第5章 加工質(zhì)量

機(jī)械制造工藝學(xué)

第5章機(jī)械加工表面質(zhì)量5.1

機(jī)械加工表面質(zhì)量及其對(duì)使用性能的影響15.1.1加工表面質(zhì)量的概念表面粗糙度波度紋理方向傷痕(劃痕、裂紋、砂眼等)表面質(zhì)量表面幾何形狀精度表面物理、機(jī)械性能表層加工硬化表層金相組織變化表層殘余應(yīng)力加工質(zhì)量圖5-1加工質(zhì)量包含的內(nèi)容25.1.1加工表面質(zhì)量的概念◆

零件宏觀幾何形狀誤差、波度、表面粗糙度宏觀幾何形狀誤差(平面度、圓度等)—波長(zhǎng)/波高＞1000；波度—波長(zhǎng)/波高=50～1000；且具有周期特性；表面粗糙度—波長(zhǎng)/波高＜50。a）波度b）表面粗糙度圖5-2零件加工表面的粗糙度與波度RZλHλRZ35.1.2表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響對(duì)耐磨性影響Ra（μm）初始磨損量重載荷輕載荷圖5-3表面粗糙度與初始磨損量表面粗糙度值↓→耐疲勞性↑；適當(dāng)硬化可提高耐疲勞性。表面粗糙度值↓→耐蝕性↑；表面壓應(yīng)力：有利于提高耐蝕性。表面粗糙度值↑→配合質(zhì)量↓。表面粗糙度值↓→耐磨性↑，但有一定限度(圖5-3）；對(duì)耐疲勞性影響對(duì)耐蝕性影響對(duì)配合質(zhì)量影響紋理形式與方向：圓弧狀、凹坑狀較好;適當(dāng)硬化可提高耐磨性。4機(jī)械制造工藝學(xué)

第5章機(jī)械加工表面質(zhì)量5.2

影響加工表面粗糙度的工藝因素及其改善措施55.2.1切削加工表面粗糙度影響因素與改進(jìn)圖5-4車(chē)削時(shí)殘留面積的高度直線(xiàn)刃車(chē)刀（圖5-4a）（5-1）圓弧刃車(chē)刀（圖5-4b）（5-2）影響因素：刀尖圓弧半徑rg，主偏角k，副偏角'k

，進(jìn)給量f。fκrHvfⅠⅡrεb）HⅠⅡfa）vf切削殘留面積6切削速度影響最大：v=10～50m/min范圍，易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，表面粗糙度最差（圖5-5）。

其他影響因素：刀具幾何角度、刃磨質(zhì)量，切削液等。圖5-5切削45鋼時(shí)切削速度與粗糙度關(guān)系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（μm）481216202428收縮系數(shù)Ks1.52.02.53.0積屑瘤高度h（μm）0200400600hKsRz5.2.1切削加工表面粗糙度影響因素與改進(jìn)切削表面塑性變形和積屑瘤7砂輪速度v↑，Ra↓

工件速度vw↑，Ra↑

砂輪縱向進(jìn)給f↑，Ra

↑

磨削深度ap↑，Ra

↑圖5-6磨削用量對(duì)表面粗糙度的影響vw

=40(m/min)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)v=50(m/s)f=2.36(m/min)ap

=0.01(mm)v(m/s),vw(m/min)Ra(μm)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(μm)00.20.60.020.030.04b）5.2.2磨削加工表面粗糙度影響因素與改進(jìn)磨削用量影響圖5-7光磨次數(shù)-Ra關(guān)系Ra(μm)01020300.020.040.06光磨次數(shù)粗粒度砂輪(WA60KV)細(xì)粒度砂輪(WA/GCW14KB)光磨次數(shù)↑，Ra↓8砂輪粒度號(hào)↑，Ra↓；但要適量；砂輪硬度適中，Ra↓；常取中軟；砂輪組織適中，Ra↓

；常取中等組織；采用超硬砂輪材料，Ra

↓；

砂輪精細(xì)修整，Ra↓。5.2.2磨削加工表面粗糙度影響因素與改進(jìn)砂輪影響其他影響因素工件材料；冷卻潤(rùn)滑液等。9機(jī)械制造工藝學(xué)

第5章機(jī)械加工表面質(zhì)量5.3

影響表層金屬力學(xué)物理性能的工藝因素及其改進(jìn)措施105.3.1影響表面冷作硬化的因素與改進(jìn)切削加工

f↑，冷硬程度↑(圖5-9)；◆切削用量影響◆刀具影響rε↑，冷硬程度↑;其他幾何參數(shù)影響不明顯后刀面磨損影響顯著(圖5-10)。00.20.40.60.81.0磨損寬度VB(mm)100180260340硬度(HV)50鋼，v

