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第5章机械加工表面质量 本章提要 机械加工表面质量决定了机器的使用性能和延长使用寿命 机械加工表面质量是以机械零件的加工表面和表面层作为分析和研究对象的 本章旨在研究零件表面层在加工中的变化和发生变化的机理 掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量的影响规律 运用这些规律来控制加工中的各种影响因素 以满足表面质量的要求 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 概述表面粗糙度影响的工艺因素及其改善的工艺措施影响表层物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施控制加工表面质量的途径机械加工中的振动及其控制措施 内容提纲 任何机械加工方法所得到的零件表面 实际上都不是完全理想的表面 实践证明 机器零件的破坏 一般都从表层开始 这从一定程度上表明零件的表面质量对产品质量影响很大 产品工作性能的可靠性 耐久性 很大程度上取决于其主要零件的表面质量 机器零件使用性能的耐磨性 疲劳强度 耐蚀性等 除与材料本身的性能和热处理有关外 主要取决于加工后的表面质量 随着产品性能的不断提高 一些重要零件必须在高应力 高速 高温等极端条件下工作 因其工作表面作用有最大应力并直接受外界介质的腐蚀 表面层的任何缺陷都可能引起应力集中 应力腐蚀等现象而导致零件的损坏 于是表面质量问题也会变得突出和复杂 5 1概述 5 1 1机械加工表面质量含义 研究表面质量的目的 是要掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量的作用及影响规律 以便应用这些规律控制加工过程 最终提高零件的表面质量和产品使用性能 机械加工表面质量的研究内容包括加工表面几何形状特征和表面层物理 机械性能的变化 5 1概述 5 1 1机械加工表面质量含义 加工表面层沿深度变化示意图 5 1概述 5 1 1机械加工表面质量含义 零件表面质量 表面粗糙度 表面波度 表面物理力学性能的变化 表面微观几何形状特征 表面层冷作硬化 表面层残余应力 表面层金相组织的变化 表面质量的含义 内容 5 1概述 5 1 1机械加工表面质量含义 表面粗糙度 是指表面微观几何形状误差 其波长与波高的比值在L1 H1 40的范围内 波距 1mm Ra 0 012 0 025 0 05 0 1 0 2 0 4 0 8 1 6 3 2 6 3 12 5 25 50 表面波度 是介于加工精度 宏观几何形状误差L3 H3 1000 和表面粗糙度间的一种带有周期性的几何形状误差 其波长与波高的比值在40 L2 H2 1000的范围 波距 1 10mm纹理方向 纹理方向是指表面刀纹的方向 它取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法 伤痕 是加工表面上一些个别位置上出现的缺陷 例如 砂眼 气孔 裂痕等 1 表面层的几何形状 5 1概述 5 1 1机械加工表面质量含义 L1范围内的凹凸不平 表面粗糙度 H1L2范围内的凹凸不平 波度 H2平面度H3表面粗糙度和波度 1 表面层的几何形状 5 1概述 5 1 1机械加工表面质量含义 1 表面层的几何形状 5 1概述 5 1 1机械加工表面质量含义 1 表面层冷作硬化 简称冷硬 在机械加工中 零件表面层产生强烈的冷态塑性变形后 引起的强度和硬度都有所提高的现象 一般情况下表面硬化层的深度可达0 05 0 30mm 2 表面层金相组织的变化 机械加工过程中 由于切削热或磨削热的作用引起工件表面温升过高 表面层金属的金相组织发生变化的现象 3 表面层残余应力 是由于加工过程中切削变形和切削热的影响 工件表面层产生残余应力 2 表面层的物理机械性能 5 1概述 5 1 1机械加工表面质量含义 1 表面质量对耐磨性的影响 耐磨性主要取决于摩擦副的材料及润滑条件 还与零件的表面质量有关 零件磨损三个阶段 初期磨损阶段 正常磨损阶段 剧烈磨损阶段 摩擦副的磨损过程 5 1概述 5 1 2机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响 1 表面粗糙度对零件耐磨性的影响表面粗糙度太大和太小都不耐磨表面粗糙度太大 接触表面的实际压强增大 粗糙不平的凸峰相互咬合 挤裂 切断 故磨损加剧 表面粗糙度太小 也会导致磨损加剧 因为表面太光滑 存不住润滑油 接触面间不易形成油膜 容易发生分子粘结而加剧磨损 1 表面质量对耐磨性的影响 5 1概述 5 1 2机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响 1 表面粗糙度对零件耐磨性的影响表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关 载荷加大时 磨损曲线向上 向右移动 最佳表面粗糙度值也随之右移 1 表面质量对耐磨性的影响 5 1概述 5 1 2机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响 2 表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响 加工表面的冷作硬化 一般能提高零件的耐磨性 因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高 塑性降低 减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形 