机械制造工艺学-机械加工表面质量课件.ppt
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- 机械制造 工艺学 机械 加工 表面 质量 课件
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1、第三章第三章 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。产品性能的目的。实践表明,零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的工作性能,尤实践表明,零件的破坏一般总是从表面层开始的。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表面质量。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表面质量。研究机械加工表面质量的目的研究机械加工表面质量
2、的目的机械产品的失效形式机械产品的失效形式因设计不周而导致强度不够;因设计不周而导致强度不够;磨损、腐蚀和疲劳破坏。磨损、腐蚀和疲劳破坏。少数少数多数多数3.1 机械加工表面质量对零件使用性能的影响机械加工表面质量对零件使用性能的影响一、机械加工表面质量的含义一、机械加工表面质量的含义1表面的几何特征表面的几何特征2表面层物理表面层物理力学、化学性能力学、化学性能(1)表面粗糙度表面粗糙度(2)表面波度表面波度(3)纹理方向纹理方向(1)表面层加工硬化表面层加工硬化(冷作硬化冷作硬化)。(2)表面层金相组织变化。表面层金相组织变化。(3)表面层产生残余应力。表面层产生残余应力。1、表面的几何形
3、状特征、表面的几何形状特征 加工后表面形状,总是以加工后表面形状,总是以“峰峰”、“谷谷”的形式偏离其的形式偏离其理想光滑表面。按偏离程度有理想光滑表面。按偏离程度有宏观和微观宏观和微观之分。之分。波距:峰与峰或谷与谷间的距离,波距:峰与峰或谷与谷间的距离,以以L表示;表示;波高:峰与谷间的高度,以波高:峰与谷间的高度,以H 表示。表示。波距与波高波距与波高L/H1000时,属于宏观几何形状误差;时,属于宏观几何形状误差;L/H 珠光体密度为珠光体密度为7.78 g/cm3 铁素体密度为铁素体密度为7.88 g/cm3 奥氏体密度为奥氏体密度为7.96 g/cm3;切削时产生的高温会引起表面层
4、金相组织变化。因为不同切削时产生的高温会引起表面层金相组织变化。因为不同的金属组织,它们的密度不同,因而引起的残余应力。的金属组织,它们的密度不同,因而引起的残余应力。以淬火钢磨削为例以淬火钢磨削为例淬火钢原来的组织是马氏体淬火钢原来的组织是马氏体7.75 g/cm3磨削加工后磨削加工后表层可能产生回火,马氏体变为屈氏体或索氏体表层可能产生回火,马氏体变为屈氏体或索氏体密度增大而体积减小密度增大而体积减小表面产生残余拉应力表面产生残余拉应力导致导致结果结果(接近珠光体)(接近珠光体)计算?计算?(4)冷态塑性变形后比容积增大引起的表面层压应力)冷态塑性变形后比容积增大引起的表面层压应力金属密度
5、下降,金属密度下降,比容积增大。比容积增大。金属经过冷态金属经过冷态塑性变形后塑性变形后有相当部分的原子从其稳定平衡的晶格有相当部分的原子从其稳定平衡的晶格位置被移动,结晶格子中原子排列不如位置被移动,结晶格子中原子排列不如原来紧密原来紧密冷态塑性变形后结晶格子被扭曲冷态塑性变形后结晶格子被扭曲热加工中的锻压,其塑性变形有助于消除晶格热加工中的锻压,其塑性变形有助于消除晶格组织间的缺陷,而使密度提高;组织间的缺陷,而使密度提高;机械加工表面必然产生压应力;机械加工表面必然产生压应力;?如何计算?如何计算0013131vvE2、影响表面层残余应力及磨削裂纹的因素影响表面层残余应力及磨削裂纹的因素
