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1、第5章机械加工表面质量控制 5 1影响加工表面质量的因素5 2机械加工中的振动5 3控制机械加工表面质量的措施 5 1影响加工表面质量的因素 机械加工表面质量对机器零件的使用性能 甚至整机的工作性能都有很大影响 深入研究影响加工表面质量的各种因素及其规律 探究提高和保证加工表面质量的措施和方法是机械制造工艺学研究的重要内容 5 1 1影响表面粗糙度的工艺因素 影响加工表面粗糙度的工艺因素主要有几何因素和物理因素两个方面 加工方式不同 影响的工艺因素也各不相同 1 切削加工的表面粗糙度1 几何因素影响表面粗糙度的几何因素是指刀具相对工件作进给运动时 由于刀具的几何形状 几何参数 进给运动及切削刃
2、本身的粗糙度等影响 未能完全将加工余量切除 在加工表面留下残留面积 形成表面粗糙度 以车削或刨削加工零件表面为例 切削残留面积的高度与下列因素有关刀尖圆弧半径re主偏角Kr副偏角Kr 进给量f刀刃本身的粗糙度等因素有关 切削深度较大且刀尖圆弧半径很小时 或者采用尖刀刃具切削时 如图5 1 a 所示 残留面积的高度为 圆弧刀刃切削加工时 残留面积的高度与刀尖圆弧半径re和进给量f有关 图5 1 b 所示的几何关系可近似为 减小进给量 增大刀尖圆弧半径 减小主偏角或副偏角都会使表面粗糙度得到改善 但以进给量和刀尖圆弧半径的影响最为明显 实际加工表面的粗糙度总是大于上面两个残留面积高度公式的理论计算
3、值 只有切削脆性材料或高度切削塑性材料时 计算结果才比较接近实际 2 物理因素在切削过程中刀具对工件的挤压和摩擦等物理因素使金属材料发生塑性变形 从而影响理论残留部分的轮廓以及表面粗糙度 加工获得的表面粗糙度轮廓形状是几何因素和物理因素综合作用的结果 影响表面粗糙度的物理因素可归结为以下几个方面 1 刀具几何参数及刀具材料刀具的几何参数对切削加工表面粗糙度影响很大 刀具的主偏角 副偏角和刀尖圆弧半径影响较为显著 适当增大刀具前角可以有效改善加工表面粗糙度 而刀具后角的大小与已加工表面的摩擦有关 后角大的刀具有利于改善表面粗糙度 但后角过大 对刀刃强度不利 易产生切削振动 表面粗糙度反而增大 选
4、用强度好 特别是热硬性高的材料制造的刀具 易于保持刃口锋利 而且摩擦系数小 耐磨性好 在切削加工时则能获得较小的表面粗糙度 2 工件的材料及热处理工件材料的品种 成分和性质 以及热处理方法的不同 加工表面的粗糙度也存在一定差别 塑性材料切削加工过程中 如低碳钢 耐热钢 铝合金和高温合金等 在一定切速下会在刀面形成硬度很高的积屑瘤 从而改变刀具的几何形状和加工进给量 使加工表面的粗糙度严重恶化 而脆性材料加工后 一般其表面粗糙度易于达到要求 对于同样的工件材料 若金相组织的晶粒粗大 则切削加工获得的表面粗糙度越差 因此 为减小切削加工的表面粗糙度值 常在加工前对工件材料进行调质处理 以获得较均匀
5、的 细密的晶粒组织和较高的硬度 3 切削用量一般来说 切削深度对加工表面粗糙度影响不明显 但过小的切削深度无法维持正常切削 常会引起刀刃与工件相互挤压 摩擦 使加工表面质量恶化 切削速度 进给量对表面粗糙度影响较大 较小的切削进给量可减少残留面积的高度 减轻切削力和工件材料的塑性变形程度 从而获得较低的表面粗糙度值 但进给量过小 刀刃不能进行切削而仅形成挤压 致使工件的塑性变形程度增大 使表面粗糙度变大 切削过程中 切削速度越高 则被加工表面的塑性变形程度越小 表面粗糙度越好 4 刀具的刃磨考虑到刀具刃口表面粗糙度在工件表面的复映效果 提高刀具的刃磨质量也能改善表面粗糙度 5 润滑冷却液切削过
