表面质量的概念表面质量.ppt

第五章 机械加工表面质量 n第一节 表面质量的概念 n第二节 影响表面质量的因素 n第三节 控制加工表面质量的措施 n第四节 机械加工过程中的振动 第一节 表面质量的概念 1 1 表面质量的含义：表面质量的含义： 1.1. 加工表面的几何形状特征：加工表面的几何形状特征： 表面粗糙度表面粗糙度 指加工表面的微观几何形 状误差。波长与波高(L3/H3) 的比值小于50。 表面粗糙度的现行标准为 ：GB/T131-93。 表示方法：Ra、Rz、Ry。 表面波度表面波度 介于形状误差与表面粗糙 度之间的周期性形状误差。 波长与波高(L2/H2)的比值一 般为：501000。 纹理方向纹理方向 指表面刀纹的方向。它取 决于表面形成所采用的机械 加工方法。 1表面质量的含义 2.2. 加工表面的物理力学性能的变化：加工表面的物理力学性能的变化： 表面层因塑性变形引起的加工硬化（冷作硬化）；表面层因塑性变形引起的加工硬化（冷作硬化）； 表面层因力或热的作用产生的残余应力；表面层因力或热的作用产生的残余应力； 表面层因切削热或磨削热的作用引起的金相组织变化；表面层因切削热或磨削热的作用引起的金相组织变化； 2表面质量对零件使用性能的影响 1.1. 对零件耐磨性的影响：对零件耐磨性的影响： 表面粗糙度对耐磨性的影响表面粗糙度对耐磨性的影响 刀纹方向对耐磨性的影响刀纹方向对耐磨性的影响 冷作硬化对耐磨性的影响冷作硬化对耐磨性的影响 残余应力对耐磨性的影响残余应力对耐磨性的影响 表面为压应力时，耐磨性高。 2.2. 对零件耐疲劳性的影响：对零件耐疲劳性的影响： 表面粗糙度对耐疲劳性的影响表面粗糙度对耐疲劳性的影响 残余应力对耐疲劳性的影响残余应力对耐疲劳性的影响 冷作硬化对耐疲劳性的影响冷作硬化对耐疲劳性的影响 表面为压应力时，耐疲劳性好。 冷作硬化程度 阻止疲劳裂纹的产生，耐疲劳性 冷作硬化程度 耐疲劳性 2表面质量对零件使用性能的影响 3.3. 对零件耐腐蚀性的影响对零件耐腐蚀性的影响 Ra值 耐腐蚀性 表面压应力表面致密耐腐蚀性 4.4. 对零件配合精度的影响对零件配合精度的影响 实验研究表明： 零件尺寸大于50mm时，推荐：Ra=(0.10.15)T 零件尺寸在1850mm时，推荐： Ra=(0.150.20)T 零件尺寸小于18mm时，推荐： Ra=(0.200.25)T 一定的精度应有相应的表面粗糙度！ 一定的尺寸公差要有相应的表面粗糙度！ Ra值改变配合性质 第二节 影响表面质量的因素 1 1 切削加工中影响表面粗糙度的因素切削加工中影响表面粗糙度的因素 1.1. 几何因素：几何因素： 考虑刀尖圆弧角：考虑刀尖圆弧角： Ra值 1切削加工中影响表面粗糙度的因素 2.2. 物理因素物理因素 切削速度：切削速度： v Ra 工件材料性质：脆性材料更易达到要求，材料金相组织工件材料性质：脆性材料更易达到要求，材料金相组织 越粗大，加工后越粗大，加工后RaRa越大。越大。 刀具几何形状、材料：刀具几何形状、材料： 前角Ra值 冷却润滑：冷却润滑： 3.3. 工艺系统的振动：工艺系统的振动： Ra值40-60 粒度号 2磨削加工中影响表面粗糙度的因素 1.1. 磨削用量磨削用量 2.2. 砂轮的特性砂轮的特性 粒度：粒度： 粒度号Ra值 砂轮的硬度：砂轮的硬度： 硬度难脱落Ra值 硬度易脱落不易保持形状 精度中软 砂轮的修整：金刚石笔的纵向进给量越小，磨粒的等高性越砂轮的修整：金刚石笔的纵向进给量越小，磨粒的等高性越 好，好，Ra Ra 越小。