第四章 机械加工表面质量.doc

第四章 机械加工表面质量Machining Surface Quality4-1加工表面质量及其对使用性能的影响一、 加工表面质量的概念 加工表面质量几何形状误差： 表面粗糙度（ 微观几何形状误差：Ra-表面轮廓算术平 均偏差；Rz-微观不平十点高度） 波度（宏观几何形状误差： 圆度误差、圆柱度误差) 纹理方向：刀纹方向（图4-2） 伤痕：砂眼、气孔、裂痕 力学物理性能： 冷作硬化；金相组织变化；残余应力一、 表面质量对机器零件使用性能的影响 （润滑液存留；接触面积大小）（一） 对耐磨性的影响1、粗糙度 磨损曲线 （图4-3） 最优表面粗糙度： 载荷大，起始磨损量大，最优Ra大 （图4-4）载荷小，起始磨损量小，最优Ra小2、纹理（有效接触面积，润滑液的存留）（图4-2） 圆弧状，凹坑状 刀纹方向与运动方向相同3、冷作硬化 一般硬化程度大-耐磨性高（二） 表面质量对疲劳性的影响1、粗糙度（交变载荷） Ra小 -耐磨疲劳性好（凹谷应力集中） （材料对应力集中的敏感程度，钢材料的强度极限）2、力学物理性能 硬化提高疲劳强度 残余压应力提高疲劳强度（三） 表面质量对耐腐蚀性的影响1、粗糙度（大气中的气体与液体） Ra大 耐腐蚀性差2、力学物理性能 残余压应力-耐腐蚀性好（四） 表面质量对零件配合质量的影响 Ra大-间隙增大，过盈减小 4-2影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施一 切削加工表面粗糙度切削残留面积高度：刀尖圆弧半径；主偏角；副偏角及进给量 （塑变）（图4-6）切削速度： 塑性材料（图4-7积屑瘤）、底速宽刃精切； 高速精切 脆性材料（影响小）精加工前调质（均匀细密晶粒组织、硬度）二 磨削加工后的表面粗糙度（一）几何因素1、磨削用量对表面粗糙度的影响 V砂轮增大- Ra小 纵向进给量小-Ra小V工件 增大- Ra大 2、砂轮粒度磨粒粒度号大（磨粒细）-Ra小磨粒间距小-Ra小（二）物理因素对Ra的影响 热多-塑变增加-晶粒拉长、裂纹、堆积1.磨削用量V砂轮增大 -塑变小-Ra小V工件增大 -塑变增大 -Ra大磨深增大-塑变增大-Ra大2.砂轮的选择 粒度大-Ra小（4660号） 砂轮硬度-硬度大，磨粒不易脱落，自锐性差，塑变大 砂轮组织磨粒、结合剂、气孔的比例 砂轮材料： 氧化物（刚玉）-磨削钢类件 碳化物（碳化硅，碳化硼）-铸铁，硬质合金 高硬（人造金刚石，立方氮化硼）极小Ra 4-3影响表面层力学物理性能的工艺因素及改进措施切削(力、热)一加工表层的冷作硬化（一） 概述 硬化 ：强化（塑变硬化）； 弱化（热） 硬化指标： 显微硬度 HV 硬化层深度 h 硬化程度 N=(HV-HV0)/HV0*100% (二)影响切削表面冷作硬化的因素1.切削用量进给量大 -硬化程度大 V切 （力、热综合作用，热作用时间短）-硬化程度大 切深影响较小2.刀具几何形状的影响切削刃钝圆半径大硬化程度大前角-20度刀具磨损- 后刀面 - 硬化3.加工材料性能影响 塑性大 -冷硬程度大(三)影响磨削加工表面冷作硬化的因素1.工件材料性能影响塑性好- 硬化程度大导热性好- 弱化程度小2.磨削用量的影响磨深增加-硬化程度大纵向进给增加-硬化程度大V砂轮增大-弱化程度大V工件转速增大 - 冷硬程度大（热作用时间短）3.砂轮粒度影响粒度大-冷硬程度小三、表层金属的金相组织的变化 （一） 机械加工表面金相组织的变化磨淬火钢：未超相变温度：马氏体转变为索氏体或托氏体（回火烧伤） 超相变温度加急冷： 表层二次淬火马氏体 （淬火烧伤） 内层-回火组织 超相变温度： 退火组织（退火烧伤） （二） 改善磨削烧伤的工艺途径 1.正确选择砂轮硬度： 硬度大，钝化不易脱落结合剂： 弹性结合剂组织： 孔隙浸石蜡 2.选择磨削用量磨深小-热少横向进给量大-热少V砂轮 和V工件增加-热少 3.改善冷却条件 外冷 （图4 -16） 内冷（图4 -17）开槽砂轮 （图4 -18）四、表层金属的残余应力（一） 产生残余应力的原因：塑变-比容增大，体积膨胀，受基体牵连产生残余应力（二） 影响车削表层金属残余应力的工艺因素1、切削速度和被加工材料的影响 45钢：车刀正前角；所有切速。