6、程中 润滑冷却液可吸收 传递切削区内的热量 减小摩擦 促进切屑分离 减轻力 热的综合作用 抑制刀瘤和鳞刺的产生 减少切削的塑性变形 利于改善加工表面的粗糙度 2 磨削加工表面粗糙度磨削是较为常见的精加工方法 其表面粗糙度的形成也是由几何因素和物理因素决定的 但磨削过程较切削过程复杂 1 磨削加工表面粗糙度的形成磨削加工是通过砂轮和工件的相对运动 使得分布在砂轮表面上的磨粒对工件表面进行磨削加工 砂轮的磨粒分布存在很大的不均匀性和不规则性 尖锐且突出的磨粒可产生切削作用 而不足以形成切削的磨粒可产生刻划作用 形成划痕并引起塑性变形 更低而钝的磨粒则在工件表面引起弹性变形 产生滑擦作用 因此磨削加
7、工的表面是砂轮上大量的磨粒刻划出的无数极细的刻痕形成的 另外 磨削加工时的速度较高 砂轮磨粒大多具有较大的负前角 磨粒与表面间的相互作用较强 将造成磨削比压大 磨削区的温度较高 如果工件表层温度过高 则表层金属易软化 微熔或产生相变 而且 每个磨粒所切削的厚度仅为0 2 m左右 大多数磨粒在磨削加工过程中仅起到挤压作用 磨削余量是在磨粒的多次挤压作用下经过充分塑性变形出现疲劳剥落产生的 因而磨削加工的塑性变形一般要比切削加工大 2 影响磨削加工表面粗糙度的工艺因素影响磨削表面粗糙度的主要工艺因素有如下几个方面 1 砂轮的选择砂轮的粒度 硬度 组织 材料及旋转质量平衡等因素都会影响磨削表面粗糙度
8、 在选择时应综合考虑 单纯从几何因素考虑 在相同的磨削条件下 砂轮的粒度细 则单位面积上的磨粒多 加工表面上的刻痕细密均匀 磨削获得的表面粗糙度值小 但磨粒太细时 砂轮容易被磨屑堵塞 通常磨粒的大小和磨粒之间的距离用粒度表示 一般常取46号 60号 砂轮的硬度是指磨粒从砂轮上脱落的难以程度 砂轮选择过硬 则磨粒钝化后不易脱落 使得工件表面受到强烈的摩擦和挤压作用 致使塑性变形的程度增加 增大表面粗糙度 反之 砂轮选择太软 则磨粒易于脱落 产生磨损不均匀 从而磨削作用减弱 难以保证工件表面的粗糙度 因此 砂轮硬度选择要适当 通常选用中软砂轮 砂轮的组织是指磨粒 结合剂和气孔的比例关系 紧密组织能
9、获得高精度和较小的表面粗糙度值 而疏松组织的砂轮不易阻塞 适合加工软金属 非金属软材料和热敏性材料 砂轮的材料 即磨料的选择要综合考虑加工质量和成本 高硬磨料的砂轮可获得较小的表面粗糙度 但加工成本很高 2 磨削用量磨削用量主要指砂轮速度 工件速度 进给量和磨削深度等 即磨削加工的条件 提高砂轮速度 则通过被磨削表面单位面积上的磨粒数和划痕增加 与此同时 每个磨粒的负荷小 热影响区浅 工件材料的塑性变形的传播速度可能大于磨削速度 工件来不及产生塑性变形 使得表面层金属的塑性变形现象减轻 磨削表面的粗糙度值将明显减小 工件速度对表面粗糙度值的影响与砂轮速度的影响相反 增大工件速度时 单位时间内通
10、过被磨表面的磨粒数减少 工件表面粗糙度值将增加 砂轮纵向进给量减少 工件表面被砂轮重复磨削的次数将增加 表面粗糙度值会减小 而轴向进给量减小时 单位时间内加工的长度短 表面粗糙度值也会减小 磨削深度对表面粗糙度的影响很大 减小磨削深度 工件材料的塑性变形减弱 被磨表面的粗糙度值会减小 但也会降低生产率 3 砂轮的修整修整砂轮是改善磨削表面粗糙度的重要措施 因为砂轮表面的不平整在磨削时将被复映到被加工表面 修整砂轮的目的是使砂轮具有正确的几何形状和获得具有磨削性能的锐利微刃 砂轮的修整与修整工具 修整砂轮纵向进给量等有密切关系 以单颗金刚石笔修整砂轮时 金刚石笔纵向进给量越小 金刚石越锋利 修出
11、的砂轮表面越光滑 磨粒微刃的等高性越好 磨出的工件表面粗糙度越小 此外 工件材料的性质 磨削液等对磨削表面粗糙度的影响也很明显 影响磨削加工表面粗糙度的因素 砂轮粒度 工件材料性质 砂轮修正 磨削用量 砂轮硬度 影响磨削加工表面粗糙度的因素 5 1 2影响零件表层物理力学性能的因素 机械加工过程中 工件表层在力 热的综合作用下 表面层的物理力学性能会发生变化 使其与金属基体材料性能有所不同 最主要的变化是表层金属显微硬度的改变 金相组织的变化和在表层金属中产生残余应力和表面强化现象 不同的工件材料 不同的加工条件 会产生不同的表面层特性 在磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比切削加工时更严重
