第四章 机械加工表面质量.ppt

1 第四章机械加工表面质量 本章要点 表面质量及其对使用性能影响 影响表面粗糙度的工艺因素 工艺系统的振动 影响表面层物理性能工艺因素 2 第一节机械加工表面质量概述 一 机械加工表面质量的含义 表面粗糙度 微观形状误差 波长 波高 50 可用Ra Ry Rz参数表示 波度 波长 波高 50 1000的形状误差 介于形状误差与表面粗糙度之间 它由机械加工中工艺系统的低频振动所引起 纹理方向 表面刀纹形式及方向 取决于表面形成所采用的机械加工方法 第四章机械加工表面质量 表面几何特征 3 加工纹理方向及其符号标注 第四章机械加工表面质量 4 表面层物理力学性能 表面层金属加工硬化 冷作硬化 表面层金属金相组织变化 表面层金属残余应力 加工变质层模型 第四章机械加工表面质量 5 第四章机械加工表面质量 二 表面质量对零件使用性能的影响 对耐磨性影响 表面粗糙度值 耐磨性 但有限度 纹理形式与方向 圆弧状 凹坑状较好 适当硬化可提高耐磨性 6 表面粗糙度值 耐疲劳性 表面压应力可提高耐疲劳性 适当硬化可提高耐疲劳性 表面粗糙度值 耐蚀性 表面压应力 有利于提高耐蚀性 表面粗糙度值 配合质量好 对耐蚀性影响 对配合质量影响 第四章机械加工表面质量 结论 降低表面粗糙度值能改善零件的使用性能 对耐疲劳性影响 7 第二节影响表面粗糙度的工艺因素及其改善措施 第四章机械加工表面质量 切屑残留面积高度 几何因素 影响切屑残留面积的因素 刀尖圆弧半径r 主偏角 r 副偏角 r 进给量f 一 切削加工表面粗糙度 8 结论 f减小 r r 减小 r 增大 表面粗糙度值减小 第四章机械加工表面质量 切屑形状 积屑瘤及鳞刺 物理因素 影响加工表面粗糙度的物理要素主要表现在切屑形状 积屑瘤和鳞刺三个方面 这三个方面的形成又与实际加工条件有关 如工件材料 刀具几何参数 切削用量等 9 第四章机械加工表面质量 切屑形状的影响 切屑形状一般有带状 节状 粒状和崩碎状四种 切削的种类 10 第四章机械加工表面质量 节状切屑节状切屑切屑是连续的 它和带状切屑不同之处在于其外表呈锯齿形 内表面有时有裂纹 由于切削层变形和加工硬化大 在OM终滑移面上靠近切屑外表面处的应力达到材料的强度极限而形成 当采用小的前角 大的切削深度和低切削速度加工塑性较差的材料时 会形成挤裂状切屑又叫节状切屑 此时切削力有一定波动 其已加工表面的表面粗糙度值较比带状切屑大 带状切屑带状切屑一般在加工塑性材料 软钢 铝 采用较大的前角 较小的切削深度 较高的切削速度时 会形成此类切屑 在此过程中 由于切削力变化小 切削过程稳定 因而已加工表面的表面粗糙度值较小 但带状切削过长会影响机床正常工作和工人安全 因而要采取断屑措施 11 蹦碎切屑切削脆性材料 如铸铁 黄铜 时 形成不规则的片状或粒状切屑 由于这类材料塑性很差 强度极限较低 切削时 在切削刃和前刀面附近的金属还未经过明显塑性变形 就被挤压断或脆断而形成不规则的崩碎切屑 因而已加工表面的表面粗糙度值变大 工件材料越脆 越硬 刀具前角越小 切削深度越大 越容易形成此类切屑 粒状切屑切削塑形很大的材料 如铅 紫铜 切屑容易在前刀面上形成粘结而不易流出 产生很大的变形 超过材料强度的极限 使切屑不能连续而呈分离的颗粒状 这就形成粒状切屑 在产生挤裂状和粒状切屑的过程中 切削力有较大的波动 尤其是粒状切屑 在形成过程中会产生振动而使加工表面粗糙 粒状切屑较少见 12 第四章机械加工表面质量 积屑瘤概念指在切削速度不高而又能形成带状切屑时 加工一般钢材或其他塑性材料 