第四章机械加工表面质量

1、第四章 机械加工表面质量 Machining Surface Quality 4-1加工表面质量及其对使用性能的影响 一、加工表面质量的概念 加工表面质量 儿何形状误差：表面粗糙度（微观儿何形状误差：Ra表面轮廓算术平 均偏差；Rz微观不平十点高度） 波度（宏观儿何形状误差：圆度误差、圆柱度误差） 纹理方向：刀纹方向（图4-2） 伤痕：砂眼、气孔、裂痕 力学物理性能：冷作硕化；金相组织变化；残余应力 一. 表面质量对机器零件使用性能的影响 （润滑液存留；接触面积大小） （-）对耐磨性的影响 1、粗糙度 磨损曲线（图*3） 最优表面粗糙度：载荷大，起始磨损量大，最优Ra大 （图44）载荷小，起始

2、磨损量小，最优Ra小 2、纹理（有效接触面积，润滑液的存留）（图42） 圆弧状，凹坑状 刀纹方向与运动方向相同 3、冷作硬化 一般硬化程度大-耐磨性高 （二）表面质量对疲劳性的影响 1、粗糙度（交变载荷） Ra小-耐磨疲劳性好（凹谷应力集中） （材料对应力集中的敏感程度，钢材料的強度极限） 2、力学物理性能 硬化一一提高疲劳强度 残余压应力一一提高疲劳强度 （三）表面质量对耐腐蚀性的影响 1、粗糙度（大气中的气体与液体） Ra大耐腐蚀性差 2、力学物理性能 残余压应力-耐腐蚀性好 （四）表面质量对零件配合质量的影响 Rd大.间隙增大，过盈减小 4-2影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施 一

3、. 切削加工表面粗糙度 切削残留面积高度：刀尖圆弧半径；主偏角；副偏角及进给量 （塑变）（图46） 切削速度：塑性材料一一（图4-7积屑瘤）、底速宽刃精切；高速精 切 脆性材料（影响小）一一精加工前调质（均匀细密晶粒组织、 硬度） 二. 磨削加工后的表面粗糙度 （一）儿何因素 1、磨削用量对表面粗糙度的影响 V砂轮增大Ra小 纵向进给量小-Ra小 V：件增大一 Ra大 2、砂轮粒度 磨粒粒度号大（磨粒细）R小 磨粒间距小Ra小 （二）物理因素对R的影响 热多一塑变增加-晶粒拉长、裂纹、堆积 1 磨削用量 V砂絵增大-塑变小Ra小 V匸件增大.塑变增大-Ra大 磨深增大塑变增大一-Ra大 2.

4、砂轮的选择 粒度大Ra小（4660号） 砂轮硬度-一硬度大，磨粒不易脱落，自锐性差，塑变大 砂轮组织一一磨粒、结合剂.气孔的比例 砂轮材料：氧化物（刚玉）-磨削钢类件 碳化物（碳化硅，碳化硼）-铸铁，硬质合金 高硬（人造金刚石，立方氮化硼）一一极小Ra 4-3影响表面层力学物理性能的工艺因素及改进措施 切削（力、热） 一.加工表层的冷作硬化 （一）概述 硬化：强化（塑变硕化）；弱化（热） 硬化指标：显微硬度HV 硬化层深度h 硬化程度 N=（HVHVo）/HV（）* 100% （二）影响切削表面冷作硬化的因素 1 切削用量 进给量大-硕化程度大 vw （力、热综合作用，热作用时间短）硬化程度大

5、 切深影响较小 2 刀具儿何形状的影响 切削刃钝圆半径大一一硬化程度大 前角20度 刀具磨损一一后刀面一一硬化 3 加工材料性能影响 塑性大-冷硬程度大 （三）影响磨削加工表面冷作硬化的因素 1 工件材料性能影响 塑性好-硬化程度大 导热性好-弱化程度小 2 磨削用量的影响 磨深增加-硬化程度大 纵向进给增加-硬化程度大 V砂絵增大一弱化程度大 V匸件叭增大冷硕程度大（热作用时间短） 3 砂轮粒度影响 粒度大-冷硬程度小 三、表层金属的金相组织的变化 （一）机械加工表面金相组织的变化 磨淬火钢：未超相变温度：马氏体转变为索氏体或托氏体一一（回火烧伤） 超相变温度加急冷：表层一一二次淬火马氏体

6、（淬火烧伤） 内层-回火组织 超相变温度：退火组织（退火烧伤） （二）改善磨削烧伤的工艺途径 1 正确选择砂轮 硕度：硕度大，钝化不易脱落 结合剂：弹性结合剂 组织：孔隙浸石蜡 2 .选择磨削用量 磨深小-热少 横向进给量大-热少 V砂轮和V工件增加.-热少 3. 改善冷却条件 外冷（图4-16） 内冷（图4-17） 开槽砂轮（图4-18） 四. 表层金属的残余应力 （-） 产生残余应力的原因： 塑变-比容增大，体积膨胀，受基体牵连产生残余应力 （二） 影响车削表层金属残余应力的工艺因素 1、切削速度和被加工材料的影响 45钢：车刀正前角；所有切速。热因素-残余拉应力 18CrNjMoA： V

