《表面質(zhì)量》PPT課件

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1、一、 概 述 零件表面質(zhì)量表面粗糙度表面波度表面物理力學性能的變化表面微觀幾何形狀特征表面層冷作硬化表面層殘余應力表面層金相組織的變化 表 面 質(zhì) 量 的 含 義 （ 內(nèi) 容 ） （1）表面粗糙度對零件耐磨性的影響 v 表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如圖所示。v表面粗糙度太大，接觸表面的實際壓強增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、擠裂、切斷，故磨損加?。籿表面粗糙度太小，也會導致磨損加劇。因為表面太光滑，存不住潤滑油，接觸面間不易形成油膜，容易發(fā)生分子粘結(jié)而加劇磨損。v表面粗糙度的最佳值與機器零件的工作情況有關，載荷加大時，磨損曲線向上、向右移動，最佳表面粗糙度值也隨之右移。 二、表面質(zhì)量對零件使用

2、性能的影響1表面質(zhì)量對零件耐磨性的影響 圖 表面粗糙度與初期磨損量的關系 （2）表面層的冷作硬化對零件耐磨性的影響加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因為它使磨擦副表面層金屬的顯微硬度提高，塑性降低，減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和塑性變形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。這是因為過分的冷作硬化，將引起金屬組織過度“疏松”，在相對運動中可能會產(chǎn)生金屬剝落，在接觸面間形成小顆粒，使零件加速磨損。 2表面質(zhì)量對零件疲勞強度的影響（1）表面粗糙度對零件疲勞強度的影響 表面粗糙度越大，抗疲勞破壞的能力越差。 對承受交變載荷零件的疲勞強度影響很大。在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引

3、起應力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。 表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲勞性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的紋痕越深，紋底半徑越小，其抗疲勞破壞的能力越差。 （2）表面層冷作硬化與殘余應力對零件疲勞強度的影響 適度的表面層冷作硬化能提高零件的疲勞強度。殘余應力有拉應力和壓應力之分，殘余拉應力容易使已加工表面產(chǎn)生裂紋并使其擴展而降低疲勞強度殘余壓應力則能夠部分地抵消工作載荷施加的拉應力，延緩疲勞裂紋的擴展，從而提高零件的疲勞強度。 3.表面質(zhì)量對零件工作精度的影響（1）表面粗糙度對零件配合精度的影響 表面粗糙度較大，則降低了配合精度。（2）表面殘余應力對零件工作精度的影響 表面層有較大的殘余應力，

4、就會影響它們精度的穩(wěn)定性。 4表面質(zhì)量對零件耐腐蝕性能的影響（1）表面粗糙度對零件耐腐蝕性能的影響 零件表面越粗糙，越容易積聚腐蝕性物質(zhì)，凹谷越深，滲透與腐蝕作用越強烈。 因此減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能。（2）表面殘余應力對零件耐腐蝕性能的影響 零件表面殘余壓應力使零件表面緊密，腐蝕性物質(zhì)不易進入，可增強零件的耐腐蝕性，而表面殘余拉應力則降低零件耐腐蝕性。 表面質(zhì)量對零件使用性能還有其它方面的影響：如減小表面粗糙度可提高零件的接觸剛度、密封性和測量精度；對滑動零件，可降低其摩擦系數(shù)，從而減少發(fā)熱和功率損 失。 表 面 質(zhì) 量 對 零 件 使 用 性 能 的 影 響零件表面質(zhì)量

5、粗糙度太大、太小都不耐磨適度冷硬能提高耐磨性對疲勞強度的影響對耐磨性影響 對耐腐蝕性能的影響對工作精度的影響粗糙度越大，疲勞強度越差適度冷硬、殘余壓應力能提高疲勞強度粗糙度越大、工作精度降低殘余應力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蝕性越差壓應力提高耐腐蝕性，拉應力反之則降低耐腐蝕性 三、 影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制 機械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可歸納為幾何因素和物理力學因素兩個方面。（一）切削加工表面粗糙度1、幾何因素刀尖圓弧半徑r主偏角kr、副偏角kr進給量f（如圖） 圖 車削、刨削時殘留面積高度H =f/(cotr+cotr) H =f 2/(8r) 2、物理力學因素（

