对原始显微硬度的百分数。,二、影响加工硬化的因素,1,、,刀具方面,前角越大,，硬化层深度,越小,；切削,刃钝圆半径越大,，加工,硬化越大,；刀具后刀面,磨损量,VB,越大,，加工硬化,越大,。,2,、工件方面,塑性越大,，强化之数越大，熔点越高，则,硬化越严重,。,3,、切削条件,随切削速度的增加加工硬化先是减小，随后又随切速的增加而增加；,高切速下，,进给量增大，加工硬化增大，,低切速下相反,；背吃刀量对加工硬化的影响不显著。,减小切削变形：提高切速，加大前角，减小刃圆半径等,减小摩擦：如加大后角，提高刀具刃磨质量等,进行适当的热处理,进行有效的冷却润滑,加工硬化的控制,距表面深度,HV,H,0,h,i,H,0,图,加工硬化与表面深度的关系,1,、残余应力概念,未施加任何外力作用情况下，材料内部保持平衡而存在的应力。,2,、残余应力种类及影响,残余拉应力（,）：,易使加工表面产生裂纹，降低零件疲劳强度,残余压应力,（,）：,有利于提高零件疲劳强度,残余应力分布不均：,会使工件发生变形，影响形状和尺寸精度,9.5,残余应力,一、残余应力产生的原因,机械应力引起的塑性变形,若里层金属产生压缩变形，则弹性恢复后表层得到压应力，里层为拉应力,热应力引起的塑性变形,表层拉应力，里层压应力,表层金属组织发生相变而造成的应力,影响复杂，若切削区温度超过相变温度，钢的珠光体受热转变成奥氏体，冷却后又转变成马氏体，体积膨胀，表层产生压应力。,实际应力状态是上述各因素影响的综合结果,3,、残余应力产生原因,二、影响残余应力的因素,1,、,刀具方面,前角减小（刃圆半径增大）,时,，,残余应力,由正值变为负值,；刀具后刀面磨损量,VB,增大,时,，,残余,拉应力增大。应力层深度也增大。,2,、工件方面,塑性越大,，残余拉应力越大；脆性材料加工表面多产生残余压应力。,3,、切削条件,v,增大,时，残余,拉应力增大,，但应力层,深度减小,；,f,增大,时，残,余拉应力增大,；,a,p,对残余应力的影响不显著。,三、降低残余应力的措施,1,、使用锋锐的刀具,2,、降低磨损限度,3,、使用良好的润滑液,4,、根据实测应力数据，改变刀具角度和切削用量,5,、粗加工、半精加工后采用热处理方法消除残余应力。,残余压应力的利用：,残余压应力有时能提高零件的疲劳强度，如采用滚压、喷丸等方法。,一、精密、超精密加工的概念,在所处的时代里，用一般的技术水平，即可以实现的精度称为,普通加工,。,必须用较高精度的加工机械、工具及高水平的加工技术才能达到的精度，属于,精密加工,。,并非可以用较高技术轻而易举地就可以达到，而是采用先进的技术经过探讨、研究、实验之后才能达到的精度，并且实现这一精度指标尚不能普及的加工技术称为,超精密加工,。,9.6,精密切削加工的表面质量,在机械制造中,加工精度,是指零件加工后的实际几何参数,(,尺寸、形状和位置,),与理想几何参数的符合程度。,一般加工,加工精度,10m,左右，,表面粗糙度,Ra,0.1m,精密加工,加工精度,0.11m,，,表面粗糙度,Ra=,0.020.1m,超精密加工,加工精度,0.1m,，,表面粗糙度,Ra,0.01m,发展方向：,加工精度,1nm(10,-3,m),，,表面粗糙度,Ra,0.005m,的加工技术,纳米加工。,二、提高加工表面质量的措施,1,、刀具方面,1),刀具刃口锋锐度,r,B,能磨得极其锋锐，刃口圆弧半径,r,B,极小，能实现超薄切削厚度，,r,B,与切削刃的加工方位有关，普通刀具,530m,，金刚石刀具,10nm,减小切削表面弹性恢复和表面变质层从物理学的观点，刃圆半径有一极限。,2,）切削刃的粗糙度,切削时切削刃的粗糙度将决定加工表面的粗糙度。普通刀刃的粗糙度,Ry0.35,m,，金刚石刀具刀刃的粗糙度,Ry0.10.2,m,，特殊情况,Ry1nm,，很难。,3,）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，保证长的刀具寿命。,4,）刀刃无缺陷，足够的强度，耐崩刃性能。,5,）化学亲和性小、与工件材料的抗粘结性好、摩擦系数低，能得到极好的加工表面完整性。,刀具材料、刀具的锋利性及平整性；采用单晶金刚石刀具，减小刀尖圆弧半径。,金刚石刀具的性能特点：,硬度极高。自然界最硬的材料，比硬质合金的硬度高,56,倍。,摩擦系数低。除黑色金属外，与其它物质的亲和力小。,能磨出极锋锐的刀刃。最小刃口半径,15nm,。,耐磨性好。比硬质合金高,50100,倍。,导热性能好，热膨胀系数小，刀具热变形小。,不适宜切黑色金属，如钢、铸铁等。,很脆，避免振动。,价格昂贵，刃磨困难。,天然单晶金刚石被一致公认为理想的、不能代替的超精密切削刀具。,硬质合金刀具,用于精密加工时要选用,超微细颗粒。,2,、切削条件方面,切削用量（切削速度、进给量）；,工艺系统刚性及机床精度；,切削液。,小结,1,、已加工表面质量的内容及评定加工质量的标志：,表面粗糙度、表面层的加工硬化程度及硬化层深度、表面层金属组织的变化情况、残余应力的大小及性质,.,2,、表面粗糙度产生的原因：,残留面积高度、积屑瘤、鳞刺、切削过程中的变形、刀具的边界磨损、刀刃与工件相对位置变动,。,3,、加工硬化的产生及度量，,硬化程度,N,及硬化层深度,h,d,4,、残余应力的产生原因：,机械应力、热应力、相变应力,思考题,P157,的思考题,