制造过程通常会在产品表面留下不规则的纹理。随着对高质量饰面的需求不断增长,表面饰面的重要性变得越来越重要。表面处理不仅仅是为了美观或实现更光滑的外观;它显着影响产品的功能、耐用性和整体性能。
浏览我们的指南,了解有关表面精加工的所有信息,并获取有关实现所需光洁度和选择合适的表面粗糙度的提示 数控加工。
表面光洁度,也称为表面纹理或表面形貌,是指零件表面的整体光滑度、纹理和质量。它是制造和工程中的一个重要因素,因为它不仅影响产品的外观,还影响产品的性能和功能。
表面光洁度的关键特征主要包括以下三个方面:
表面粗糙度
表面粗糙度是指表面上微小的、精细间隔的不规则性,肉眼可能看不到,但用手指抚过表面时可以感觉到。
粗糙度通常使用 Ra(平均粗糙度)等参数来测量。 Ra 值越低,表示不规则现象越少越小,从而形成更光滑的表面,从而减少摩擦和磨损。当专业人士提到表面光洁度时,他们通常特指表面粗糙度。
波纹度
波纹度与表面粗糙度不同,因为它包含表面上更大、间隔更宽的不规则性。这些可能是由制造过程中的机器振动、变形或翘曲等因素引起的。表面波纹度会显着影响零件的装配方式及其密封能力。
Lay(表面图案方向)
捻向是表面图案的主要方向,通常由所使用的制造工艺产生,并且可以是平行的、垂直的、圆形的、交叉阴影的、径向的、多方向的或各向同性的(非方向的)。
捻向影响摩擦、润滑和美观。在光学元件中,特定的铺设方向可以减少光散射并提高清晰度。
如前所述,表面光洁度显着影响产品的外观、性能、耐用性和整体质量。这正是表面光洁度在制造过程中发挥重要作用的原因。下面我们来分析一下表面光洁度如此重要的原因。
美观:产品的第一印象通常基于其外观和触觉。高质量的表面光洁度可增强视觉吸引力,并可显着影响您的感知和满意度,尤其是消费品。
摩擦和磨损:特别是在机械应用中,更光滑的表面光洁度可减少运动部件之间的摩擦和磨损,从而最大限度地减少热量产生并提高部件的效率和使用寿命。
密封和装配:适当的表面光洁度可确保零件更好的密封和装配,防止泄漏并确保精确装配。
疲劳强度:更光滑的表面可以通过减少应力集中和裂纹萌生的可能性来提高疲劳强度。
耐腐蚀性:更好的表面光洁度可以最大限度地减少腐蚀剂积聚的缝隙,从而增强耐腐蚀性。
涂层的附着力:表面纹理会影响涂层或油漆对产品的附着力。
提高导电性和散热性:在电子和热应用中,高质量的表面光洁度可增强导电性并有助于散热。
控制光反射和散射:在光学应用中,表面光洁度会影响光的反射和散射方式。
鉴于表面光洁度对制造的关键影响,测量表面粗糙度在生产过程中至关重要。这使我们能够准确了解产品的实际表面特性,确保它们满足设计和功能要求。
测量表面粗糙度涉及使用各种测量技术和数据分析来评估产品表面轮廓的相对平滑度。量化粗糙度最常用的数值参数是 Ra。
有多种方法可用于测量表面粗糙度。测量技术的主要类型包括:
接触方法涉及使用工具(例如触针式探针仪器)物理接触表面。该装置相对于表面铺设方向垂直移动以追踪表面轮廓。探头的移动生成详细的表面轮廓图,提供表面粗糙度的精确数据。
这些方法主要用于直接接触表面不会造成损坏的制造环境。然而,它们可能不适合精致或柔软的表面,这些表面可能会因探测动作而变形。
光学轮廓仪/白光干涉仪:该技术涉及将光束投射到表面上并测量反射光的图案,以准确确定表面高度变化,从而创建详细的 3D 表面轮廓。它适用于精密工程、半导体和光学行业的精致或柔软表面。然而,它需要具有良好反射性能的表面,并且设备可能很昂贵。
激光扫描共焦显微镜: 此方法使用聚焦激光光束扫描表面,生成高分辨率的地形 3D 图像。它非常适合分析生物医学研究、材料科学和精密工程中的复杂 3D 表面。然而,其成本昂贵且操作复杂。
3D 激光扫描:该技术使用激光捕获表面的形貌并创建 3D 模型。它通常用于较大的表面,可以快速生成全面的表面轮廓。它适用于汽车、航空航天和建筑应用中的大型或复杂表面。虽然它可以有效地处理大面积,但与其他方法相比,它的分辨率较低,并且不适合高精度测量或非常小的表面特征。