并非冷作硬化程度越高 耐磨性就越高 这是因为过分的冷作硬化 将引起金属组织过度 疏松 在相对运动中可能会产生金属剥落 在接触面间形成小颗粒 使零件加速磨损 1 表面质量对耐磨性的影响 5 1概述 5 1 2机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响 1 表面粗糙度对零件疲劳强度的影响表面粗糙度越大 抗疲劳破坏的能力越差 对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大 在交变载荷作用下 表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中 产生疲劳裂纹 表面粗糙度值越小 表面缺陷越少 工件耐疲劳性越好 反之 加工表面越粗糙 表面的纹痕越深 纹底半径越小 其抗疲劳破坏的能力越差 2 表面质量对零件疲劳强度的影响 5 1概述 5 1 2机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响 2 表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度 残余应力有拉应力和压应力之分 残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力 延缓疲劳裂纹的扩展 从而提高零件的疲劳强度 2 表面质量对零件疲劳强度的影响 5 1概述 5 1 2机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响 1 表面粗糙度对零件配合精度的影响表面粗糙度较大 则降低了配合精度 2 表面残余应力对零件工作精度的影响表面层有较大的残余应力 就会影响它们精度的稳定性 3 表面质量对零件工作精度的影响 5 1概述 5 1 2机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响 1 表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响零件表面越粗糙 越容易积聚腐蚀性物质 凹谷越深 渗透与腐蚀作用越强烈 因此减小零件表面粗糙度 可以提高零件的耐腐蚀性能 2 表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响零件表面残余压应力使零件表面紧密 腐蚀性物质不易进入 可增强零件的耐腐蚀性 而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性 表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响 如减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度 密封性和测量精度 对滑动零件 可降低其摩擦系数 从而减少发热和功率损失 4 表面质量对零件耐腐蚀性能的影响 5 1概述 5 1 2机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响 零件表面质量 粗糙度太大 太小都不耐磨 适度冷硬能提高耐磨性 对疲劳强度的影响 对耐磨性的影响 对耐腐蚀性能的影响 对工作精度的影响 粗糙度越大 疲劳强度越差 适度冷硬 残余压应力能提高疲劳强度 粗糙度越大 工作精度降低 残余应力越大 工作精度降低 粗糙度越大 耐腐蚀性越差 压应力提高耐腐蚀性 拉应力反之则降低耐腐蚀性 5 1概述 5 1 2机械加工表面质量对机器产品使用性能和使用寿命的影响 5 1概述 5 1 3机械加工表面质量的研究内容 为保证机器产品的使用性能和使用寿命 机械加工表面质量的研究应包括如下内容 1 表面粗糙度及其降低的工艺措施 2 表面层物理 力学性能及其改善的工艺措施 3 机械加工中的振动及其控制 机械加工中 表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面 1 切削加工表面粗糙度的形成 5 2表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5 2 1切削加工表面粗糙度 1 切削加工表面粗糙度的形成及影响因素 1 几何因素 刀尖圆弧半径r 主偏角kr 副偏角kr 进给量f 5 2表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5 2 1切削加工表面粗糙度 2 物理力学因素 1 切削加工表面粗糙度的形成 5 2表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5 2 1切削加工表面粗糙度 切削加工后表面的实际轮廓与纯几何因素所形成的理想轮廓往往差别较大 这主要是因为在加工过程中还有塑性变形等物理因素的影响 这些物理因素的影响一般较复杂 它与切削原理中所叙述的加工表面的形成过程有关 如在加工过程中产生的积屑瘤 鳞刺和振动等对加工表面粗糙度的形成均有很大影响 2 物理力学因素 1 切削加工表面粗糙度的形成 被加工材料的性能 塑性变形的影响切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工件挤压与摩擦而产生塑性变形 与切削机理有关的物理因素 刀瘤和鳞刺的影响切削用量的影响刀具材料的影响 5 2表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5 2 1切削加工表面粗糙度 刀瘤对工件表面质量的影响切削过程中切屑底层和前刀面发生冷焊的结果 