第三章-机械制造工艺学PPT课件.ppt

1 第3章机械加工表面质量及其控制 表面质量是零件加工质量的重要方面 对零件使用性能影响有重要影响 本章在介绍加工表面质量概念的基础上 重点讨论影响加工表面粗糙度和表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施 在影响机械加工表面质量的诸多因素中 切削用量 刀具几何角度以及工件 刀具材料等起重要作用 学习者应了解这些因素对加工表面质量的影响规律 并应注意与切削原理知识相联系 机械加工中的振动通常是极端有害的 学习者应了解机械加工中强迫振动和自激振动的特征及其识别方法 了解自激振动产生的机理 以及消除和减弱振动的方法 学习本章内容 应注意理论联系实际 在处理实际问题时 应运用理论分析与实验相结合的方法 有条件应尽量安排实验环节 如表面粗糙度和表层金属力学物理性能实验 机械加工振动实验等 本章建议课上学时4 6 2 第3章机械加工表面质量及其控制 本章要点 表面质量及对使用性能影响 影响表面粗糙度工艺因素 机械加工中的振动 影响表层物理性能工艺因素 3 机械制造技术基础 第3章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality 3 1加工表面质量及其对使用性能的影响MachiningSurfaceQualityanditsInfluencetoUsePerformance 4 3 1 1加工表面质量概念 加工表面的几何形貌 表面粗糙度 波长 波高 50波度 波长 波高 50 1000 且具有周期特性宏观几何形状误差 平面度 圆度等 波长 波高 1000纹理方向 表面刀纹形式表面缺陷 如砂眼 气孔 裂纹等 5 3 1 1加工表面质量概念 无氧铜镜面三维形貌及表面轮廓曲线 6 3 1 1加工表面质量概念 加工纹理方向及其符号标注 7 3 1 1加工表面质量概念 表面层金属力学物理性能和化学性能 表面层金属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 8 3 1 2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 耐疲劳性 适当硬化 产生表面压应力 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 表面粗糙度值 耐磨性 但有限度 对耐疲劳性影响 对耐蚀性影响 对配合质量影响 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 9 机械制造技术基础 第3章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality 3 2影响加工表面质量工艺因素及其改进措施TechnologyFactorsInfluencingMachiningSurfaceQualityanditsImproving 10 3 2 1切削加工表面粗糙度 残留面积 影响因素 刀尖圆弧半径r 主偏角 r 副偏角 r 进给量f 直线刃车刀 11 3 2 1切削加工表面粗糙度 切削表面塑性变形和积屑瘤 切削速度影响最大 v 10 50m min范围 易产生积屑瘤和鳞刺 表面粗糙度最差 其他影响因素 刀具几何角度 刃磨质量 切削液等 12 3 2 2磨削加工表面粗糙度 磨削用量 从几何因素和塑性变形两方面影响 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 磨削用量对表面粗糙度的影响 vw 40m minf 2 36m minap 0 01mm v 50m sf 2 36m minap 0 01mm v m s 1 vw m min 1 a ap mm 0 0 01 0 4 0 8 Ra m 0 0 2 0 6 0 02 0 03 0 04 b 13 3 2 2磨削加工表面粗糙度 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 工件材料冷却润滑液等 其他影响因素 金刚石砂轮磨削工程陶瓷零件 采用超硬砂轮材料 Ra 砂轮精细修整 Ra 14 3 2 3表面粗糙度和表面微观形貌测量 比较法触针法 Ra0 02 5 m 表面粗糙度测量 光切法 Rz0 5 60 m干涉法 Rz0 05 0 8 m 15 3 2 3表面粗糙度和表面微观形貌测量 16 3 2 3表面粗糙度和表面微观形貌测量 干涉显微镜测量原理1 光源2 10 15 聚光镜3 滤色片4 光阑5 透镜6 9 物镜7 分光镜8 补偿镜10 14 16 反射镜12 目镜13 透光窗 17 3 2 3表面粗糙度和表面微观形貌测量 表面三维形貌测量与处理系统原理图1 驱动2 撞块3 电触点4 触针5 工作台6 工件7 步进电机8 控制电路9 驱动电路10 放大电路11 A D变换器12 微机13 显示器14 打印机 18 3 2 3表面粗糙度和表面微观形貌测量 TOPO移相干涉显微镜光学原理图1 光源2 4 12 透镜3 视场光阑6 干涉滤光片7 CCD面阵探测器8 输出信号9 目镜10 分光镜11 压电陶瓷13 反射镜14 