第四章 機械加工表面質(zhì)量

1、第四章 機械加工表面質(zhì)量Machining Surface Quality§4-1加工表面質(zhì)量及其對使用性能的影響一、 加工表面質(zhì)量的概念 加工表面質(zhì)量幾何形狀誤差： 表面粗糙度（ 微觀幾何形狀誤差：Ra-表面輪廓算術(shù)平 均偏差；Rz-微觀不平十點高度） 波度（宏觀幾何形狀誤差： 圓度誤差、圓柱度誤差) 紋理方向：刀紋方向（圖4-2） 傷痕：砂眼、氣孔、裂痕 力學物理性能： 冷作硬化；金相組織變化；殘余應(yīng)力一、 表面質(zhì)量對機器零件使用性能的影響 （潤滑液存留；接觸面積大?。ㄒ唬?對耐磨性的影響1、粗糙度 磨損曲線 （圖4-3） 最優(yōu)表面粗糙度： 載荷大，起始磨損量大，最優(yōu)Ra大 （

2、圖4-4）載荷小，起始磨損量小，最優(yōu)Ra小2、紋理（有效接觸面積，潤滑液的存留）（圖4-2） 圓弧狀，凹坑狀 刀紋方向與運動方向相同3、冷作硬化 一般硬化程度大-耐磨性高（二） 表面質(zhì)量對疲勞性的影響1、粗糙度（交變載荷） Ra小 -耐磨疲勞性好（凹谷應(yīng)力集中） （材料對應(yīng)力集中的敏感程度，鋼材料的強度極限）2、力學物理性能 硬化提高疲勞強度 殘余壓應(yīng)力提高疲勞強度（三） 表面質(zhì)量對耐腐蝕性的影響1、粗糙度（大氣中的氣體與液體） Ra大 耐腐蝕性差2、力學物理性能 殘余壓應(yīng)力-耐腐蝕性好（四） 表面質(zhì)量對零件配合質(zhì)量的影響 Ra大-間隙增大，過盈減小 §4-2影響加工表面粗糙度的工藝

3、因素及其改善措施一 切削加工表面粗糙度切削殘留面積高度：刀尖圓弧半徑；主偏角；副偏角及進給量 （塑變）（圖4-6）切削速度： 塑性材料（圖4-7積屑瘤）、底速寬刃精切； 高速精切 脆性材料（影響?。┚庸で罢{(diào)質(zhì)（均勻細密晶粒組織、硬度）二 磨削加工后的表面粗糙度（一）幾何因素1、磨削用量對表面粗糙度的影響 V砂輪增大- Ra小 縱向進給量小-Ra小V工件 增大- Ra大 2、砂輪粒度磨粒粒度號大（磨粒細）-Ra小磨粒間距小-Ra?。ǘ┪锢硪蛩貙a的影響 熱多-塑變增加-晶粒拉長、裂紋、堆積1.磨削用量V砂輪增大 -塑變小-Ra小V工件增大 -塑變增大 -Ra大磨深增大-塑變增大-Ra大2.

4、砂輪的選擇 粒度大-Ra?。?660號） 砂輪硬度-硬度大，磨粒不易脫落，自銳性差，塑變大 砂輪組織磨粒、結(jié)合劑、氣孔的比例 砂輪材料： 氧化物（剛玉）-磨削鋼類件 碳化物（碳化硅，碳化硼）-鑄鐵，硬質(zhì)合金 高硬（人造金剛石，立方氮化硼）極小Ra §4-3影響表面層力學物理性能的工藝因素及改進措施切削(力、熱)一加工表層的冷作硬化（一） 概述 硬化 ：強化（塑變硬化）； 弱化（熱） 硬化指標： 顯微硬度 HV 硬化層深度 h 硬化程度 N=(HV-HV0)/HV0*100% (二)影響切削表面冷作硬化的因素1.切削用量進給量大 -硬化程度大 V切 （力、熱綜合作用，熱作用時間短）-硬

5、化程度大 切深影響較小2.刀具幾何形狀的影響切削刃鈍圓半徑大硬化程度大前角-±20度刀具磨損- 后刀面 - 硬化3.加工材料性能影響 塑性大 -冷硬程度大(三)影響磨削加工表面冷作硬化的因素1.工件材料性能影響塑性好- 硬化程度大導熱性好- 弱化程度小2.磨削用量的影響磨深增加-硬化程度大縱向進給增加-硬化程度大V砂輪增大-弱化程度大V工件轉(zhuǎn)速增大 - 冷硬程度大（熱作用時間短）3.砂輪粒度影響粒度大-冷硬程度小三、表層金屬的金相組織的變化 （一） 機械加工表面金相組織的變化磨淬火鋼：未超相變溫度：馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w或托氏體（回火燒傷） 超相變溫度加急冷： 表層二次淬火馬氏體 （淬火