2 物理力学因素 1 切削加工表面粗糙度的形成 5 2表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5 2 1切削加工表面粗糙度 鳞刺的产生 切屑在前刀面上的摩擦和冷焊作用造成周期性的停留 代替刀具推挤切削层 造成切削层和工件之间出现撕裂现象 鳞刺的形成 抹试阶段 导裂阶段 层积阶段 刮成阶段 2 物理力学因素 1 切削加工表面粗糙度的形成 5 2表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5 2 1切削加工表面粗糙度 工件材料的影响 韧性材料 工件材料韧性愈好 金属塑性变形愈大 加工表面愈粗糙 故对中碳钢和低碳钢材料的工件 为改善切削性能 减小表面粗糙度 常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理 脆性材料 加工粗糙度接近理论值 加工脆性材料时 其切削呈碎粒状 由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点 使表面粗糙 2 物理力学因素 1 切削加工表面粗糙度的形成 5 2表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5 2 1切削加工表面粗糙度 切削速度的影响 加工塑性材料时 切削速度对表面粗糙度的影响如图所示 积屑瘤和鳞刺仅在低速时产生 切削速度越高 塑性变形越不充分 表面粗糙度值越小 选择低速宽刀精切和高速精切 可以得到较小的表面粗糙度 加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响实线 只考虑塑性变形的影响虚线 考虑刀瘤和鳞刺的影响 2 物理力学因素 1 切削加工表面粗糙度的形成 5 2表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5 2 1切削加工表面粗糙度 其它因素的影响 合理使用冷却润滑液 适当增大刀具的前角 提高刀具的刃磨质量等 均能有效地减小表面粗糙度值 进给量的影响 减小进给量f固然可以减小表面粗糙度值 但进给量过小 表面粗糙度会有增大的趋势 2 物理力学因素 1 切削加工表面粗糙度的形成 5 2表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5 2 1切削加工表面粗糙度 3 工艺系统振动 1 切削加工表面粗糙度的形成 5 2表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5 2 1切削加工表面粗糙度 工艺系统的低频振动 一般在工件的已加工表面上产生表面波度 而工艺系统的高频振动将对已加工表面的粗糙度产生影响 为降低加工表面的粗糙度 则必须采取相应措施防止加工过程中产生高频振动 5 2表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5 2 1切削加工表面粗糙度 工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的刻痕形成的 工件单位面积上通过的砂粒数越多 则刻痕越多 刻痕的等高性越好 表面粗糙度值越小 1 磨削加工后表面粗糙度的形成 磨削速度比一般切削速度高得多 且磨粒大多数是负前角 切削刃又不锐利 大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压 没有切削作用 加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起 又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形 故表面粗糙度值增大 5 2表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5 2 2磨削加工表面粗糙度 1 磨削加工后表面粗糙度 磨粒在工件上的刻痕 5 2表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5 2 2磨削加工表面粗糙度 磨粒在砂轮上的分布越均匀 磨粒越细 刃口的等高性越好 则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒越多 磨削表面上的刻痕就越细密均匀 表面粗糙度值就越小 2 磨削中影响粗糙度的因素 砂轮修整除了使砂轮具有正确的几何形状外 更重要的是使砂轮工作表面形成排列整齐而又锐利的微刃 因此 砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大 5 2表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5 2 2磨削加工表面粗糙度 1 砂轮的磨粒 2 砂轮修整 砂轮转速越高 单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多 表面粗糙度值就越小 工件速度对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影响相反 工件的速度增大 通过加工表面的磨粒数减少 因此表面粗糙度值增大 砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时 工件表面将被重叠切削 而被磨次数越多 工件表面粗糙度值就越小 为提高磨削效率 通常在开始磨削时采用较大的径向进给量 而在磨削后期采用较小的径向进给量或无进给量磨削 