關於影響機械加工表面質量的因素及改進措施

論文類別:工學論文 > 電子機械論文
論文作者: 丁…
上傳時間:2011/11/10 10:55:00

摘要:本文對機械加工表面質量進行了分析,指出了影響機械加工表面質量的因素,並提出了提高機械加工表面質量的措施,對工程實踐有一定的指導作用。

關鍵詞:機械加工 表面質量 改進措施

機械加工表面质量,是指零件在機械加工后被加工面的微觀不平度,也叫粗糙度,其加工後的表面质量直接影響被加工件的物理、化學及力學性能。產品的工作性能、可靠性、壽命在很大程度上取決於主要零件的表面质量。機械零件的破坏,一般總是從表面層開始的。一般而言,重要或關鍵零件的表面質量要求都比普通零件要高。這是因為表面質量好的零件會在很大程度上提高其耐磨性、耐蝕性和抗疲勞破損能力。研究機械加工表面質量的目的就是為了掌握機械加工中各種工藝因素對加工表面質量影響的規律,以便運用這些规律來控制加工過程,最終達到改善表面質量、提高產品使用性能的目的。

1.機械加工表面質量對產品性能的影響

1.1 表面質量對耐磨性的影響

零件磨损一般可分為三個階段,初期磨損階段、正常磨損階段和劇烈磨損階段。表面粗糙度對零件表面磨損的影响很大。一般說表面粗糙度值愈小,其磨損性愈好。但表面粗糙度值太小,潤滑油不易儲存,接觸面之間容易發生分子粘接,磨損反而增加。因此,接觸面的粗糙度有一個最佳值,其值與零件的工作情況有關,工作載荷加大时,初期磨損量增大,表面粗糙度最佳值也加大。

1.2表面質量對疲勞強度的影響

金屬受交變載荷作用後產生的疲勞破壞往往發生在零件表面和表面冷硬層下面,因此,零件的表面質量對疲勞強度影響很大。表面粗糙度值愈大,抗疲勞破壞的能力就愈差。

1.3表面質量对耐蝕性的影響

零件的耐蝕性在很大程度上取決于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大,抗蝕性就愈差。

1.4表面質量對配合質量的影響

表面粗糙度值的大小將影響配合表面的配合質量。對於間隙配合,粗糙度值大會使磨损加大,間隙增大,破壞了要求的配合性質。對於過盈配合,裝配過程中一部分表面凸峰被擠平,實际過盈量減小,降低了配合件間的連接強度。

2.影響機械加工表面質量的因素

2.1切削加工

刀具幾何形狀的復映刀具相對於工件作進給運動时,在加工表面留下了切削層残留面積,其形狀是刀具幾何形狀的復映。減小進給量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圓弧半徑,均可減小殘留面積的高度。此外,適當增大刀具的前角以減小切削時的塑性變形程度,合理選擇潤滑液和提高刀具刃磨质量以減小切削時的塑性變形和抑制刀瘤、鱗刺的生成,也是減小表面粗糙度值的有效措施。

工件材料的性質。加工塑性材料時,由刀具對金屬的擠壓產生了塑性變形,加之刀具迫使切屑與工件分离的撕裂作用,使表面粗糙度值加大。工件材料韌性愈好,金屬的塑性變形愈大,加工表面就愈粗糙。加工脆性材料時,其切屑呈碎粒狀,由於切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點,使表面粗糙。

磨削加工影響表面粗糙度的因素。正像切削加工時表面粗糙度的形成過程一樣,磨削加工表面粗糙度的形成也是由幾何因素和表面金属的塑性變形來決定的。影響磨削表面粗糙的主要因素有:砂輪的粒度、砂輪的硬度、砂輪的修整磨削速度、磨削徑向進給量與光磨次数工件圓周進給速度與軸向進給量冷卻潤滑液。