参考基准板15 分光板16 被测工件 19 3 2 3表面粗糙度和表面微观形貌测量 20 机械制造技术基础 第3章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality 3 3影响表层物理性能工艺因素及其改进措施TechnologyFactorsInfluencingSurfacePhysicsPerformanceanditsImproving 21 3 3 1加工表面层冷作硬化 概述 加工硬化 已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象加工硬化产生 加工表面严重变形层内金属晶格拉长 挤紧 扭曲 碎裂 使表层组织硬化加工硬化度量 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 22 3 3 1加工表面层冷作硬化 影响切削加工表面冷作硬化因素 f 冷硬程度 切削用量影响 刀具影响 r 冷硬程度 其他几何参数影响不明显后刀面磨损影响显著 工件材料 材料塑性 冷硬倾向 切削速度影响复杂 力与热综合作用结果 切削深度影响不大 f和v对冷硬的影响 工件材料 45钢 23 3 3 1加工表面层冷作硬化 影响磨削加工表面冷作硬化因素 磨削用量 砂轮 工件材料 磨削速度 冷硬程度 弱化作用加强 工件转速 冷硬程度 纵向进给量影响复杂 磨削深度 冷硬程度 砂轮粒度 冷硬程度 砂轮硬度 组织影响不显著 材料塑性 冷硬倾向 材料导热性 冷硬倾向 24 3 3 1加工表面层冷作硬化 冷作硬化测量方法 表层显微硬度HV 硬化层深度测量 斜截面测量 可同时测出硬化层深度h 显微硬度计 采用顶角为136 金刚石压头 载荷 2N 斜截面测量显微硬度 25 3 3 2表面金属金相组织变化 合理选择砂轮合理选择磨削用量改善冷却条件 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 同时出现彩色氧化膜 磨削烧伤 磨削表面残余拉应力达到材料强度极限 在表层或表面层下产生微裂纹 裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状 常与烧伤同时出现 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 26 3 3 3表面金属残余应力 v 残余应力 热应力起主导作用 切削用量 材料塑性 残余应力 铸铁等脆性材料易产生残余压应力不同材料差异明显 f 残余应力 切削深度影响不显著 vc对残余应力的影响 o 5 o 5 r 75 r 0 8mm 工件 45钢切削条件 ap 0 3mm f 0 05mm r 不加切削液 0 50 100 150 200 距离表面深度 m 残余应力 GPa 0 20 0 0 20 vc 213m min vc 86m min vc 7 7m min 工件材料 27 3 3 3表面金属残余应力 低速 6 20m min 残余拉伸应力 热应力起主导作用 中速 200 250m min 残余压缩应力高速 500 850m min 残余压缩应力 金相组织变化起主导作用 18CrNiMoA车削残余应力 切削速度对残余应力的影响 28 3 3 3表面金属残余应力 刀具影响 前角 残余拉应力 刀具磨损 残余应力 29 3 3 3表面金属残余应力 最终工序加工方法选择 交变载荷 选压应力滑动摩擦 拉应力抗机械磨损滚动摩擦 压应力有利 30 3 3 3表面金属残余应力 v 拉应力倾向 磨削用量 材料强度 导热性 塑性 拉应力倾向 f 工件转速 拉应力 背吃刀量 很小 压应力 塑性变形起主要作用 增大 拉应力 热变形起主要作用 再增大 压应力 工件材料 磨削工业铁背吃刀量 残余应力 磨削T8钢背吃刀量 残余应力 31 3 3 4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 将凸起部分下压下 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 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 疲劳强度 喷丸强化 滚压加工原理图 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 表面硬度提高10 40 耐疲劳强度提高30 50 32 机械制造技术基础 第3章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality 3 4机械加工过程中的振动VibrationsinmachiningProcess 33 3 4 1概述 机械加工过程中振动的危害 影响加工表面粗糙度 振动频率较低时会产生波度影响生产效率加速刀具磨损 易引起崩刃影响机床 夹具的使用寿命产生噪声污染 危害操作者健康 工艺系统受到初始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 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 