機(jī)械表面加工質(zhì)量及其粗糙度的分析.doc

1.機(jī)械加工質(zhì)量1.1概述機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展剛剛經(jīng)歷了十幾年，在加工技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)發(fā)展了一批微小器件和系統(tǒng)，顯示了巨大生命力。作為大批量生產(chǎn)的機(jī)械加工產(chǎn)品，將以其價(jià)格低廉和優(yōu)良性能贏(yíng)得市場(chǎng)，在生物工程、化學(xué)、微分析、光學(xué)、國(guó)防、航天、工業(yè)控制、醫(yī)療、通訊及信息處理、農(nóng)業(yè)和家庭服務(wù)等領(lǐng)域有著潛在的巨大應(yīng)用前景。因此，專(zhuān)家門(mén)將機(jī)械加工質(zhì)量特別作為一個(gè)課題來(lái)研究。1.2機(jī)械加工表面質(zhì)量的含義機(jī)械加工表面質(zhì)量又稱(chēng)為表面完整性，其含義包括兩個(gè)方面的內(nèi)容。1.1.1表面層的幾何形狀特征表面層的幾何形狀特征如圖1所示，主要由以下幾部分組成：表面粗糙度它是指加工表面上較小間距和峰谷所組成的微觀(guān)幾何形狀特征，即加工表面的微觀(guān)幾何形狀誤差，其評(píng)定參數(shù)主要有輪廓算術(shù)平均偏差Ra或輪廓微觀(guān)不平度十點(diǎn)平均高度Rz。表面波度它是介于宏觀(guān)形狀誤差與微觀(guān)表面粗糙度之間的周期性形狀誤差，它主要是由機(jī)械加工過(guò)程中低頻振動(dòng)引起的，應(yīng)作為工藝缺陷設(shè)法消除。表面加工紋理它是指表面切削加工刀紋的形狀和方向，取決于表面形成過(guò)程中所采用的機(jī)加工方法及其切削運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。傷痕它是指在加工表面?zhèn)€別位置上出現(xiàn)的缺陷，如砂眼、氣孔、裂痕、劃痕等，它們大多隨機(jī)分布1。圖1加工表面的形狀誤差表面波度與粗糙度1.1.2表面層的物理力學(xué)性能表面層的物理力學(xué)性能主要指以下三個(gè)方面的內(nèi)容：表面層的加工冷作硬化；表面層金相組織的變化；表面層的殘余應(yīng)力。1.3表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響1.3.1表面質(zhì)量對(duì)零件耐磨性的影響零件的耐磨性是零件的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，當(dāng)摩擦副的材料、潤(rùn)滑條件和加工精度確定之后，零件的表面質(zhì)量對(duì)耐磨性將起著關(guān)鍵性的作用。由于零件表面存在著表面粗糙度，當(dāng)兩個(gè)零件的表面開(kāi)始接觸時(shí)，接觸部分集中在其波峰的頂部，因此實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于名義接觸面積，并且表面粗糙度越大，實(shí)際接觸面積越小。在外力作用下，波峰接觸部分將產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力。當(dāng)兩個(gè)零件作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，開(kāi)始階段由于接觸面積小、壓應(yīng)力大，在接觸處的波峰會(huì)產(chǎn)生較大的彈性變形、塑性變形及剪切變形，波峰很快被磨平，即使有潤(rùn)滑油存在，也會(huì)因?yàn)榻佑|點(diǎn)處壓應(yīng)力過(guò)大，油膜被破壞而形成干摩擦，導(dǎo)致零件接觸表面的磨損加劇。當(dāng)然，并非表面粗糙度越小越好，如果表面粗糙度過(guò)小，接觸表面間儲(chǔ)存潤(rùn)滑油的能力變差，接觸表面容易發(fā)生分子膠合、咬焊，同樣也會(huì)造成磨損加劇。表面層的冷作硬化可使表面層的硬度提高，增強(qiáng)表面層的接觸剛度，從而降低接觸處的彈性、塑性變形，使耐磨性有所提高。但如果硬化程度過(guò)大，表面層金屬組織會(huì)變脆，出現(xiàn)微觀(guān)裂紋，甚至?xí)菇饘俦砻娼M織剝落而加劇零件的磨損。1.3.2表面質(zhì)量對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響表面粗糙度對(duì)承受交變載荷的零件的疲勞強(qiáng)度影響很大。在交變載荷作用下，表面粗糙度波谷處容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。