ew机械制造技术基础第7章.ppt

1 7 4 1机械加工表面质量概述 7 4机械加工表面质量 表面质量是指零件加工后的表面层状态表面质量影响零件的工作性能 可靠性 寿命 加工表面质量 表面粗糙度 表面波度 表面物理力学性能的变化 表面微观几何形状特征 表面层冷作硬化 表面层残余应力 表面层金相组织的变化 3 7 4 2机械加工表面质量对机械产品使用性能的影响 表面粗糙度对零件耐磨性的影响 表面粗糙度太大和太小都不耐磨 表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关 载荷加大时 磨损曲线向上 向右移动 最佳表面粗糙度值也随之右移 1 表面质量对零件耐磨性的影响 Ra Sr P 耐磨性差 如图7 30所示 表面纹理形状对耐磨性的影响 运动方向与刀纹方向一致的 耐磨性较好 运动方向与刀纹方向垂直的 耐磨性较差 圆弧状 凹坑状的优于尖峰状的 刀纹方向对耐磨性的影响 5 表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响 适当的冷作硬化 显微硬度 零件的耐磨性 过度的冷作硬化 金属组织 疏松 表面产生裂纹 在相对运动中可能会产生金属剥落 零件磨损 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 晶粒间产生剪切滑移 晶粒被拉长 纤维化甚至碎化 从而使表面层的强度和硬度增加 这种现象称为加工硬化 又称冷作硬化和强化 6 2 表面质量对零件配合性质的影响 表面粗糙度的大小影响表面的配合质量 在间隙配合时 太大的表面粗糙度使运动后的间隙越来越大 过盈配合时 减小了过盈量 使配合不稳定 7 3 表面质量对零件疲劳性能的影响 表面粗糙度值越小 表面缺陷越少 工件耐疲劳性越好 表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 表面粗糙度越大 抗疲劳破坏的能力越差 交变载荷作用 凹谷部分应力集中 产生疲劳裂纹 裂纹扩展 断裂 8 残余应力与冷作硬化对疲劳强度的影响 残余压应力 阻止的裂纹扩展 延缓疲劳裂纹的扩展 零件的疲劳强度 拉应力和压应力 残余拉应力 容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展 降低疲劳强度 适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度 残余应力 冷作硬化 残余压应力产生 阻止裂纹扩展 9 4 表面质量对零件抗腐蚀性能的影响 表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响 表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响 减小零件表面粗糙度 可以提高零件的耐腐蚀性能 零件表面越粗糙 凹谷越深 越容易积聚腐蚀性物质 耐腐蚀性 表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性 残余压应力 使零件表面紧密 腐蚀性物质不易进入 零件的耐腐蚀性 表面质量对零件使用性能的影响 零件表面质量 粗糙度太大 太小都不耐磨 适度冷硬能提高耐磨性 对疲劳强度的影响 对耐磨性影响 对耐腐蚀性能的影响 对配合质量的影响 粗糙度越大 疲劳强度越差 适度冷硬 残余压应力能提高疲劳强度 粗糙度越大 工作精度降低 粗糙度越大 耐腐蚀性越差 压应力提高耐腐蚀性 拉应力反之则降低耐腐蚀性 11 7 4 3影响表面粗糙度的因素 产生表面粗糙度的主要原因可归纳为两方面 几何因素 刀刃和工件相对运动轨迹所形成的表面粗糙度物理因素 