机械加工表面质量及其控制3章-1

1第5章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality5.1

加工表面质量及其对使用性能的影响MachiningSurfaceQualityanditsInfluencetoUsePerformance第5章机械加工表面质量及其控制2第5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45.1.1加工表面质量概念

55.1.1加工表面质量概念

65.1.1加工表面质量概念

断裂75.1.1加工表面质量概念

断裂85.1.1加工表面质量概念

断裂95.1.1加工表面质量概念

断裂105.1.1加工表面质量概念

疲劳——断裂115.1.1加工表面质量概念

疲劳——断裂125.1.1加工表面质量概念

疲劳——断裂135.1.1加工表面质量概念

疲劳——断裂145.1.1加工表面质量概念

接触疲劳——剥落155.1.1加工表面质量概念

接触疲劳——剥落165.1.1加工表面质量概念

接触疲劳——剥落175.1.1加工表面质量概念

磨损——粘着185.1.1加工表面质量概念

磨损——粘着195.1.1加工表面质量概念

磨损——磨粒205.1.1加工表面质量概念

磨损——磨粒215.1.1加工表面质量概念

磨损——磨粒225.1.1加工表面质量概念

235.1.1加工表面质量概念

245.1.1加工表面质量概念

表面层金属力学物理性能和化学性能加工表面的几何形貌255.1.1加工表面质量概念

加工表面的几何形貌——表面粗糙度、波度265.1.1加工表面质量概念

加工表面的几何形貌——表面粗糙度、波度275.1.1加工表面质量概念

无氧铜镜面三维形貌及表面轮廓曲线加工表面的几何形貌——表面粗糙度、波度285.1.1加工表面质量概念

加工表面的几何形貌——纹理方向295.1.1加工表面质量概念

加工纹理方向及其符号标注加工表面的几何形貌——纹理方向305.1.1加工表面质量概念

加工表面的几何形貌——表面缺陷315.1.1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325.1.1加工表面质量概念

表面层金属冷作硬化335.1.1加工表面质量概念

表面层金属冷作硬化345.1.1加工表面质量概念

表面层金属冷作硬化355.1.1加工表面质量概念

表面层金属组织发生变化365.1.1加工表面质量概念

表面层残余应力375.1.1加工表面质量概念

表面层残余应力385.1.1加工表面质量概念

表面层残余应力395.1.1加工表面质量概念

表面层残余应力405.1.2表面质量对零件使用性能的影响

对耐磨性影响Ra（μm）初始磨损量重载荷轻载荷表面粗糙度与初始磨损量关系

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冷硬程度磨损量T7A钢冷硬程度与耐磨性关系41第5章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality5.2

影响加工表面质量工艺因素及其改进措施TechnologyFactorsInfluencingMachiningSurfaceQualityanditsImproving42第5章机械加工表面质量及其控制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

切削加工表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度表面粗糙度和表面形貌的测量43第5章机械加工表面质量及其控制

残留面积高度积屑瘤的影响切削液44第5章机械加工表面质量及其控制45第5章机械加工表面质量及其控制46第5章机械加工表面质量及其控制475.2.1切削加工表面粗糙度

积屑瘤和切削表面塑性变形485.2.1切削加工表面粗糙度

积屑瘤和切削表面塑性变形495.2.1切削加工表面粗糙度

积屑瘤和切削表面塑性变形505.2.1切削加工表面粗糙度

积屑瘤和切削表面塑性变形515.2.1切削加工表面粗糙度

切削速度影响最大：v=10～50m/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，切削液等切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v/（m·min-1）020406080140表面粗糙度Rz/μm481216202428积屑瘤高度

h/μm0200400600hRz积屑瘤和切削表面塑性变形525.2.1切削加工表面粗糙度

积屑瘤和切削表面塑性变形535.2.1切削加工表面粗糙度

积屑瘤和切削表面塑性变形545.2.1切削加工表面粗糙度

积屑瘤和切削表面塑性变形555.2.1切削加工表面粗糙度

积屑瘤和切削表面塑性变形565.2.2磨削加工表面粗糙度

575.2.2磨削加工表面粗糙度

585.2.2磨削加工表面粗糙度

595.2.2磨削加工表面粗糙度

605.2.2磨削加工表面粗糙度

615.2.2磨削加工表面粗糙度

625.2.2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=0.01mmv=50m/sf=2.36m/minap

