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1、机械制造工艺学,常同立等编著,第2版,下集,教学要求,掌握机械加工表面质量的影响因素； 熟悉机械加工工艺系统的振动及其对表面质量的影响； 掌握控制机械加工表面质量的途径,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，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，如图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
2、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。,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,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,影响表面层物理力学性能的主要因素,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,影响表面层加工硬化的因素,淬火烧伤,回火烧伤,退火烧伤,磨削时
3、工件表面温度超过相变临界 温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。在 冷却液作用下，工件最外层金属会出现二 次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火 马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回 火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极薄， 表面层总的硬度是降低的，这种现象称为 淬火烧伤。,磨削时，如果工件表面层温度只 是超过原来的回火温度，则表层原来 的回火马氏体组织将产生回火现象而 转变为硬度较低的回火组织（索氏体 或屈氏体），这种现象称为回火烧伤。,磨削时，当工件表面层温度超过 相变临界温度Ac3时，则马氏体转变 为奥氏体。若此时无冷却液，表层金 属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织。 硬度和强度均大幅度下降。这
4、种现象 称为退火烧伤。,磨削烧伤的三种形式,目前通用的冷却方法较差，由于砂轮的高速旋转，圆周方向产生强大气流，使得磨削液很难直接送入磨削区，冷却效果很差。而内冷却是一种较为有效的方法，如图所示。,内冷却工作原理是将严格过滤后的冷却液通过中空主轴法兰套引入砂轮的中心腔内，在离心力的作用下冷却液会通过砂轮内部的孔隙向砂轮四周的边缘洒出，冷却液就有可能直接注入磨削区。 内冷却装置会产生大量水雾，影响加工条件，而且磨削冷却液必须严格过滤，要求杂质不超过0.02%，以防止堵塞砂轮内部孔隙。所以，其应用不广。,实际中多采用开槽砂轮，即在砂轮的圆周上开一些横槽，开槽砂轮的形状如图所示，这就能使砂轮将冷却液带
5、入磨削区；同时，开槽可使砂轮间断磨削，工件受热时间缩短，金相组织来不及转变，开槽砂轮还能起到风冷作用，改善散热条件。 因此，开槽砂轮可有效地防止烧伤现象产生。开槽的形状主要有两种形式：均匀等距开槽和变距开槽。,磨削用量,砂轮与工件材料,改善冷却条件,1）砂轮转速 磨削烧伤 2）径向进给量fp 磨削烧伤 3） 轴向进给量fa磨削烧伤 4）工件速度vw 磨削烧伤,1)磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃 口锋利磨削力磨削区的温度 2)磨削导热性差的材料(耐热钢、轴承 钢、不锈钢)磨削烧伤 3)应合理选择砂轮的硬度、结合剂和 组织磨削烧伤,采用内冷却法 磨削烧伤 图,采用开槽砂轮,间断磨削受热 磨削烧伤