6、1）工件材料的影響v韌性材料：工件材料韌性愈好，金屬塑性變形愈大，加工表面愈粗糙。故對中碳鋼和低碳鋼材料的工件，為改善切削性能，減小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或調(diào)質(zhì)處理。v 脆性材料：加工脆性材料時，其切削呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點，使表 面粗糙。 （2）切削速度的影響 加工塑性材料時，切削速度對表面粗糙度的影響（對積屑瘤和鱗刺的影響）見圖所示。 此外，切削速度越高，塑性變形越不充分，表面粗糙度值越小 選擇低速寬刀精切和高速精切，可以得到較小的表面粗糙度。 （4）其它因素的影響 此外，合理使用冷卻潤滑液， 適當增大刀具的前角，提高刀具的刃磨質(zhì)量等，均能有效地

7、減小表面粗糙度值。（3）進給量的影響 減小進給量f固然可以減小表面粗糙度值，但進給量過小，表面粗糙度會有增大的趨勢。 圖 加工塑性材料時切削速度對表面粗糙度的影響 影響切削加工表面粗糙度的因素刀具幾何形狀刀具材料、刃磨質(zhì)量切削用量工件材料殘留面積 Ra前角 Ra后角摩擦Ra刃傾角會影響實際工作前角 v Raf Raap對Ra影響不大，太小會打滑，劃傷已加工表面材料塑性 Ra同樣材料晶粒組織大 Ra，常用正火、調(diào)質(zhì)處理刀具材料強度 Ra刃磨質(zhì)量 Ra冷卻、潤滑 Ra （二）磨削加工表面粗糙度1、 磨削中影響粗糙度的幾何因素 工件的磨削表面是由砂輪上大量磨?？虅澇鰺o數(shù)極細的刻痕形成的，工件單位面積

8、上通過的砂粒數(shù)越多，則刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。 磨粒在砂輪上的分布越均勻、磨粒越細，刃口的等高性越好。則砂輪單位面積 上參加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越細密均勻，表面粗糙度值就越小。（1）砂輪的磨粒 v砂輪轉(zhuǎn)速越高，單位時間內(nèi)通過被磨表面的磨粒數(shù)越多，表面粗糙度值就越小。v工件轉(zhuǎn)速對表面粗糙度值的影響剛好與砂輪轉(zhuǎn)速的影響相反。工件的轉(zhuǎn)速增大，通過加工表面的磨粒數(shù)減少，因此表面粗糙度值增大。v砂輪的縱向進給量小于砂輪的寬度時，工件表面將被重疊切削，而被磨次數(shù)越多，工件表面粗糙度值就越小。（3）磨削用量（2）砂輪修整 砂輪修整除了使砂輪具有正確的幾何形狀外，更重要的是

9、使砂輪工作表面形成排列整齊而又銳利的微刃（如圖所示）。因此，砂輪修整的質(zhì)量對磨削表面的粗糙度影響很大。 砂輪上的磨粒 2、 磨削中影響粗糙度的物理因素 磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多數(shù)是負前角，切削刃又不銳利，大多數(shù)磨粒在磨削過程中只是對被加工表面擠壓，沒有切削作用。加工表面在多次擠壓下出現(xiàn)溝槽與隆起，又由于磨削時的高溫更加劇了塑性變形，故表面粗糙度值增大。（1）磨削用量 砂輪的轉(zhuǎn)速 材料塑性變形 表面粗糙度值 ；磨削深度、工件速度 塑性變形 表面粗糙度值 ； 為提高磨削效率，通常在開始磨削時采用較大的徑向進給量，而在磨削后期采用較 小的徑向進給量或無進給量磨削，以減小表面粗糙度值。

10、 （2）工件材料太硬易使磨粒磨鈍 Ra ；太軟容易堵塞砂輪Ra ；韌性太大，熱導率差會使磨粒早期崩落Ra 。（2）砂輪粒度與硬度磨粒太細，砂輪易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，若導熱情況不好，還會燒傷工件表面。砂輪太硬，使表面粗糙度增大；砂輪選得太軟，使表面粗糙度值增大。 影響磨削加工表面粗糙度的因素粒度Ra 金剛石筆鋒利，修正導程、徑向進給量 Ra磨粒等高性Ra硬度鈍化磨粒脫落 Ra硬度磨粒脫落Ra硬度合適、自勵性好Ra太硬、太軟、韌性、導熱性差 Ra砂輪粒度工件材料性質(zhì)砂輪修正磨削用量砂輪硬度砂輪V Raap、工件V 塑變 Ra粗磨ap生產(chǎn)率精磨ap Ra(ap=0光磨) 四、 影響表面層