热因素-残余拉应力 18CrNiMoA： V低速-残余拉应力 V中速-残余压应力 V高速-残余拉应力2、进给量的影响 增大进给量：塑变增加，产生的热多-残余拉应力3、车刀前角影响负前角： 残余压应力正前角： 残余拉应力（三） 影响磨削残余应力的因素1磨削用量的影响磨削深度： 小 塑变为主 残余压应力 大 热影响为主 残余拉应力 V砂轮：大 热影响为主 残余拉应力2、工件材料 强度高、导热性差、塑性低-残余拉应力 （四）工件最终工序加工方法的选择承受交变载荷： 残余压应力相对滑动体: 残余拉应力相对滚动: 内层残余压应力四、 表面强化工艺（冷态塑变 ，硬度增加，产生残余压力）（一） 喷丸强化（二） 滚压强化4-4机械加工过程中的振动 振动：振痕（刀具与工件相对位移） 表面质量，影响使用性能 工艺系统受动态变载荷 刀具加剧磨损、崩刃 机床连接特性破坏 噪声 危害操作者的身体健康一 机械加工过程中的强迫振动 强迫振动 由于外界周期性干扰力的作用而引起的振动 （影响精密加工质量、生产率的关键问题）（一） 强迫振动产生的原因机内振源 机床旋转件的不平衡 机床传动机构的缺陷 往复运动部件的惯性力 切削过程中的冲击等机外振源-地基传给机床（隔振地基）（二） 强迫振动的特征（频率特征、幅频相应特征） 频率特征 振动频率与干扰力的频率相同或是干扰力的整数倍 幅频影响特征 干扰力的幅值大，强迫振动幅值大。 工艺系统的动态特性：（A）如干扰力的频率远离工艺系统各阶模态的固有频率，振动幅值很小 （强迫振动响应将处于机床动态响应的衰减区） （B）如干扰力的频率接近工艺系统某一固有频率时，振动幅值明显增大（C）如干扰力的频率与工艺系统某一固有频率相同，共振（阻尼小，振幅 十分大） 变动参数；工艺系统的结构 ：干扰力的频率发生变化工艺系统某阶固有频率发生变化： 远离减小幅值 二机械加工中的自激振动（Self-Excited Vibration）（一） 概述定义（自激振动；颤振）由系统内部激发反馈产生的周期性振动 振动位移yt 电动机（维持自激振动的能量）机床振动系统 调节系统（切削过程）自激振动系统： 动态切削力-（硬度不均，余量不均）交变切削力F（t）自激振动特征a)无外力干扰b)自激振动频率接近与系统固有频率c)自激振动不因阻尼而衰减（二） 产生自激振动的条件（工艺系统存在自激振动的条件）1.自激振动实例（单自由度机械加工振动模型）图4-27 刀架振出： 切削力对振动系统作功，振动系统则从切削过程中吸收一部分能量（W振出=W12345），储存在系统中 刀架的振入： 在弹性恢复力作用下，振动系统对切削过程作功，振动系统消耗能W振入=W54621 当W振出W振入时，切削力Fy对振动系统作功大于振动系统对切削过程作功，加工系统有持续的自激振动产生，加工系统处于不稳定状态.W振出=W振入+W摩阻 ， 加工系统有稳幅自激振动产生 W振出W振入+W摩阻 ， 加工统系将出现振幅递增的自激振动W振出 F振入yi（三） 自激振动的激振机理1、再生原理 再生型颤振-由于切削厚度变化效应引起的自激振动 再生型颤振产生的条件本次切削振纹与前次振纹的同步程度（相位差）2、振型耦合原理（多自由度系统） 例如：一个二自由度振动系统，如因偶然干扰使刀架系统产生角频率为的振动，刀架将沿两X1 、 X2两刚度主轴同时振动 运动方程: y=Ay sint z=Az sin(t+)式中 Ay-y向振幅 Az-z向振幅 - z向相对于y向在主振频率上的相位差。不同，刀尖振动轨迹不同如果：是某值时，刀尖振动轨迹为沿椭圆曲线顺时针方向 刀具：振入运动 AC B，切削厚度较薄切削力小 振出运动 BD A，切削厚度较大，切削力大 W振出W振入 振动系统在各主振模态间互相耦合，互相关联而产生的自激振动，称振型耦合型颤振3、负摩擦原理（摩擦型颤振）负摩擦特性： V切 增加- Fy降低存在负摩擦特性产生的自激振动，称为负摩擦型颤振4、切削力滞后原理（滞后型颤振）加工系统存在惯性与阻尼-切削力滞后主振运动 在振入时：切削厚度小于名义切削厚度 F振入F名义 F振出F振入 自激振动产生三、 机械加工振动的诊断技术判定振动类型用频谱分析技术诊断强迫振动，查找干扰力源自激振动类别 诊断参数反映振动本质 诊断参数测量的可能性四、 机械加工振动的防治（一） 消除或减弱产生强迫振动的条件1、减少机内外干扰力的幅值 高速旋转件-平衡 提高传动装置的稳定性 动力源与机体分离2、适当调整振源的频率选转速：让引起强迫振动的振源频率f，远离机床加工系统薄弱模态的固有频率fn ，一般 3、采取隔振措施主动隔振阻止振源外传被动隔振防止振源通过地基传入机床（二） 消除或减弱产生自激振动的条件1、调整振动系统小刚度主轴的位置（图4-43）2、减小振纹重叠：增大主偏角Rr和进给量f；主偏角等于90度3、增加切削阻尼 减小刀具后角4、采用变速切削方法加工抑制再生型颤振（三）改善工艺系统的动态特性，提高稳定性1、