6、图,影响磨削烧伤的因素及改善途径,机械加工振动,自激振动,自由振动,强迫振动,当系统受到初始干扰力激励破 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。由于总存在阻尼， 自由振动将逐渐衰减。(占5%),系统在周期性激振力(干扰力)持 续作用下产生的振动，称为强迫 振动。强迫振动的稳态过程是谐 振动，只要有激振力存在振动系 统就不会被阻尼衰减掉。(占35%),在没有周期性干扰力作用的情 况下，由振动系统本身产生的 交变力所激发和维持的振动， 称为自激振动。切削过程中产 生的自激振动也称为颤振。 (占65%),机械加工中振动的种类及其主要特点,单自由度系统是最简单的振动系统。下
7、面以图a内圆磨削加工为例，讨论单自由度受迫振动情况。 磨削加工过程中磨头受周期性变化的干扰力作用会产生振动。 当工件的刚度远大于磨头系统的刚度时，可简化为如图 b所示质量弹簧阻尼的单自由度系统。 磨头系统的等效质量是m， 等效弹簧刚度为K， 等效黏性阻尼系数为c。 将作用在磨头与工件之间的激振力取定为简谐激振力， Fsint 简谐激振力的幅值 F,角频率,系统的运动方程式为,两边分别除以m，则有,二阶常系数线性非齐次微分方程式的解为,上式的第一项(齐次方程的通解)表示为有阻尼的、逐渐衰减的自由振动过程，如图a所示； 第二项(非齐次方程的特解)表示由激振力引起的频率等于激振力频率的受迫振动，如图
8、b所示。 这两部分振动的叠加为振动的响应，如图c所示。,动态放大系数的概念。动态放大系数V定义为受迫振动的振动幅值与系统静位移的比值，,静位移A0反映了激振力的影响，说明振动幅值与激振力幅值成正比。 频率比对振动的影响比较复杂，可用动态放大系数与频率特性曲线表示，如图所示。,（1）0时，激振力频率极低，相当于激振力作为静载荷作用系统上，从而使系统产生的位移等于静位移，V1。0 0.7为静力区。 （2） 接近或等于1时，振幅急剧增加，这种现象称为共振。 0.7 1.3称为共振区。工程上常把系统的固有频率作为共振频率，而把固有频率前后20%30%的区域作为禁区，避免产生共振。 （3） 1 时，V
9、0 ，振幅迅速下降，甚至消失。这表明振动系统的惯性跟不上快速变化的激振力。 1.3称为惯性区。,图也反映了阻尼比对振动的影响。在共振区域增加阻尼比对抑制振动的效果较为明显，而其它区域阻尼比对振动的影响作用不大。当时，阻尼几乎不起作用。,（1）激振频率= 0时，系统受到静载荷作用，动刚度等于静刚度； （2） 0时，系统将发生共振，此时系统动刚度值最小； （4）相同频率比的条件下，随着阻尼比的增大，系统的动刚度增大； （3）=0，且= 0时，系统动刚度，失去物理意义。 显然，系统的动刚度越大或系统阻尼比越大，表明产生一定振幅或动态位移的激振力越大，即振动激励能量要求越大，说明系统的抗振能力强。 提
10、高工艺系统的动态刚度和阻尼比，能够提高工艺系统的动态特性。,自激振动的产生机理非常复杂，针对某些特定问题，许多学者提出了一些解释自激振动的学说，比较公认的理论有再生颤振机理、负摩擦机理及振型耦合机理等。这些学说都是从振动维持的能量补偿来源及规律这一最基本、最必要的物理条件进行分析和研究的。,(1) 再生颤振机理 切削加工过程中，多数情况下刀具总是完全重复或部分重复地切削已加工的表面。,2. 自激振动的产生机理,再生颤振机理 假定切削过程在某一时刻受到瞬时的偶然性扰动，则刀具和工件会发生相对振动，并在加工表面留下振纹，见图b。 当再次切削残留振纹的表面时，切削厚度将发生波动，见图c，从而引起切削
11、力的周期性变化。 如果动态变化的切削力在一定条件下是促进和维持振动的，这种切削力和振纹相互作用引起的自激振动将进一步发展为颤振，称为再生颤振，见图d。,综上所述，加工系统产生自激振动的基本条件为W振出W振入，即在力与位移的关系曲线中，振出过程曲线的包络范围要大于振入过程曲线的包络范围。 例如图中，对于振动运动轨迹上任一点而言，振动系统在振出阶段通过该点的力F振出(yi)应大于振入阶段通过同一位置的力F振入(yi) ， 因而自激振动的条件也可描述为F振出(yi)F振入(yi) 。,2) 自激振动机理的分析 根据自激振动的产生条件，可以分析工艺系统是否能够产生和维持自激振动。 以切削加工出现的再生
