第四章 機械加工表面質量

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1、第四章 機械加工表面質量 Machining Surface Quality §4--1加工表面質量及其對使用性能的影響 一、 加工表面質量的概念 加工表面質量 幾何形狀誤差： 表面粗糙度（ 微觀幾何形狀誤差：Ra---表面輪廓算術平 均偏差；Rz---微觀不平十點高度） 波度（宏觀幾何形狀誤差： 圓度誤差、圓柱度誤差) 紋理方向：刀紋方向（圖4-2） 傷痕：砂眼、氣孔、裂痕

2、 力學物理性能： 冷作硬化；金相組織變化；殘余應力 一、 表面質量對機器零件使用性能的影響 （潤滑液存留；接觸面積大?。? （一） 對耐磨性的影響 1、粗糙度 磨損曲線 （圖4-3） 最優(yōu)表面粗糙度： 載荷大，起始磨損量大，最優(yōu)Ra大 （圖4-4）載荷小，起始磨損量小，最優(yōu)Ra小 2、紋理（有效接觸面積，潤滑液的存留）（圖4-2） 圓弧狀，凹坑狀 刀紋方向與運動方向相同 3、冷作硬化 一般硬化程度大------耐磨性高 （二） 表面質量對疲勞性的影響 1、

3、粗糙度（交變載荷） Ra小 ----耐磨疲勞性好（凹谷應力集中） （材料對應力集中的敏感程度，鋼材料的強度極限） 2、力學物理性能 硬化——提高疲勞強度 殘余壓應力——提高疲勞強度 （三） 表面質量對耐腐蝕性的影響 1、粗糙度（大氣中的氣體與液體） Ra大 ——耐腐蝕性差 2、力學物理性能 殘余壓應力------耐腐蝕性好 （四） 表面質量對零件配合質量的影響 Ra大------間隙增大，過盈減小 §4

4、-2影響加工表面粗糙度的工藝因素及其改善措施 一． 切削加工表面粗糙度 切削殘留面積高度：刀尖圓弧半徑；主偏角；副偏角及進給量 （塑變）（圖4-6） 切削速度： 塑性材料——（圖4-7積屑瘤）、底速寬刃精切； 高速精切 脆性材料（影響?。庸で罢{質（均勻細密晶粒組織、硬度） 二． 磨削加工后的表面粗糙度 （一）幾何因素 1、磨削用量對表面粗糙度的影響 V砂輪增大---- Ra小 縱向進給量小----Ra小 V工件 增大----- Ra大 2、砂輪粒度 磨粒粒度號大（磨粒細）--

5、---Ra小 磨粒間距小-------Ra小 （二）物理因素對Ra的影響 熱多---塑變增加----晶粒拉長、裂紋、堆積 1.磨削用量 V砂輪增大 -----塑變小---------Ra小 V工件增大 ------塑變增大 ----Ra大 磨深增大--------塑變增大------Ra大 2.砂輪的選擇 粒度大----------Ra?。?6—60號） 砂輪硬度----硬度大，磨粒不易脫落，自銳性差，塑變大 砂輪組織——磨粒、結合劑、氣孔的比例 砂輪材料： 氧化物（剛玉）----磨削鋼類件 碳化物（碳

6、化硅，碳化硼）----鑄鐵，硬質合金 高硬（人造金剛石，立方氮化硼）——極小Ra §4--3影響表面層力學物理性能的工藝因素及改進措施 切削(力、熱) 一．加工表層的冷作硬化 （一） 概述 硬化 ：強化（塑變硬化）； 弱化（熱） 硬化指標： ①顯微硬度 HV ②硬化層深度 h ③硬化程度 N=(HV-HV0)/HV0*100% (二)影響切削表面冷作硬化的因素 1.切削用量 進給量大 ------硬化程度大 V切 （力、熱綜合作用，熱作用時間短）---

7、-----硬化程度大 切深——影響較小 2.刀具幾何形狀的影響 切削刃鈍圓半徑大——硬化程度大 前角-------±20度 刀具磨損---- 后刀面 ---- 硬化 3.加工材料性能影響 塑性大 ----冷硬程度大 (三)影響磨削加工表面冷作硬化的因素 1.工件材料性能影響 塑性好---- 硬化程度大 導熱性好---- 弱化程度小 2.磨削用量的影響 磨深增加----硬化程度大 縱向進給增加----硬化程度大 V砂輪增大----------弱化程度大 V工件轉速增大 ------ 冷硬程度大（熱作用時間短） 3.砂輪粒度影響 粒度大