和被加工材料性质及切削机理有关的因素 12 1切削加工影响表面粗糙度的因素 1 产生表面粗糙度的几何因素 切削残留面积高度 直线刃车刀 图7 31左 7 42 圆弧刃车刀 图7 31右 7 43 13 第三塑性变形区 已加工表面与刀具后刀面的磨擦 使工件表面纤维化 加工硬化 加大了表面粗糙度积屑瘤 积屑瘤的生成与脱落周期使得已加工表面连续不断的出现沟痕 这也是为什么精加工时必须在高速和低速情况下的原因鳞刺 切屑在刀具前刀面周期性的停留 而且和工件本体互相牵制 最后在切削力的作用下发生撕裂 形成鳞刺 实际表面粗糙度与上述理论值之间有很大出入 主要与切削过程的物理因素有关 2 产生表面粗糙度的物理因素 14 切削用量的影响 选择低速宽刀精切和高速精切 可以得到较小的表面粗糙度 切削速度越高 塑性变形越不充分 表面粗糙度值越小 2 影响表面粗糙度的工艺因素 进给量 切削深度 背吃刀量 太小 产生挤压 打滑 形成附加塑性变形 表面粗糙度 进给量的影响见公式 进给量过小 表面粗糙度会有增大的趋势 进给量 表面粗糙度 切削深度 背吃刀量 FZ 振动 表面粗糙度 16 工件材料的性质 塑性材料 塑性 塑性变形大 撕裂作用 表面粗糙度加大 脆性材料 加工脆性材料时 其切屑呈碎粒状 由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点 使表面粗糙加大 措施 对中碳钢和低碳钢材料的工件 为改善切削性能 减小表面粗糙度 常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理 切削变形 表面粗糙度 适当增大刀具前角 合理选择冷却润滑液 提高刀具刃磨质量 其他因素 18 砂轮速度v Ra 工件速度vw Ra 砂轮纵向进给f Ra 磨削深度ap Ra 磨削用量影响 光磨次数 Ra 3 磨削加工中影响表面粗糙度的因素 磨削速度越高 参与切削的磨粒数增多 可以增加工件单位面积上的刻痕数 又因高速磨削时塑性变形不充分表面粗糙度值小 圆周进给速度与纵向进给量小 单位切削面积上通过的磨粒数就多 表面粗糙度值下降 光磨次数增加 表面粗糙度值 磨削速度 光磨次数 工件的圆周进给速度与纵向进给量 磨削深度与工件速度增大时 将使塑性变形加剧 因而使表面粗糙度值增大 20 砂轮的粒度 砂轮的粒度号愈大 磨粒越细 表面粗糙度就越小 砂轮的影响 砂轮的硬度 太硬太软均不好 太硬 钝化的磨粒不易脱落 太软 磨粒脱落太快 均会使表面粗糙度值加大 砂轮的修整 修整质量越高 表面粗糙度值小 表面粗糙度越好 21 可冲掉碎落的磨粒 减小摩擦 降低温度 减小塑性变形 减小表面粗糙度 冷却润滑液影响 工件材料太硬 磨粒易钝化 钝化的磨粒不能及时脱落 工件表面受到强烈的摩擦和挤压作用 塑性变形加剧 使表面粗糙度值增大 工件材料太软 砂轮易堵塞 表面粗糙度值增大 工件材料的韧性大和导热性差 会使磨粒早期崩落 而破坏了微刃的等高性 使表面粗糙度值增大 工件材料影响 22 7 4 4影响加工表面层物理机械性能的因素 1 影响加工表面冷作硬化的因素 冷作硬化及其评定参数 定义 切削过程中 工件表面层由于受力的作用而产生塑性变形 使晶格严重扭曲 拉长 纤维化及破碎 引起加工表面层硬度增加 即冷作硬化 或强化 23 衡量表面层加工硬化的指标 1 表面层的显微硬度HV 2 硬化层深度h 3 硬化程度N 衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项 N HV HV0 HV0 100 24 影响冷作硬化的主要因素 1 刀具的影响 刀刃钝圆半径大 挤压 塑性变形 冷硬 2 切削用量的影响 切削速度增大 