第六章 已加工表面质量.ppt
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1、金属切削原理与机床,机械工程系,第六章 已加工表面质量,机械零件的加工质量包括加工精度和表面质量两方面,它们的好坏将直接影响产品的使用性能、使用寿命、外观质量、生产率和经济性。 已加工表面质量包括零件表面的: 微观几何形状、 表面层材质的变化两个方面, 一般以表面粗糙度、表面层加工硬化及表面层残余应力来衡量。 表面质量对零件的使用性能有着很大的影响,学习内容,一、已加工表面质量概述,二、已加工表面粗糙度,三、加工硬化法,四、残余应力,第一节 已加工表面质量概述,一、已加工表面的形成过程,VB,a 受到刀刃顿圆半径挤压 VB的摩擦 弹性恢复h 加工表面在CD长度上 继续与后刀面摩擦已加工表面,加
2、工变质层。,(通常形状误差限制在位置公差内,位置公差限制在尺寸公差内),表面粗糙度 波度 纹理方向 伤痕(划痕、裂纹、砂眼等),图1 加工质量包含的内容,二、已加工表面质量的范畴,第一节 已加工表面质量概述,1表面粗糙度对耐磨性的影响 由于两相互摩擦零件配合时,不是全部表面接触,只是一些凸峰相接触,其实际接触面小,导致单位面积上压力增大,磨损加快,这些凸峰很快压扁磨平,使零件从而失去了原有的精度。 表面粗糙度并不是越小越好,若表面粗糙度太小,不利于润滑油储存,致使接面形成干摩擦。在一定条件下,摩擦表面有一个最佳表面粗糙度值,一般为0.40.8m。,第一节 已加工表面质量概述,2表面粗糙度对零件
3、疲劳强度的影响 零件表面越粗糙,在交变载荷的作用下容易引起应力集中。其应力超过疲劳极限,就会产生疲劳裂纹。 3表面粗糙度对耐腐蚀性的影响 表面粗糙度值大,腐蚀物质易积于坑凹中腐蚀金属表面,降低工件的表面质量。,第一节 已加工表面质量概述,4表面粗糙度对配合性质的影响 表面粗糙度太粗,对于间隙配合的表面,会因峰尖在工作过程中很快磨掉而使问隙增大,降低配合精度; 对于过盈配合,则因装配时表面的峰顶被挤平,使有效实际过盈量减小,同样降低配合的连接强度。,第一节 已加工表面质量概述,5加工硬化的影响 加工硬化在某些情况下可提高工件的耐磨性和疲劳强度,但常伴随大量细微裂纹出现,降低抗冲击能力。 另外,加
4、工硬化也能使后道工序切削加工困难,使刀具磨损严重。,第一节 已加工表面质量概述,6残余应力的影响 残余应力的存在使工件逐渐变形,影响工件形状、尺寸精度。另外,残余应力易使零件产生裂纹而降低耐磨性、疲劳强度和耐腐蚀性。 实践证明: 许多零件的报废往往起源于零件的表面缺陷。,第二节 已加工便面粗糙度,一、表面粗糙度产生的原因 1几何因素所产生的粗糙度。残留面积高度 2由于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变动。,第二节 已加工便面粗糙度,一、表面粗糙度产生的原因 1残留面积 由于刀具上有主偏角Kr和副偏角kr,使工件的被切削层材料不能完全
5、被切除,而在工件已加工表面上形成间距等于进给量f的螺旋状条纹。残留面积高度愈大,表面光洁度愈差。,图 4-8 已加工表面上理论粗糙度 a)r=0 b)r0,第二节 已加工便面粗糙度,残留面积是形成表面粗糙度的主要组成部分,残留面积亦称为理论粗糙度,常用它的高度Rmax表示。 图4-8a中由 形成残留面积高度Rmax,第二节 已加工便面粗糙度,图4-8b中由 0形成残留面积高度Rmax,残留面积高度,随着进给量f的减小及主、副偏角的减小或刀尖圆弧半径的增大而减小。,第二节 已加工便面粗糙度,2、积屑瘤的影响 不利方面: A、其增大背吃刀量,造成过切现象,而影响加工的尺寸精度; B、高低不平,会在
6、工件表面造成犁沟现象,影响表面粗糙度; C、脱落的碎片会粘附或嵌入工作表面上,而影响表面加工质量。(精加工必须抑制积屑瘤),图4-9 积削瘤对表面粗糙度影响(32x) a)积削瘤掉落时的照片 b)积削瘤影响表面粗糙度,第二节 已加工便面粗糙度,3鳞刺的影响 鳞刺是在已加工表面的速度方向上残留着突出的鳞片状毛刺,它是经常产生在对塑性材料的车、拉、攻丝和滚齿等加工中。 鳞刺是在使用中、低速及较大进给量,并在严重摩擦和挤压条件下切削使切削层导裂而形成的,由于鳞刺的影响促使已加工表面更为粗糙不平。,图 4-10 在已加工表面上突出的鳞刺,关于鳞刺产生的两种观点: 1)积屑瘤说 持这种观点的人认为:积屑