8、----冷硬程度小 三、表層金屬的金相組織的變化 （一） 機械加工表面金相組織的變化 磨淬火鋼：未超相變溫度：馬氏體轉變?yōu)樗魇象w或托氏體——（回火燒傷） 超相變溫度加急冷： 表層——二次淬火馬氏體 （淬火燒傷） 內層------回火組織 超相變溫度： 退火組織（退火燒傷） （二） 改善磨削燒傷的工藝途徑 1.正確選擇砂輪 硬度： 硬度大，鈍化不易脫落 結合劑： 彈性結合劑 組織： 孔隙浸石蠟 2.選擇磨削用量 磨深小-----熱少

9、 橫向進給量大-----熱少 V砂輪 和V工件增加-----熱少 3.改善冷卻條件 外冷 （圖4 -16） 內冷（圖4 -17） 開槽砂輪 （圖4 -18） 四、表層金屬的殘余應力 （一） 產(chǎn)生殘余應力的原因： 塑變----比容增大，體積膨脹，受基體牽連產(chǎn)生殘余應力 （二） 影響車削表層金屬殘余應力的工藝因素 1、切削速度和被加工材料的影響 45鋼：車刀正前角；所有切速。熱因素-----殘余拉應力 18CrNiMoA： V低速--------殘余拉應力

10、 V中速-----殘余壓應力 V高速-------殘余拉應力 2、進給量的影響 增大進給量：塑變增加，產(chǎn)生的熱多-----殘余拉應力 3、車刀前角影響 負前角： 殘余壓應力 正前角： 殘余拉應力 （三） 影響磨削殘余應力的因素 1磨削用量的影響 磨削深度： 小—— 塑變?yōu)橹? 殘余壓應力 大—— 熱影響為主 殘余拉應力 V砂輪：大—— 熱影響為主 殘余拉應力 2、工件材料 強度高、導熱性差、塑性低-----殘余拉應力 （四）工件最終工

11、序加工方法的選擇 承受交變載荷： 殘余壓應力 相對滑動體: 殘余拉應力 相對滾動: 內層殘余壓應力 四、 表面強化工藝 （冷態(tài)塑變 ，硬度增加，產(chǎn)生殘余壓力） （一） 噴丸強化 （二） 滾壓強化 §4-4機械加工過程中的振動 振動：振痕（刀具與工件相對位移）—— 表面質量，影響使用性能 工藝系統(tǒng)受動態(tài)變載荷—— 刀具加劇磨損、崩刃 機床連接特性破壞

12、 噪聲—— 危害操作者的身體健康 一． 機械加工過程中的強迫振動 強迫振動—— 由于外界周期性干擾力的作用而引起的振動 （影響精密加工質量、生產(chǎn)率的關鍵問題） （一） 強迫振動產(chǎn)生的原因 機內振源—— 機床旋轉件的不平衡 機床傳動機構的缺陷 往復運動部件的慣性力 切削過程中的沖擊等 機外振源-------地基傳給機床（隔振地基） （二） 強迫振動的特征（頻率特征、幅頻相應特征）

13、 ①頻率特征 振動頻率與干擾力的頻率相同或是干擾力的整數(shù)倍 ②幅頻影響特征 干擾力的幅值大，強迫振動幅值大。 工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性： （A）如干擾力的頻率遠離工藝系統(tǒng)各階模態(tài)的固有頻率，振動幅值很小 （強迫振動響應將處于機床動態(tài)響應的衰減區(qū)） （B）如干擾力的頻率接近工藝系統(tǒng)某一固有頻率時，振動幅值明顯增大 （C）如干擾力的頻率與工藝系統(tǒng)某一固有頻率相同，共振（阻尼小，振幅 十

14、分大） 變動參數(shù)；工藝系統(tǒng)的結構 ： 干擾力的頻率發(fā)生變化 工藝系統(tǒng)某階固有頻率發(fā)生變化： 遠離——減小幅值 二．機械加工中的自激振動（Self-Excited Vibration） （一） 概述 ①定義（自激振動；顫振） 由系統(tǒng)內部激發(fā)反饋產(chǎn)生的周期性振動 振動位移yt 電動機 （維持自激振動的能量） 機床振動系統(tǒng) 調節(jié)系統(tǒng) （切削過程） ②自激振動系統(tǒng)：