并且表面粗糙度越大，表面劃痕越深，其抗疲勞破壞能力越差。表面層殘余壓應(yīng)力對(duì)零件的疲勞強(qiáng)度影響也很大。當(dāng)表面層存在殘余壓應(yīng)力時(shí)，能延緩疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展，提高零件的疲勞強(qiáng)度；當(dāng)表面層存在殘余拉應(yīng)力時(shí)，零件則容易引起晶間破壞，產(chǎn)生表面裂紋而降低其疲勞強(qiáng)度。表面層的加工硬化對(duì)零件的疲勞強(qiáng)度也有影響。適度的加工硬化能阻止已有裂紋的擴(kuò)展和新裂紋的產(chǎn)生，提高零件的疲勞強(qiáng)度；但加工硬化過(guò)于嚴(yán)重會(huì)使零件表面組織變脆，容易出現(xiàn)裂紋，從而使疲勞強(qiáng)度降低。1.3.3表面質(zhì)量對(duì)零件耐腐蝕性能的影響表面粗糙度對(duì)零件耐腐蝕性能的影響很大。零件表面粗糙度越大，在波谷處越容易積聚腐蝕性介質(zhì)而使零件發(fā)生化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。表面層殘余壓應(yīng)力對(duì)零件的耐腐蝕性能也有影響。殘余壓應(yīng)力使表面組織致密，腐蝕性介質(zhì)不易侵入，有助于提高表面的耐腐蝕能力；殘余拉應(yīng)力的對(duì)零件耐腐蝕性能的影響則相反。1.3.4表面質(zhì)量對(duì)零件間配合性質(zhì)的影響相配零件間的配合性質(zhì)是由過(guò)盈量或間隙量來(lái)決定的。在間隙配合中，如果零件配合表面的粗糙度大，則由于磨損迅速使得配合間隙增大，從而降低了配合質(zhì)量，影響了配合的穩(wěn)定性；在過(guò)盈配合中，如果表面粗糙度大，則裝配時(shí)表面波峰被擠平，使得實(shí)際有效過(guò)盈量減少，降低了配合件的聯(lián)接強(qiáng)度，影響了配合的可靠性。因此，對(duì)有配合要求的表面應(yīng)規(guī)定較小的表面粗糙度值。在過(guò)盈配合中，如果表面硬化嚴(yán)重，將可能造成表面層金屬與內(nèi)部金屬脫落的現(xiàn)象，從而破壞配合性質(zhì)和配合精度。表面層殘余應(yīng)力會(huì)引起零件變形，使零件的形狀、尺寸發(fā)生改變，因此它也將影響配合性質(zhì)和配合精度。1.3.5表面質(zhì)量對(duì)零件其他性能的影響表面質(zhì)量對(duì)零件的使用性能還有一些其他影響。如對(duì)間隙密封的液壓缸、滑閥來(lái)說(shuō)，減小表面粗糙度Ra可以減少泄漏、提高密封性能；較小的表面粗糙度可使零件具有較高的接觸剛度；對(duì)于滑動(dòng)零件，減小表面粗糙度Ra能使摩擦系數(shù)降低、運(yùn)動(dòng)靈活性增高，減少發(fā)熱和功率損失；表面層的殘余應(yīng)力會(huì)使零件在使用過(guò)程中繼續(xù)變形，失去原有的精度，機(jī)器工作性能惡化等?？傊?，提高加工表面質(zhì)量，對(duì)于保證零件的的性能、提高零件的使用壽命是十分重要的。2影響表面質(zhì)量的工藝因素2.1影響機(jī)械加工表面粗糙度的因素及降低表面粗糙度的工藝措施2.1.1影響切削加工表面粗糙度的因素在切削加工中，影響已加工表面粗糙度的因素主要包括幾何因素、物理因素和加工中工藝系統(tǒng)的振動(dòng)。下面以車(chē)削為例來(lái)說(shuō)明。幾何因素切削加工時(shí)表面粗糙度的值主要取決于切削面積的殘留高度。下面兩式為車(chē)削時(shí)殘留面積高度的計(jì)算公式2：當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑r=0時(shí)，殘留面積高度H為（1）rrkctgctgkfH當(dāng)?shù)都鈭A弧r0時(shí)，殘留面積高度H為（2）從上面兩式可知，進(jìn)給量f、主偏角kr、副偏角kr和刀尖圓弧半徑r對(duì)切削加工表面粗糙度的影響較大。減小進(jìn)給量f、減小主偏角kr和副偏角kr、增大刀尖圓弧半徑r，都能減小殘留面積的高度H，也就減小了零件的表面粗糙度。物理因素在切削加工過(guò)程中，刀具對(duì)工件的擠壓和摩擦使金屬材料發(fā)生塑性變形，引起原有的殘留面積扭曲或溝紋加深，增大表面粗糙度。當(dāng)采用中等或中等偏低的切削速度切削塑性材料時(shí)，在前刀面上容易形成硬度很高的積屑瘤，它可以代替刀具進(jìn)行切削，但狀態(tài)極不穩(wěn)定，積屑瘤生成、長(zhǎng)大和脫落將嚴(yán)重影響加工表面的表面粗糙度值。另外，在切削過(guò)程中由于切屑和前刀面的強(qiáng)烈摩擦作用以及撕裂現(xiàn)象，還可能在加工表面上產(chǎn)生鱗刺，使加工表面的粗糙度增加。