11、物理力學性能的主要因素及其控制影 響 表 面 層 物 理 力 學 性 能 的 主 要 因 素表面物理力學性能 影響金相組織變化因素影響顯微硬度因素影響殘余應力因素塑變引起的冷硬金相組織變化引起的硬度變化冷塑性變形熱塑性變形金相組織變化切削熱 1. 表面層的冷作硬化（ 1） 表 面 層 加 工 硬 化 的 產(chǎn) 生定義：機械加工時，工件表面層金屬受到切削力的作用產(chǎn)生強烈的塑性變形，使晶格扭曲，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，晶粒被拉長、纖維化甚至碎化，從而使表面層的強度和硬度增加，這種現(xiàn)象稱為加工硬化，又稱冷作硬化和強化。 （ 2） 衡 量 表 面 層 加 工 硬 化 的 指 標衡量表面層加工硬化程度的指標有

12、下列三項： 1）表面層的顯微硬度H V；2）硬化層深度h；3）硬化程度NN=(H V-H V0)/H V0100式中 H V 0工件原表面層的顯微硬度。 （ 3） 影 響 表 面 層 加 工 硬 化 的 因 素 刀具幾何形狀的影響切削刃 r、前角、后面磨損量VB 表層金屬的塑變加劇冷硬切削用量的影響 切削速度v塑變冷硬 f切削力塑變冷硬 工件材料性能的影響 材料塑性冷硬 2. 表面層殘余應力定義： 機械加工中工件表面層組織發(fā)生變化時，在表面層及其與基體材料的交界處會產(chǎn)生互相平衡的彈性力。這種應力即為表面層的殘余應力。 （ 1） 表 面 層 殘 余 應 力 的 產(chǎn) 生 1） 冷態(tài)塑變 工件表面受

13、到擠壓與摩擦，表層產(chǎn)生伸長塑變，基體仍處于彈性變形狀態(tài)。切削后，表層產(chǎn)生殘余壓應力，而在里層產(chǎn)生殘余拉伸應力。2） 熱態(tài)塑變 表層產(chǎn)生殘余拉應力，里層產(chǎn)生產(chǎn)生殘余壓應力(其原理見圖)3） 金相組織變化 比容大的組織比容小的組織體積收縮，產(chǎn)生 拉應力，反之，產(chǎn)生壓應力。（密度小，比容大） 圖 切削熱在表層金屬產(chǎn)生殘余拉應力的示意圖 機械加工后工件表面層的殘余應力是冷態(tài)塑性變形、熱 態(tài)塑性變形和金相組織變化的綜合結(jié)果。切削加工時起主要作用的往往是冷態(tài)塑性變形，表面層常產(chǎn)生殘余壓縮應力。磨削加工時起主要作用的通常是熱態(tài)塑性變形或金相組織變化引起的體積變化，表面層常產(chǎn)生殘余拉伸應力。（ 2） 磨 削

14、裂 紋 的 產(chǎn) 生 磨削裂紋和殘余應力有著十分密切的關系。在磨削過程中，當工件表面層產(chǎn)生的殘余應力超過工件材料的強度極限時，工件表面就會產(chǎn)生裂紋。磨削裂紋常與燒傷同時出現(xiàn)。 （ 3） 影 響 表 面 殘 余 應 力 的 主 要 因 素 五、 提高表面層物理力學性能的加工方法1滾壓加工 滾壓加工是利用經(jīng)過淬火和精細研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)下對金屬表面進行擠壓，使受壓點產(chǎn)生彈性和塑性變形，表層的凸起部分向下壓，凹下部分向上擠，逐漸將前工序留下的波峰壓平，降低了表面粗糙度；同時它還能使工件表面產(chǎn)生硬化層和殘余壓應力。因此提高了零件的承載能力和疲勞強度。 滾壓加工可以加工外圓、孔、平面及成型表面

15、，通常在普通車床、轉(zhuǎn)塔車床或自動車床上進行。如圖為典型的滾壓加工示意圖。 滾壓加工原理 2. 噴丸強化 噴丸強化是利用大量快速運動的珠丸打擊被加工工件表面，使工件表面產(chǎn)生冷硬層和壓縮殘余應力，可顯著提高零件的疲勞強度。 珠丸可以是鑄鐵的，也可以是切成小段的鋼絲（使用一段時間后，自然變成球狀）。對于鋁質(zhì)工件，為避免表面殘留鐵質(zhì)微粒而引起電解腐蝕，宜采用鋁丸或玻璃丸。珠丸的直徑一般為0.24mm，對于尺寸較小、表面粗糙度值較小的工件，采用直徑較小的珠丸。 噴丸強化主要用于強化形狀復雜或不宜用其它方法強化的工件，如板彈簧、螺旋彈簧、連桿、齒輪、焊縫等。經(jīng)噴丸加工后的表面，硬化層深度可達0.7mm，零