比较方法涉及将所讨论的表面与具有已知粗糙度的一组标准样品进行比较。
这些方法快速且经济高效,适合生产环境中的例行检查。然而,它们更加主观,不太适合需要高精度的应用。
过程中方法将表面粗糙度测量直接集成到制造过程中。使用在线轮廓仪或数控机床中的集成传感器等工具。这些工具提供表面光洁度的实时数据,以便立即进行调整。
这种方法对于连续生产线和自动化制造系统中的实时监控和质量控制特别有用。然而,在由于空间、成本或复杂性限制而无法将测量系统集成到过程中的情况下,它可能会受到限制。
对于上述所有测量方法,请在记录时注明测量单位。在美国,粗糙度测量使用微英寸,通常写作 µin,而国际上使用千分尺 (SI),写作 µm 或 um。这是一个简短的转换:
如果不理解上面表面粗糙度表中的符号和参数,我们就会在复杂的制造领域无所适从。这些指标就像地图上的标记,指导我们确保表面的质量、功能和适用性满足预期。
Ra:平均粗糙度
Ra 定义为粗糙度轮廓相对于平均线的平均变化。用数学术语来说,它是在评估长度上从平均线测量的表面高度偏差绝对值的算术平均值。
Ra 是最常用的表面粗糙度参数,因为它提供了表面纹理的简单、一般指示,给出了整体粗糙度的平衡视图,而不会受到极端峰值或谷值的过度影响。
其中:L是测量长度。y(x) 是表面轮廓上给定点到中线的垂直距离。
由于这种平均化,Ra 值低于粗糙度变化的实际高度。
Rz:平均最大高度
为了计算 Rz,将评估长度分为五个相等的长度。 Rz 是这五个相等采样长度中每个采样长度内最大峰谷高度的平均值。
与 Ra 相比,Rz 提供了更详细的表面粗糙度表示,并且对表面轮廓的峰和谷更敏感。它通常用于极端表面纹理至关重要的行业,例如密封表面,其中最高的峰和最深的谷会影响密封件和垫圈的性能。
实际上,为了方便起见,有时使用近似公式“7.2×Ra=Rz”。然而,这是一个粗略的估计,并不总是准确的。
Rp:最大轮廓峰高
Rp 是从评估长度内的平均线测量的表面轮廓中最高单峰的高度。
Rv:最大剖面谷深
Rv 是在评估长度内从平均线测量的表面轮廓中最深的单个谷的深度。
Rt:总粗糙度
Rt是整个评估长度内最高峰和最低谷之间的总垂直距离。
它对于整体质量控制和确保表面没有极端偏差很有用。
Rmax:最大粗糙度深度
Rmax是评估长度内的最大峰谷高度。它着眼于各个段内的最大峰谷差,然后选择这些段中的最大值。
Rmax 专注于最重要的局部粗糙度,适用于需要更严格控制表面特定区域的应用,例如关键密封或接触表面。
RMS:均方根粗糙度
RMS,也称为 Rq,是评估长度上表面高度与平均线偏差的均方根平均值。与 Ra 相比,它对较大偏差给予更多权重,对于对较大表面变化敏感的应用特别有用,例如精密工程和光学应用。
其中:Rq 是 RMS 粗糙度值。L 是测量长度。y(x) 是垂直方向表面轮廓上的一点到中线的距离。
粗糙度符号可以作为复选标记,其点为标记停留在要指定的表面上。请参阅下表了解更多说明。
在实践中,从原材料到具体加工工艺的选择,甚至刀具条件、加工参数等加工条件,都会极大地影响零件的表面质量。在加工材料确定的情况下,为了获得理想的表面光洁度,可以从以下几个方面考虑:
值得一提的是,由于额外的加工和更光滑的表面会产生额外的成本,因此工程师或设计师不要强加不必要的严格粗糙度要求,这一点至关重要。只要有可能,粗糙度规格应在主要制造工艺的限制范围内设定。
如前面提到的表面粗糙度比较图所示,CNC 加工可以产生非常广泛的表面粗糙度。那么,什么样的表面粗糙度最适合您的项目呢?让我们来看看吧。
近似表面粗糙度换算表 | ||||
粗糙度等级数字 | 美国系统 - Ra (μin) | 美国系统 - RMS(微英寸) | 公制 - Ra (μm) | 公制 - RMS (µm) |