15、 動態(tài)切削力----（硬度不均，余量不均）交變切削力F（t） ③自激振動特征 a)無外力干擾 b)自激振動頻率接近與系統(tǒng)固有頻率 c)自激振動不因阻尼而衰減 （二） 產(chǎn)生自激振動的條件（工藝系統(tǒng)存在自激振動的條件） 1.自激振動實例（單自由度機械加工振動模型）圖4-27 刀架振出： 切削力對振動系統(tǒng)作功，振動系統(tǒng)則從切削過程中吸收一部分能量（W振出=W12345），儲存在系統(tǒng)中 刀架的振入： 在彈性恢復力作用下，振動系統(tǒng)對切削過程作功，振動系統(tǒng)消耗能W振入=W54621 當W振出>W振入時，切削力Fy對振動系統(tǒng)作功大于振動系統(tǒng)對切

16、削過程作功，加工系統(tǒng)有持續(xù)的自激振動產(chǎn)生，加工系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài). ①W振出=W振入+W摩阻 ， 加工系統(tǒng)有穩(wěn)幅自激振動產(chǎn)生 ②W振出>W振入+W摩阻 ， 加工統(tǒng)系將出現(xiàn)振幅遞增的自激振動 ③W振出 F振入yi （三） 自激振動的激振機理 1、再生原理 再生型顫振-----由于切削厚度變化效應引起的自激振動 再生型顫振產(chǎn)生的條件——本次切削振紋與前次振紋的同步程度（相位差） 2、振型耦合原理（多自由度系統(tǒng)） 例如：一個二自由度

17、振動系統(tǒng)，如因偶然干擾使刀架系統(tǒng)產(chǎn)生角頻率為ω的振動，刀架將沿兩X1 、 X2兩剛度主軸同時振動 運動方程: y=Ay sinωt z=Az sin(ωt+φ) 式中 Ay-----y向振幅 Az-----z向振幅 φ--- z向相對于y向在主振頻率ω上的相位差。φ不同，刀尖振動軌跡不同 如果：φ是某值時，刀尖振動軌跡為沿橢圓曲線順時針方向 刀具：振入運動 A→C →B，切削厚度較薄切削力小 振出運動 B→D →A，切削厚度較大，切削力大

18、 W振出>W振入 振動系統(tǒng)在各主振模態(tài)間互相耦合，互相關聯(lián)而產(chǎn)生的自激振動，稱振型耦合型顫振 3、負摩擦原理（摩擦型顫振） 負摩擦特性： V切 增加------- Fy降低 存在負摩擦特性產(chǎn)生的自激振動，稱為負摩擦型顫振 4、切削力滯后原理（滯后型顫振） 加工系統(tǒng)存在慣性與阻尼----切削力滯后主振運動 在振入時：切削厚度小于名義切削厚度 F振入F名義 F振出>F振入 自激振動產(chǎn)生 三、 機械加工振動的診斷技術 判定

19、振動類型 用頻譜分析技術診斷強迫振動，查找干擾力源 自激振動類別 診斷參數(shù)反映振動本質 診斷參數(shù)測量的可能性 四、 機械加工振動的防治 （一） 消除或減弱產(chǎn)生強迫振動的條件 1、減少機內外干擾力的幅值 高速旋轉件--------平衡 提高傳動裝置的穩(wěn)定性 動力源與機體分離 2、適當調整振源的頻率 選轉速：讓引起強迫振動的振源頻率f，遠離機床加工系統(tǒng)薄弱模態(tài)的固有頻率fn ，一般 3、采取隔振措施 主動隔振—阻止振源外傳 被動隔振—防止振源通過地基傳入機床 （二） 消除或減弱產(chǎn)生自激振動的條件

20、 1、調整振動系統(tǒng)小剛度主軸的位置（圖4-43） 2、減小振紋重疊：增大主偏角Rr和進給量f；主偏角等于90度 3、增加切削阻尼 減小刀具后角 4、采用變速切削方法加工 抑制再生型顫振 （三）改善工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高穩(wěn)定性 1、提高工藝系統(tǒng)的剛度 2、增大工藝系統(tǒng)阻尼 零部件材料的內阻尼—鑄鐵阻尼大 結合面摩擦阻尼—增大摩擦力 附加阻尼（圖4-47 ） （三） 采用各種消振減振裝置： 1、動力減振器（圖4-48） 加到主振系統(tǒng)上的作用力與激振力大小相等方向相反 2、摩擦減振器（圖4-49） 利用摩擦阻尼消散振動能量 3、沖擊減振器（圖4-50） 碰撞損失動能原理 ①間隙 δ=×max= ×Aω=πA X=sinωt T—振體周期 2π/ω A---振體振幅 ②沖擊塊—密度大