影響加工表面层物理機械性能的因素。在切削加工中,工件由於受到切削力和切削熱的作用,使表面層金屬的物理機械性能產生變化,最主要的變化是表面層金屬顯微硬度的變化、金相組織的變化和殘余应力的產生。由於磨削加工時所產生的塑性變形和切削熱比刀刃切削時更嚴重,因而磨削加工後加工表面層上述三項物理機械性能的變化會很大。

2.2表面層冷作硬化

冷作硬化及其評定参數。機械加工過程中因切削力作用產生的塑性變形,使品格扭曲、畸變,晶粒間產生剪切滑移,品粒被拉長和纖維化,甚至破碎,這些都會使表面層金属的硬度和強度提高,这種現象稱為冷作硬化(或稱为強化)。表面層金屬強化的結果,會增大金屬變形的阻力,減小金屬的塑性,金屬的物理性質也會發生變化。被冷作硬化的金屬處於高能位的不稳定狀態,只要一有可能,金屬的不穩定狀態就要向比較穩定的狀態轉化,這種现象稱為弱化。弱化作用的大小取決於溫度的高低、溫度持續時間的長短和強化程度的大小。由於金屬在機械加工过程中同時受到力和熱的作用,因此,加工後表層金屬的最後性質取決於强化和弱化綜合作用的结果。評定冷作硬化的指標有三項,即表層金屬的显微硬度HV、硬化層深度h和硬化程度N。

影響冷作硬化的主要因素。切削刃鈍圓半徑增大,對表層金屬的擠压作用增強,塑性變形加劇,導致冷硬增強。刀具後刀面磨損增大,后刀面與被加工表面的摩擦加剧,塑性變形增大,導致冷硬增强。切削速度增大,刀具與工件的作用時間縮短,使塑性變形擴展深度减小,冷硬層深度減小。切削速度增大後,切削熱在工件表面層上的作用时間也縮短,將使冷硬程度增加。進給量增大,切削力也增大,表層金屬的塑性變形加劇,冷硬作用加強。工件材料的塑性愈大,冷硬現象就愈嚴重。

2.3表面層材料金相組织變化

當切削熱使被加工表面的溫度超過相變溫度後,表層金属的金相組織將會發生變化。

磨削燒傷。當被磨工件表面層溫度達到相變溫度以上時,表層金屬發生金相組織的變化,使表层金屬強度和硬度降低,並伴有殘余應力產生,甚至出現微觀裂紋,這種现象稱為磨削燒傷。在磨削淬火鋼時,可能產生以下三種燒傷:一是回火燒傷。如果磨削區的溫度未超過淬火鋼的相變温度,但已超過馬氏体的轉變溫度,工件表層金屬的回火馬氏體組織將转變成硬度較低的回火組織(索氏體或托氏體),這種燒傷称為回火燒傷。二是淬火燒伤。如果磨削區溫度超過了相變温度,再加上冷卻液的急冷作用,表层金屬發生二次淬火,使表層金屬出現二次淬火馬氏體組织,其硬度比原來的回火马氏體的高,在它的下層,因冷卻较慢,出現了硬度比原先的回火马氏體低的回火組織(索氏体或托氏體),這種烧傷稱為淬火燒傷。三是退火燒伤。如果磨削區溫度超過了相變溫度,而磨削區域又無冷却液進入,表層金屬將產生退火組織,表面硬度將急劇下降,這种燒傷稱為退火燒傷。

改善磨削燒傷的途径,磨削熱是造成磨削烧傷的根源,故改善磨削燒傷有兩個途徑:一是盡可能地減少磨削熱的產生;二是改善冷卻條件,盡量使產生的熱量少傳人工件。正確選擇砂輪,合理選擇切削用量改善冷卻條件。