7、瘤底部稳定,顶部不稳定; 不稳定的顶部的生长与分裂,是导致鳞刺产生的主要原因。 积屑瘤对已加工表面粗糙度的影响 积屑瘤自身能增大已加工表面粗糙度之外,它还在已加工表面上导致鳞刺的形成,进一步增大粗糙度。,第二节 已加工便面粗糙度,3、鳞刺,2)层积金属说 持此种观点的人认为:形成鳞刺的过程经过了4个阶段:抹拭、导裂、层积、切顶。,4、切削过程的变形,切削变形影响表面粗糙度的过程: 1)切削单元带有周期性的断裂,这种断裂深入到切削表面以下,从而在加工表面上留下挤压的痕迹,而成为波浪形。 2)由于切削刃两端没有来自侧面的约束力,加工过程中工件材料被挤压,产生隆起,降低了被加工表面的粗糙度。 说明见
8、下图,5、刀具的边界摩擦对粗糙度地影响,刀具磨损后,有时会在副后面上产生沟槽形的边界磨损,从而在已加工表面上形成锯齿状的凸出,影响被加工表面的粗糙度。,第二节 已加工便面粗糙度,刀具磨损的影响 刀具的后角过小或后面出现严重磨损,使刀具后面与加工表面间产生挤压和摩擦,形成了理论粗糙度高度被挤平和划伤。,图 4-11 刀具后面磨损对已加工表面粗糙度的影响,6 刀刃与工件相对位置变动,原因: 1)主轴回转精度不高; 2)滑动导轨面的形状误差; 3)材料的不均匀; 4)切削过程不连续等。 自激振动,使振幅发生变化,影响被加工表面的粗糙度。,第二节 已加工便面粗糙度,7振动的影响 切削过程中发生振动表面
9、变得粗糙,降低了表面质量,严重时会影响机床精度和损坏刀具。,图 4-12 在已加工表面上复映的划痕及振纹 a)复映刻痕 b)振纹,二、影响表面粗糙度的因素,1、刀具方面 1)采用较大的刀尖圆弧半径r; 采用较小的副偏角k,尤其使用k=0的修光刃。 2)前角:一般情况下,前角对表面粗糙度影响不大;但在加工塑性材料时,采用较大的前角可减小积屑瘤和鳞刺,从而提高被加工零件的表面粗糙度。 但前角不能太,why? 注:为提高加工表面质量,首先在刀具强度和寿命允许条件下,尽量选用大的前角。,图 4-14 副偏角r和刀尖圆弧半径r对表面粗糙度Ra影响 a)r影响 b)r影响,第四节 已加工表面粗糙度,3)稍
10、微增大刀具后角 能减小后刀面与加工表面的摩擦,对减小表面粗糙度值有利。 4)减小刀具副偏角P106,5)刀面及切削刃的表面粗糙度:提高刀具表面的粗糙度,减小摩擦,可抑制积屑瘤、鳞刺的产生。 6)刀具材料:与工件材料的亲和力不同,产生积屑瘤及粘结磨损的程度不同,产生的表面粗糙度不同。,第一节 已加工表面质量概述,2、工件方面地影响 1)材料塑性越大,加工粗糙度越大; 2)材料金相组织的影响: 对于中碳钢、中碳合金钢,在高速切削时,粒状珠光体组织粗糙度高; 低速切削时,片状珠光体+细晶粒的铁素体,有利于提高粗糙度; 易切钢中含硫、铅等元素; 被加工材料的韧性越大,粗糙度越低。,3、积屑瘤的影响 4
11、、切削用量的影响 6、刀具材料,6.刀具材料 选择合适的刀具材料,提高刀具刃磨质量能减小表面粗糙度。 刀具材料对加工表面质量的影响,主要决定于:材料的摩擦系数 抗粘结能力 耐磨性 刃磨质量,第二节 已加工表面粗糙度,三、磨削加工影响表面粗糙度的因素 磨削是机械制造中最常用的加工方法之一。常用于精加工和超精加工。 磨削常用于加工淬硬钢、高温合金、硬质合金及其它硬脆材料。 磨削的工具是砂轮。砂轮是结合剂将磨粒固结成一定形状的多孔体。 砂轮的特性主要由磨料、粒度、结合剂、硬度、相组织等五因素所决定。均对粗糙度有影响。,图13-2 砂轮的构造 1砂轮 2结合剂 3磨粒 4磨屑 5气孔 6工件,1、磨料
12、 磨料直接担负着切削工作,应具有很高的硬度的韧性,破碎时应能形成尖锐的棱角。 磨料分为天然磨料和人造磨料两大类。 2、粒度 粒度表示磨料颗粒的大小。 砂轮粒度越细,则砂轮工作表面单位面积上磨粒越多,因而在工件上的刀痕也越细密,粗糙度就小。,图13-4 砂轮上的磨粒形状 a)外形 b)典型磨粒断面,第二节 已加工表面粗糙度,3、砂轮硬度 砂轮硬度是指砂轮上的磨粒受力后从砂轮表面脱落的难易程度,也反映磨料与结合剂的粘结强度。 砂轮硬度高,则表示磨粒难于脱落;砂轮软,则反之。 注意:砂轮硬度与磨料硬度是两个不同的概念,切不可混淆。砂轮的硬度是由结合剂的粘结强度和砂轮的制造工艺决定的,与磨粒本身的硬度
13、无关。,第二节 已加工表面粗糙度,砂轮硬度选用原则如下: (1)工件材料越硬,应选用越软的砂轮。 (2)砂轮与工件磨削接触面积大时,磨粒参加切削的时问较长,易磨损,应选用较软的砂轮。 (3)半精磨与粗磨相比,需用较软的砂轮,以免工件发热烧伤。 但精磨和成形磨削时为了较长时间保持砂轮球形、保证磨削表面精度,需选用较硬些砂轮。,第二节 已加工表面粗糙度,4.砂轮的修整 5.磨削速度 提高速度,增加了工件单位面积上的磨削磨粒数量,使刻痕数量增大,同时塑性变形减小,因而表面粗糙度减小。 6.磨削径向进给量与光磨次数 7.工件圆周进给速度与轴向进给量 8.工件材料 9.切削液,(1)砂轮速度较高或与工件
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