机械制造工艺学CH5 机械加工表面质量.ppt

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/H140的范围内，波距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，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。,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,2、再生颤振产生的条件,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。,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,一般01，径向切入=1（切槽、钻、端铣等）横向切削01车方牙螺纹，=0，无重迭切削，不可能发生再生颤振。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,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,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。,振型耦合颤振原理,纵车方牙螺纹外表面,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,两个自由度的耦合振动模型,两个自由度振型耦合颤振动力学模型：设刀具等效质量为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。,振型耦合颤振原理,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,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。,振型耦合颤振原理,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,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。,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。,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,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。,5.5.3机械加工中的自激振动及其控制措施,阻尼减振器,5.5机械加工中的振动及其控制措施,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。,摩擦减振器：利用摩擦阻尼消耗振动能量。,5.5.3机械加工中的自激振动及其控制措施,1飞轮；2摩擦盘；3摩擦垫；4螺母；5弹簧,摩擦减振器,5.5机械加工中的振动及其控制措施,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。,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