動(dòng)態(tài)因素振動(dòng)的影響在加工過(guò)程中，工藝系統(tǒng)有時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)，即在刀具與工件間出現(xiàn)的除切削運(yùn)動(dòng)之外的另一種周期性的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)的出現(xiàn)會(huì)使加工表面出現(xiàn)波紋，增大加工表面的粗糙度，強(qiáng)烈的振動(dòng)還會(huì)使切削無(wú)法繼續(xù)下去。除上述因素外，造成已加工表面粗糙不平的原因還有被切屑拉毛和劃傷等。2.1.2減小表面粗糙度的工藝措施在精加工時(shí)，應(yīng)選擇較小的進(jìn)給量f、較小的主偏角kr和副偏角kr、較大的刀尖圓弧半徑r，以得到較小的表面粗糙度。加工塑性材料時(shí)，采用較高的切削速度可防止積屑瘤的產(chǎn)生，減小表面粗糙度。根據(jù)工件材料、加工要求，合理選擇刀具材料，有利于減小表面粗糙度。適當(dāng)?shù)脑龃蟮毒咔敖呛腿袃A角，提高刀具的刃磨質(zhì)量，降低刀具前、后刀面的表面粗糙度均能降低工件加工表面的粗糙度。對(duì)工件材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，以?xì)化晶粒，均勻晶粒組織，可減小表面粗糙度。選擇合適的切削液，減小切削過(guò)程中的界面摩擦，降低切削區(qū)溫度，減小切削變形，抑制鱗刺和積屑瘤的產(chǎn)生，可以大大關(guān)小表面粗糙度。2.2影響表面物理力學(xué)性能的工藝因素2.2.1表面層殘余應(yīng)力外載荷去除后，仍殘存在工件表層與基體材料交界處的相互平衡的應(yīng)力稱(chēng)為rfH8殘余應(yīng)力。產(chǎn)生表面殘余應(yīng)力的原因主要有：冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力切削加工時(shí)，加工表面在切削力的作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，表層金屬的比容增大，體積膨脹，但受到與它相連的里層金屬的阻止，從而在表層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，在里層產(chǎn)生了殘余拉應(yīng)力。當(dāng)?shù)毒咴诒患庸け砻嫔锨谐饘贂r(shí)，由于受后刀面的擠壓和摩擦作用，表層金屬纖維被嚴(yán)重拉長(zhǎng)，仍會(huì)受到里層金屬的阻止，而在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，在里層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力切削加工時(shí)，大量的切削熱會(huì)使加工表面產(chǎn)生熱膨脹，由于基體金屬的溫度較低，會(huì)對(duì)表層金屬的膨脹產(chǎn)生阻礙作用，因此表層產(chǎn)生熱態(tài)壓應(yīng)力。當(dāng)加工結(jié)束后，表層溫度下降要進(jìn)行冷卻收縮，但受到基體金屬阻止，從而在表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。金相組織變化引起的殘余應(yīng)力如果在加工中工件表層溫度超過(guò)金相組織的轉(zhuǎn)變溫度，則工件表層將產(chǎn)生組織轉(zhuǎn)變，表層金屬的比容將隨之發(fā)生變化，而表層金屬的這種比容變化必然會(huì)受到與之相連的基體金屬的阻礙，從而在表層、里層產(chǎn)生互相平衡的殘余應(yīng)力。例如在磨削淬火鋼時(shí)，由于磨削熱導(dǎo)致表層可能產(chǎn)生回火，表層金屬組織將由馬氏體轉(zhuǎn)變成接近珠光體的屈氏體或索氏體，密度增大，比容減小，表層金屬要產(chǎn)生相變收縮但會(huì)受到基體金屬的阻止，而在表層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層金屬產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。如果磨削時(shí)表層金屬的溫度超過(guò)相變溫度，且冷卻以充分，表層金屬將成為淬火馬氏體，密度減小，比容增大，則表層將產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，里層則產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。