6、燒傷） 內(nèi)層-回火組織 超相變溫度： 退火組織（退火燒傷） （二） 改善磨削燒傷的工藝途徑 1.正確選擇砂輪硬度： 硬度大，鈍化不易脫落結(jié)合劑： 彈性結(jié)合劑組織： 孔隙浸石蠟 2.選擇磨削用量磨深小-熱少橫向進給量大-熱少V砂輪 和V工件增加-熱少 3.改善冷卻條件 外冷 （圖4 -16） 內(nèi)冷（圖4 -17）開槽砂輪 （圖4 -18）四、表層金屬的殘余應(yīng)力（一） 產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因：塑變-比容增大，體積膨脹，受基體牽連產(chǎn)生殘余應(yīng)力（二） 影響車削表層金屬殘余應(yīng)力的工藝因素1、切削速度和被加工材料的影響 45鋼：車刀正前角；所有切速。熱因素-殘余拉應(yīng)力 18CrNiMoA： V低速-殘余拉應(yīng)力

7、 V中速-殘余壓應(yīng)力 V高速-殘余拉應(yīng)力2、進給量的影響 增大進給量：塑變增加，產(chǎn)生的熱多-殘余拉應(yīng)力3、車刀前角影響負前角： 殘余壓應(yīng)力正前角： 殘余拉應(yīng)力（三） 影響磨削殘余應(yīng)力的因素1磨削用量的影響磨削深度： 小 塑變?yōu)橹?殘余壓應(yīng)力 大 熱影響為主 殘余拉應(yīng)力 V砂輪：大 熱影響為主 殘余拉應(yīng)力2、工件材料 強度高、導熱性差、塑性低-殘余拉應(yīng)力 （四）工件最終工序加工方法的選擇承受交變載荷： 殘余壓應(yīng)力相對滑動體: 殘余拉應(yīng)力相對滾動: 內(nèi)層殘余壓應(yīng)力四、 表面強化工藝（冷態(tài)塑變 ，硬度增加，產(chǎn)生殘余壓力）（一） 噴丸強化（二） 滾壓強化§4-4機械加工過程中的振動 振動：振

8、痕（刀具與工件相對位移） 表面質(zhì)量，影響使用性能 工藝系統(tǒng)受動態(tài)變載荷 刀具加劇磨損、崩刃 機床連接特性破壞 噪聲 危害操作者的身體健康一 機械加工過程中的強迫振動 強迫振動 由于外界周期性干擾力的作用而引起的振動 （影響精密加工質(zhì)量、生產(chǎn)率的關(guān)鍵問題）（一） 強迫振動產(chǎn)生的原因機內(nèi)振源 機床旋轉(zhuǎn)件的不平衡 機床傳動機構(gòu)的缺陷 往復運動部件的慣性力 切削過程中的沖擊等機外振源-地基傳給機床（隔振地基）（二） 強迫振動的特征（頻率特征、幅頻相應(yīng)特征） 頻率特征 振動頻率與干擾力的頻率相同或是干擾力的整數(shù)倍 幅頻影響特征 干擾力的幅值大，強迫振動幅值大。 工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性：（A）如干擾力的頻率遠

9、離工藝系統(tǒng)各階模態(tài)的固有頻率，振動幅值很小 （強迫振動響應(yīng)將處于機床動態(tài)響應(yīng)的衰減區(qū)） （B）如干擾力的頻率接近工藝系統(tǒng)某一固有頻率時，振動幅值明顯增大（C）如干擾力的頻率與工藝系統(tǒng)某一固有頻率相同，共振（阻尼小，振幅 十分大） 變動參數(shù)；工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ：干擾力的頻率發(fā)生變化工藝系統(tǒng)某階固有頻率發(fā)生變化： 遠離減小幅值 二機械加工中的自激振動（Self-Excited Vibration）（一） 概述定義（自激振動；顫振）由系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)反饋產(chǎn)生的周期性振動 振動位移yt 電動機（維持自激振動的能量）機床振動系統(tǒng) 調(diào)節(jié)系統(tǒng)（切削過程）自激振動系統(tǒng)： 動態(tài)切削力-（硬度不均，余量不均）交變切削力

