第三章 机械制造工艺学

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46。,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=501000；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=1050m/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/(ms-1),vw/(mmin-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：Ra0.025m,表面粗糙度测量,光切法：Rz0.560m干涉法：Rz0.050.8m,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11A/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7CCD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（620m/min）残余拉伸应力（热应力起主导作用）中速（200250m/min）残余压缩应力高速（500850m/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1040，耐疲劳强度提高3050,32,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：,k1k2，x1超前x2，轨迹dcba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k1k2，x1滞后于x2，轨迹为一顺时针方向椭圆，即：abcd。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（1J）,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0180，有再生型颤振相位差位于、象限，即180360，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，v84.4m/min，f0.12mm/r，ap0.4mm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n536.99r/min可计算出前后两转相位差79.2，为再生型颤振,46,3.4.4机械加工振动防治,消除或