CH4机械加工表面质量

机械与动力工程学院,第四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。,5.1,5.2,5.3,5.4,5.4,机械加工表面质量的概念表面粗糙度及其影响因素机械加工后表面物理机械性能的变化控制加工表面质量的途径振动对表面质量的影响及其控制,内容提纲,4-1加工表面质量的基本概念,一、概述,零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包括加工表面质量。机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（几微米几十微米），但都错综复杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足够的重视。,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）,4-1加工表面质量的基本概念,一、概述,4-1加工表面质量的基本概念,一、概述,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/H140的范围内，波距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,2、强迫振动的特征,4-6机械加工中的强迫振动与抑制,二、强迫振动的数学描述及特定,动态放大系数：,2、强迫振动的特征,4-6机械加工中的强迫振动与抑制,二、强迫振动的数学描述及特定,幅频曲线,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D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,4-6机械加工中的强迫振动与抑制,二、强迫振动的数学描述及特定,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：,（4）强迫振动的角相位相频特性曲线1.相位角总为正值;2.阻尼比等于零时,3.共振时的相位角为90度:4阻尼增大,曲线变缓.,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。,4-6机械加工中的强迫振动与抑制,三、减小强迫振动的措施,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。,4-6机械加工中的强迫振动与抑制,四、机械加工过程中强迫振动振源的查找方法,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。,4-7机械加工中的自激振动与抑制,一、自激振动的产生及其特征,自激振动：系统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，简称颤振。,1、自激振动的原理,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。,4-7机械加工中的自激振动与抑制,一、自激振动的产生及其特征,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,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,4-7机械加工中的自激振动与抑制,一、自激振动的产生及其特征,如图2a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。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2b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,4-7机械加工中的自激振动与抑制,一、自激振动的产生及其特征,图2单自由度机械加工振动模型a）振动模型b）力与位移的关系图,4-7机械加工中的自激振动与抑制,一、自激振动的产生及其特征,产生自激振动的条件,（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。,4-7机械加工中的自激振动与抑制,一、自激振动的产生及其特征,产生自激振动的条件,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,4-7机械加工中的自激振动与抑制,一、自激振动的产生及其特征,产生自激振动的条件,4-7机械加工中的自激振动与抑制,二、产生自激振动的学说再生颤振,1、再生颤振原理,如图3a)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”。,图3自由正交切削时再生颤振的产生,4-7机械加工中的自激振动与抑制,二、产生自激振动的学说再生颤振,1、再生颤振原理,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出工件时，切削力做正功，切入工件时做负功。,4-7机械加工中的自激振动与抑制,2、再生颤振产生的条件,二、产生自激振动的学说再生颤振,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，正功负功，有能量输入系统补偿阻尼对能量的消耗，产生自激振动。