機(jī)械制造工程之11加工表面質(zhì)量1

1、第十二章 機(jī)械加工表面質(zhì)量12-1 概述一、機(jī)械加工表面質(zhì)量含義包括：微觀幾何形狀 表層物理力學(xué)性（一）加工表面的幾何形狀特征表面幾何誤差包括： 形狀誤差： 波長/波幅1000 表面輪廓曲線經(jīng)低通濾波獲得 波紋度： 50波長/波幅1000 表面輪廓曲線經(jīng)帶通濾波獲得 一般與刃口形狀，進(jìn)給，刀瘤等有關(guān)。 表面微觀不平度誤差： 波長/波幅0.15mm時 f rz f0.15mm時 f rz f0.02mm時 f rz （2）切削速度的影響加工脆性材料時，切削速度對于粗糙度影響不大加工塑性材料時，積屑瘤對粗糙度影響很大。（3）切削深度ap的影響一般切削深度ap對于粗糙度影響不大，但太小時，有可能吃不

2、住刀，摩擦嚴(yán)重。2、工件材質(zhì)的影響工件材質(zhì)韌性、塑性增大，ra增大工件材質(zhì)晶粒越均勻，顆粒越細(xì)小，ra減小3、刀具材料的影響刀具越硬，越耐磨，加工ra越低硬質(zhì)合金刀具加工后的ra高速鋼加工后的ra金剛石刀具的性能：二、磨削加工 砂輪上的磨粒因幾何角度，位置不同起三種不同的作用 鋒利、位置靠前的起切削作用 較鋒利、位置較靠前的起刻劃作用 較鈍、位置靠后的起拋光作用 磨削表面粗糙度與砂輪、工件材質(zhì)、磨削用量有關(guān)1、砂輪： 砂輪粒度 表面粗糙度ra* 一般磨料的粒度用粒度號表示，每英寸長度上的網(wǎng)眼個數(shù)為粒度號，例80#，60#；微粉用最大顆粒的最大尺寸的微米數(shù)表示，例w28、w14。2、磨削用量砂輪

3、速度v砂 表面粗糙度ra 工件速度v工 表面粗糙度ra 砂輪相對于工件的進(jìn)給量f 表面粗糙度ra磨削深度ap 表面粗糙度ra根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)關(guān)系，可以得到經(jīng)驗(yàn)公式：3、砂輪修整砂輪修整質(zhì)量越高，磨削表面質(zhì)量越好。三、超精研、研磨、珩磨、拋光超精研、研磨、珩磨、拋光加工的共同特點(diǎn)是：1、不選擇切削用量，只限定壓強(qiáng)和加工時間2、無需精密機(jī)床3、降低表面粗糙度效果明顯，提高精度不明顯4、加工余量（一）超精研1、工作原理：采用細(xì)粒度的磨條在一定壓力和切削速度下往復(fù)運(yùn)動，對表面進(jìn)行光整加工。加工運(yùn)動：a、工件低速回轉(zhuǎn)運(yùn)動； b、磨條軸向進(jìn)給運(yùn)動： c、磨條高速往復(fù)振動。2、切削過程：可分為四個階段（1）強(qiáng)烈

4、切削階段：少數(shù)波峰上壓強(qiáng)很大，切削作用劇烈。（2）正常切削階段：接觸面積增大，接觸壓強(qiáng)減小，切削作用減弱。（3）微弱切削階段：接觸面積進(jìn)一步增大，接觸壓強(qiáng)進(jìn)一步減小，磨條起拋光作用。（4）停止切削階段：工件被研平，接觸壓強(qiáng)很小，磨條與工件之間形成油膜，切削停止。（二）研磨 研磨可以達(dá)到很高的精度和表面質(zhì)量。 基本原理：通過介于工件和硬質(zhì)研具之間的磨料或研磨液的流動產(chǎn)生機(jī)械摩擦和化學(xué)作用去除微小加工余量。1、研磨特點(diǎn)：（1）研具較軟，以鑄鐵、塑料、硬木制成。（2）磨料中混有化學(xué)物質(zhì)，機(jī)械與化學(xué)作用同時進(jìn)行，磨粒運(yùn)動軌跡復(fù)雜，保證均勻性。（3）加工表面質(zhì)量高。2、研具：磨具應(yīng)軟硬適當(dāng),組織均勻。