越小。 3.3. 冷却冷却 3影响表面层物理力学性能的因素 1.1. 表面层的加工硬化表面层的加工硬化 机械加工中，金属被加工表面层受切削力的作用产生塑性变形，使晶格扭曲 ，晶粒间产生滑移剪切，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，引起表面层的强度 和硬度提高、塑性下降的现象，称加工硬化。 评定指标： 表面层的显微硬度 HV 硬化层深度 h 硬化程度 N 影响因素： 刀具：切削刃钝圆半径及磨损 切削用量：进给量和切削速度 工件材料：塑性越大，冷硬越严重 2.2.表面层的金相变化表面层的金相变化 加工中 产生产生 达到相变温度产生相变 烧伤的形式：烧伤的形式： 退火烧伤 回火烧伤 淬火烧伤 工件表面温度超过相变温度AC3，但无冷 却液，马氏体奥氏体，工件表面被退 火。工件干磨时易发生这种烧伤。 工件表面温度未达到相变温度AC3， 但超过马氏体的转变温度，工件表 层组织为硬度较低的回火屈氏体或 索氏体。 工件表面温度超过相变温度AC3，冷 却充分，工件表面被二次淬火。但 淬透层很薄，其下层仍为回火屈氏 体或索氏体。 2.2.表面层的金相变化表面层的金相变化 影响磨削烧伤的因素：影响磨削烧伤的因素： a)a) 磨削用量磨削用量 aP工件表层温度烧伤 V砂轮 工件表层温度 烧伤 f 工件表层温度烧伤 V工件 工件表层温度 热源作用时间 烧伤 b)b) 工件材料：导热性差的材料，易烧伤。工件材料：导热性差的材料，易烧伤。 c)c) 砂轮特性：较软砂轮、弹性结合剂、开槽砂轮砂轮特性：较软砂轮、弹性结合剂、开槽砂轮 d)d) 冷却冷却 3影响表面层物理力学性能的因素 3.3. 表面层的残余应力表面层的残余应力 冷态塑性变形冷态塑性变形 热态塑性变形热态塑性变形 局部金相组织变化局部金相组织变化 在切削力的作用下，已加工面受后刀面的挤压，使 晶格扭曲，表层金属比容积增大，体积膨胀，而内 层金属又阻止其伸长。故加工后表面层残余应力为 压应力(-)，里层为拉应力(+)。 在切削热的作用下，已加工面产生热膨胀，此时表 层产生热压应力。加工后，表层已产生的热塑性变 形收缩受到内层金属的阻碍。故加工后表面层残余 应力为拉应力(+) ，里层为压应力(-) 。 不同的金相组织有不同的密度，如M=7.75g/cm3 A=7.96g/cm3、P=7.78g/cm3、F=7.88g/cm3 当金相组织变化时，由于密度不同，体积会发生变 化。如果表层金属膨胀则残余应力为压应力(-)，反 之，如果表层金属体积缩小则产生残余拉应力(+)。 例如：淬火钢表面回火，表层金属由马氏体转变成屈氏体或索氏体，密度由 7.75变为7.78g/cm3 第三节 控制加工表面质量的措 施 1 1 采用光整加工方法降低表面粗糙度采用光整加工方法降低表面粗糙度 2 2 表面强化工艺改善物理力学性能表面强化工艺改善物理力学性能 1.1. 渗氮、渗碳等化学热处理：表层产生残余压应力渗氮、渗碳等化学热处理：表层产生残余压应力 2.2. 激光表面处理技术激光表面处理技术 3.3. 机械强化工艺：机械强化工艺： 滚压加工；滚压加工； 喷丸强化；喷丸强化； 液体磨料强化；液体磨料强化； 第四节 机械加工中的振动 n自由振动：当振动系统的平衡被破环，只靠系统的 弹性恢复力来维持的振动。 