常在前刀面切削处粘着一块剖面呈三角状的硬块 称为积屑瘤 积屑瘤硬度很高 为工件材料的2 3倍 处于稳定状态时可代替刀尖进行切削 积屑瘤的形成在加工过程中 由于工件材料是被挤裂的 因此切屑对刀具的前面产生有很大的压力 并摩擦生成大量的切削热 在这种高温高压下 与刀具前面接触的那一部分切屑由于摩擦力的影响 流动速度相对减慢 形成 滞留层 当摩擦力一旦大于材料内部晶格之间的结合力时 滞流层 中的一些材料就会粘附在刀具近刀尖的前面上 形成积屑瘤 积屑瘤的影响 13 第四章机械加工表面质量 积屑瘤 积屑瘤 14 第四章机械加工表面质量 影响积屑瘤的因素 1 工件材料 当工件材料的硬度低 塑性大时 切削过程中的金属变形大 切屑与前刀面间的摩擦系数 大于1 和接触区长度比较大 在这种条件下 易产生积屑瘤 当工件塑性小 硬度较高时 积屑瘤产生的可能性和积屑瘤的高度也减小 如淬火钢 切削脆性材料是产生积屑瘤的可能更小 3 切削厚度 切塑性材料时 切削力 切屑与前刀面接触区长度都将随切削厚度的增加而增大 将增加生成积屑瘤的可能性 所以 在精加工时除选取较大的刀具前角 在避免积屑瘤的产生切削速度范围内切削外 应采用减小进给量或刀具主偏角来减小切削厚度 2 刀具前角 刀具前角增大 可以减小切屑的变形 切屑与前刀面的摩擦 切削力和切削热 可以抑制积屑瘤的产生或减小积屑瘤的高度 据有关资料介绍 刀具前角 0 40时 积屑瘤产生的可能就小 15 第四章机械加工表面质量 4 切削速度 切削速度主要是通过切削温度和摩擦系数来影响积屑瘤的 当刀具没有负倒棱时 在极低的切削速度条件下 不产生积屑瘤 以中碳钢为例 切削速度Vc2m min 30m min时 积屑瘤从生产到生长到最大 也即是说 切削温度为300 左右时 切屑与刀具间的摩擦系数最大 积屑瘤达到最高高度 随着切削速度相应的切削温度提高 积屑瘤的高度逐渐减小 高速切削时 Vc 120m min 由于切削温度很高 800 以上 切屑底层的滑移抗力和摩擦系数显著降低 积屑瘤也将消灭 所以我们日常精加工时 为了达到较低的已加工表面粗糙度的办法是采用在刀具耐热性允许范围内的高速切削 或采用低速 Vc 5m min 切削 以防止积屑瘤的产生 提高已加工表面的质量 16 第四章机械加工表面质量 17 第四章机械加工表面质量 鳞刺的概念切屑沿着前刀面流出 切屑以刚切离的新鲜表面抹拭刀的前面 将前刀面上起润滑作用的吸附膜逐渐拭净 切屑和前刀面的摩擦系数逐渐加大 切屑底层金属流速降低 金属纤维被拉长 出现 滞流 现象 当接触面间切削刃处的压力 温度增加到一定程度时 切屑底层中的切应力超过材料的剪切强度 滞流层金属流速为零 此时切屑和刀具就发生冷焊现象 切屑停留在前刀面上 暂时不沿前刀面流出 且代替前刀面挤压待切削层 由于切削运动的连续性 切屑一旦滞留在前刀面上 便代替刀具继续挤压切削层 使切削层中受到挤压的金属转化为切屑 而这部分新成为切屑的金属 将逐层地积聚在起挤压作用的那部分切屑的下方 这些金属一旦积聚并转化为切屑 便立即参加挤压切削层的作用 随着层积过程的发展 切削厚度将逐渐增大 切削力随之增大 切削抗力也随之增大 切屑沿前面流出时的水平推力也增大 鳞刺的影响 18 第四章机械加工表面质量 影响鳞刺的因素 1 切削速度 切削速度主要是通过切削温度来影响鳞刺 温度在一定范围时 刀和屑间的摩擦系数最大 容易产生切削层的层积 切削速度是影响切削温度的主要因素 在某一适中切削速度范围内容易形成鳞刺 通过实践发现 切削速度低时 开始出现鳞刺但高度较小 鳞刺的高度随着切削速度的提高而增大 