2.2.2表面層加工硬化加工硬化的產(chǎn)生及衡量指標(biāo)機(jī)械加工過(guò)程中，工件表層金屬在切削力的作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，金屬的晶格扭曲，晶粒被拉長(zhǎng)、纖維化甚至破碎而引起表層金屬的強(qiáng)度和硬度增加，塑性降低，這種現(xiàn)象稱(chēng)為加工硬化（或冷作硬化）。另外，加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱會(huì)使得工件表層金屬溫度升高，當(dāng)升高到一定程度時(shí)，會(huì)使得已強(qiáng)化的金屬回復(fù)到正常狀態(tài)，失去其在加工硬化中得到的物理力學(xué)性能，這種現(xiàn)象稱(chēng)為軟化。因此，金屬的加工硬化實(shí)際取決于硬化速度和軟化速度的比率。評(píng)定加工硬化的指標(biāo)有下列三項(xiàng)：1）表面層的顯微硬度HV；2）硬化層深度h（m）；3）硬化程度N（3）00HVHVHVN式中：HV金屬原來(lái)的顯微硬度。影響加工硬化的因素1)切削用量的影響力切削用量中進(jìn)給量和切削速度對(duì)加工硬化的影響較大。增大進(jìn)給量，切削力隨之增大，表層金屬的塑性變形程度增大，加工硬化程度增大；增大切削速度，刀具對(duì)工件的作用時(shí)間減少，塑性變形的擴(kuò)展深度減小，故而硬化層深度減小。另外，增大切削速度會(huì)使切削區(qū)溫度升高，有利于減少加工硬化。2)刀具幾何形狀的影響刀刃鈍圓半徑對(duì)加工硬化影響最大。實(shí)驗(yàn)證明，已加工表面的顯微硬度隨著刀刃鈍圓半徑的加大而增大，這是因?yàn)閺较蚯邢鞣至?huì)隨著刀刃鈍圓半徑的增大而增大，使得表層金屬的塑性變形程度加劇，導(dǎo)致加工硬化增大。此外，刀具磨損會(huì)使得后刀面與工件間的摩擦加劇，表層的塑性變形增加，導(dǎo)致表面冷作硬化加大。3)加工材料性能的影響工件的硬度越低、塑性越好，加工時(shí)塑性變形越大，冷作硬化越嚴(yán)重。3控制表面質(zhì)量的工藝途徑隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)零件的表面質(zhì)量的要求已越來(lái)越高。為了獲得合格零件，保證機(jī)器的使用性能，人們一直在研究控制和提高零件表面質(zhì)量的途徑。提高表面質(zhì)量的工藝途徑大致可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是用低效率、高成本的加工方法，尋求各工藝參數(shù)的優(yōu)化組合，以減小表面粗糙度；另一類(lèi)是著重改善工件表面的物理力學(xué)性能，以提高其表面質(zhì)量。3.1降低表面粗糙度的加工方法3.1.1超精密切削和低粗糙度磨削加工超精密切削加工超精密切削是指表面粗糙度為Ra0.04m以下的切削加工方法。超精密切削加工最關(guān)鍵的問(wèn)題在于要在最后一道工序切削0.1m的微薄表面層，這就既要求刀具極其鋒利，刀具鈍圓半徑為納米級(jí)尺寸，又要求這樣的刀具有足夠的耐用度，以維持其鋒利。目前只有金剛石刀具才能達(dá)到要求。超精密切削時(shí)，走刀量要小，切削速度要非常高，才能保證工件表面上的殘留面積小，從而獲得極小的表面粗糙度。小粗糙度磨削加工為了簡(jiǎn)化工藝過(guò)程，縮短工序周期，有時(shí)用小粗糙度磨削替代光整加工。小粗糙度磨削除要求設(shè)備精度高外，磨削用量的選擇最為重要。在選擇磨削用量時(shí)，參數(shù)之間往往會(huì)相互矛盾和排斥。例如，為了減小表面粗糙度，砂輪應(yīng)修整得細(xì)一些，但如此卻可能引起磨削燒傷；為了避免燒傷，應(yīng)將工件轉(zhuǎn)速加快，但這樣又會(huì)增大表面粗糙度，而且容易引起振動(dòng)；采用小磨削用量有利于提高工件表面質(zhì)量，但會(huì)降低生產(chǎn)效率而增加生產(chǎn)成本；而且工件材料不同其磨削性能也不一樣，一般很難憑手冊(cè)確定磨削用量，要通過(guò)試驗(yàn)不斷調(diào)整參數(shù)，因而表面質(zhì)量較難準(zhǔn)確控制。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)磨削用量最優(yōu)化作了不少研究，分析了磨削用量與磨削力、磨削熱之間的關(guān)系，并用圖表表示各參數(shù)的最佳組合，加上計(jì)算機(jī)的運(yùn)用，通過(guò)指令進(jìn)行過(guò)程控制，使得小粗糙度磨削逐步達(dá)到了應(yīng)有的效果。3.1.2采用超精密加工、珩磨、研磨等方法作為最終工序加工超精密加工、珩磨等都是利用磨條以一定壓力壓在加工表面上，并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)以降低表面粗糙度和提高精度的方法，一般用于表面粗糙度為Ra0.4