=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)圖5-10后刀面磨損對(duì)冷硬影響◆工件材料材料塑性↑，冷硬傾向↑;切削速度影響復(fù)雜(力與熱綜合作用結(jié)果)；切削深度影響不大。圖5-9f和v對(duì)冷硬的影響硬度(HV)0f(mm/r)0.20.40.60.8v=170(m/min)135(m/min)100(m/min)50(m/min)100200300400工件材料：4511磨削速度↑→冷硬程度↓（弱化作用加強(qiáng)）；工件轉(zhuǎn)速↑→冷硬程度↑；縱向進(jìn)給量影響復(fù)雜。磨削深度↑→冷硬程度↑（圖5-11）；◆磨削用量◆砂輪砂輪粒度號(hào)↑→冷硬程度↓；砂輪硬度、組織影響不顯著。◆工件材料材料塑性↑→冷硬傾向↑；材料導(dǎo)熱性↑→冷硬傾向↓。圖5-11磨削深度對(duì)冷硬的影響ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削5.3.1影響表面冷作硬化的因素與改進(jìn)磨削加工125.3.1影響層金屬殘余應(yīng)力的因素與改進(jìn)v↑→殘余應(yīng)力↑(熱應(yīng)力起主導(dǎo)作用，圖5-12);◆切削用量◆刀具前角+→－，殘余拉應(yīng)力↓;刀具磨損↑→殘余應(yīng)力↑。

◆工件材料材料塑性↑→殘余應(yīng)力↑;鑄鐵等脆性材料易產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。圖5-13f對(duì)殘余應(yīng)力的影響工件：45，切削條件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液殘余應(yīng)力(Gpa)0.2000.200100200300400距離表面深度(μm)f

=0.40mm/rf

=0.25mm/rf

=0.12mm/r僅討論切削加工f↑→殘余應(yīng)力↑（圖5-13）;切削深度影響不顯著。圖5-12vc對(duì)殘余應(yīng)力的影響γ0=5°,α0==5°,κr=75°,rε=0.8mm,工件：45切削條件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200距離表面深度(μm)殘余應(yīng)力(Gpa)-0.2000.20vc

=213m/minvc

=86m/minvc

=7.7m/min135.3.2磨削燒傷與磨削裂紋合理選擇砂輪；合理選擇磨削用量；改善冷卻條件。工件表層溫度達(dá)到或超過(guò)金屬材料相變溫度時(shí)，表層金相組織、顯微硬度發(fā)生變化，并伴隨殘余應(yīng)力產(chǎn)生，同時(shí)出現(xiàn)彩色氧化膜。磨削燒傷磨削表面殘余拉應(yīng)力達(dá)到材料強(qiáng)度極限，在表層或表面層下產(chǎn)生微裂紋。裂紋方向常與磨削方向垂直或呈網(wǎng)狀，常與燒傷同時(shí)出現(xiàn)。圖5-14帶空氣擋板冷卻噴嘴磨削燒傷與磨削裂紋的控制磨削裂紋145.3.3表面強(qiáng)化工藝?yán)么阌埠途?xì)研磨過(guò)的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)擠壓金屬表面，使凸起部分下壓，凹下部分上凸，修正工件表面的微觀幾何形狀，形成壓縮殘余應(yīng)力，提高耐疲勞強(qiáng)度。利用大量快速運(yùn)動(dòng)珠丸打擊工件表面,使工件表面產(chǎn)生冷硬層和壓應(yīng)力,↑疲勞強(qiáng)度。噴丸強(qiáng)化圖5-16滾壓加工原理圖用于強(qiáng)化形狀復(fù)雜或不宜用其它方法強(qiáng)化的工件，如齒輪、板彈簧、螺旋彈簧、焊縫等。滾壓加工圖5-15珠丸擠壓引起殘余應(yīng)力

壓縮拉伸塑性變形區(qū)域15機(jī)械制造工藝學(xué)

第5章機(jī)械加工表面質(zhì)量5.4

機(jī)械加工過(guò)程中的振動(dòng)165.4.1概述機(jī)械加工過(guò)程中振動(dòng)的危害影響加工表面粗糙度，振動(dòng)頻率較低時(shí)會(huì)產(chǎn)生波度；影響生產(chǎn)效率；加速刀具磨損，易引起崩刃；影響機(jī)床、夾具的使用壽命；產(chǎn)生噪聲污染，危害操作者健康。工藝系統(tǒng)受到初始干擾力而破壞了其平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)僅靠彈性恢復(fù)力來(lái)維持的振動(dòng)稱(chēng)為自由振動(dòng)。由于系統(tǒng)中總存在阻尼，自由振動(dòng)將逐漸衰弱，對(duì)加工影響不大。機(jī)械加工過(guò)程中振動(dòng)的類(lèi)型自由振動(dòng)自由振動(dòng)強(qiáng)迫振動(dòng)自激振動(dòng)175.4.2機(jī)械加工過(guò)程中強(qiáng)迫振動(dòng)強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生原因由外界周期性的干擾力（激振力）作用引起；強(qiáng)迫振動(dòng)振源：機(jī)外＋機(jī)內(nèi)。機(jī)外振源均通過(guò)地基把振動(dòng)傳給機(jī)床。機(jī)內(nèi)：