12、性颤振为例，本次(转)切削产生的振纹与前次(转)的振纹基本上是不可能完全同步的，两者之间存在一定的相位差。,定义前次切削残留的振纹与本次切削的振纹间的相位差为，且两次切削的产生的振动幅值相等，则前次切削和本次切削的振动方程分别为,瞬时切削厚度a(t)和切削力F(t)的表达式为,2) 滚压加工 滚压加工是利用经过淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态下对金属表面进行挤压，将工件表层的原有凸起的部分向下压，凹下部分往上挤，使其产生塑性变形，逐渐将前工序留下的波峰压平，从而修正工件表面的微观几何形状。同时使工件表面金属组织细化，形成残余压应力。 典型滚压加工示意图如图所示。,消除和减弱自激振动产生
13、的条件措施如下。 （1）调整振动系统小刚度主轴的位置 合理配置小刚度主轴的位置，使小刚度主轴位于切削力和加工表面法线方向的夹角范围之外，可抑制振型耦合型自激振动的发生。如图5.15所示，不同的尾座结构其小刚度主轴位置不同。 配置小刚度主轴的位置可通过调整主轴系统、进给系统的间隙，改进机床的结构或合理安排刀具和工件的相对位置等。,（2）增加工艺系统阻尼 在共振区及其附件区域，阻尼对振动的影响十分显著。工艺系统的阻尼主要来自零部件材料的内阻尼、结合面上的摩擦阻尼以及其它附加阻尼。增大工艺系统的阻尼，可选用内阻尼比较大的材料制造加工设备或零件，如铸铁内阻尼比钢大，所以多用于机床的床身、立柱等大型支承
14、件。此外，还可把高阻尼的材料附加到零件上，提高抗振性，如图5.16所示。 机床阻尼大多来自零部件结合面间的摩擦阻尼，有时可占到总阻尼的80%。所以对于机床的活动结合面，要注意间隙调整，必要时施加预紧力以增大摩擦；而对于固定结合面，可选用合理的加工方法、表面粗糙度等级、结合面上的比压以及固定方式等来增加摩擦阻尼。,（2）动力式减振器 动力式减震器的工作原理是利用附加质量的动力作用，使其作用在主振系统上的力或力矩与激振力的力矩相抵消。 一般镗床上采用动力式阻尼器消除镗杆的振动，如图所示。,（3）冲击式减振器 冲击式减振器由一个与振动系统刚性连接的壳体和一个在壳体内自由冲击的质量块所组成，当系统振动
15、时，自由质量块反复冲击壳体，以消耗振动能量，达到减振的目的。如图所示。 冲击式减振器虽然具有因碰撞产生噪声的缺点，但其结构简单、质量轻、体积小，在较大的频率范围内部都适用，所以应用较广。,第7章 机器装配工艺设计,7.1 机器装配与装配精度 7.2 装配的组织形式及生产纲领 7.3 装配尺寸链 7.4 保证装配精度的装配方法 7.5 装配工艺规程的制定,书配套课件，,教学要求,掌握装配的基本概念与装配精度； 掌握装配的组织形式及其工艺特点； 掌握装配尺寸链分析与计算； 掌握保证装配精度的方法； 掌握装配工艺规程设计要点。,7.1.1机器装配概念,任何机器都是由许多零件装配而成的，零件是机器的最
16、小制造单元。 机器装配是按照机器的技术要求，将零件进行配合和连接，使之成为机器的工艺过程。机器装配是整个机器制造过程中的最后阶段。机器装配包括装配、调整、检验和试验等工作。 为了有效地组织装配工作进行，一般将机器划分为若干可以独立开展装配工作的部分，称之为装配单元。 机器装配单元主要有合件、组件、部件和机器等。 合件是由若干零件固定连接(铆或焊)而成，或连接后再经加工而成，如装配式齿轮，发动机连杆小头孔压入衬套后再镗孔。合件也被称为套件。,组件是指一个或几个合件与零件的组合，没有显著完整的作用. 如主轴箱中轴与其上的齿轮、套、垫片、链和轴承的组合体。,部件是若干组件、合件及零件的组合体，部件在机器中具有完整的功能与用途。 例如汽车的发动机、变速箱; 车床主轴箱和溜板箱等。,7.1.2装配系统图与装配工
