加工表面质量及其控制(1)

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1、,第三章 机械加工表面质量,3-1 加工表面质量及其对使用性能的影响 3-2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及改进 3-3 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及改进 3-4 机械加工过程中的振动,零件表面质量,表面质量的含义（内容）,3.1 加工表面质量及其对使用性能的影响,3.1.1 对耐磨性的影响,1.粗糙度对耐磨性影响,表面粗糙度与初期磨损量的关系,2.表层冷作硬化对耐磨性影响,表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧； 表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易造成干摩擦而加剧磨损。 表面粗糙度

2、的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。,（2）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响,加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。 并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。,3.1.2 对耐疲劳性的影响,1.粗糙度对耐疲劳性影响,2.表层冷作硬化对耐疲劳性影响,2表面质量对零件疲劳强度的影响,（1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响 表

3、面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。 对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。 表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。,（2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响 适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。 残余应力有拉应力和压应力之分，残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度。 残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。,3.1.3 对耐腐蚀性的影响,1.粗糙度对

4、耐腐蚀性影响,2.表层残余应力对耐腐蚀性影响,4表面质量对零件耐腐蚀性能的影响,（1）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响 零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。 因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。 （2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响 零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。 表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：如减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。,表面质量对零件使用性能的影响小结：,第二章 机

5、械加工表面质量,3-1 加工表面质量及其对使用性能的影响 3-2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及改进 3-3 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及改进 3-4 机械加工过程中的振动,3.2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及改进,3.2.1切削加工的表面粗糙度,由国家标准规定的表面粗糙度定义，轮廓的算术平均偏差：,H,f,1刀具几何形状, 尖刃车刀,3.2.2 切削加工的表面粗糙度,r,H,f, 圆弧刃车刀,直线刃车刀（a）,圆弧刃车刀（b）,切削残留面积的高度：,实际轮廓,理论轮廓,2物理因素,（1）塑性变形,（2）在切削过程中出现刀瘤,鳞刺等物理现象,积屑瘤,I.抹拭,II.沉积,III.导裂

6、,IV.刮成,鳞刺的形成过程,鳞刺,在物理因素方面，降低表面粗糙度主要措施，即消除积屑瘤和鳞刺的措施。,二. 磨削加工的表面粗糙度,磨削加工与切削加工比较，有许多特点，主要表现在：,影响磨削表面粗糙度的因素是：,1砂轮方面,（1）砂轮的磨粒,（2）砂轮硬度,磨粒号,Ra值,硬度,难脱落,Ra值,硬度,易脱落,不易保持形状,Ra值,（3）砂轮的修整,影响磨削表面粗糙度的因素是：,2物理方面,（1）磨削用量,砂轮的转速 材料塑性变形 表面粗糙度值 ；,工件速度v工 表面粗糙度Ra ,磨削深度ap 表面粗糙度Ra,不同的磨粒，其锋利程度、硬度不同。砂轮磨粒材料种类很多，可分为三大系，即： 氧化物系（

7、刚玉类） 碳化物系（碳化硅、碳化硼等） 高硬磨粒系,（2）磨粒的材料,影响磨削加工表面粗糙度的因素,影响磨削加工表面粗糙度的因素,砂轮粒度,砂轮修正,磨削用量,砂轮硬度,第二章 机械加工表面质量,3-1 加工表面质量及其对使用性能的影响 3-2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及改进 3-3 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及改进 3-4 机械加工过程中的振动,表面物理 力学性能,3-3 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及改进,3-3 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及改进,3.3.1 表面层的冷作硬化,(1) 加工硬化（或冷作硬化）定义,(2) 衡量表面层加工硬化的指标 表面层的显微硬度H

8、； 硬化层深度h； 硬化程度N,HR0：工件原表面层的显微硬度。,3.3.1 表面层的冷作硬化,(3) 影响切削加工冷作硬化的主要因素,刀具 切削用量 工件材料,刀刃钝圆半径，冷作硬化 后刀面磨损，冷作硬化,3.3.1 表面层的冷作硬化,(3) 影响切削加工冷作硬化的主要因素,刀具 切削用量 工件材料,刀刃钝圆半径，冷作硬化 后刀面磨损，冷作硬化,切削速度，分两种情况讨论 进给量，冷作硬化。,3.3.1 表面层的冷作硬化,(3) 影响切削冷作硬化的主要因素,刀具 切削用量 工件材料,刀刃钝圆半径，冷作硬化 后刀面磨损，冷作硬化,切削速度，切削温度， 冷作硬化 进给量，冷作硬化,硬度，冷作硬化