1）回轉(zhuǎn)零部件質(zhì)量的不平衡；

2）機(jī)床傳動(dòng)件的制造誤差和缺陷；

3）切削過(guò)程中的沖擊。頻率特征：與干擾力的頻率相同，或是干擾力頻率整倍數(shù)；幅值特征：與干擾力幅值、工藝系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性有關(guān)。當(dāng)干擾力頻率接近或等于工藝系統(tǒng)某一固有頻率時(shí)，產(chǎn)生共振。相角特征：強(qiáng)迫振動(dòng)位移的變化在相位上滯后干擾力一個(gè)φ角，其值與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及干擾力頻率有關(guān)。強(qiáng)迫振動(dòng)的特征185.4.3機(jī)械加工過(guò)程中自激振動(dòng)自激振動(dòng)的概念在沒(méi)有周期性外力作用下，由系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)反饋產(chǎn)生的周期性振動(dòng)。自激振動(dòng)過(guò)程可用傳遞函數(shù)概念說(shuō)明。自激振動(dòng)是一種不衰減振動(dòng)。自激振動(dòng)的頻率等于或接近于系統(tǒng)的固有頻率。自激振動(dòng)能否產(chǎn)生及振幅的大小取決于振動(dòng)系統(tǒng)在每一個(gè)周期內(nèi)獲得和消耗的能量。圖5-18自激振動(dòng)系統(tǒng)能量關(guān)系A(chǔ)BC能量EQE－E＋0振幅電動(dòng)機(jī)(能源)交變切削力F(t)振動(dòng)位移X(t)圖5-17自激振動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)機(jī)床振動(dòng)系統(tǒng)（彈性環(huán)節(jié)）調(diào)節(jié)系統(tǒng)（切削過(guò)程）自激振動(dòng)的特征19◆再生機(jī)理：切削過(guò)程,由于偶然干擾，使加工系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)并在加工表面上留下振紋。第二次走刀時(shí)，刀具將在有振紋的表面上切削，使切削厚度發(fā)生變化,導(dǎo)致切削力周期性地變化，產(chǎn)生自激振動(dòng)。自激振動(dòng)機(jī)理圖5-19再生自激振動(dòng)原理圖f切入切出y0ya）b）φy0y切入切出fc）φf(shuō)y0y切入切出d）切入切出fy0yφ◆產(chǎn)生條件（圖5-19）：

a）b）c）系統(tǒng)無(wú)能量獲得；d）y滯后于y0，即0＞φ＞-π，此時(shí)切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出時(shí)切削力所作正功（獲得能量）大于切入時(shí)所作負(fù)功，系統(tǒng)有能量獲得，產(chǎn)生自激振動(dòng)。5.4.3機(jī)械加工過(guò)程中自激振動(dòng)20◆振型耦合機(jī)理：將車(chē)床刀架簡(jiǎn)化為兩自由度振動(dòng)系統(tǒng)，等效質(zhì)量m用相互垂直的等效剛度分別為k1、k2兩組彈簧支撐（設(shè)x1為低剛度主軸。圖5-20車(chē)床刀架振型耦合模型Fmabcdx1x1x2x2βk2k1α1α2X◆自激振動(dòng)的產(chǎn)生：①k1=k2，x1與x2無(wú)相位差,軌跡為直線(xiàn)，無(wú)能量輸入；5.4.3機(jī)械加工過(guò)程中自激振動(dòng)②k1＞k2，x1超前x2,軌跡d→c→b→a為一橢圓，切入半周期內(nèi)平均切削厚度比切出半周期內(nèi)的大,系統(tǒng)無(wú)能量輸入。③k1＜k2，x1滯后于x2,軌跡為一順時(shí)針?lè)较驒E圓，即：a→b→c→d。此時(shí),切入半周期內(nèi)的平均切削厚度比切出半周期內(nèi)的小，有能量獲得，振動(dòng)能夠維持。215.4.4機(jī)械加工中振動(dòng)的防治減小機(jī)內(nèi)干擾力的幅值；調(diào)整振源的頻率，一般要求：◆調(diào)整振動(dòng)系統(tǒng)低剛度主軸的位置（圖5-21）。消除或減弱產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的條件式中f和fn分別為振源頻率和系統(tǒng)固有頻率隔振βx2x2x1x1x1x1x2x2圖5-21兩種尾座結(jié)構(gòu)消除或減弱產(chǎn)生自激振動(dòng)的條件（5-33）225.4.4機(jī)械加工中振動(dòng)的防治◆減小切削或磨削時(shí)的重疊系數(shù)（圖5-22）式中bd