6、 机械加上后表面层的残余应力,是由冷态塑性变形、热态机械加上后表面层的残余应力,是由冷态塑性变形、热态塑性变形、冷态塑性变形比容积增大和金相组织变化这三方面塑性变形、冷态塑性变形比容积增大和金相组织变化这三方面原因引起的综合结果。在一定条件下,其中某种或两种因素可原因引起的综合结果。在一定条件下,其中某种或两种因素可能起主导作用。能起主导作用。磨削时起主导作用的是磨削时起主导作用的是“热热”。磨削用量磨削用量工件材料及热处理规范工件材料及热处理规范首要因素首要因素影响磨削裂纹的因素影响磨削裂纹的因素磨削碳钢时,含碳量越高,越容易产生裂纹;磨削碳钢时,含碳量越高,越容易产生裂纹;当碳的质量小于当
7、碳的质量小于0.6至至0.7时,几乎不产生裂纹;时,几乎不产生裂纹;淬火钢晶界脆弱,渗碳、渗氮钢受温度影响大,磨削时易产生裂纹。淬火钢晶界脆弱,渗碳、渗氮钢受温度影响大,磨削时易产生裂纹。磨削用量对磨削裂纹影响磨削用量对磨削裂纹影响 粗磨时,表面产生极浅的残余压应力,接着粗磨时,表面产生极浅的残余压应力,接着就是较深且较大的残余拉应力,这说明表面产生就是较深且较大的残余拉应力,这说明表面产生了一薄层一次淬火层,下层是回火组织。了一薄层一次淬火层,下层是回火组织。精细磨削时,温度影响很小、更没有金精细磨削时,温度影响很小、更没有金相组织变化,主要是冷态塑性变形的影响,相组织变化,主要是冷态塑性变
8、形的影响,故表面产生浅而小的残余压应力;故表面产生浅而小的残余压应力;精磨时,热塑性变形起了主导作用,表面精磨时,热塑性变形起了主导作用,表面产生很浅的残余拉应力;产生很浅的残余拉应力;磨削裂纹与工件材料及热处理规范的关系磨削裂纹与工件材料及热处理规范的关系三、表面层金相组织变化与磨削烧伤三、表面层金相组织变化与磨削烧伤 对于磨削加工来说,由于单位面积上产生的切削热比一对于磨削加工来说,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,产生残余应力甚至引化,从而使表面层的硬度和
9、强度下降,产生残余应力甚至引起显微裂纹。起显微裂纹。这种现象称为这种现象称为磨削烧伤磨削烧伤。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,机械加工过积中,在工件的加工区及其邻近的区域,温度温度会急剧升高会急剧升高,当温度超过工件材料金相组织变化的临界点,就,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。会发生金相组织变化。对于一般切削加工而言,温度还不会上对于一般切削加工而言,温度还不会上升到如此程度。升到如此程度。磨削烧伤将严重地影响零件的使用性能。磨削烧伤将严重地影响零件的使用性能。1)如果工件表面层温度
10、未超过相变温度。如果工件表面层温度未超过相变温度。(一般中碳钢为一般中碳钢为720 ,但超过马氏体的转变温度,但超过马氏体的转变温度(一般中碳钢为一般中碳钢为300),这时马氏,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)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,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,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但很薄,只有几微米厚。其下为硬度较