N12 | 2000年 | 2200 | 50 | 55 |
N11 | 1000 | 1100 | 25 | 27.5 |
N10 | 500 | 550 | 12.5 | 13.75 |
N9 | 250 | 275 | 8.3 | 9.13 |
N8 | 125 | 137.5 | 3.2 | 3.52 |
N7 | 63 | 69.3 | 1.6 | 1.76 |
N6 | 32 | 35.2 | 0.8 | 0.88 |
N5 | 16 | 17.6 | 0.4 | 0.44 |
N4 | 8 | 8.8 | 0.2 | 0.22 |
N3 | 4 | 4.4 | 0.1 | 0.11 |
氮气 | 2 | 2.2 | 0.05 | 0.055 |
N1 | 1 | 1.1 | 0.025 | 0.035 |
上图中,ISO 1302 指示不同级别的表面粗糙度。以下是 CNC 加工的一些典型粗糙度等级:
Ra 3.2 µm (N8)
Ra 3.2 µm 表面光洁度呈现出适度光滑的表面,通常用作商用机械的标准。这种表面光洁度虽然留下可见但不会过多的切割痕迹,但对于大多数消费部件来说是可以接受的,并且为许多应用提供了足够光滑的表面。
Ra 1.6 µm (N7)
Ra 1.6 µm 表面光洁度代表相对光滑的表面,具有几乎不易察觉的最小切割痕迹。这种表面处理适用于缓慢移动和轻度承载的表面,是泵部件和液压部件的理想选择。
Ra 0.8 µm (N6)
Ra 0.8 µm 表面光洁度意味着表面极其光滑和精确。它是许多精密工程应用的标准,例如航空航天和汽车零部件。
Ra 0.4 µm (N5)
Ra 0.4 µm 表面光洁度提供几乎镜面般的光洁度。这种级别的平滑度需要付出巨大的努力才能实现,并且只有当它是首要任务时才应提出要求。它用于光学元件、科学仪器和其他高精度应用。
表面光洁度是制造的一个组成部分,直接受到所使用的工艺的影响。它显着影响最终产品的功能、美观和耐用性。然而,需要注意的是,表面粗糙度并不总是越低越好,必须考虑实际使用和预算。
作为一站式加工制造商,志高不仅采用一系列制造工艺和表面处理服务来达到严格的表面光洁度标准,而且提供适合您特定项目需求的经济高效的解决方案。
要点:
在工业应用中,金属的选择不仅受强度,硬度和密度等机械性能的影响,而且还受热特性的影响。要考虑的最关键的热特性之一是金属的熔点。 例如,如果金属融化,炉件,喷气发动机燃料喷嘴和排气系统可能会灾难性地失败。结果可能会堵塞孔或发动机故障。熔点在制造过程中也至关重要,例如冶炼,焊接和铸件,金属需要以液态形式进行。这需要设计旨在承受熔融金属的极热的工具。即使金属在熔点以下的温度下可能会遭受蠕变引起的裂缝,但设计人员在选择合金时通常会使用熔点作为基准。 金属的熔点是什么? 熔点是在大气压下固体开始过渡为液体的最低温度。在这种温度下,固体和液相都在平衡中共存。一旦达到熔点,直到金属完全融化,额外的热量就不会增加温度。这是因为在相变期间提供的热量用于克服融合的潜热。 不同的金属具有不同的熔点,这些熔点取决于它们的原子结构和粘结强度。紧密包装原子布置的金属通常具有较高的熔点。例如,钨在3422°C时具有最高之一。金属键的强度会影响克服原子之间的吸引力并导致金属融化所需的能量。例如,与铁和钨等过渡金属相比,铂和黄金等金属的熔点相对较低,因为它们的粘结力较弱。 如何改变金属的熔点? 金属的熔点通常在正常条件下是稳定的。但是,某些因素可以在特定情况下对其进行修改。一种常见方法是合金 - 将其他元素添加到纯金属上,形成具有不同熔点的新材料。例如,与纯铜相比,将锡与铜混合以产生青铜的熔点。 杂质也可以产生明显的效果。即使是痕量的外国元素也会破坏原子键并转移熔化温度,这取决于物质。 物理形式也很重要。纳米颗粒,薄膜或粉末形式的金属通常在温度较低的情况下融化,因为其高表面积和原子行为改变了它们的散装。 