【毕业论文】表面粗糙度的成因及其影响因素分析研究报告(含word文档) .pdf
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1、2002002002009 9 9 9 届本科毕业论文(设计)届本科毕业论文(设计)届本科毕业论文(设计)届本科毕业论文(设计) 论文题目:论文题目:论文题目:论文题目:表面粗糙度的成因及其影响因素分析表面粗糙度的成因及其影响因素分析表面粗糙度的成因及其影响因素分析表面粗糙度的成因及其影响因素分析 1 摘摘摘摘要要要要 表面粗糙度是指零件表面上具有较小间距和微小峰谷所组成的 微观几何形状特征。它主要是由机械加工形成的(表面粗糙度、表面 波纹度、表面缺陷、表面几何形状),直接影响机械零件的配合性质, 表面的耐磨性、抗腐蚀性、疲劳强度、密封性、导热性及使用寿命。 首先,对表面粗糙度的基础知识进行了
2、简要介绍;其次,着重分 析了影响零件表面粗糙度的因素及其影响规律和趋势;在此基础上, 探寻改善和提高表面粗糙度的措施和方法;最后,举例说明表面粗糙 度的一些选择和测量。 关键词: 粗糙度 相关分析 控制 2 A A A Analysisnalysisnalysisnalysis ofofofof formationformationformationformation mechanismmechanismmechanismmechanism ofofofof surfacesurfacesurfacesurface roughnessroughnessroughnessroughness an
3、dandandand it it it it s s s s influenceinfluenceinfluenceinfluence factorfactorfactorfactor AbstractAbstractAbstractAbstract Surface roughness is the distance between the surface and has a smaller peak which consists of tiny micro-geometry characteristics. It is mainly formed by machining (surface
4、roughness, surface waviness, surface defects, surface geometry), a direct impact on the nature of mechanical components with the surface of the wear resistance, corrosion resistance, fatigue strength, tightness, thermal conductivity and useful life. First, the basics of surface roughness have been b
5、riefed; Secondly, the focus on an analysis of the impact of parts of the surface roughness factors, and impact of laws and trends; On this basis, ways to improve and enhance the surface roughness of the measures and methods ; Finally, examples of surface roughness and measurement of the number of op
6、tions. KeywordsKeywordsKeywordsKeywords : Roughness, RelationAnalysis, Control 3 目目目目录录录录 1 绪论.6 1.1 表面粗糙度概述 6 1.1.1 表面粗糙度概念. 6 1.1.2 表面粗糙度产生原因. 6 1.2 表面粗糙度国内外研究现状 6 1.3 表面粗糙度研究的目的及意义 8 2 表面粗糙度的影响因素分析 8 2.1 表面粗糙度的标准 8 2.2 表面粗糙度的因素 9 2.2.1 刀具方面 9 2.2.2 切削条件11 2.3 表面粗糙度的选择原则 12 3 表面粗糙度的成因及其改善措施 18 3.1