7、低速残余拉应力 V中速残余压应力 V高速残余拉应力 2、进给量的影响 增大进给量：塑变增加，产生的热多一-残余拉应力 3、车刀前角影响 负前角：残余压应力 正前角：残余拉应力 （三）影响磨削残余应力的因素 1磨削用量的影响 磨削深度：小一一塑变为主 残余压应力 大一一热影响为主残余拉应力 V砂轮：大热影响为主 残余拉应力 2、工件材料 强度高、导热性差、塑性低残余拉应力 （四）工件最终工序加工方法的选择 承受交变载荷：残余压应力 相对滑动体：残余拉应力 相对滚动：内层残余压应力 四、表面强化工艺 （冷态塑变，硕度增加，产生残余压力） （一）喷丸强化 （二）滚压强化 44机械加工过程中的振动 振

8、动：振痕（刀具与工件相对位移）一一表面质量，影响使用性能 工艺系统受动态变载荷一一刀具加剧磨损、崩刃 机床连接特性破坏 噪声一一危害操作者的身体健康 一. 机械加工过程中的强迫振动 强迫振动一一山于外界周期性干扰力的作用而引起的振动 （影响精密加工质量、生产率的关键问题） （-）强迫振动产生的原因 机内振源一一机床旋转件的不平衡 机床传动机构的缺陷 往复运动部件的惯性力 切削过程中的冲击等 机外振源地基传给机床（隔振地基） （二）强迫振动的特征（频率特征、幅频相应特征） 频率特征 振动频率与干扰力的频率相同或是干扰力的整数倍 幅频影响特征 干扰力的幅值大，强迫振动幅值大。 工艺系统的动态特性：

9、 （A）如干扰力的频率远离工艺系统各阶模态的固有频率，振动幅值很小 （强迫振动响应将处于机床动态响应的衰减区） （B）如干扰力的频率接近工艺系统某一固有频率时，振动幅值明显增大 （C）如干扰力的频率与工艺系统某一固有频率相同，共振（阻尼小，振幅 十分大） 变动参数；工艺系统的结构： 干扰力的频率发生变化 工艺系统某阶固有频率发生变化：远离一一减小幅值 二. 机械加工中的自激振动（Self-Excited Vibration） （一）概述 定义（自激振动；颤振） 山系统内部激发反馈产生的周期性振动 1-1激振动系统： 动态切削力-（硬度不均，余量不均）交变切削力F （t） 自激振动特征 a）无外

10、力干扰 b）自激振动频率接近与系统固有频率 C）自激振动不因阻尼而衰减 （二）产生自激振动的条件（工艺系统存在自激振动的条件） 1 自激振动实例（单自由度机械加工振动模型）图427 刀架振出：切削力对振动系统作功，振动系统则从切削过程中吸收一部分 能量（W械出二W12345）,储存在系统中 刀架的振入：在弹性恢复力作用下，振动系统对切削过程作功，振动系 统消耗能w推入二W5462I 当W踰W朴时，切削力Fy对振动系统作功大于振动系统对切削过程作 功，加工系统有持续的自激振动产生，加工系统处于不稳定状态. W振出=W悔入+W蚀9加丄系统有稳幅自激振动产生 WmW槪入+W刪1 ,加工统系将出现振幅

11、递增的自激振 动 W诙Wq+W伽，加工系统将岀现振幅递减的自激振动 产生自激振动的条件（在位移点Yi点）：图429 F聚出yi F按入vi （三）自激振滋的激振机理 1、再生原理 再生型颤振-由于切削厚度变化效应引起的自激振动 再生型颤振产生的条件一一本次切削振纹与前次振纹的同步程度（相位 差） 2、振型耦合原理（多自由度系统） 例如：一个二自由度振动系统，如因偶然干扰使刀架系统产生角频率为 3的振动，刀架将沿两X- X2两刚度主轴同时振动 运动方程：y=Ay sin 31 z=Az sin（ 31+ ） 式中Ayy向振幅 Azz向振幅 -z向相对于y向在主振频率3上的相位差。不同，刀尖振动轨

12、迹 不同 如果：是某值时，刀尖振动轨迹为沿椭圆曲线顺时针方向 刀具：振入运动A-C-B,切削厚度较薄切削力小 振出运动B-D-A,切削厚度较大，切削力大 W刑W齐入 振动系统在各主振模态间互相耦合，互相关联而产生的自激振动，称振 型耦合型颤振 3、负摩擦原理（摩擦型颤振） 负摩擦特性：V切增加 Fy降低 存在负摩擦特性产生的自激振动，称为负摩擦型颤振 4、切削力滞后原理（滞后型颤振） 加工系统存在惯性与阻尼-切削力滞后主振运动 在振入时：切削厚度小于名义切削厚度 F按入CF瞅 在振出时：切削厚度总大于名义切削厚度F跡F F扳QF槪入自激振动产生 三、机械加工振动的诊断技术 判定振动类型 用频谱

13、分析技术诊断强迫振动，查找干扰力源 自激振动类别诊断参数反映振动本质 诊断参数测量的可能性 四、机械加工振动的防治 （-）消除或减弱产生强迫振动的条件 1、减少机内外干扰力的幅值 高速旋转件平衡 提高传动装置的稳定性 动力源与机体分离 2、适当调整振源的频率 选转速：让引起强迫振动的振源频率f,远离机床加工系统薄弱模态 的固有频率fn 般 0.25 （二） 1、 2、 3、 减小刀具后角 4、采用变速切削方法加工 抑制再生型颤振 （三）改善工艺系统的动态特性，提高稳定性 提高工艺系统的刚度 增大工艺系统阻尼 零部件材料的内阻尼一铸铁阻尼大 结合面摩擦阻尼一增大摩擦力 附加阻尼（图4-47） 采用各种消振减振装置： 动力减振器（图4-48） （三） 1、 2、 1、 3、采取隔振措施 主动隔振一阻止振源外传 被动隔振一防止振源通过地基传入机床 消除