10、F（t）自激振動特征a)無外力干擾b)自激振動頻率接近與系統(tǒng)固有頻率c)自激振動不因阻尼而衰減（二） 產(chǎn)生自激振動的條件（工藝系統(tǒng)存在自激振動的條件）1.自激振動實例（單自由度機械加工振動模型）圖4-27 刀架振出： 切削力對振動系統(tǒng)作功，振動系統(tǒng)則從切削過程中吸收一部分能量（W振出=W12345），儲存在系統(tǒng)中 刀架的振入： 在彈性恢復力作用下，振動系統(tǒng)對切削過程作功，振動系統(tǒng)消耗能W振入=W54621 當W振出>W振入時，切削力Fy對振動系統(tǒng)作功大于振動系統(tǒng)對切削過程作功，加工系統(tǒng)有持續(xù)的自激振動產(chǎn)生，加工系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài).W振出=W振入+W摩阻 ， 加工系統(tǒng)有穩(wěn)幅自激振動產(chǎn)生 W

11、振出>W振入+W摩阻 ， 加工統(tǒng)系將出現(xiàn)振幅遞增的自激振動W振出<W振入+W摩阻 ， 加工系統(tǒng)將出現(xiàn)振幅遞減的自激振動產(chǎn)生自激振動的條件（在位移點Yi點）：圖4-29F振出yi > F振入yi（三） 自激振動的激振機理1、再生原理 再生型顫振-由于切削厚度變化效應(yīng)引起的自激振動 再生型顫振產(chǎn)生的條件本次切削振紋與前次振紋的同步程度（相位差）2、振型耦合原理（多自由度系統(tǒng)） 例如：一個二自由度振動系統(tǒng)，如因偶然干擾使刀架系統(tǒng)產(chǎn)生角頻率為的振動，刀架將沿兩X1 、 X2兩剛度主軸同時振動 運動方程: y=Ay sint z=Az sin(t+)式中 Ay-y向振幅 Az-z向振幅

12、 - z向相對于y向在主振頻率上的相位差。不同，刀尖振動軌跡不同如果：是某值時，刀尖振動軌跡為沿橢圓曲線順時針方向 刀具：振入運動 AC B，切削厚度較薄切削力小 振出運動 BD A，切削厚度較大，切削力大 W振出>W振入 振動系統(tǒng)在各主振模態(tài)間互相耦合，互相關(guān)聯(lián)而產(chǎn)生的自激振動，稱振型耦合型顫振3、負摩擦原理（摩擦型顫振）負摩擦特性： V切 增加- Fy降低存在負摩擦特性產(chǎn)生的自激振動，稱為負摩擦型顫振4、切削力滯后原理（滯后型顫振）加工系統(tǒng)存在慣性與阻尼-切削力滯后主振運動 在振入時：切削厚度小于名義切削厚度 F振入<F名義 在振出時：切削厚度總大于名義切削厚度 F振出>

13、F名義 F振出>F振入 自激振動產(chǎn)生三、 機械加工振動的診斷技術(shù)判定振動類型用頻譜分析技術(shù)診斷強迫振動，查找干擾力源自激振動類別 診斷參數(shù)反映振動本質(zhì) 診斷參數(shù)測量的可能性四、 機械加工振動的防治（一） 消除或減弱產(chǎn)生強迫振動的條件1、減少機內(nèi)外干擾力的幅值 高速旋轉(zhuǎn)件-平衡 提高傳動裝置的穩(wěn)定性 動力源與機體分離2、適當調(diào)整振源的頻率選轉(zhuǎn)速：讓引起強迫振動的振源頻率f，遠離機床加工系統(tǒng)薄弱模態(tài)的固有頻率fn ，一般 3、采取隔振措施主動隔振阻止振源外傳被動隔振防止振源通過地基傳入機床（二） 消除或減弱產(chǎn)生自激振動的條件1、調(diào)整振動系統(tǒng)小剛度主軸的位置（圖4-43）2、減小振紋重疊：增大主偏角Rr和進給量f；主偏角等于90度3、增加切削阻尼 減小刀具后角4、采用變速切削方法加工抑制再生型顫振（三）改善工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高穩(wěn)定性1、提高工藝