7、 控制目的.18 3.2 切削加工时表面粗糙度的成因与控制19 3.2.1 形成原因. 19 3.2.2 控制措施 24 4 结论.28 谢辞.28 4 参考文献.29 1 绪论 1 1 1 1.1 .1 .1 .1 表面粗糙度概述表面粗糙度概述表面粗糙度概述表面粗糙度概述 1.1.11.1.11.1.11.1.1 表面粗糙度概念表面粗糙度概念表面粗糙度概念表面粗糙度概念 表面粗糙度1是指零件表面上具有较小间距和微小峰谷所组成 的微观几何形状特征。它主要是由机械加工形成的(表面粗糙度、 表 面波纹度、表面缺陷、表面几何形状),直接影响机械零件的配合性 质,表面的耐磨性、抗腐蚀性、疲劳强度、密封
8、性、导热性及使用寿 命。2因此,表面粗糙度是评定机器和机械零件量的重要指标之一, 是机械零件的生产、加工和验收过程中一项必不可少的质量标准。 1 1 1 1.1.2.1.2.1.2.1.2 表面粗糙度产生原因表面粗糙度产生原因表面粗糙度产生原因表面粗糙度产生原因 在加工过程中,由于刀具与制件表面之间的摩擦、切削或压制时 的塑性变形,以及工艺系统中高频振动等因素的作用,使被加工表面 产生微观几何变形。3 1.21.21.21.2 表面粗糙度国内外研究现状表面粗糙度国内外研究现状表面粗糙度国内外研究现状表面粗糙度国内外研究现状 从近年来国内外发表的有关粗糙度方面的论文来看, 数量成指数 地增加.这
9、表明表面粗糙度测量和表征技术的研究一直处于上升趋 势,一方面是由于商用仪器(如:STM、AFM 和光学扫描干涉仪等)的 发展以及计算机运算能力、控制技术的提高;另一方面是由于尖端技 术、国防工业和精密工程等对零件的表面质量提出了越来越高的要 5 求。4 表面粗糙度的表征参数都是在某一法向截面所截得的轮廓线上 进行评定,只反映高度和横向距离之间的关系,属于二维评定. 当表面粗糙度在一小面积区域内评定时,还有纵向距离关系,这就属 于三维评定.近年来研制了许多三维表面微观形貌测量仪,才使 得在局部表面上三维评定表面粗糙度成为可行, 而且国际上方兴未艾. 5 最近,国内外在表征和研究表面粗糙度等方面越
10、来越多地使用分 形几何理论这一有力的数学工具。 研究表明很多种机加工表面呈现出 随机性、多尺度性和自仿射性,即具有分形的基本特征,因而使用分形 几何来研究表面形貌将是合理地、有效地。确定分形的重要参数有分 形维数 D 和特征长度 A,它们可以衡量机加工表面轮廓的不规则性,理 论上不随取样长度变化和仪器分辨率变化,并能反映表面形貌本质的 特征,能够提供传统的表面粗糙度评定参数(如 Ra、Ry、Rz 等)所不能 提供的信息。 美国 TopoMetrix 公司生产的扫描探针显微镜(SPM)软件 体系中,已将分形维数作为评价表面微观形貌的参数之一。678 随着超光滑表面的粗糙度数值接近纳米级甚至埃级,
11、 不同测量方 法的测量结果不一致性对表面特征的评价影响越来越大。为此,美国 国家标准和技术研究院制作了一组尺寸范围从29nm一152um的标准 台阶高度样块,其标准值取决于本身的实际尺寸.另外还建立了 一组高精度标准样块,其尺寸用三种不同的方法校准,如相移干涉显 微镜、校准原子力显微镜(C 一 AFM)和高分辨力的触针式仪器。如果 6 用这些不同的方法测量台阶高度的精确值,能取得好的一致性,则样 块台阶高度将作为精密校准的基准。910 1.31.31.31.3 表面粗糙度研究的目的及意义表面粗糙度研究的目的及意义表面粗糙度研究的目的及意义表面粗糙度研究的目的及意义 随着现代化工业生产的不断发展
12、, 对产品的质量提出了越来越高 的要求.如既要求产品具有长的和没有麻烦的使用寿命,又要利于能 源的再利用和环境保护,保证产品的三个阶段.制造使用垃圾/ 再循环,协调发展.各制造商竞相生产具有优势性的零缺陷产品,以 增强其市场的竞争能力, 对零件表面的物理和几何性能提出了非常苛 刻的要求.这就使仪器制造商生产性能更好、更全面,精度更高的检 测设备。在飞速发展的 21 世纪,信息、生物技术、能源、环境、先 进制造技术和国防的高速发展必然会对零件表面粗糙度提出更高的 要求,元器件的智能化、小型化、高集成、高密度存储和超快传输等 要求材料的尺寸越来越小。 零件表面粗糙度无疑是研究领域中最富有 活力、对