34 3 4 2机械加工过程中强迫振动 强迫振动产生原因 由外界周期性的干扰力 激振力 作用引起强迫振动振源 机外 机内 频率特征 与干扰力的频率相同 或是干扰力频率整倍数幅值特征 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 产生共振相角特征 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 机外 振源均通过地基把振动传给机床机内 1 回转零部件质量的不平衡2 机床传动件的制造误差和缺陷3 切削过程中的冲击 35 3 4 2机械加工中的自激振动 自激振动的概念 在没有周期性外力作用下 由系统内部激发反馈产生的周期性振动自激振动过程可用传递函数概念说明 自激振动是一种不衰减振动自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率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 36 3 4 2机械加工中的自激振动 再生原理 自激振动机理 产生条件 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 图中a b c 系统无能量获得 d y滞后于y0 即0 此时切出比切入半周期中的平均切削厚度大 切出时切削力所作正功 获得能量 大于切入时所作负功 系统有能量获得 产生自激振动 37 3 4 2机械加工中的自激振动 振型耦合原理 将车床刀架简化为两自由度振动系统 等效质量m用相互垂直的等效刚度分别为k1 k2两组弹簧支撑 设x1为低刚度主轴 自激振动的产生条件 k1 k2 x1超前x2 轨迹d c b a为一椭圆 切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的大 系统无能量输入 k1 k2 x1滞后于x2 轨迹为一顺时针方向椭圆 即 a b c d 此时 切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的小 有能量获得 振动能够维持 k1 k2 x1与x2无相位差 轨迹为直线 无能量输入 38 3 4 2机械加工中的自激振动 负摩擦原理 吃刀抗力Fp自某一速度开设随切削速度增加而下降 Fp N 切削速度对吃刀抗力Fp的影响 切削过程如有振动 切入半周期切削速度高 Fp小 切入半周期切削力所作负功小于切出半周期切削力所作正功 系统有能量输入 振动维持 Fp主要由摩擦引起 故将切削速度增高导致摩擦力下降的特性称为负摩擦特性 39 3 4 2机械加工中的自激振动 切削力滞后原理 由于存在惯性和阻尼 作用在刀具上的切削力滞后主振动系统运动振入过程实际切削厚度小于名义值 Fp小 切入半周期切削力所作负功小于切出半周期切削力所作正功 系统有能量输入 振动维持 动力学模型 由切削力滞后引起 故称为滞后型颤振 40 3 4 3机械加工振动诊断技术 强迫振动诊断依据 强迫振动频率与干扰力频率相同 或为其整倍数 强迫振动诊断 强迫振动诊断步骤 采集现场加工振动信号 加工部位振动敏感方向频谱分析处理 自功率谱密度函数处理 各峰值点频率即振动频率 最大谱峰值频率对应主振频率环境试验 查找机外振源 机床停止状态 拾取信号进行频谱分析 得到机外干扰力源频率成分 并与加工时振动频率比较 若相同 可确定为强迫振动空运转试验 查找机内振源 机床按加工参数运转 不加工 拾取信号进行频谱分析 并与加工时振动频率比较 若相同 可确定为强迫振动查找干扰力源 确定内部干扰源具体位置 41 3 4 3机械加工振动诊断技术 诊断参数 相位差 再生型颤振诊断 相位差测量与计算 相位差可通过测量颤振频率f及工件转数n间接求得车削 工件每转切削振痕数J 式中Jz J 分别为J的整数和小数部分相位差 360 1 J 为控制 测量误差 需采用频率细化技术 诊断要领 相位差 位于 象限 即0 180 有再生型颤振相位差 位于 象限 即180 360 非再生型颤振 42 3 4 3机械加工振动诊断技术 诊断参数 y向振动相对于x向振动的相位差 耦合型颤振诊断 诊断要领 根据理论推导 相位差 位于 象限 非耦合型颤振相位差 位于 象限 为耦合型颤振 相位差测量与计算 相位差 可通过求取振动信号x t 与y t 的互功率谱密度函数Sxy 在主振频率成分上的相位值获得 43 3 4 3机械加工振动诊断技术 工作条件与测试装置 诊断实例 工作条件 C6140车床车电机轴 长度800mm 最大直径50mm YT15车刀 主偏角45 v 84 4m min f 0 12mm r ap 0 4mm测试装置 44 3 4 3机械加工振动诊断技术 诊断过程与诊断结果 切削试验与空转试验 自谱图分析 车削过程自谱图 最大峰值频率150Hz 高频峰值频率为其倍频成分 车削振动主振频率为150Hz空转试验150Hz处无明显峰值 150Hz振动不是强迫振动 45 3 4 3机械加工振动诊断技术 互谱分析 判定自激振动类型 频率细化处理 颤振频率为150 178Hz 工件转速n 536 99r min 可计算出前后两转相位差 79 2 为再生型颤振 46 3 4 4机械加工