最后,极端压力可以改变原子相互作用的方式,通常通过压缩原子结构来提高熔点。尽管这在日常应用中很少关注,但它成为材料选择和安全性评估的关键考虑因素,例如航空航天,深度钻探和高压物理学研究。 金属和合金熔点图 普通金属和合金的熔点 金属/合金熔点(°C)熔点(°F)铝6601220黄铜(Cu-Zn合金)〜930(组成依赖性)〜1710青铜(Cu-Sn合金)〜913〜1675碳钢1425–15402600–2800铸铁〜1204〜2200铜10841983金子10641947年铁1538年2800带领328622镍14532647银9611762年不锈钢1375–1530(依赖级)2500–2785锡232450钛1670年3038钨〜3400〜6150锌420787 金属熔点的完整列表(高到低) 金属/合金熔点(°C)熔点(°F)钨(W)34006150rhenium(re)31865767osmium(OS)30255477坦塔尔(TA)29805400钼(MO)26204750niobium(NB)24704473虹膜(IR)24464435松(ru)23344233铬(CR)1860年3380钒(V)19103470rh1965年3569钛(TI)1670年3040钴(CO)14952723镍(NI)14532647钯(PD)1555年2831铂(PT)1770年3220thor17503180Hastelloy(合金)1320–13502410–2460inconel(合金)1390–14252540–2600Incoloy(合金)1390–14252540–2600碳钢1371–15402500–2800锻铁1482–15932700–2900不锈钢〜1510〜2750莫内尔(合金)1300–13502370–2460铍(BE)12852345锰(MN)12442271铀(U)11322070杯子1170–12402138–2264延性铁〜1149〜2100铸铁1127–12042060–2200黄金(AU)10641945年铜(CU)10841983银(AG)9611761年红色黄铜990–10251810–1880青铜〜913〜1675黄色黄铜905–9321660–1710金钟黄铜900–9401650–1720硬币银8791614年纯银8931640年锰青铜865–8901590–1630铍铜865–9551587–1750铝青铜600–6551190–1215铝(纯)6601220镁(mg)6501200p pl〜640〜1184锑(SB)6301166镁合金349–649660–1200锌(Zn)420787镉(CD)321610鞭毛(BI)272521巴比特(合金)〜249〜480锡(SN)232450焊料(PB-SN合金)〜215〜419硒(SE)*217423ind157315钠(NA)98208钾(K)63145gall〜30〜86剖记(CS)〜28〜83汞(HG)-39-38 关键要点: 高熔点金属(例如钨,rhenium和tantalum)对于极端热量应用至关重要。这些金属在苛刻的炉子和航空航天环境中保留其结构完整性。钼也可以抵抗熔化,并且对于建造高温熔炉非常有价值。 铁,铜和钢等中等熔点金属将可管理的熔融温度与良好的机械或电气性能结合在一起,使其用于构造,工具和电气系统的多功能。 低熔点金属,例如炮,铯,汞,锡和铅,对于焊料,温度计和低熔合合金等专业应用而言是有价值的。