有阻尼自由振动: n系统的频率只与振动系统的刚度k和质量 m有关，而与振动的初始条件无关，也和振幅 的大小无关,称为系统的固有圆频率。 因为存在阻尼，自由振动振幅 逐渐衰减的，最后振动停止。 振动：物体在某一位置附近做来回往复运动。 （一）振动的分类 一、机械加工中的振动及分类 n强迫振动：由于外界周期性激振力引起和 维持的振动；危害大。 振动频率：外界激振力的频率 n自激振动：由系统内部激发反馈产生的周 期振动，危害大。在一定条件下，由于振动系 统本身产生的交变力激发和维持的一种稳定的 周期性振动。 振动频率：近似或等于固有频率 一、机械加工中的振动及分类一、机械加工中的振动及分类 n影响零件的表面质量：低频：波度；高频：增 大微观不平度 n影响生产率：刚度不足，切削用量、生产率下 降 n影响机床、夹具、刀具的寿命： 刀具增加附加动载荷-刀具磨损-崩刃 n增大机床、夹具的间隙：刚度、精度、寿命下 降 n振动的噪声污染工作环境 n振动的利用：振动磨削、振动研抛、超声波加 工-提高表面质量 （二）机械振动对机械加工的影响 1.强迫振动产生的原 因 1.系统外部的周期性干扰力：机床附近的振源-地基- 系统 所以隔振地基 2.高速回转零件的质量不平衡：形状不对称，材质不均 匀，加工、装配误差偏心 3. vFj砂轮、齿轮、电机转子、带轮 4.往复运动的惯性力：牛头刨、平面磨 5.传动机构的缺陷：齿轮的啮合冲击、带的接头不良、V 带的厚度不均、轴承滚动体大小不一。链条运动的不均匀等 6.切削过程的间歇性：铣削、拉削：切入和切出的冲击 7.液压系统中的冲击现象：脉动液压油 二、机械加工中的强迫振动 二、机械加工中的强迫振动 2.强迫振动的数学描述 物体受力分析：外力：Px=Po sint 弹性力：kx 阻尼力：cx 2.强迫振动的数学描述 其中第一项为齐次方程的通解， 代表有阻尼自由振动，振幅衰减，为一 瞬态 过程； 第二项代表非齐次方程的特解， 是等幅强迫振动，为一稳态过程。 2.强迫振动的数学描述 由外界激振力引起的，不因阻尼的存在而衰 减的等幅周期振动，除非外界激振力消失，振动 才停止； 振动频率与干扰力频率相等； 振幅：主要取决于激振力的大小及频率比和 阻尼比，而与初始条件无关。 动态放大系数=A/A2= 准静态区、共振区和惯性区 振幅与各参数之间的关系： 干扰力幅值PoA2 系统刚度k A2 阻尼系数c A2 3.强迫振动的特征 减小Po，消除振源激振力 隔振，尤其是外界振源 提高阻尼系数c，变化频率比， 使其远离1。 4.消除强迫振动的措施： 自激振动系统包含四个环节： 不变（非振）的能源机构； 控制进入振动系统能量的调节系统； 振动系统； 振动系统对于调节系统的反馈，控制进入系统能量的大 小。 3机械加工中的自激振动 1. 自激振动的产生： 无周期外力，由系统内部激发反馈产生的周期振动，其振动频率 与系统固有频率接近。只开机不切削，工艺系统无自激振动。 自激振动为不衰减的振动，外部干扰只起初 始作用； 自激振动的频率等于或接近于系统固有频率 ； 自激振动能否产生、振动大小，取决于每一 振动周期内输入与消耗能量的对比情况。 2.自激振动的特 点 负摩擦自振原理 负摩擦特性：径向切削分力Fy随切削速度的增大先增后 减，在曲线下降区域容易出现自激振动。 3.产生自激振动的几种学说 外圆磨削：砂轮宽度B，每转进给量f，重叠系数定义 为：=（B-f）/B 0 1 再生颤振学说 纵车纵