=0.01mmv/(m·s-1),vw/(m·min-1)Ra/μm0304050600.51.0a）ap/mm00.010.40.8Ra/μm00.20.60.020.030.04b）光磨次数-Ra关系Ra/μm01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)635.2.2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↓；常取中软砂轮自锐功能砂轮组织适中，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

其他影响因素采用超硬砂轮材料，Ra

↓

砂轮精细修整，Ra↓645.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量

比较法触针法：Ra0.02～5μm表面粗糙度测量工件驱动箱放大器处理器记录器显示器触针传感器触针法工作原理

光切法：Rz0.5～60μm

干涉法：Rz0.05～0.8μm655.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量

表面粗糙度测量

比较法665.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量

表面粗糙度测量

触针法：Ra0.02～5μm675.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量

表面粗糙度测量

触针法：Ra0.02～5μm685.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量

光切法：Rz0.5～60μm695.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量

干涉法：Rz0.05～0.8μm705.2.3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715.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量

表面三维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11－A/D变换器12－微机13－显示器14－打印机725.2.3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7－CCD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735.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量

表面微观形貌a）表面形貌干涉条纹b）表面三维形貌a）b）相位值：轮廓高度：74机械制造技术基础第3章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality3.3

影响表层物理性能工艺因素及其改进措施TechnologyFactorsInfluencingSurfacePhysicsPerformanceanditsImproving75第3章机械加工表面质量及其控制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

加工表面层冷作硬化表面金属的金相组织变化表面金属的残余应力表面强化工艺76第5章机械加工表面质量及其控制77第3章机械加工表面质量及其控制

加工表面层冷作硬化表面金属的金相组织变化表面金属的残余应力

切削力和切削热的作用结果

加工工艺系统中的各工艺因素通过产生力和热影响加工表面的力学物理性能785.3.1加工表面层冷作硬化

概述795.3.1加工表面层冷作硬化

概述

加工硬化现象—加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度加工硬化原因—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结果—加工表面金属处于不稳定状态，有弱化的潜在趋势加工硬化度量

表层金属显微硬度HV

硬化层深度h（μm）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）。805.3.1加工表面层冷作硬化

概述——硬度测量原理硬度的单位？

划痕硬度

压入硬度

回跳硬度——

莫氏硬度——

涂层硬度——

肖氏硬度——

里氏硬度815.3.1加工表面层冷作硬化

概述——硬度测量原理莫氏硬度计

825.3.1加工表面层冷作硬化

概述——硬度测量原理洛氏硬度计

835.3.1加工表面层冷作硬化

概述——硬度测量原理洛氏硬度计

845.3.1加工表面层冷作硬化

概述——硬度测量原理洛氏硬度计

855.3.1加工表面层冷作硬化

概述——硬度测量原理布氏硬度计

865.3.1加工表面层冷作硬化

概述——硬度测量原理布氏硬度计

875.3.1加工表面层冷作硬化

概述——硬度测量原理维氏硬度计

885.3.1加工表面层冷作硬化

概述——硬度测量原理维氏硬度计

895.3.1加工表面层冷作硬化

概述——硬度测量原理努氏硬度计

903.3.1加工表面层冷作硬化

概述——硬度测量原理显微硬度计

915.3.1加工表面层冷作硬化

概述——硬度测量原理巴氏硬度计

925.3.1加工表面层冷作硬化

概述——硬度测量原理巴氏硬度计

935.3.1加工表面层冷作硬化

概述——硬度测量原理肖（邵）氏硬度计

945.3.1加工表面层冷作硬化

概述——硬度测量原理里氏硬度计

955.3.1加工表面层冷作硬化

概述——硬度测量原理水果硬度计

965.3.1加工表面层冷作硬化

概述——硬度测量原理土壤硬度计

975.3.1加工表面层冷作硬化

概述——硬度测量原理乒乓球硬度？

300mm,230mm

985.3.1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rε↑，冷硬程度↑其他几何参数影响不明显后刀面磨损影响显著00.20.40.60.81.0磨损宽度VBmm100180260340硬度(HV)50钢，v