5、粗研采用銅、鋁，精研采用鑄鐵。3、研磨劑：研磨劑為磨料與油脂的混合劑。 磨料種類：金剛石微粉,碳化硅,氧化鋁等。 油脂起調(diào)和磨料.化學(xué)腐蝕作用。 油脂種類：油酸,凡士林,變壓汽油。4、研磨參數(shù)（1）磨料粒度：粒度，則粗糙度 ， 效率。（2）研磨速度：一般研磨速度0.5m/s， 精研速度0.16m/s。（3）研磨余量：手工研磨余量10m， 機(jī)械研磨余量（0.250.3）倍的金屬熔化溫度時， 變形金相組織會有所恢復(fù)，冷作硬化（一）影響表面層冷作硬化的因素1、刀具：刀刃鈍圓半徑，冷作硬化； 后刀面磨損，冷作硬化。2、切削用量：切削速度，切削溫度，則 冷作硬化； 進(jìn)給量，冷作硬化。3、被加工材料：硬度

6、，冷作硬化； 塑性，冷作硬化（二）減少表面層冷作硬化的措施1、合理選擇刀具幾何參數(shù) 前角，冷作硬化； 后角，冷作硬化； 鈍圓半徑 ，冷作硬化。2、限制后刀面磨損3、合理選擇切削用量 切削速度，冷作硬化； 進(jìn)給量 ，冷作硬化 。二、表面層的金相組織變化 切削一般不會導(dǎo)致金相組織變化，磨削因單位切削截面消耗的功率較大，常常導(dǎo)致金相組織變化。 對于磨削加工來說，由于單位面積上產(chǎn)生的切削熱比一般切削方法要大幾十倍，易使工件表面層的金相組織發(fā)生變化，從而使表面層的硬度和強(qiáng)度下降，產(chǎn)生殘余應(yīng)力甚至引起顯微裂紋。這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷磨削燒傷。 機(jī)械加工過積中，在工件的加工區(qū)及其鄰近的區(qū)域，溫度會急劇升高，當(dāng)

7、溫度超過工件材料金相組織變化的臨界點(diǎn)，就會發(fā)生金相組織變化。對于一般切削加工而言，溫度還不會上升到如此程度。磨削燒傷將嚴(yán)重地影響零件的使用性能。磨削淬火鋼時容易出現(xiàn)的燒傷：回火燒傷：磨削區(qū)溫度超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度， 而未達(dá)相變溫度，產(chǎn)生回火組織 （索氏體或屈氏體）。淬火燒傷：磨削區(qū)溫度超過相變溫度，由于冷 卻液急冷，表層出現(xiàn)二次淬火馬氏體。退火燒傷：磨削區(qū)溫度超過相變溫度，不用冷 卻液，工件緩慢冷卻，發(fā)生退火。表面顏色與燒傷之間的關(guān)系： 黑 青 淡青 米黃 淡黃影響磨削燒傷的因素及其改善措施盡可能減少磨削熱的產(chǎn)生；改善冷卻條件，盡量使產(chǎn)生的熱量少傳入工件。磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒

8、傷可有兩個途徑：(1)合理選擇磨削用量(2)工件材料(3)砂輪的選擇(4)冷卻條件改善措施實(shí)踐證明，同時提高砂輪速度和工件速度，可以避免燒傷。二、表面層的殘余應(yīng)力二、表面層的殘余應(yīng)力(1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力 (2)熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力(3)金相組織變化引起的殘余應(yīng)力l、表面層殘余應(yīng)力及其產(chǎn)生的原因 表面層殘余應(yīng)力 外部載荷去除后，工件表面層及其與基體材料的交界處仍殘存的互相平衡的應(yīng)力。表面層殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因(1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力 當(dāng)?shù)毒邚谋患庸け砻嫔先コ饘贂r，由于后刀面的擠、壓和摩擦作用，加大了表面層伸長的塑性變形，表面層的伸長變形受到基體金屬的限制，也在表面層產(chǎn)生

9、了殘余壓應(yīng)力。 在切削力作用下，已加工表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形。表面層金屬比容增大，體積膨脹，與它相連的里層金屬的阻止其體積膨脹；里層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力結(jié)果：結(jié)果：(2)熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力 磨削溫度越高，熱塑性變形越大，殘余拉應(yīng)力也越大，有時甚至產(chǎn)生裂紋。在切削熱作用下產(chǎn)生熱膨脹金屬基體溫度較低工件加工表面表層產(chǎn)生熱壓應(yīng)力切削時切削過程結(jié)束時溫度下降，已產(chǎn)生熱塑性變形的表層收縮基體表層收縮結(jié)結(jié)果果表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力(3)金相組織變化引起的殘余應(yīng)力 如：馬氏體密度為7.75 g/cm3，奧氏體密度為7.96 g/cm3， 珠光體密度為7.78 g/cm3，鐵索體密度為7.8