达到一定速度时便减小 最后消失 19 第四章机械加工表面质量 2 切削速度 如果在同一切削速度下 切削厚度增大时 切削温度和力及与切屑接触长度随之增大 因此 鳞刺形成及高度随着切削厚度增大而增大 3 刀具前角 刀具的前角增大时 前刀面上的法向力减小 切削温度降低 切屑变形减小 当切削速度低时 鳞刺的高度随前角增大而下降 但切削速度高时 随着切削温度的升高 鳞刺的高度却随着前角增大而增大 4 工件材料 在实践中发现 在较低的切削速度下 经过调质处理的工件 切削后鳞刺较大 正火处理的工件较小 但在较高的切削速度下 情况完全不一样 经调质处理的工件产生鳞刺高度较小 正火退火处理的工件较高 5 切削液 切削液的使用 可以有效控制切削温度 减少摩擦 采用润滑冷却性能很好的切削液可以防止和抑制鳞刺产生和生长 选用与工件材料化学亲和性差的刀具材料 也可以抑制鳞刺产生 20 二 磨削加工表面粗糙度 磨削用量 砂轮速度v Ra 工件速度vw Ra 砂轮纵向进给f Ra 磨削深度ap Ra 光磨次数 Ra v砂轮 50 m s v工件 40 m min f 2 36 m min 第四章机械加工表面质量 21 砂轮及修整 砂轮粒度 Ra 但要适量 砂轮硬度适中 Ra 常取中软 砂轮组织适中 Ra 常取中等组织 砂轮磨粒材料 与工件材料相适应 如氧化铝适于磨钢 碳化硅适于磨铸铁 金刚石砂轮适于磨陶瓷材料等 砂轮精细修整 Ra 工件材料 铸铁 有色金属不适合磨削 冷却润滑液等 其他影响因素 金刚石砂轮磨削工程陶瓷零件 第三章机械加工表面质量 22 第三节影响零件表面层物理力学性能的因素及其改善措施 第三章机械加工表面质量 一 加工表面层冷作硬化 冷作硬化 强化 已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象 冷作硬化产生 加工表面严重变形层内金属晶格拉长 畸变 晶粒间产生滑移 从而导致表面层产生严重塑性变形 另一方面 在切削热作用下 金属在塑性变形中产生的冷作硬化将得到一定的恢复 该现象称为软化 因此 金属在加工过程中最后的硬化程度取决于硬化速度与软化程度的比率 冷作硬化的产生及衡量指标 23 加工硬化度量表层金属显微硬度HV硬化层深度h m 硬化程度N 式中HV 硬化层显微硬度 HV HV0 基体层显微硬度 HV 第三章机械加工表面质量 影响冷作硬化的因素 切削力的影响 切削加工中 进给量f 切削力 冷硬倾向 r 后刀面磨损 切削力 冷硬倾向 24 第三章机械加工表面质量 磨削加工中 磨削深度ap 磨削力 冷硬倾向 纵向进给速度f 磨削力 冷硬倾向 切削速度 温度 冷硬倾向 磨削速度 温度 冷硬倾向 工件材料 材料塑性 冷硬倾向 冷作硬化测量方法 表层显微硬度HV 硬化层深度测量 切削温度的影响 25 第三章机械加工表面质量 冷态塑性变形引起的残余应力 切削加工 以压为主 热态塑性变形引起的残余应力 磨削加工 以拉为主 金相组织变化引起的残余应力 影响表面层残余应力 加工塑性材料 如45钢 几乎为拉应力 且v 残余应力 热态塑性变形起主导作用 加工合金材料时 应力性质从低速段到高速段表现不同 二 表面层的残余应力 表面层残余应力产生的原因 切削用量的影响 26 第三章机械加工表面质量 f 残余应力 磨削用量的影响 背吃刀量 很小 压应力 冷态塑性变形起主要作用 增大 拉应力 热态塑性变形起主要作用 再增大 压应力 磨削工业铁背吃刀量 残余应力 27 第三章机械加工表面质量 三 表面层金相组织变化与磨削烧伤 磨削加工中 