=40m/minf=0.12～0.2mm/z后刀面磨损对冷硬影响

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对冷硬的影响硬度(HV)0f/(mm·r-1)0.20.40.60.8v=170m/min135m/min100m/min50m/min100200300400工件材料：45钢995.3.1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↓磨削深度对冷硬的影响ap/mm硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削1005.3.1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1015.3.2表面金属金相组织变化

磨削烧伤1023.3.2表面金属金相组织变化

磨削裂纹1035.3.2表面金属金相组织变化

磨削烧伤1045.3.2表面金属金相组织变化

磨削烧伤1055.3.2表面金属金相组织变化

磨削烧伤1065.3.2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，常与烧伤同时出现磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削裂纹1075.3.2表面金属金相组织变化

磨削烧伤内冷却装置1－锥形盖2－通道孔3－中心腔4－有径向小孔薄壁套1085.3.3表面金属残余应力

残余应力概念1095.3.3表面金属残余应力

残余应力概念1105.3.3表面金属残余应力

残余应力概念1115.3.3表面金属残余应力

残余应力概念1125.3.3表面金属残余应力

残余应力概念1135.3.3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对残余应力的影响工件：45钢，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液残余应力/GPa0.2000.200100200300400距离表面深度/μmf

=0.40mm/rf

=0.25mm/rf

=0.12mm/r

f↑→残余应力↑

切削深度影响不显著vc对残余应力的影响γo=5°,αo==5°,κr=75°,rε=0.8mm,工件：45钢切削条件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200距离表面深度/μm残余应力/GPa-0.2000.20vc=213m/minvc=86m/minvc=7.7m/min切削加工

工件材料1145.3.3表面金属残余应力

低速（6～20m/min）——残余拉伸应力（热应力起主导作用）中速（200～250m/min）——残余压缩应力高速（500～850m/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1155.3.3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↑1165.3.3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→压应力磨削加工

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1175.3.3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a）b）应力分布a）滑动摩擦b）滚动摩擦1185.3.4表面强化工艺

1195.3.4表面强化工艺

1205.3.4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、焊缝等滚压加工珠丸挤压引起残余应力

压缩拉伸塑性变形区域表面硬度提高10～40％，耐疲劳强度提高30～50％121机械制造技术基础第5章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality5.4

机械加工过程中的振动VibrationsinmachiningProcess1225.4.1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。机械加工过程中振动的类型自由振动自由振动强迫振动自激振动1235.4.2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φ角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关强迫振动的特征

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1245.4.2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自激振动系统能量关系ABC能量EQE－E＋0振幅电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)自激振动闭环系统机床振动系统（弹性环节）调节系统（切削过程）自激振动的特征1255.4.2机械加工中的自激振动

再生原理自激振动机理

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1265.4.2机械加工中的自激振动

再生原理自激振动机理再生自激振动原理图f切入切出y0ya）b）φy0y切入切出fc）φfy0y切入切出d）切入切出fy0yφ

产生条件：

图中

a）b）c）系统无能量获得；d）y滞后于y0，即0＞φ＞-π

，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1275.4.2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）1285.4.2机械加工中的自激振动

负摩擦原理1295.4.2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vFpkc动力学模型振出振入xFpFp与x关系

由切削力滞后引起，故称为滞后型颤振1305.4.3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1315.4.3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、Jω分别为J的整数和小数部分相位差ψ：ψ＝360°×（1－Jω

）

为控制ψ测量误差，需采用频率细化技术

诊断要领

相位差ψ位于Ⅰ、Ⅱ象限，即0°＜ψ

＜180°，有再生型颤振相位差ψ位于Ⅲ、Ⅳ象限，即180°＜ψ

＜360°，非再生型颤振1325.4.3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ψ位于Ⅰ、Ⅱ象限，非耦合型颤振相位差ψ位于Ⅲ、Ⅳ象限，为耦合型颤振

相位差测量与计算

相位差ψ可通过求取振动信号x(t)与y(t)的互功率谱密度函数Sxy(ω)在主振频率成分上的相位值获得1335.4.3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°，v＝84.4m/min，f＝0.12mm/r，ap＝0.4mm

测试装置1345.4.3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空转信号自谱图车削过程振动信号自谱图

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135互谱相频特性及凝聚函数