13、未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象。11 2 2 2 2 表面粗糙度的影响因素分析表面粗糙度的影响因素分析表面粗糙度的影响因素分析表面粗糙度的影响因素分析 2.12.12.12.1 表面粗糙度的标准表面粗糙度的标准表面粗糙度的标准表面粗糙度的标准 为了统一指标、 统一方法和统一标准,各国都制定了相应的标准。 我国的表面粗糙度标准制定工作是从 50 年代开始的,经过几十年的 研究发展,已由当初单纯解决图样标准的统一问题开始,逐步完善修 订为现在的 GB/T 1031表面粗糙度参数及其数值 、GB/T 131机 械制图表面粗糙度符号、代号及其注法 、GB 3505表面粗糙度术 7 语表面
14、及其参数 等系列标准,而成为我国重要的工业基础标准之一, 并为其他产品标准及相关标准所引用。GB/T 1031-1995(代替 GB 1031-83)规定了表面粗糙度的参数和数值系列,GB/T 131-93(代替 GB 131-83)又规定了图样上表面粗糙度的标注方法及代号的含义,只要 正确使用这些标准,表面粗糙度要求在图样上是十分清楚的。 但是在其他有关标准及一些技术文件中需要对零件作出表面粗 糙度要求时,由于标准和技术文件的编写特点,大多采用文字叙述等 加以规定。 这些表述如果不正确,会给理解和执行标准带来麻烦,同时 影响到标准自身的质量。12目前我国评定表面粗糙度的参数,根据 GB/T1
15、031-1995 表面粗糙度参数及其数值规定,表面粗糙度参数 首先从三项高度参数轮廓算术平均偏差 Ra、微观不平度十点高度 Rz 和轮廓最大高度 Ry 中选取。根据表面功能的需要,在高度参数不 能满足要求的情况下,可选用轮廓微观不平度的平均间距 Sm、轮廓 的单峰平均间距 S 和轮廓支承长度率 Tp。对表面粗糙度有要求的表 面须给出高度参数值和评定时的取样长度。间距参数 Sm、S 和形状特 性参数 Tp 一般不单独使用,常作为补充参数与高度参数共同控制零 件的表面粗糙度。 2.22.22.22.2 表面粗糙度的因素表面粗糙度的因素表面粗糙度的因素表面粗糙度的因素 2.2.12.2.12.2.1
16、2.2.1 刀具方面刀具方面刀具方面刀具方面 (1)刀具几何参数 刀具几何参数中对表面粗糙度影响最大的是刀尖圆弧半径、 副偏 8 角和修光刃。刀尖圆弧半径对表面粗糙度有很大影响:半径增大时, 残留面积减小,另一方面变形将增加。 由于前一种变形影响较大,所以当刀尖圆弧半径增大时,表面粗 糙度将降低。因此在刚度允许的条件下.增大刀尖圆弧半径是降低表 面粗糙度的好方法。 副偏角越小,表面粗糙度越低。 但减小副偏角容易引起振动,故减小副偏角,必须视机床系统的 刚度而定。 当副偏角达到一定值时,再增大半径,也不会使表面粗糙度值增 加。 采用一段长度稍大于进给量的修光刃是降低表面粗糙度的有效 措施, 利用
17、增加修光刃来消除残留面积是实际加工工件中常常采用的 方法。 前角对表面粗糙度没有直接的影响,对抑制积屑瘤和麟刺有利, 可使刃口回弧半径减小,所以在中、低速范围内适当增大可有利于减 小表面粗糙度。 (2)刀具的刃磨质量 刀刃前、后刀面,切削刃本身的粗糙度值直接影响被加工面的粗 糙度。一般来说,刀刃前、后刀面的粗糙度比加工面要求的粗糙度小 l 一 2 级。 (3)刀具的材料 刀具材料与被加工材料金属分子的亲和力大时, 被加工材料容易 9 与刀具而生成粘结积屑瘤和鳞刺, 且被粘结在刀刃上的金属与被加工 表面分离时还会形成附加的粗糙度。 因此凡是粘结情况严重或摩擦严重的,表面粗糙度都大;反之如 果粘结
18、和摩擦不严重的,表面粗糙度都小。 2.2.22.2.22.2.22.2.2 切削条件切削条件切削条件切削条件 (1)切削速度 加工塑性材料时,切削速度对积屑瘤和麟刺的影响非常显若。 切 削速度较低易产生幼刺,低速至中速易形成积屑瘤,粗糙度也大。 避 开这个速度区域,表面粗糙度值会减小。 加工脆性材料时.因为一般不会形成积屑瘤和鳞刺,所以切削速 度对表面粗糙度无影响。 由此可见,用较高的切削速度,既可提高生产率,同时又可使加 工表面粗糙度较小。 所以最重要的是发展各种新刀的材料和相应的新刀具结构, 以便 有可能采用更高的切削速度。 (2)进给量 从几何因素中可知,减小进给量可以降低残留面积的高度