当工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时 表层金相组织 显微硬度发生变化 并伴随残余应力产生 严重时将产生磨削裂纹 同时出现彩色氧化膜 称为磨削烧伤 磨削热是造成磨削烧伤的主要根源 合理选择磨削用量 f vs vw ap 工件材料 当材料强度 硬度高 韧性大 磨削热量越多 应注意冷却 合理选择砂轮 硬度 结合剂 组织 改善冷却条件 内冷却装置1 锥形盖2 通道孔3 中心腔4 有径向小孔薄壁套 产生的原因 磨削烧伤改善的措施 28 四 表面强化工艺 利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠 在常温状态挤压金属表面 将凸起部分压下 凹下部分上凸 修正工件表面的微观几何形状 形成压缩残余应力 提高耐疲劳强度 表面硬度提高10 40 耐疲劳强度提高30 50 利用大量快速运动珠丸打击工件表面 使工件表面产生冷硬层和压应力 提高疲劳强度 用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件 例如板弹簧 螺旋弹簧 齿轮 焊缝等 喷丸强化 滚压加工原理图 滚压加工 第三章机械加工表面质量 29 自由振动 工艺系统受到外界偶然的干扰力而破坏了其平衡状态后 系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动 振动的频率就是系统的固有频率 由于系统中存在阻尼 自由振动将逐渐衰弱 对加工影响不大 强迫振动 由外界周期性的干扰力 激振力 作用引起和维持的振动称为强迫振动 自激振动 颤振 在一定条件下 由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称为自激振动 第三章机械加工表面质量 第四节工艺系统的振动及其控制措施 一 机械加工中的振动现象 机械振动的分类 30 影响零件的表面质量 影响生产率 影响机床 刀具和夹具的寿命 振动噪声污染工作环境 第四章机械加工表面质量 强迫振动产生的原因 机外 振源均通过地基把振动传给机床 机内 1 高速回转零部件质量的不平衡而产生的离心惯性力 2 机床传动件的缺陷产生的动载荷 3 往复运动件的惯性冲击力 4 断续切削过程中的冲击力 振动对机械加工的影响 二 强迫振动 31 第四章机械加工表面质量 强迫振动数学模型及特征 式中m 磨头等效质量 k 等效弹簧 系统等效粘性阻尼 32 第四章机械加工表面质量 振动系统受力 与位移成正比的弹性恢复力kx 与运动速度成正比的粘性阻尼 x 简谐激振力Fsin t 振动系统运动方程 根据微分方程理论 当系统为小阻尼时 令F m 0 得到齐次方程的通解和非齐次方程的一个特解 式中 衰减系数 0 系统无阻尼振动时的固有频率 激振力圆频率 33 第四章机械加工表面质量 上式中 第一项为通解 为有阻尼的自由振动过程 经过一段时间后衰减为零 第二项为特解 是圆频率等于激振圆频率的强迫振动 34 第四章机械加工表面质量 系统进入振动稳定后 转变成稳定的强迫振动 其方程为 式中A 强迫振动的振幅值 振动体位移相对于激振力的相位角 t 时间 其中 强迫振动的振幅值为 相位角为 式中f f F m A0 系统在静力F作用下的静位移 m k 系统的静刚度 N m t 时间 35 第四章机械加工表面质量 持续特征 强迫振动是由外界周期性激振力引起的 不会被阻尼衰减 频率特征 系统的振动频率与干扰力的频率相同 或是干扰力频率整倍数 而与系统的固有频率无关 