以减小表面粗糙度值 2 磨削中影响粗糙度的因素 3 磨削用量 5 2表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5 2 2磨削加工表面粗糙度 太硬易使磨粒磨钝 Ra 太软容易堵塞砂轮 Ra 韧性太大 热导率差会使磨粒早期崩落 Ra 2 磨削中影响粗糙度的因素 4 工件材料 5 2表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5 2 2磨削加工表面粗糙度 5 2表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5 2 2磨削加工表面粗糙度 5 2表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施 5 2 3超精研 研磨 珩磨和抛光加工的表面粗糙度 超精研 研磨 珩磨和抛光加工 一般只规定加工时的压强 加工时所用的工具由加工面本身导向而相对于工件的定位基准没有确定的位置 所使用的机床也不需要具有非常精确的成型运动 这些加工方法的主要作用是降低表面粗糙度 而加工精度则主要由前面工序保证 采用这些方法加工时 其加工余量都不可能太大 一般只是前道工序公差的几分之一 因此 这些加工方法均被称为零件表面的光整加工技术 在切削加工中 工件由于受到切削力和切削热的作用 使表面层金属的物理机械性能产生变化 最主要的变化是表面层冷作硬化 金相组织的变化和残余应力的产生 由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重 因而磨削加工后加工表面层上述三项物理机械性能的变化会很大 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 影响表面层物理力学性能的主要因素 表面物理力学性能 影响金相组织变化因素 影响显微硬度因素 影响残余应力因素 塑变引起的冷硬金相组织变化引起的硬度变化 冷塑性变形热塑性变形金相组织变化 切削热 冷作硬化金相组织变化残余应力 表现形式 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 切削或磨削加工中 表面层金属由于塑性变形使晶格扭曲 畸变 晶粒间产生剪切滑移 晶粒被拉长和纤维化 甚至破碎 引起材料的强化 使表面层金属的硬度和强度提高 这种现象称为加工硬化 又称冷作硬化或强化 1 冷作硬化的概念 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 1加工表面层的冷作硬化 弱化 被冷作硬化的金属处于高能位的不稳定状态 只要一有可能 金属的不稳定状态就要向比较稳定的状态转化 这种现象称为弱化 弱化作用的大小取决于温度的高低 热作用时间的长短和表层金属的强化程度 由于在加工过程中表层金属同时受到变形和热的作用 加工后表层金属的最后性质取决于强化和弱化综合作用的结果 1 冷作硬化的概念 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 1加工表面层的冷作硬化 衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项 1 表面层的显微硬度H 2 硬化层深度h 3 硬化程度NN H H0 H0 100 式中H0 工件原表面层的显微硬度 2 冷作硬化的评定 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 1加工表面层的冷作硬化 表面层冷作硬化的程度决定于产生塑性变形的力 变形速度及变形时的温度 力越大 塑性变形越大 则硬化程度越大 速度越大 塑性变形越不充分 则硬化程度越小 变形时的温度不仅影响塑性变形程度 还会影响变形后金相组织的恢复程度 3 影响冷作硬化的主要因素 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 1加工表面层的冷作硬化 刀具几何形状的影响 切削刃r 前角 后面磨损量VB 表层金属的塑变加剧 冷硬 切削用量的影响 切削速度v 温度升高 冷硬恢复 刀具 工件接触时间短 塑变 冷硬 f 切削力 塑变 冷硬 f较小 刀具刃口圆角在加工表面单位长度上的挤压次数增多 冷硬 工件材料性能的影响 材料塑性 冷硬 3 影响冷作硬化的主要因素 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 1加工表面层的冷作硬化 切削加工中 由于切削热的作用 在工件的加工区及其邻近区域产生了一定的温升 定义 磨削加工时 表面层有很高的温度 当温度达到相变临界点时 表层金属就发生金相组织变化 强度和硬度降低 产生残余应力 甚至出现微观裂纹 这种现象称为磨削烧伤 淬火钢在磨削时 由于磨削条件不同 产生的磨削烧伤有三种形式 1 机械加工表面层金相组织的变化 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 2表面层金属的金相组织变化 淬火烧伤 回火烧伤 退火烧伤 2 磨削烧伤的三种形式 磨削时 当工件表面层温度超过相变临界温度Ac3时 则马氏体转变为奥氏体 若此时无冷却液 表层金属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织 硬度和强度均大幅度下降 这种现象称为退火烧伤 磨削时 如果工件表面层温度只是超过原来的回火温度 则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象而转变为硬度较低的回火组织 