,4-7机械加工中的自激振动与抑制,2、再生颤振产生的条件,二、产生自激振动的学说再生颤振,结论：在再生颤振中，只有当后一转的振纹的相位滞后于前一转振纹时才有可能产生再生颤振。,一般01，径向切入=1（切槽、钻等）车螺纹，=0，无重迭切削重迭系数越大，由前一次波纹激发的动态力影响越大。,重迭系数：前一次切削工件表面形成的波纹面宽度在相继的后一次切削的有效宽度中所占的比例，用表示。,=(B-f)/BB切削宽度，f进给量。,3、重迭系数对再生颤振的影响,二、产生自激振动的学说再生颤振,4-7机械加工中的自激振动与抑制,当纵车方牙螺纹的外圆表面如图所示，刀具并未发生重叠切削，若按再生颤振原理，则不应该产生颤振。但在实际加工中，当切削深度达到一定值时，仍会发生颤振，这可以用振型耦合原理来解释。,4-7机械加工中的自激振动与抑制,二、产生自激振动的学说振型耦合颤振,振型耦合颤振原理,纵车方牙螺纹外表面,图6两个自由度的耦合振动模型a）切削模型b）动力学模型,图6是两个自由度振型耦合颤振动力学模型刀具等效质量为m，相互垂直的等效刚度系数分别为k1、k2（设k1k2）刚度低的方向振型为x1，刚度高的方向振型为x2。,当刀架系统以的频率振动时，质量m在x1、x2两个方向上以不同的振幅和相位进行振动，其合成运动轨迹近似椭圆E。若ABC切入；CDA切出，由于切出时的平均切削厚度大于切入时的平均切削厚度，正功大于负功，在一个振动周期内，有多余的能量输入振动系统。因此，振动得以维持。反之，则不能维持。振型耦合模型至少要有两个自由度的振动系统。,4-7机械加工中的自激振动与抑制,二、产生自激振动的学说振型耦合颤振,振型耦合颤振原理,刀尖运动轨迹为椭圆,其方向如图A-B-C-D-A在前半周期中，A-B-C，F与运动方向相反，做负功在后半周期中，C-D-A，F与运动同向，做正功正功大于负功，振动得以维持。的必要条件：当k1k2,0a1将容易产生振型耦合自激振动当时，系统地动刚度最弱，最易产生振动,抑制自激振动途径,v=3070m/min自振f自振；保证Ra时f,提高机床抗振性提高刀具抗振性（采用消振刀具）提高工件安装刚性,根据振型耦合原理，工艺系统的振动还受到各振型的刚度比及其组合的影响。合理调整它们之间的关系，就可以有效地提高系统的抗振性，抑制自激振动。（削扁镗杆试验）,提高工艺系统抗振性,合理选择切削用量,合理选择刀具参数,采用变速切削,采用减振装置,合理调整主振模态刚度比及其组合,前角、主偏角自振后角自振；但太小时自振,抑制再生颤振方法，用于工艺系统刚性较好的场合。,4-7机械加工中的自激振动与抑制,三、控制自激振动的途径,（2）合理选择刀具的几何参数主、副偏角；前角；刀尖圆弧半径；后角带消振棱的刀具,1）合理选择与切削过程有关的参数（1）.合理选择切削用量切削速度V;进给量f;切深ap,2）、提高工艺系统的抗振性,（1）提高机床的抗振性（2）提高刀具和工件的抗振性,3）、利用变速切削抑制再生颤振,4）、合理调整振型的刚度比如图4-75和图4-8,5）、采用减振装置（对强迫振动同样有效）,（1）阻尼器：将振动的能量转变为热能。有固体摩擦阻尼、液体摩擦阻尼、电磁阻尼等。（2）吸振器a、动力式吸振器：利用附加质量的动力作用抵消激振力。b、利用自由质量的往复运动，产生冲击消耗振动的能量。,举例,4-7机械加工中的自激振动与抑制,三、控制自激振动的途径,减振装置当无法从根本上消除产生切削振动的条件，又无法有效提高工艺系统的抗振性和稳定性时，可采用消振、减振装置。,阻尼减振器：利用固体或液体的摩擦阻尼来消耗振动的能量，实现减振。图7摩擦减振器：利用摩擦阻尼消耗振动能量。冲击减振器：由一个与振动系统刚性联结的壳体和一个在体内可自由冲击的质量组成，当系统振动时，由于质量反复地冲击壳体消耗了振动的能量，因而可显著消振。图8动力式减振器：用弹性元件把一个附加质量块连接到振动系统中，利用附加质量的动力作用，使弹性元件加在系统上的力和系统的激振力相抵消。图9,减振器按工作原理划分,图7阻尼器减振装置,4-7机械加工中的自激振动与抑制,三、控制自激振动的途径,图9用于镗刀杆的动力吸振器,图8冲击式吸振器1自由质量2弹簧3螺钉,4-7机械加工中的自激振动与抑制,三、控制自激振动的途径,本章习题8-1为什么会产生磨削烧伤及裂纹？它们对零件的使用性能有何影响？试举例说明减小磨削烧伤及裂纹的办法有哪些？8-2加工精密零件时，为了保证加工表面的表面质量，粗加工前常有球化处理、退火、正火。粗加工后常有调质、回火。精加工前常有渗碳、渗氮及淬火工序。试分析这些热处理工序的作用。8-3什么是强迫振动，它有何特征？什么是自激振动，它有何特征？自激振动与强迫振动有何区别？8-4产生再生自激振动和振型耦合自激振动的必要条件是什么？8-4圆镗杆的刚度与削扁镗杆的刚度哪个高？两者的抗振性哪个好？为什么？8-5车外圆时，车刀安装高一点或低一点哪种情况抗振性好？镗孔时，镗刀安装高一点或低一点哪种情况抗振性好？为什么？,根据振型耦合原理，工艺系统的振动还受到各振型的刚度比及其组合的影响。合理调整它们之间的关系，就可以有效地提高系统的抗振性，抑制自激振动。图10所示为削扁镗杆，x1是削扁镗杆的小刚度主轴，x2是削扁镗杆的大刚度主轴。理论分析与实验结果表明，方位角1（1为加工表面法向y与镗杆削边垂线的夹角）对镗孔系统的稳定