19、。同时 也可以降低积屑瘤和麟刺的高度, 因而减小进给量可以使表面粗糙度 值减小。 但进给量减小到一定值时,塑性变形要占主导地位,粗糙度值不 会明显下降。当进给量更小时,由于塑性变形程度增加,粗糙度反而 会有所上升。 10 (3)切削深度 一般来说,切削深度对加工表面粗粗度的影响是不明显的,在实 际工作中可以忽略不计。 但当切削深度在 0.02 到 0.03 之间时,由于刀刃不是绝对尖锐而 是有一定的圈弧半径,这时正常切削就不能进行,常挤压绕过加工表 面而切不下圆周将在加工表面上引起附加的扭性变形.从而使加工表 面粗糙度增大。 所以切削加工不能选用过小的切削深度。 但过大的切削深度也会 因切削力
20、、切削热剧增而形响加工精度和表面质量。 (4)切削液 切削液的冷却和润滑作用,能减小切削过程的界面摩擦,降低切 削粗糙度, 从而减少了切削过程的塑性变形并抑制积屑瘤和鳞刺的生 长,因此对减小加工表面粗糙度有利。 (5)被加工材料 一般来说,材料韧性越好,塑性变形倾向越大,在切削加工中, 表面粗糙度就越大。 被加工材料对表面粗糙度的影响与其金相组织 状态有关。 2.32.32.32.3 表面粗糙度的选择原则表面粗糙度的选择原则表面粗糙度的选择原则表面粗糙度的选择原则 1.选择原则 (1)在满足表面工作要求的情况下,尽量选大值。 (2)同一零件上,工作表面粗糙度值低于非工作表面粗糙度值。 (3)摩
21、擦表面粗糙度值低于非摩擦表面粗糙度值。 11 (4) 受循环负荷的表面及易引起应力集中的表面粗糙度值要小。 (5)配合性质稳定性要求高的结合表面,粗糙度值要小。对动 配合,配合间隙小的表面,粗糙度值要小;对静配合,要求连接牢固 可靠,承受载荷大时粗糙度值要小。 (6)配合性质相同,零件尺寸越小则粗糙度值越小;同一公差 等级,小尺寸比大尺寸的粗糙度值要小,轴比孔的粗糙度值要小。 13 2.常用的选择零件表面粗糙度的方法及弊病 在机械零件设计工作中粗糙度的选择方法有 3 种,即计算法、 试 验法和类比法。 应用最普遍的是类比法,此法虽简便、迅速、有效,但需要有充 足的参考资料。 目前,设计中最常用
22、的是与公差等级相适应的表面粗糙度,即计 算法。 通常情况下,机械零件尺寸公差要求越小,机械零件的表面粗糙 度值也越小,但它们之间又不存在固定的函数关系。 如一些机器、仪器上的手柄、手轮以及卫生设备、食品机械上的 某些机械零件的修饰表面,它们的表面要求加工得很光滑(即表面粗 糙度要求很高) ,但其尺寸公差要求却很低。 3.按零件类型及公差等级选择零件表面粗糙度 在实际工作中,对于不同类型的机器,其零件在相同尺寸公差的 条件下,对表面粗糙度的要求是有差别的,原因是在机械零件的设计 和制造过程中,对于不同类型的机器,其零件的配合稳定性和互换性 12 的要求是不同的。 因此,我们把粗糙度的选择同零件类
23、型联系起来更趋于合理。 机 械零件设计手册中把零件分为精密机械零件、 普通精密机械零件及通 用机械零件 3 种类型。 在此我们通过对机械设计手册中的相关数值进行统计分析, 将旧 的表面粗糙度国标(GB103168)转换为参照采用国际标准 ISO 颁布 的新国标(GB103183),采用优先选用的评定参数,即轮廓算术平均 偏差值 Ra(1)/(l)l0ydx。 并采用 Ra 优先选用的第一系列数值, 推导出表面粗糙度 Ra 与尺寸公差 IT 之间的有关关系式为: 第 1 类:Ra1.6Ra0.008IT Ra0.8Ra0.010IT 第 2 类:Ra1.6Ra0.021IT Ra0.8Ra0.0
24、18IT 第 3 类:Ra0.042IT 并将上述 3 种关系式列表,如表 1、表 2、表 3 所示。 表 1 用于精密机械零件 公 差 等 基本尺寸 33 6 6 1 1 0 1 8 3 0 5 0 8 0 1 20 1 80 2 50 3 15 4 00 13 级01830508012 0 1 80 2 50 3 15 4 00 5 00 表面粗糙度数值 IT60.10.20.4 IT70.10.20.40.8 IT8 0.20.41.6 IT9 0. 2 0.41.6 IT1 0 0.40.81.63.2 IT1 1 0.81.63.26.3 IT1 2 0. 8 1.63.26.3 表
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