索氏体或屈氏体 这种现象称为回火烧伤 磨削时工件表面温度超过相变临界温度Ac3时 则马氏体转变为奥氏体 在冷却液作用下 工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织 其硬度比原来的回火马氏体高 但很薄 其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体 由于二次淬火层极薄 表面层总的硬度是降低的 这种现象称为淬火烧伤 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 2表面层金属的金相组织变化 2 磨削烧伤的三种形式 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 2表面层金属的金相组织变化 3 评定烧伤的方法 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 2表面层金属的金相组织变化 1 观色法 此法立足于不同性质的烧伤组织具有不同的光学性质 反射 干涉等 因而会在工件表面上呈现出不同的色彩 人们根据烧伤表面上看到的黄 褐 紫 青等烧伤颜色 便可鉴别它属于哪一类烧伤 用观色法所能鉴别的烧伤 其温度多在500 以上 2 酸洗法 将已加工完的工件表面在3 5 的硝酸溶液中浸洗30 40s后取出 在灯光下观察 如果表面呈暗灰色则可判断工件表面上无烧伤 如果表面呈黑色则说明工件已经烧伤 3 金相组织法 通过一定的方法观察和检查表层金属金相组织的变化来评定烧伤的情况 4 显微硬度法 不同性质的烧伤具有不同性质的显微硬度分布 金相组织法 磨削烧伤检测仪磁弹仪利用巴克豪森效应检测表面磨削缺陷和热处理烧伤 1 砂轮转速 磨削烧伤 2 径向进给量fp 磨削烧伤 3 轴向进给量fa 磨削烧伤 4 工件速度vw 磨削烧伤 1 磨削时 砂轮表面上磨粒的切削刃口锋利 磨削力 磨削区的温度 2 磨削导热性差的材料 耐热钢 轴承钢 不锈钢 磨削烧伤 3 应合理选择砂轮的硬度 结合剂和组织 磨削烧伤 磨削用量 砂轮与工件材料 4 改善加工表面金相组织的工艺途径 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 2表面层金属的金相组织变化 采用内冷却法 磨削烧伤 改善冷却条件 内冷却装置1 锥形盖2 通道孔3 砂轮中心孔4 有径向小孔的薄壁套 4 改善加工表面金相组织的工艺途径 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 2表面层金属的金相组织变化 间断磨削 受热 磨削烧伤 采用开槽砂轮 开槽砂轮 4 改善加工表面金相组织的工艺途径 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 2表面层金属的金相组织变化 1 残余应力的定义 定义 机械加工中工件表面层组织发生变化时 在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力 这种应力即为表面层的残余应力 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 3表面层金属的残余应力 冷塑性变形 工件表面受到挤压与摩擦 表层产生伸长塑变 基体仍处于弹性变形状态 切削后 表层产生残余压应力 而在里层产生残余拉伸应力 热塑性变形 表层产生残余拉应力 里层产生产生残余压应力 金相组织变化 切削过程产生的高温会引起表面层的相变 表面层金相变化的结果会造成体积的变化 表面层体积膨胀时因受到基体的限制产生拉应力 反之 产生压应力 2 表面层残余应力产生的原因 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 3表面层金属的残余应力 切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 3表面层金属的残余应力 磨削裂纹和残余应力有着十分密切的关系 在磨削过程中 当工件表面层产生的残余应力超过工件材料的强度极限时 工件表面就会产生裂纹 磨削裂纹常与烧伤同时出现 磨削裂纹的产生与材料性质及热处理工序有很大关系 磨削硬质合金时 由于其脆性大 抗拉强度低以及导热性差 所以特别容易产生磨削裂纹 磨削合碳量高的淬火钢时 由于其晶界脆弱 也容易产生磨削裂纹 3 磨削裂纹 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 3表面层金属的残余应力 机械加工后工件表面层的残余应力是冷态塑性变形 热态塑性变形和金相组织变化的综合结果 切削加工时起主要作用的往往是冷态塑性变形 表面层常产生残余压缩应力 磨削加工时起主要作用的通常是热态塑性变形或金相组织变化引起的体积变化 表面层常产生残余拉伸应力 4 影响表面残余应力的主要因素 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 3表面层金属的残余应力 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 4表面层强化工艺 这里所说的表面强化工艺是指通过冷压加工方法使表面层金属发生冷态塑性变形 以降低表面粗糙度 提高表面硬度 并在表面层产生残余压应力 至于表面镀铬 以及其他表面化学热处理等强化工艺 不属于本课程的研究范围 这里不做介绍 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 4表面层强化工艺 常用的冷压强化工艺方法 5 