11、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,则马氏体转变为奥氏体、当工件表面层温度超过相变温度,则马氏体转变为奥氏体、如果这时无切削液,则表面硬度急剧下降,工件表层被退火,如果这时无切削液,则表面硬度急剧下降,工件表层被退火,这种现象称为这种现象称为退火烧伤退火烧伤。磨削时很容易产生这种现象。磨削时很容易产生这种现象。磨淬火钢时,在工件表面层上形成的瞬时高温将使表面金磨淬火钢时,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:属产生以下三种金相组织变化:2、影响磨削烧伤的因素及其改
12、善措施、影响磨削烧伤的因素及其改善措施尽可能减少磨削热的产生;尽可能减少磨削热的产生;改善冷却条件,尽量使产生的热量少传入工件。改善冷却条件,尽量使产生的热量少传入工件。磨削热磨削热是造成磨削烧伤的根源,故改善磨削烧伤可有两个途径:是造成磨削烧伤的根源,故改善磨削烧伤可有两个途径:(1)合理选择磨削用量合理选择磨削用量(2)工件材料工件材料(3)砂轮的选择砂轮的选择(4)冷却条件冷却条件改善措施改善措施 磨削深度磨削深度,工件纵向进给量和工件速度,工件纵向进给量和工件速度,砂轮与工件表,砂轮与工件表面接触时间相对面接触时间相对,因而热的作用时间,因而热的作用时间,磨削烧伤磨削烧伤。为减轻烧伤而
13、同时又保持高的生产率、一般选用较大的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。度而造成表面粗糙度值增大的缺陷,可以提高砂轮速度。(1)合理选择磨削用量合理选择磨削用量但:但:磨削深度磨削深度,生产率生产率;工件纵向进给量和工件速度工件纵向进给量和工件速度,表面粗糙度值表面粗糙度值。实践证明,同时提高砂轮速度和工件速度,可以避免烧伤。实践证明,同时提高砂轮速度和工件速度,可以避免烧伤。解决办法:解决办法:(2)工件材料工件材料 工件材料对
14、磨削区温度的影响主要取决于它的硬度、强工件材料对磨削区温度的影响主要取决于它的硬度、强度、韧性和热导性。度、韧性和热导性。硬度、强度越高,韧性越大,磨削热量越多;硬度、强度越高,韧性越大,磨削热量越多;导热性差的材料,如耐热钢、轴承钢、不锈钢等。导热性差的材料,如耐热钢、轴承钢、不锈钢等。在磨削在磨削时易产时易产生烧伤生烧伤 软砂轮较好软砂轮较好,对于硬度太高的砂轮,钝化砂粒不易脱落,对于硬度太高的砂轮,钝化砂粒不易脱落,容易产生烧伤。容易产生烧伤。(3)砂轮的选择砂轮的选择一般来说,选用一般来说,选用粗粒度砂轮粗粒度砂轮磨削,不容易产生烧伤。磨削,不容易产生烧伤。砂轮结合剂最好采用具有一定弹
15、性的材料砂轮结合剂最好采用具有一定弹性的材料,如树脂、橡胶等。如树脂、橡胶等。采用切削液带走磨削区的热量可以避采用切削液带走磨削区的热量可以避免烧伤。免烧伤。(4)冷却条件冷却条件磨削时,一般冷却效果较差,由于高磨削时,一般冷却效果较差,由于高速旋转的砂轮表面上产生强大气流层,速旋转的砂轮表面上产生强大气流层,实际上没有多少切削液能进入磨削区。实际上没有多少切削液能进入磨削区。增加切削液的流量和压力增加切削液的流量和压力采用特殊喷嘴采用特殊喷嘴采用多孔性砂轮采用多孔性砂轮比较有效的冷却方法比较有效的冷却方法将切削液将切削液大量地喷大量地喷注在已经注在已经离开磨削离开磨削区的工件区的工件表面上。