幅值特征 系统的振动幅值与干扰力幅值 工艺系统动态特性有关 当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时 产生共振 此时幅值最大 相位特征 强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个 角 其值与系统的动态特性及干扰力频率有关 强迫振动的特征 36 第四章机械加工表面质量 三 自激振动 自激振动产生的条件和特征 产生的条件机床加工系统是由振动系统和调节系统两个环节组成的一个闭环系统 如图所示 当有偶然性外界干扰 工件材料硬度不均 加工余量有变化等 时 就会引起切削力的波动 如果系统不存在自激振动的条件 那么就是自由振动而逐渐衰减 如果系统存在自激振动的条件 调节系统把这种波动反馈回来形成交变切削力 交变切削力作为激振力依靠电机提供的能量对振动系统激振 37 特征自激振动是一种没有周期性外力干扰的但不衰减振动 维持振动所需的交变力是由振动过程本身产生的 与强迫振动和自由振动相比 自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率 与强迫振动相比 自激振动能否产生及振幅的大小取决于振动系统在每一个周期内获得和消耗的能量对比情况 自激振动产生的条件 即 W振出 W振入或F振出 yi F振入 yi 第四章机械加工表面质量 38 第四章机械加工表面质量 自激振动学说 机理 负摩擦激振学说 39 切入半周期 切屑对刀具做负功 切出半周期 切屑对刀具做正功 由于正功大于负功 即为一个振动周期内系统所获得的能量补充 使得振动得以维持下去 第四章机械加工表面质量 稳定切削时 刀尖在位置y0进行平稳切削 刀具与切屑相对滑动速度v1 外界因素引起振动时 刀具在平衡位置y0附近作往复运动 分别切入和切除两个半周期 切入和切出最大和最小滑动速度分别为 径向切削分力Fy1和Fy2 40 再生自激振动学说 原理 切削过程中由于偶然干扰 使加工系统产生振动并在加工表面上留下振纹 第二次 轮 走刀时 刀具将在有振纹的表面上切削 使切削厚度发生变化 导致切削力周期性地变化 产生自激振动 产生条件 1 当0 W 0 此时系统有能量获得 系统不稳定 将产生再生型自激振动 图中a b c 2 W最大 2 当 2 W 0 此时系统将消耗能量 系统稳定 不产生再生型自激振动 图中d 第四章机械加工表面质量 41 第四章机械加工表面质量 坐标联系学说 振型耦合原理 多自由度系统 42 第四章机械加工表面质量 建立模型 等效质量为m 刚度为k1 k2两个相互垂直的弹簧支持 弹簧轴线x1和x2分别为小刚度主轴和大刚度主轴 表示振动的两个自由度方向 原理 当系统在切削过程中受某种偶然因素干扰引起圆频率为 的振动时 m将同时在两个方向以不同的振幅和相位振动 刀尖振动运动轨迹为一个椭圆 在切削前半周期 切削力方向与刀具位移方向相反 系统消耗能量 在后半周期 切削力方向与刀具位移方向一致 系统吸收能量 由于后半周期平均切削厚度较大 对系统做的正功较多 因此 在一个振动周期内 系统有能量输入 振动得以维持 43 第四章机械加工表面质量 四 机械加工中振动的诊断方法 基本方法 步骤 拾取振动信号 作机床工作时的频谱图 做环境试验 查找机外振源 若拾取的频率成分与加工现场的振动频率完全相同 则为强迫振动 若不一致 则需进一步试验 做空运转试验 查找机内振源 若拾取的频率与加工现场的频谱线成分完全相同 除机外干扰力源的频率成分外 则可判断切削加工中产生的振动