3影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施 5 3 4表面层强化工艺 典型的滚柱滚压加工 对零件使用性能危害甚大的残余拉应力 磨削烧伤和磨削裂纹均起因于磨削热 所以如何降低磨削热并减少其影响是生产上的一项重要问题 解决的原则 一是减少磨削热的发生 二是加速磨削热的传出 提高表面质量的工艺途径大致可以分为两类 一类是用低效率 高成本的加工方法 寻求各工艺参数的优化组合 以减小表面粗糙度 另一类是着重改善工件表面的物理力学性能 以提高其表面质量 5 4控制加工表面质量的途径 为了获得要求的表面质量 就必须对加工方法 切削参数进行适当的控制 控制表面质量常会增加加工成本 影响加工效率 所以对于一般零件宜采用正常的加工工艺保证表面质量 就不必再提出过高要求 而对于一些直接影响产品性能 寿命和安全工作的重要零件的重要表面 就有必要加以控制了 以磨削为例 生产中比较可行的办法是通过试验来确定磨削参数 先按初步选定的磨削参数试磨 检查工件表面热损伤情况 据此调整磨削参数直至最后确定下来 另一种方法是在磨削过程中连续测量磨削区温度 然后控制磨削参数 5 4 1控制加工工艺参数 5 4控制加工表面质量的途径 超精加工 珩磨等都是利用磨条以一定的压力压在工件的被加工表面上 并做相对运动以降低工件表面粗糙度和提高精度的工艺方法 一般用于粗糙度为Ra 0 1 m表面的加工 由于切削速度低 磨削压强小 所以加工时产生很少热量 不会产生热损伤 并在工件表面层产生残余压应力 如果加工余量合适 还可以去除磨削加工的变质层 采用超精加工 珩磨工艺虽然比直接采用精磨达到要求的粗糙度要多增加一道工序 但由于这些加工方法都是靠加工表面自身定位进行加工的 所以机床结构简单 精度要求不高 而且大多设计成多工位机床 并能进行多机操作 所以生产效率较高 加工成本较低 5 4 2采用适当的精加工与光整加工方法作为终加工工序 5 4控制加工表面质量的途径 对于承受高应力 交变载荷的零件 可以采用喷丸 滚压 辗光等表面强化工艺使表面层产生残余压应力和冷作硬化并降低表面粗糙度 同时消除磨削等工序的残余拉应力 因此可大大提高疲劳强度及抗应力腐蚀性能 借助强化工艺还可以用次等材料替代优质材料 以节约贵重材料 但是采用强化工艺时应注意不要造成过度硬化 过度硬化会使表面层完全失去塑性性质甚至引起显微裂纹和材料剥落 带来不良的后果 因此 采用强化工艺必须控制好工艺参数以获得要求的强化表面 5 4 3采用表面强化工艺 5 4控制加工表面质量的途径 1 表面粗糙度的测定 比较法 光切法 干涉法 针描法 2 冷作硬化的测定 1 金相法将试件的侧面制成金相磨片 腐蚀后放大200 1000倍 即可从其金相组织判断硬化深度及程度 2 X光法将一束X光线照射在金属上 射线将在晶胞中反射出来 在光谱上得出许多成虚线的干涉圈 如果晶粒破碎或晶格扭曲变形时 则干涉圈变成实线 如果晶格参数有变化 则干涉圈将产生位移 同时强度减弱 可用胶片记录其结果 利用这一原理 先照出试件基体X光谱 与加工层的X光谱比较 用机械抛光或电抛光逐次去掉加工层 将所照X光谱比较之 直至与基体一致 即可从机械抛光等去掉的厚度得到硬化深度 5 4 4表面质量的检查 5 4控制加工表面质量的途径 2 冷作硬化的测定 3 测量显微硬度法a HV值法 用机械抛光或电抛光逐层去除冷硬层 测量其显微硬度 直至与基体相同为止 从去除的厚度可得到硬化深度 b 硬化层深度h 在试件的侧面磨出金相磨片 从外向内打显微硬度 从其硬度变化得知硬化深度 如果硬化层很薄 则这种方法不行 c 当硬化层很薄时 可在斜切面上测量显微硬度 一般斜切角 0o30 2o30 h Isin 要注意斜切方向应在纵向粗糙度上 即与主运动方向平行 斜切加工要用研磨 电加工等方法 避免在斜切面上产生加工硬化而影响测量效果 5 4 4表面质量的检查 5 4控制加工表面质量的途径 2 冷作硬化的测定 4 脆性涂料法5 激光全息法6 再结晶法 5 4 4表面质量的检查 5 4控制加工表面质量的途径 3 金相组织变化的测定 1 氧化膜法磨削烧伤时 表面形成氧化膜 随着烧伤时的温不同 呈现不同颜色 从而可看出其烧程度 2 显微硬度法由于磨削烧伤时表层的显微硬度有变化 故可从显微硬度来测定烧伤的程度和深度 具体方法同上 3 金相组织法同上 4 酸洗法将工件加工面浸泡在硝酸溶液 3 5 HNO3 中30 45s后 如表面呈黑色则有烧伤 呈暗灰色则无烧伤 5 4 4表面质量的检查 5 4控制加工表面质量的途径 4 残余应力的测定 1 物理化学法将有残余应力的试件放人相应的腐蚀剂中 表面就会产生裂纹 从裂纹的方向可以判断残余应力的性质 纵向裂纹是由切向应力引起的 横向裂纹是由轴向拉应力引起的 从裂纹出现的时间 可定性的估计残余应力的大小 裂纹出现愈快 残余应力愈大 所用腐蚀剂 对钢来说是弱碱溶液 对黄铜 锡青铜来说是铵 汞盐 5 4 4表面质量的检查 5 4控制加工表面质量的途径 4 残余应力的测定 2 光谱法在试件上放一张银箔并照下X光谱图 得到一系列虚线的干涉圈 并将它作为比较干涉线位移 亮度 粗细的标准 在试件上照下光谱图 与银箔X光谱图进行比较 1 干涉线由虚线变为实线 工件由于受力 热作用产生塑性变形的整体内应力 2 干涉线冲散 线条好象变粗 由于多晶体金属晶粒变形产生的残余应力 3 干涉线变暗 由于工件冷作硬化产生的残余应力 4 干涉线变暗变宽而旁有麻点 上述三种应力都存在 5 4 4表面质量的检查 5 4控制加工表面质量的途径 4 残余应力的测定 3 机械法这种方法的原理是根据变形量来计算残余应力的大小 只能测量第一类残余应力 是实验室常用的定量测试方法 具体实验原理见材料力学有关知识 5 4 4表面质量的检查 