10、8 g/cm3； 切削時產(chǎn)生的高溫會引起表面層金相組織變化。因?yàn)椴煌慕饘俳M織，它們的密度不同，因而引起的殘余應(yīng)力。以淬火鋼磨削為例淬火鋼原來的組織是馬氏體7.75 g/cm3磨削加工后表層可能產(chǎn)生回火，馬氏體變?yōu)橹楣怏w7.78 g/cm3密度增大而體積減小表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)果四、減小殘余拉應(yīng)力、防止表面燒傷和裂紋 的工藝措施（一）合理選擇磨削用量 磨削傳熱分析模型*磨削區(qū)溫度與磨削用量之間的關(guān)系為： 磨削深度，磨削溫度 ； 砂輪速度，磨削溫度 ； 工件速度，磨削溫度 ； 進(jìn)給量，磨削溫度*磨削區(qū)溫度剃度分布規(guī)律：工件速度，溫度剃度 ，高溫層厚度；可以同時提高砂輪和工件速度，既減小高溫層

11、厚度，又控制表面粗糙度。較薄的燒傷層可在清磨時去掉（二）提高冷卻效果1、采用高壓大流量冷卻，沖刷砂輪，加強(qiáng)冷卻；2、在砂輪上安裝空氣擋板，消除附著氣流；3、利用砂輪孔隙實(shí)現(xiàn)內(nèi)冷卻。（三）提高砂輪磨削性能1、銳化磨粒，減小摩擦；2、砂輪硬度不宜過高，保持自銳性；3、砂輪應(yīng)具一定彈性，避免過載；4、使用開槽砂輪；5、使用螺旋槽砂輪。五、表面強(qiáng)化工藝 表面強(qiáng)化工藝是指通過冷壓加工方法使表面層金屬發(fā)生冷態(tài)塑性變形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。這種方法工藝簡單、成本低廉，應(yīng)用廣泛。 主要指冷壓工藝，使表面層發(fā)生冷塑變形，硬 度提高，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。 常用冷壓工藝有： （一

12、）噴丸強(qiáng)化 （二）滾柱滾壓強(qiáng)化1噴九強(qiáng)化 利用壓縮空氣或離心力將大量的珠丸(直徑為0.4 4mm)以高速打擊被加工零件表面，使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力，可以顯著提高零件的疲勞強(qiáng)度。珠丸可以是鑄鐵或砂石，鋼丸更好。噴丸所用設(shè)備是壓縮空氣噴丸裝置或機(jī)械離心式噴丸裝置，這些裝置使珠丸能以35 50ms的速度噴出。珠丸(直徑為0.4 4mm)高速(35 50 m/s)打擊被加工零件表面使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力方法概要 噴九加工主要用于強(qiáng)化形狀復(fù)雜的零件，如齒輪、連桿、曲軸等。零件經(jīng)噴九強(qiáng)化后，硬化層深度可達(dá)0.7mm，表面租糙度ra值可由3.2 減少到0.4 ，使用壽命可提高幾倍到幾十倍。應(yīng)用

13、噴九加工主要用于強(qiáng)化形狀復(fù)雜的零件，如齒輪、連桿、曲軸等。零件經(jīng)噴九強(qiáng)化后，硬化層深度可達(dá)0.7mm，表面租糙度ra值可由3.2 減少到0.4 ，使用壽命可提高幾倍到幾十倍。 2滾壓加工 利用淬硬的滾壓工具(滾輪或滾珠)在常溫下對工件表面施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形，工件表面上原有的波峰被填充到相鄰的波谷中，以減小表面粗糙度值，并使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力，從而提高零件的承裁能力和疲勞強(qiáng)度。f方法滾壓工具波峰被填充到相鄰的波谷中表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力 滾壓可以加工外圓、孔、平面及成形表面，通常在臥式車床、轉(zhuǎn)塔車床或自動車床上進(jìn)行。功效 表面層硬度一般可提高20 40；表面層金屬的耐疲勞強(qiáng)度可提高30 50。應(yīng)用滾壓加工應(yīng)用實(shí)例1. 彈性外圓滾壓工具彈簧主要用于控制壓力的大小為了提高強(qiáng)化效率，可以采用雙排滾壓工具，第一排滾珠直徑較小，作粗加工用，第二排滾珠直徑較大，作精加工用。2. 孔滾壓工具小滾珠作粗加工用大滾珠作精加工用3液體磨料強(qiáng)化 如圖所示