16、件表面粗糙度值可由Ra52.5m 減小到Ra0.630.32m ，可幾倍甚至幾十倍地提高零件的使用壽命。 六、 機械加工中的振動振動會在工件加工表面出現(xiàn)振紋，降低了工件的加工精度和表面質(zhì)量； 振動會引起刀具崩刃打刀現(xiàn)象并加速刀具或砂輪的磨損；振動使機床連接部分松動，影響運動副的工作性能，并導致機床喪失精度； 強烈的振動及伴隨而來的噪聲，還會污染環(huán)境，危害操作者的身心健康。為減小加工過程中的振動，有時不得不降低切削用量，使機械加工生產(chǎn)率降低。（一）機械加工中的振動現(xiàn)象振動對機械加工的影響 機 械 加 工 中 振 動 的 種 類 及 其 主 要 特 點機械加工振動 自激振動自由振動強迫振動當系統(tǒng)受

17、到初始干擾力激勵破壞了其平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)僅靠彈性恢復力來維持的振動稱為自由振動（圖a）。由于總存在阻尼，自由振動將逐漸衰減，系統(tǒng)在周期性激振力(干擾力)持續(xù)作用下產(chǎn)生的振動，稱為強迫振動（圖b） 。強迫振動的穩(wěn)態(tài)過程是諧振動，只要有激振力存在振動系統(tǒng)就不會被阻尼衰減掉。在沒有周期性干擾力作用的情況下，由振動系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力所激發(fā)和維持的振動，稱為自激振動。切削過程中產(chǎn)生的自激振動也稱為顫振。 1、強迫振動的振源系統(tǒng)外部的周期性干擾力旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量偏心傳動機構(gòu)的缺陷切削過程的間隙特性 （二）機械加工中的強迫振動與控制 1）強迫振動是由周期性激振力引起的，不會被阻尼衰減掉，振動本身也不能使激振

18、力變化。2）強迫振動的振動頻率與外界激振力的頻率相同，而與系統(tǒng)的固有頻率無關。3）強迫振動的幅值既與激振力的幅值有關，又與工藝系統(tǒng)的特性有關。 激振力的影響。A 0=F/k 2、強迫振動的特征 進入穩(wěn)態(tài)后的強迫振動方程為：)sin( tAx式中 A強迫振動的幅值； 振動體位移相對于激振力的相位角； t 時間其中強迫振動的振幅為： 222 0222220 )2()1(4)( AfA相位角為：212arctan 式中 f f=F/m； A0系統(tǒng)在靜力F作用下的靜位移（m)kFmk mFfA 200 k系統(tǒng)的靜剛度（N/m）；頻率比，/0阻尼比， ckmmk m 2/2/0c臨界阻尼系數(shù)，kmc 2

19、 ）當0時， 1， 0.60.7，準靜態(tài)區(qū)，在該區(qū)增加系統(tǒng)靜剛度，可減小振動。）當 1時， 會急劇增大，此現(xiàn)象稱為共振，0.7 1.4的區(qū)域稱為共振區(qū)，在該區(qū)增大阻尼共振）當 1時， 0， 1.4區(qū)域稱為慣性區(qū)，在該區(qū)增加振動體的質(zhì)量，可減小振動振幅。2220 )2()1(1 AA 頻率比的影響（圖示） 3、 減小強迫振動的措施減小激振力 調(diào)整振源頻率 提高工藝系統(tǒng)的剛度和阻尼采取隔振措施 采用減振裝置。 （三）機械加工中的自激振動與控制1自激振動的產(chǎn)生及特征 在實際加工過程中，由于偶然的外界干擾（如工件材料硬度不均、加工余量有變化等），會使切削力發(fā)生變化，從而使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生自由振動。系統(tǒng)的振