刀具与工件的作用时间缩短 冷硬层深度 切削速度增大 切削热作用时间也缩短 冷硬程度 刀具磨损 摩擦 塑性变形 冷硬 塑性越大 冷硬现象越严重 3 工件材料的影响 进给量增大 切削力 塑性变形加剧 冷硬 现象 切削热使被加工工件表面温度超过金属的相变温度后 使表层金属的金相组织发生变化 2 影响表面层金相组织的因素 磨削烧伤 磨削加工时 当被磨工件的表面层温度达到相变临界点时 表层金属就发生金相组织变化 强度和硬度降低 产生残余应力 甚至出现微观裂纹 淬火钢在磨削时 由于磨削条件不同 产生的磨削烧伤有三种形式 工件表面层温度只是超过原来的回火温度 则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象而转变为硬度较低的回火组织 索氏体或屈氏体 这种现象称为回火烧伤 1 回火烧伤 2 淬火烧伤 磨削时工件表面温度超过相变温度时 则马氏体转变为奥氏体 在冷却液作用下 工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织 但很薄 表层下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体 表面层总的硬度是降低的 这种现象称为淬火烧伤 3 退火烧伤 磨削时 当工件表面层温度超过相变温度时 则马氏体转变为奥氏体 若此时无冷却液 表层金属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织 硬度和强度均大幅度下降 这种现象称为退火烧伤 改善磨削烧伤的途径 1 正确选择砂轮砂轮不能太硬 选用弹性结合剂 磨塑性材料宜选用粗磨粒砂轮 2 合理选择磨削用量减小径向进给量 适当增大轴向进给量 3 改善冷却条件高压大流量冷却 喷雾冷却 内冷却 尽可能的减少磨削热的产生 改善冷却条件 尽量使产生的热量少传入工件 3 影响加工表面残余应力的因素 产生残余应力的原因 由于塑性变形只在表面层产生 表面层金属比容增大 体积膨胀 里层基体材料的阻碍 1 表面层金属的冷态塑性变形 表层材料产生残余压应力 里层材料则产生与之相平衡的残余拉应力 在切削或磨削过程中 工件加工表面受到刀具或砂轮磨粒刀面的挤压和摩擦后 产生拉伸塑性变形 2 表面层金属的热态塑性变形 在切削或磨削过程中 工件表面层的温度比里层高 表面层的热膨胀大 但受到里层金属的阻碍 加工后零件冷却至室温时 表面层金属的收缩 里层金属的牵制 表面层产生残余拉应力里层产生残余压应力 3 表面层金属金相组织的变化 表面层金属金相组织变化 当体积膨胀时 基体金属阻碍 残余压应力 残余拉应力 体积变化 密度变化 表层金属 里层金属 当体积收缩时 基体金属阻碍 残余拉应力 残余压应力 表层金属 里层金属 在切削或磨削的过程中 若工件表面层金属温度高于材料的相变温度 将引起金相组织的变化 马氏体 7 75t m3 奥氏体 7 96t m3 铁素体 7 88t m3 珠光体 7 78t m3 例如 淬火钢原来的组织是马氏体 磨削时有可能产生回火烧伤转化为接近珠光体的托氏体和索氏体 表层金属密度加大 比容减小 表层材料产生残余压拉应力 里层材料产生残余压应力 34 零件主要工作表面最终工序加工方法的选择 受交变载荷作用 最终工序应选择使该表面产生残余压应力的加工方法 工件加工最终工序加工方法的选择至关重要 因为最终工序在被加工工件表面上留下的残余应力将直接影响机器零件的使用性能 工件加工最终工序加工方法的选择与机器零件的失效形式密切相关 选择考虑 具体工作条件和可能的破坏形式 35 表 10 表 10 36 机械加工过程中振动的危害 影响加工表面粗糙度 振动频率较低时会产生波度影响生产效率加速刀具磨损 