12、因而磨削加工表面层的上述三项物理力学性能的变化会很大 影响表面层物理力学性能的主要因素 表面物理力学性能 影响金相组织变化因素 影响显微硬度因素 影响残余应力因素 1 加工表面的冷作硬化磨削和切削加工中 若加工工件表面层产生的塑性变形使表面层材料沿晶面产生剪切滑移 使晶格扭曲 畸变 产生晶粒拉长 破碎和纤维化 这将引起材料的强化 使工件表面层的强度和硬度增加 这种现象称为冷作硬化 评定表面层冷作硬化的指标主要以硬化层深度 表面层金属的显微硬度和硬化程度表示 一般硬化程度越大 硬化深度也越大 硬化程度的表达式如下 式中HV 加工后表面层显微硬度 单位GPa HV0 基体材料的显微硬度 单位GPa
13、 表面层冷作硬化的程度取决于产生塑性变形的力 变形速度和变形时的温度 产生塑性变形的力越大 塑性变形越大 硬化程度越大 变形速度越大 则塑性变形越不充分 硬化程度反而减少 变形时的温度会影响塑性变形的程度和变形后金相组织恢复的能力 冷作硬化的表面层金属处于高能位不稳定状态 在某些条件下 如温度变化在某范围内 金属结构会向稳定的结构转化 从而部分地消除冷作硬化 即弱化 因此 工件加工后表面层的最终性质是强化和弱化作用的综合结果 实际上 冷作硬化的程度和深度还与金属基体的性质 机械加工的方法和条件有关 1 影响切削加工表面冷作硬化的因素切削加工过程中 被加工材料 刀具几何参数和切削用量均在不同程度
14、上影响表面层的冷作硬化程度 1 被加工材料的影响工件材料的硬度越小 塑性越大 切削后的冷硬程度越严重 就碳素结构钢而言 含碳量越低 强度越低 塑性越大 因表面层的而冷硬程度严重 2 刀具几何参数的影响刀具的前角 刃钝圆半径和后面的磨损对冷硬程度有很大影响 而后角 主偏角 副偏角及刀尖圆弧半径等的影响不大 刀具刃钝圆半径增大时 加工后表面的冷硬层深度和硬度也随之增大 原因在于切削刃钝圆半径增大会加大径向切削力 从而加剧塑性变形 导致硬化现象严重 刀具后面的磨损量增加时 使得刀具后面与被加工表面的摩擦加剧 塑性变形增大 从而表层冷硬程度增大 3 切削用量的影响在切削用量中 以切削速度和进给量影响较
15、大 在不致引起表层金相组织发生相变的范围内 增加切削速度时 刀具与工件的接触时间缩短 使得塑性变形程度减小 硬化层深度和硬度都有所减小 进给量增大时 切削力增大 表层的塑性变形程度也增大 从而加剧表面层的冷作硬化程度 进给量过小时 由于刀具刃口圆角在加工表面单位长度上的挤压次数增多 反而会增大硬化程度 影响表面层加工硬化的因素 刀具几何形状的影响 切削刃r 前角 后面磨损量VB 表层金属的塑变加剧 冷硬 切削用量的影响 切削速度v 塑变 冷硬 f 切削力 塑变 冷硬 工件材料性能的影响 材料塑性 冷硬 2 影响磨削加工表面冷作硬化的因素相比较而言 磨削加工的温度比切削加工温度高很多 磨削过程中
16、的弱化作用或金相组织的变化起主导作用 使得磨削加工表面的硬化规律较为复杂 1 被加工材料的影响工件材料的塑性好 则磨削加工时塑性变形大 冷硬倾向大 导热性能佳的材料 磨削加工产生的热量不易集中于表面层 弱化倾向小 例如磨削高碳工具钢T8时 加工表面冷硬程度平均达60 65 磨削纯铁时 加工表面冷硬程度可达75 80 甚至有时可达140 150 原因在于纯铁的塑性好 磨削时的塑性变形大 强化倾向大 而且纯铁的导热性比高碳钢高 热不易集中于表面层 弱化倾向小 2 磨削用量的影响磨削速度的提高会减弱塑性变形的程度 而且磨削区温度的增高会加强弱化作用 所以 高速磨削加工表面的冷硬程度一般比普通磨削低 相对而言 工件速度对冷硬程度的影响与磨削速度的影响基本相反 磨削加工的磨削力会随磨削深度的加大而增大 从而加工件表面的塑性变形程度 表面冷硬倾向增大 加大纵向进给速度时 磨削加工的磨削力加大 冷硬倾向增大 但纵向进给速度的提高也可能使磨削区产生较大的热量而使冷硬减弱 因而加工表面的冷硬状况要考虑这两种因素的综合作用 2 加工表面的金相组织变化与磨削烧伤1 表面层金相组织的变化及磨削烧伤的发生机械加
