第5章 加工質(zhì)量

機械制造工藝學(xué)

第5章機械加工表面質(zhì)量5.1

機械加工表面質(zhì)量及其對使用性能的影響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/波高＞1000；波度—波長/波高=50～1000；且具有周期特性；表面粗糙度—波長/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)量對零件使用性能的影響對耐磨性影響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）；對耐疲勞性影響對耐蝕性影響對配合質(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機械制造工藝學(xué)

第5章機械加工表面質(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圖5-4車削時殘留面積的高度直線刃車刀（圖5-4a）（5-1）圓弧刃車刀（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↑

砂輪縱向進給f↑，Ra

↑

磨削深度ap↑，Ra

↑圖5-6磨削用量對表面粗糙度的影響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)細粒度砂輪(WA/GCW14KB)光磨次數(shù)↑，Ra↓8砂輪粒度號↑，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

↓；

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

第5章機械加工表面質(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措施105.3.1影響表面冷作硬化的因素與改進切削加工

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）；工件轉(zhuǎn)速↑→冷硬程度↑；縱向進給量影響復(fù)雜。磨削深度↑→冷硬程度↑（圖5-11）；◆磨削用量◆砂輪砂輪粒度號↑→冷硬程度↓；砂輪硬度、組織影響不顯著?！艄ぜ牧喜牧纤苄浴溆矁A向↑；材料導(dǎo)熱性↑→冷硬傾向↓。圖5-11磨削深度對冷硬的影響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磨削加工125.3.1影響層金屬殘余應(yīng)力的因素與改進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。工件表層溫度達到或超過金屬材料相變溫度時，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，同時出現(xiàn)彩色氧化膜。磨削燒傷磨削表面殘余拉應(yīng)力達到材料強度極限，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表面強化工藝利用淬硬和精細研磨過的滾輪或滾珠，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，提高耐疲勞強度。利用大量快速運動珠丸打擊工件表面,使工件表面產(chǎn)生冷硬層和壓應(yīng)力,↑疲勞強度。噴丸強化圖5-16滾壓加工原理圖用于強化形狀復(fù)雜或不宜用其它方法強化的工件，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機械制造工藝學(xué)

第5章機械加工表面質(zhì)量5.4

機械加工過程中的振動165.4.1概述機械加工過程中振動的危害影響加工表面粗糙度，振動頻率較低時會產(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)力來維持的振動稱為自由振動。由于系統(tǒng)中總存在阻尼，自由振動將逐漸衰弱，對加工影響不大。機械加工過程中振動的類型自由振動自由振動強迫振動自激振動175.4.2機械加工過程中強迫振動強迫振動產(chǎn)生原因由外界周期性的干擾力（激振力）作用引起；強迫振動振源：機外＋機內(nèi)。機外振源均通過地基把振動傳給機床。機內(nèi)：

1）回轉(zhuǎn)零部件質(zhì)量的不平衡；

2）機床傳動件的制造誤差和缺陷；

3）切削過程中的沖擊。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，產(chǎn)生共振。相角特征：強迫振動位移的變化在相位上滯后干擾力一個φ角，其值與系統(tǒng)的動態(tài)特性及干擾力頻率有關(guān)。強迫振動的特征185.4.3機械加工過程中自激振動自激振動的概念在沒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。自激振動過程可用傳遞函數(shù)概念說明。自激振動是一種不衰減振動。自激振動的頻率等于或接近于系統(tǒng)的固有頻率。自激振動能否產(chǎn)生及振幅的大小取決于振動系統(tǒng)在每一個周期內(nèi)獲得和消耗的能量。圖5-18自激振動系統(tǒng)能量關(guān)系A(chǔ)BC能量EQE－E＋0振幅電動機(能源)交變切削力F(t)振動位移X(t)圖5-17自激振動閉環(huán)系統(tǒng)機床振動系統(tǒng)（彈性環(huán)節(jié)）調(diào)節(jié)系統(tǒng)（切削過程）自激振動的特征19◆再生機理：切削過程,由于偶然干擾，使加工系統(tǒng)產(chǎn)生振動并在加工表面上留下振紋。第二次走刀時，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。自激振動機理圖5-19再生自激振動原理圖f切入切出y0ya）b）φy0y切入切出fc）φfy0y切入切出d）切入切出fy0yφ◆產(chǎn)生條件（圖5-19）：

a）b）c）系統(tǒng)無能量獲得；d）y滯后于y0，即0＞φ＞-π，此時切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出時切削力所作正功（獲得能量）大于切入時所作負功，系統(tǒng)有能量獲得，產(chǎn)生自激振動。5.4.3機械加工過程中自激振動20◆振型耦合機理：將車床刀架簡化為兩自由度振動系統(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車床刀架振型耦合模型Fmabcdx1x1x2x2βk2k1α1α2X◆自激振動的產(chǎn)生：①k1=k2，x1與x2無相位差,軌跡為直線，無能量輸入；5.4.3機械加工過程中自激振動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)無能量輸入。③k1＜k2，x1滯后于x2,軌跡為一順時針方向橢圓，即：a→b→c→d。此時,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，振動能夠維持。215.4.4機械加工中振動的防治減小機內(nèi)干擾力的幅值；調(diào)整振源的頻率，一般要求：◆調(diào)整振動系統(tǒng)低剛度主軸的位置（圖5-21）。消除或減弱產(chǎn)生強迫振動的條件式中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)生自激振動的條件（5-33）225.4.4機械加工中振動的防治◆減小切削或磨削時的重疊系數(shù)（圖5-22）式中bd