16、表面上。四、提高和改善零件表面层的物理力学性能的措施四、提高和改善零件表面层的物理力学性能的措施 因此,最终工序加工方法的选择,须考虑零件的具体工作因此,最终工序加工方法的选择,须考虑零件的具体工作条件及零件可能产生的破坏形式。条件及零件可能产生的破坏形式。(一一)零件破坏形式和最终工序的选择零件破坏形式和最终工序的选择 一般来说,一般来说,零件表面残余应力的数值及性质主要取决于零零件表面残余应力的数值及性质主要取决于零件最终工序加工方法的选择件最终工序加工方法的选择。1疲劳破坏疲劳破坏2滑动磨损滑动磨损3滚动磨损滚动磨损零件破坏形式零件破坏形式零件表面层金属的残零件表面层金属的残余应力将直接
17、影响机余应力将直接影响机器零件的使用性能。器零件的使用性能。从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑,最终工序应选择能从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑,最终工序应选择能在加工表面产生残余压应力的加工方法。在加工表面产生残余压应力的加工方法。1.疲劳破坏疲劳破坏机器零件表面上局机器零件表面上局部 产 生 微 观 裂 纹部 产 生 微 观 裂 纹在交变载荷在交变载荷的 作 用 下的 作 用 下拉应力拉应力作用下作用下原生裂原生裂纹扩大纹扩大导致零导致零件破坏件破坏滑动摩擦的机械作用滑动摩擦的机械作用物理化学方面的综合作用物理化学方面的综合作用2滑动磨损滑动磨损指的是两个零件作相对滑动,滑动面逐渐磨损的现象
18、。指的是两个零件作相对滑动,滑动面逐渐磨损的现象。滑动磨损机理滑动磨损机理粘接磨损粘接磨损扩散磨损扩散磨损化学磨损化学磨损 从提高零件抵抗滑动摩擦引起的磨损考虑,最终工序应从提高零件抵抗滑动摩擦引起的磨损考虑,最终工序应选择能在加工表面产生残余拉应力的加工方法。选择能在加工表面产生残余拉应力的加工方法。从抵抗粘接磨损、扩散磨损、化学磨损考虑对残余应力从抵抗粘接磨损、扩散磨损、化学磨损考虑对残余应力的性质无特殊要求时,应尽量减小表面残余应力值。的性质无特殊要求时,应尽量减小表面残余应力值。滑动摩擦工作应力分布如图所示。滑动摩擦工作应力分布如图所示。当表面层的压缩工作应力超过材料当表面层的压缩工作
19、应力超过材料的许用应力时,将使表面层金属磨损。的许用应力时,将使表面层金属磨损。改善措施改善措施 3滚动磨损滚动磨损指的是两个零件作相对滚动,滚动面将逐渐磨损的现象。指的是两个零件作相对滚动,滚动面将逐渐磨损的现象。滚动磨损来自滚动磨损来自滚动摩擦的机械作用滚动摩擦的机械作用物理化学方面物理化学方面综合作用综合作用 从提高零件抵抗滚动摩擦引起的磨损从提高零件抵抗滚动摩擦引起的磨损考虑,最终工序应选择能在表面层下深考虑,最终工序应选择能在表面层下深h处处产生压应力的加工方法。产生压应力的加工方法。滚动磨损的决定性因素滚动磨损的决定性因素是表面层下深是表面层下深h处的最大拉应力。处的最大拉应力。最
20、终工序加工方法的选择可参考下表最终工序加工方法的选择可参考下表各种加工方法在工件表面残留的内应力情况。各种加工方法在工件表面残留的内应力情况。(二二)表面强化工艺表面强化工艺 由前述可知,表面质量尤其是表面层的物理力学性能,对由前述可知,表面质量尤其是表面层的物理力学性能,对零件的使用性能及寿命影响很大,如果最终工序不能保证零件零件的使用性能及寿命影响很大,如果最终工序不能保证零件表面获得预期的表面质量要求,则可在工艺过程中增设表面强表面获得预期的表面质量要求,则可在工艺过程中增设表面强化工序,以改善表面性能。化工序,以改善表面性能。表面强化工艺表面强化工艺是指通过冷压加工方法使表面层金属发生