5 4控制加工表面质量的途径 5 裂纹的测定 如果表面经过精加工 可能用肉眼就能发现 也可用渗透法看出 内在的裂纹可以用磁力探伤 超声波探伤或发声装置等来检查 1 磷粉探伤 2 超声波探伤 3 涡流探伤法 4 声发射检测 5 显微分析法 5 4 4表面质量的检查 5 4控制加工表面质量的途径 机械加工过程中产生的振动 也和其它的机械振动一样 按其产生的原因可分为自由振动 强迫振动和自激振动三大类 振动会在工件加工表面出现振纹 降低了工件的加工精度和表面质量 振动会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨损 振动使机床连接部分松动 影响运动副的工作性能 并导致机床丧失精度 强烈的振动及伴随而来的噪声 还会污染环境 危害操作者的身心健康 为减小加工过程中的振动 有时不得不降低切削用量 使机械加工生产率降低 5 5 1机械加工中的振动及其分类 5 5机械加工中的振动及其控制措施 机械加工振动 自激振动 自由振动 强迫振动 当系统受到初始干扰力激励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 由于总存在阻尼 自由振动将逐渐衰减 占5 系统在周期性激振力 干扰力 持续作用下产生的振动 称为强迫振动 强迫振动的稳态过程是谐振动 只要有激振力存在振动系统就不会被阻尼衰减掉 占30 在没有周期性干扰力作用的情况下 由振动系统本身产生的交变力所激发和维持的振动 称为自激振动 切削过程中产生的自激振动也称为颤振 占65 5 5机械加工中的振动及其控制措施 5 5 1机械加工中的振动及其分类 按工艺系统的自由度数量分 单自由度系统振动 用一个独立坐标就可以确定的振动 多自由度系统振动 用多个独立坐标才能确定的振动 5 5 1机械加工中的振动及其分类 5 5机械加工中的振动及其控制措施 强迫振动的振源有来自机床内部的机内振源和来自机床外部的机外振源两大类 机外振源甚多 但它们都是通过地基传给机床的 可通过加设隔振地基来隔离 强迫振动的振源 系统外部的周期性干扰力旋转零件的质量偏心传动机构的缺陷切削过程的间隙特性 机床电机的振动机床高速旋转件不平衡引起的振动机床传动机构缺陷引起的振动 如齿轮的侧隙 皮带张紧力的变化等切削过程中的冲击引起的振动往复运动部件的惯性力引起的振动 5 5 2机械加工中的强迫振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 内圆磨削振动系统a 模型示意图b 动力学模型c 受力图 1 动力学模型的建立 5 5 2机械加工中的强迫振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 1 动力学模型的建立 几点假设 1 a 只有质量 没有弹性的集中质量 b 只有弹性 没有质量的集中弹簧 2 阻尼力在线性范围内 即 3 系统在平衡位置附近作微小的振动 5 5 2机械加工中的强迫振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 根据牛顿运动规律建立微分方程 式中 衰减系数 0 系统无阻尼振动时的固有频率 激振力频率 该式是一个二阶常系数线性非齐次微分方程 根据微分方程理论 当系统为小阻尼时 它的解由令 而得到的 齐次方程的通解和非齐次方程的一个特解组成 1 动力学模型的建立 5 5 2机械加工中的强迫振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 等式右边第一项表示具有粘性阻尼的自由振动 如 a 所示 第二项表示有阻尼的强迫振动 如 b 所示 二者叠加后的振动过程如图 c 所示 经过一段时间后 衰减振动会很快衰减掉了 而强迫振动则持续下去 形成振动的稳态过程 5 5 2机械加工中的强迫振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 进入稳态后的振动方程 即特解 为 式中A 强迫振动的幅值 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为 相位角为 1 动力学模型的建立 5 5 2机械加工中的强迫振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 式中f f F0 m A0 系统在静力F0作用下的静位移 m k 系统的静刚度 N m 频率比 0 阻尼比 c 临界阻尼系数 1 动力学模型的建立 5 5 2机械加工中的强迫振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 1 强迫振动是由周期性激振力引起的 不会被阻尼衰减掉 振动本身也不能使激振力变化 2 强迫振动的振动频率与外界激振力的频率相同 而与系统的固有频率无关 3 强迫振动的幅值既与激振力的幅值有关 又与工艺系统的特性有关 激振力的影响 A0 F0 k 2 强迫振动的特征 5 5 2机械加工中的强迫振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 当 0时 1 1时 0 1 4区域称为惯性区 在该区增加振动体的质量 可减小振动振幅 频率比 的影响 动态放大系数 2 强迫振动的特征 5 5 2机械加工中的强迫振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 幅 频曲线 2 强迫振动的特征 5 5 2机械加工中的强迫振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 静刚度k F0 