易引起崩刃影响机床 夹具的使用寿命产生噪声污染 危害操作者健康 自由振动强迫振动自激振动 7 5机械加工过程中的振动 7 5 1机械加工过程中振动概述 37 特点 1 交变力的存在决定振动的进行 2 振动频率等于激振力频率或是它的整倍数 3 激振力频率接近系统固有频率且小阻尼时 系统产生共振 由外界周期性干扰 激振 力引起的一种不衰减振动 定义 7 5 2机械加工过程中的强迫振动 38 1 机床高速旋转件不平衡引起的振动 2 机床传动机构缺陷引起的振动 3 切削过程中的冲击引起的振动 4 往复运动部件的惯性力引起的振动 振源 机外 机内 机内振源有 1 切削加工过程中强迫振动产生的原因 39 对在加工现场拾取的振动信号进行频谱分析 以确定强迫振动的频率成分 对机床加工中所有可能出现的强迫振源频率进行估算 列出振源频率数据表备查 将经过频谱分析得到的强迫振动的频率与振源频率数据表进行比较 找出强迫振动的振源 强迫振源的查找方法 41 42 7 5 3机械加工过程中的自激振动 颤振 偶然因素 切削力变化 振动 产生激振力 维持振动 自激振动 由振动系统自身产生的交变力激发和维持的一种周期性振动 43 激励机床系统产生振动的交变力由切削过程产生 而切削过程同时又受到机床系统振动的影响 机床系统的振动一旦停止 交变切削力也就随之消失 自激振动是在没有周期性外力干扰下所产生的振动运动 与强迫振动有原则区别 特征 自激振动的频率等于或接近于系统的的某一固有频率 与强迫振动有根本区别 自激振动振幅的增大或减小决定于每一振动周期中振动系统所获得的能量与所消耗的能量之差 自激振动因阻尼存在而衰减 维持自激振动的能量来自机床电动机 机械加工过程中产生自激振动的条件 刀具振入时 其运动方向与径向力方向相反 Fy作负功 即振动系统要消耗能量E消耗 刀具振出时 其运动方向与径向力方向相同 Fy作正功 即振动系统要吸收能量E吸收 设工件系统为绝对刚体 振动系统与刀架相连 且只在y方向作单自由度振动 图7 35车削外圆单自由度振动系统模型 2 当E吸收 E消耗时 因实际机械加工系统中存在阻尼 刀架系统在振入过程中 为克服阻尼还需消耗能量 故刀架振动系统每振动一次 刀架系统便会损失一部分能量 因此 刀架系统也不会有自激振动产生 1 当E吸收 E消耗时 由于刀架振动系统吸收的能量小于消耗的能量 故不会产生自激振动 3 当E吸收 E消耗时 刀架振动系统将有持续的自激振动产生 E吸收 E消耗 产生自激振动的条件 47 7 5 4控制机械加工过程中振动的途径 1 减小或消除振源的激振力 消除或减弱产生强迫振动的条件 1 减少机内外干扰力 高速旋转部件动平衡 磨床的砂轮 车床的卡盘 高速旋转的砂轮 尽量减少传动机构缺陷 提高带传动 链传动 齿轮传动及其它传动装置的稳定性 提高制造精度 少用齿轮 带传动 使电机 液压系统等动力源与机床本体分离 对于往复运动的部件 应采用较平稳的换向机构 48 消除或减弱产生自激振动的条件 1 减小重叠系数 增加主偏角增大进给量 49 提高加工系统薄弱环节的刚度提高各零件结合面间的接触刚度对滚动轴承施加预载荷加工细长轴时采用中心架或跟刀架镗孔时对镗杆加镗套等措施 2 提高工艺系统的刚度及阻尼 50 由材料的内摩擦而产生的阻尼称为内阻尼 不同材料的内阻尼是不同的 铸铁的内阻尼比钢大 因此机床上的床身 立柱等大型支承件都用铸铁制造 工艺系统的阻尼主要来自于工件材料的内阻尼 结合面上的摩擦阻尼以及其它的附加阻尼 51 52 3 隔离振源 在振动的传递路线中安放具有弹性性能的隔振装置 吸收振源产生的大部分振动 以减少振源对加工过程的干扰 4 调节振源频率 在选择工作转速时 尽可能使旋转件的频率远离机床有关元件的固有频率 避开共振区 X R点图