21、冷是指通过冷压加工方法使表面层金属发生冷态塑性变形,以降低表面粗糙度值,提高表面硬度,并在表面态塑性变形,以降低表面粗糙度值,提高表面硬度,并在表面层产生残余压应力。这种方法工艺简单、成本低廉,应用广泛。层产生残余压应力。这种方法工艺简单、成本低廉,应用广泛。喷九强化喷九强化滚压加工滚压加工液体磨料强化等液体磨料强化等表面强化常用工艺方法表面强化常用工艺方法 1喷九强化喷九强化 利用压缩空气或离心力将大量的珠丸利用压缩空气或离心力将大量的珠丸(直径为直径为0.4 4mm)以高速打击被以高速打击被加工零件表面,使表面产生冷硬层和残余压应力,可以显著提高零件的疲劳加工零件表面,使表面产生冷硬层和残
22、余压应力,可以显著提高零件的疲劳强度。珠丸可以是铸铁或砂石,钢丸更好。喷丸所用设备是压缩空气喷丸装强度。珠丸可以是铸铁或砂石,钢丸更好。喷丸所用设备是压缩空气喷丸装置或机械离心式喷丸装置,这些装置使珠丸能以置或机械离心式喷丸装置,这些装置使珠丸能以35 50ms的速度喷出。的速度喷出。珠丸珠丸(直径为直径为0.4 4mm)高速高速(35 50 m/s)打击被加打击被加工 零 件 表 面工 零 件 表 面使表面产生冷硬使表面产生冷硬层和残余压应力层和残余压应力应用应用 喷九加工主要用于强化形状复杂的零件,如齿轮、连杆、曲轴喷九加工主要用于强化形状复杂的零件,如齿轮、连杆、曲轴等。零件经喷九强化后
23、,硬化层深度可达等。零件经喷九强化后,硬化层深度可达0.7mm,表面租糙度,表面租糙度Ra值值可由可由3.2 减少到减少到0.4 ,使用寿命可提高几倍到几十倍。,使用寿命可提高几倍到几十倍。2滚压加工滚压加工 利用淬硬的滚压工具利用淬硬的滚压工具(滚轮或滚珠滚轮或滚珠)在常温下在常温下对工件表面施加压力,使其产生塑性变形,工件对工件表面施加压力,使其产生塑性变形,工件表面上原有的波峰被填充到相邻的波谷中,以减表面上原有的波峰被填充到相邻的波谷中,以减小表面粗糙度值,并使表面产生冷硬层和残余压小表面粗糙度值,并使表面产生冷硬层和残余压应力,从而提高零件的承裁能力和疲劳强度。应力,从而提高零件的承
24、裁能力和疲劳强度。F方法方法滚压工具滚压工具波峰被填充到波峰被填充到相邻的波谷中相邻的波谷中表面产生冷硬层表面产生冷硬层和 残 余 压 应 力和 残 余 压 应 力 滚压可以加工外圆、孔、平面及成形表面,通常在卧式车滚压可以加工外圆、孔、平面及成形表面,通常在卧式车床、转塔车床或自动车床上进行。床、转塔车床或自动车床上进行。功效功效表面层硬度一般可提高表面层硬度一般可提高20 40;表面层金属的耐疲劳强度可提高表面层金属的耐疲劳强度可提高30 50。应用应用滚压加工应用实例滚压加工应用实例1.弹性外圆滚压工具弹性外圆滚压工具弹簧主要用于控制压力的大小弹簧主要用于控制压力的大小为了提高强化效率,
25、为了提高强化效率,可以采用双排滚压工可以采用双排滚压工具,第一排滚珠直径具,第一排滚珠直径较小,作粗加工用,较小,作粗加工用,第二排滚珠直径较大,第二排滚珠直径较大,作精加工用。作精加工用。2.孔滚压工具孔滚压工具小滚珠作粗加工用小滚珠作粗加工用大滚珠作精加工用大滚珠作精加工用3液体磨料强化液体磨料强化 如图所示,液体和磨料在如图所示,液体和磨料在400 800kPa下,经过喷嘴高速喷出,射向工件表面,借下,经过喷嘴高速喷出,射向工件表面,借磨粒的冲击作用,磨平工件表面的表面粗糙磨粒的冲击作用,磨平工件表面的表面粗糙度并碾压金属表面。度并碾压金属表面。液体磨料强化是利用液体和磨料的混合物强化工
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