A0是工艺系统本身的属性 在线性范围内 可以认为它与外载荷无关 动刚度kd除与k成正比外 还与系统阻尼 频率比 和阻尼比 有关 静刚度影响工件的几何形状及尺寸精度 动刚度影响工件的表面粗糙度 3 振动系统的动刚度 当系统在周期性动载荷作用下 交变力的幅值与振幅 动态位移 之比称为系统的动刚度 即 5 5 2机械加工中的强迫振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 5 5 2机械加工中的强迫振动及其控制措施 减小强迫振动的措施 减小激振力调整振源频率提高工艺系统的刚度和阻尼采取隔振措施采用减振装置 5 5机械加工中的振动及其控制措施 如果已经确认机械加工过程中发生了强迫振动 就要设法查找振源 以便去除振源或减小振源对加工过程的影响 由强迫振动的特征可知 强迫振动的频率总是与干扰力的频率相等或是它的倍数 我们可以根据强迫振动的这个规律去查找强迫振动的振源 5 5 2机械加工中的强迫振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 在实际加工过程中 由于偶然的外界干扰 如工件材料硬度不均 加工余量有变化等 会使切削力发生变化 从而使工艺系统产生自由振动 系统的振动必然会引起工件 刀具间的相对位置发生周期性变化 这一变化若又引起切削力的波动 则使工艺系统产生振动 因此通常将自激振动看成是由振动系统 工艺系统 和调节系统 切削过程 两个环节组成的一个闭环系统 激励工艺系统产生振动运动的交变力是由切削过程本身产生的 而切削过程同时又受工艺系统的振动的控制 工艺系统的振动一旦停止 动态切削力也就随之消失 5 5 3机械加工中的自激振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 自激振动 机械加工过程中 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 称为自激振动 在金属切削过程中的自激振动一般称为切削颤振 简称颤振 电动机 机床振动系统 调节系统 切削过程 振动位移y t 交变切削力F t 自激振动系统的组成 5 5 3机械加工中的自激振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 自激振动由振动系统本身参数决定 与强迫振动显著不同 自由振动受阻尼作用将迅速衰减 而自激振动不会因阻尼存在而衰减 自激振动特点 不衰减的振动 f自 f固 取决于一周期获得的能量 取决于切削过程本身 5 5 3机械加工中的自激振动及其控制措施 它由振动过程本身引起切削力周期性变化 从不具备交变特性的能源中周期获得能量 使振动得以维持 自激振动的频率接近于系统的固有频率 即颤振频率取决于振动系统的固有特性 这与自由振动相似 而与强迫振动根本不同 5 5机械加工中的振动及其控制措施 如图所示为单自由度机械加工振动模型 设工件系统为绝对刚体 振动系统与刀架相连 且只在y方向作单自由度振动 在背向力Fp作用下 刀具作切入 切出运动 振动 刀架振动系统同时还有F弹作用在它上面 y越大 F弹也越大 当Fp F弹时 刀架的振动停止 产生自激振动的条件 5 5 3机械加工中的自激振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 对上述振动系统而言 背向力Fp是外力 Fp对振动系统作功如图所示 刀具切入 其运动方向与背向力方向相反 作负功 即振动系统要消耗能量W振入 刀具切出 其运动方向与背向力方向相同 作正功 即振动系统要吸收能量W振出 产生自激振动的条件 5 5 3机械加工中的自激振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 1 当W振出W振入时 刀架振动系统将有持续的自激振动产生 产生自激振动的条件 5 5 3机械加工中的自激振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 W振出 W振入 W摩阻 振入 时 系统有稳幅的自激振动 W振出 W振入 W摩阻 振入 时 系统为振幅递增的自激振动 至一定程度 系统有稳幅的自激振动 W振出 W振入 W摩阻 振入 时 系统为振幅递减的自激振动 至一定程度 系统有稳幅的自激振动 故振动系统产生自激振动的基本条件是 W振出 W振入 或FP振出 FP振入 产生自激振动的条件 5 5 3机械加工中的自激振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 1 再生颤振原理 如图所示 车刀只做横向进给 在稳定的切削过程中 刀架系统因材料的硬点 加工余量不均匀 或其它原因的冲击等 受到偶然的扰动 刀架系统因此产生了一次自由振动 并在被加工表面留下相应的振纹 当工件转过一转后 刀具要在留有振纹的表面上切削 因切削厚度发生了变化 所以引起了切削力周期性的变化 产生动态切削力 将这种由于切削厚度的变化而引起的自激振动 称为 再生颤振 5 5 3机械加工中的自激振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 切削模型 y0表示前次切削的表面y表示后次切削的表面刀具切入工件时 切削力做正功 切出工件时做负功 2 再生颤振产生的条件 5 5 3机械加工中的自激振动及其控制措施 5 5机械加工中的振动及其控制措施 图a y比y0超前一个相位角 使刀具在切入工件的半个周期中平均切削厚度比切出时大 平均切削力也大 切削力对系统做的正功小于负功 正功 负功 振动消失 图b y与y0同相位角 0 正功 负功 不产生自激振动 图c y比y0滞后一个相位角