剪切模量,有时称为刚性模量,是一种基本材料特性,可在受剪切力时测量材料的刚性。用日常的话来说,它描述了一种物质在与另一部分平行滑动时塑造变化的耐药性。在本文中,我们将解释什么是剪切模量,计算方式以及与其他弹性模量的比较以及现实世界工程示例的比较。 什么是剪切模量? 在图中,将块固定在底部,同时平行于顶表面施加力F。该力导致水平位移ΔX,块变形为倾斜的形状。倾斜角θ表示剪切应变(γ),它描述了形状的变形程度。 剪切应力(τ)是施加的力除以表面积A的作用:力的作用: τ= f / a 剪切应变(γ)是水平位移与块高度的比率: γ=ΔX / L(对于小角度,弧度中的θ≈γ) 剪切模量(g)有时用μ或s表示,可以测量材料对这种类型的失真的耐药性。它被定义为剪切应力与剪切应变的比率: g =τ /γ=(f / a) /(Δx / l)=(f·l) /(a·Δx) 在SI系统中,剪切模量的单位是Pascal(PA),它等于每平方米牛顿一个(N/m²)。由于Pascal是一个很小的单元,因此实心材料的剪切模量通常很大。因此,工程师和科学家通常在Gigapascals(GPA)中表达G,其中1 GPA =10⁹PA。 剪切模量值 下表显示了常见材料的典型剪切模量值: 材料剪切模量(GPA)铝26–27黄铜35–41碳钢79–82铜44–48带领5–6不锈钢74–79锡〜18钛(纯)41–45具体的8–12玻璃(苏打石)26–30木材(道格拉斯冷杉)0.6–1.2尼龙(未填充)0.7–1.1聚碳酸酯0.8–0.9聚乙烯0.1–0.3橡皮0.0003–0.001钻石480–520 这些数字显示了刚性有多少材料。金属倾向于在数十千兆内的剪切模量。陶瓷和玻璃的范围相似,而混凝土却低一些。塑料通常大约1 GPA或更少。甚至更柔软的是橡胶和弹性体,仅在巨型范围内具有剪切模量。在最顶部,钻石达到了数百个千斤顶,是最僵硬的材料之一。 具有高剪切模量的材料强烈抵抗变形或扭曲。这就是为什么钢和钛合金在桥梁,建筑物和飞机框架等结构中至关重要的原因。它们的刚度可防止横梁和紧固件在重载下弯曲或剪切。玻璃和陶瓷虽然脆弱,但也受益于相对较高的模量。它可以帮助他们在镜头和半导体晶圆等应用中保持精确的形状。钻石具有很高的剪切模量,即使在大力下,也几乎没有弹性应变。这就是为什么钻石切割工具保持锋利的原因。 另一方面,当灵活性是一个优势时,选择具有低剪切模量的材料。橡胶和其他弹性体用于振动阻尼器,密封件和地震底座隔离器,因为它们的柔软度使它们可以轻松剪切并吸收能量。聚合物(例如聚乙烯或尼龙)在柔韧性和强度之间取得了平衡,这就是为什么它们被广泛用于轻质结构和耐冲击的部分。即使是木材等天然材料也会显示出强烈的方向差异:在整个谷物上,其剪切模量也远低于其沿谷物,并且建筑商需要考虑到这一点,以免在剪切力下裂开。 剪切模量计算 可以使用不同的测试方法来确定剪切模量G,并且选择取决于材料以及您是否需要静态还是动态值。对于金属和其他各向同性固体,一种常见的方法是在杆上或薄壁管上进行静态扭转测试。扭转角与施加扭矩的斜率给出了G。ASTME143指定了结构材料的室温程序。 对于动态测量,可以使用扭转摆:测量样品 - 质量系统的振荡周期,并将其与(复杂的)剪切模量相关联。 ASTM D2236是描述这种塑料方法的旧标准。 对于纤维增强的复合材料,使用V-网状方法(例如ASTM D5379(iosipescu))和ASTM D7078(V-Notched Rail剪切)获得了平面内剪切模量。 ASTM D4255(轨道剪切)也广泛用于聚合物矩阵复合材料。 请注意,ASTM A938是用于评估扭转性能的金属线的扭转测试(例如延性);它不是确定G的标准方法。 有时G不会直接测量G,而是根据其他数据计算得出的。用于各向同性材料杨的模量e和泊松的比例ν, g = e 2 (( 1 + […]
随着工业4.0时代的到来,CNC(计算机数控)加工已成为现代制造业的基石。这项利用计算机控制机床的技术以其高精度、高效率和一致性彻底改变了传统机械加工。然而,随着对更复杂和更精密部件的需求不断增长,传统的 3 轴或 4 轴 CNC 加工往往无法满足要求。
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