2.4表面層殘余應力

表面殘余應力产生的原因。一是切削時在加工表面金屬層內有塑性變形發生,使表面金屬的比容加大,由於塑性變形只在表層金屬中產生,而表層金屬的比容增大,體積膨脹,不可避免地要受到與它相連的裏層金屬的阻止,因此就在表面金屬層產生了殘余應力,而在裏层金屬中產生殘余拉應力。二是切削加工中,切削區會有大量的切削熱產生。三是不同金相組織具有不同的密度,亦具有不同的比容,如果表面層金屬產生了金相組織的變化,表層金屬比容的变化必然要受到與之相連的基體金屬的阻礙,因而就有殘余应力產生。

零件主要工作表面最終工序加工方法的選擇。零件主要工作表面最终工序加工方法的選擇至關重要,因為最終工序在該工作表面留下的殘余应力將直接影響機器零件的使用性能。選擇零件主要工作表面最終工序加工方法,須考慮該零件主要工作表面的具体工作條件和可能的破坏形式。在交變載荷作用下,機器零件表面上的局部微觀裂紋,会因拉應力的作用使原生裂紋擴大,最後導致零件斷裂。从提高零件抵抗疲勞破壞的角度考慮,該表面最終工序應選擇能在該表面產生殘余壓應力的加工方法。

3.提高加工表面質量的措施

通過前面的分析,我們知道影響表面粗糙度的因素有切削條件(切削速度、進給量、切削液)、刀具(幾何參數、切削刃形狀、刀具材料、磨損情況)、工件材料及熱處理、工藝系統剛度和機床精度等幾個方面。

在了解了影響表面粗糙度的因素之後,我們必須根據需要降低加工表面的粗糙度,改善機械加工的表面質量。

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提高加工表面質量的措施主要有:

3.1 刀具方面

為了減少殘留面積,刀具應采用較大的刀尖圓弧半徑、較小的副偏角或合適(=0)的修光刃或寬刃精刨刀、精車刀等。選用與工件材料適應性好的刀具材料,避免使用磨損嚴重的刀具,這些均有利於減小表面粗糙度。

3.2工件材料方面

工件材料性質中,對加工表面粗糙度影响較大的是材料的塑性和金相組織。對於塑性大的低碳鋼、低合金鋼材料,預先進行正火處理以降低塑性,切削加工後能得到較小的粗糙度。工件材料應有適宜的金相組織(包括狀態、晶粒度大小及分布)。

3.3切削條件方面

以較高的切削速度切削塑性材料可抑制積屑瘤出現,減小進給量,采用高效切削液,增強工藝系統剛度,提高機床的動態穩定性,都可獲得好的表面質量。

3.4加工方法方面

主要是采用精密、超精密和光整加工。选用較小的徑向進給量,選用较大的砂輪速度和較小的轴向進給速度,工件速度應該低些,采用細粒度砂輪;精細修整砂輪工作表面,使砂輪上磨粒鋒利,也可達到較好的磨削效果。选擇適宜的磨削液能獲得低粗糙度表面。

3.5減少加工表面層變形強化和殘余應力也能提高加工表面質量

合理選擇刀具的幾何形狀,采用较大的前角和後角,並在刃磨時盡量減小其切削刃刃口半径;使用刀具時,應合理限制其後刀面的磨損寬度;合理選擇切削用量,采用較高的切削速度和較小的進給量;加工時采用有效的切削液等,可減少加工表面層變形強化。

當零件表面存在殘余應力時,其疲劳強度會明顯下降,特別是對有應力集中或在有腐蝕性介質中工作的零件,影響更為突出。為此,應盡可能在机械加T中減小或避免產生残余應力。但是,影響残余應力產生的因素較为復雜。總的說來,凡能減小塑性變形和降低切削溫度的因素都能使已加工表面的殘余應力減小。

此外,生產中常采用滾壓、擠(脹)孔、噴丸強化、金剛石壓光等冷壓加工方法来改善表面層材質的变化。通過這些措施在生產實踐中的应用,大大的提高了機械加工零件的表面質量,提高了產品的工作性能、可靠性、壽命。

參考文獻

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