20、動必然會引起工件、刀具間的相對位置發(fā)生周期性變化，這一變化若又引起切削力的波動，則使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動。因此通常將自激振動看成是由振動系統(tǒng)（工藝系統(tǒng)）和調(diào)節(jié)系統(tǒng)（切削過程）兩個環(huán)節(jié)組成的一個閉環(huán)系統(tǒng)，如圖所示。 激勵工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動運動的交變力是由切削過程本身產(chǎn)生的，而切削過程同時又受工藝系統(tǒng)的振動的控制，工藝系統(tǒng)的振動一旦停止，動態(tài)切削力也就隨之消 失。 圖 自激振動系統(tǒng)的組成 自激振動特點不衰減的振動它由振動過程本身引起切削力周期性變化，從不具備交變特性的能源中周期獲得能量，使振動得以維持。自激振動由振動系統(tǒng)本身參數(shù)決定，與強迫振動顯著不同。自由振動受阻尼作用將迅速衰減，而自激振動不會因阻尼

21、存在而衰減。自激振動的頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率，即顫振頻率取決于振動系統(tǒng)的固有特性。這與自由振動相似，而與強迫振動根本不同E A 1 A0 A2 AE-E+ f自=f固取決于一周期獲得的能量取決于切削過程本身 如圖a所示為單自由度機械加工振動模型。設工件系統(tǒng)為絕對剛體，振動系統(tǒng)與刀架相連，且只在y方向作單自由度振動。 在背向力Fp作用下，刀具作切入、切出運動（振動）。刀架振動系統(tǒng)同時還有F彈作用在它上面。y越大，F(xiàn)彈也越大，當Fp=F彈時，刀架的振動停止。 對上述振動系統(tǒng)而言，背向力Fp是外力，F(xiàn)p對振動系統(tǒng)作功如圖b所示。 刀具切入，其運動方向與背向力方向相反，作負功；即振動系統(tǒng)要消耗能量W

22、振入； 刀具切出，其運動方向與背向力方向相同，作正功；即振動系統(tǒng)要吸收能量W 振出； 2產(chǎn)生自激振動的條件 單自由度機械加工振動模型 a） 振動模型 b） 力與位移的關系圖 （1）當W振出W振入時，刀架振動系統(tǒng)將有持續(xù)的自激振動產(chǎn)生。 三種情況： W振出=W振入+ W摩阻（振入）時，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動； W振出W振入+ W摩阻（振入）時，系統(tǒng)為振幅遞增的自激 振動，至一定程度，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動； W振出 W振入+ W摩阻（振入）時，系統(tǒng)為振幅遞減的自激 振動，至一定程度，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動；故振動系統(tǒng)產(chǎn)生自激振動的基本條件是：W 振出W振入或 FP振出FP振入 3 控 制 自 激 振

23、動 的 途 徑抑制自激振動途徑V=3070m/min自振f自振；保證Ra時f提高機床抗振性提高刀具抗振性（采用消振刀具）提高工件安裝剛性根據(jù)振型耦合原理，工藝系統(tǒng)的振動還受到各振型的剛度比 及其組合的影響。合理調(diào)整它們之間的關系，就可以有效地提高系統(tǒng)的抗振性，抑制自激振動。提高工藝系統(tǒng)抗振性合理選擇切削用量合理選擇刀具參數(shù)采用變速切削采用減振裝置合理調(diào)整主振模態(tài)剛度比及其組合前角、主偏角自振后角自振；但太小時自振抑制再生顫振方法用于工藝系統(tǒng)剛性較好的場合。見圖 圖a 阻尼器減振裝置 圖b 用于鏜刀桿的 動力吸振器圖c 沖擊式吸振器 1自由質(zhì)量 2彈簧 3螺釘 本 節(jié) 習 題1、 為什么會產(chǎn)生磨削燒傷及裂紋？它們對零件的使用性能有何影響？試舉例說明減小磨削燒傷及裂紋的辦法有哪些？2、 加工精密零件時，為了保證加工表面的表面質(zhì)量，粗加工前常有球化處理、退火、正火。粗加工后常有調(diào)質(zhì)、回火。精加工前常有滲碳、滲氮及淬火工序。試分析這些熱處理工序的作用。3、 什么是強迫振動，它有何特征？什么是自激振動，它有何特征？自激振動與強迫振動有何區(qū)別？4、 圓鏜桿的剛度與削扁鏜桿的剛度哪個高？兩者的抗振性哪個好？為什么？5、 車外圓時，車刀安裝高一點或低一點哪種情況抗振性好？鏜孔時，鏜刀安裝高一點或低一點哪種情況抗振性好？為什么？