9、塑性，冷作硬化,3.3.2 表面层残余应力,（1）表面残余应力产生机理,机理,a.冷塑性变形,b.热塑性变形,c金相组织变化的影响,3.3.2 表面层的残余应力,(2) 影响切削加工残余应力的主要因素,刀具前角 切削用量 工件材料,3.3.2 表面层的残余应力,(3) 影响磨削加工残余应力的主要因素,工程材料 磨削用量,表面颜色与烧伤之间的关系： 黑 青 淡青 米黄 淡黄,3.3.3 加工表面的金相组织的变化,1 磨削烧伤,淬火烧伤,回火烧伤,退火烧伤,磨削时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

10、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。这种现象 称为退火烧伤。,2. 磨削烧伤的三种形式,3.磨削烧伤,裂纹的控制措施,(1)正确选择砂轮,(2)合理选择磨削用量,(3)改善冷

11、却条件,3.磨削烧伤,裂纹的控制措施,(3)改善冷却条件,1、采用高压大流量冷却，冲刷砂轮，加强冷却；,2、在砂轮上安装空气挡板，消除附着气流；,3.磨削烧伤,裂纹的控制措施,(3)改善冷却条件,1、采用高压大流量冷却，冲刷砂轮，加强冷却；,2、在砂轮上安装空气挡板，消除附着气流；,3、利用砂轮孔隙实现内冷却；,4、选用开槽砂轮。,图 内冷却装置 1锥形盖 2通道孔 3砂轮中心孔 4有径向小孔的薄壁套,图 开槽砂轮 a） 槽均匀分布 b）槽不均匀分布,1喷丸强化,3.3.4 提高表面层物理力学性能的加工方法,1喷丸强化,3.3.4 提高表面层物理力学性能的加工方法,2滚压加工,3.3.4 提高

12、表面层物理力学性能的加工方法,单滚柱滚压,滚压加工可以加工外圆、孔、平面及成型表面，通常在普通车床、转塔车床或自动车床上进行。,第二章 机械加工表面质量,3-1 加工表面质量及其对使用性能的影响 3-2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及改进 3-3 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及改进 3-4 机械加工过程中的振动,3.4 机械加工过程中的振动,振动频率高表面粗糙度值增大； 振动频率低产生波度。,振动会在工件加工表面出现振纹，降低了工件的加工精度和表面质量； 振动会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨损； 振动使机床连接部分松动，影响运动副的工作性能，并导致机床丧失精度； 强烈的振动及伴

13、随而来的噪声，还会污染环境，危害操作者的身心健康。为减小加工过程中的振动，有时不得不降低切削用量，使机械加工生产率降低。,3.4.1 强迫振动,强迫振动的原因 由外界具有一定频率的周期性变化的激振力所引起的振动，称为强迫振动。,系统外部的周期性干扰力 旋转零件的质量偏心 传动机构的缺陷 切削过程的间隙特性,I.强迫振动是由周期性干扰力引起的，不会被阻尼衰减掉，振动本身也不能使干扰力变化。 II.强迫振动的振动频率与外界干扰力的频率相同，而与系统的固有频率无关。 III.强迫振动的幅值既与干扰力的幅值有关，又与工艺系统的特性有关。,当外界干扰力的频率接近或等于工艺系统的固有频率时，就会引起共振现

14、象，这时振幅极大，对工艺系统的危害极其严重。,强迫振动的特点,消除强迫振动的途径 (1)消振与隔振； (2)消除回转零件的不平衡； (3)提高传动件的制造精度； (4)提高系统刚度，增加阻尼。,3.4.2 自激振动 1.定义,自激振动的原因 由加工系统本身引起交变切削力反过来加强和维持自身振动的现象。,自激振动的特点 1)自激振动是一种不衰减的振动。 2)自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率 3)自激振动能否产生以及振幅的大小，决定于每一振动周期 内系统所获得的能量与所消耗的能量的对比情况。 4)自激振动的形成和持续，是由于过程本身产生的激振和反 馈作用。,2产生自激振动的条件,图 单自由

15、度机械加工振动模型 a） 振动模型 b） 力与位移的关系图,三种情况：, W振出=W振入+ W摩阻（振入）时，系统有稳幅的自激振动； W振出W振入+ W摩阻（振入）时，系统为振幅递增的自激 振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动； W振出 W振入+ W摩阻（振入）时，系统为振幅递减的自激 振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动；,故振动系统产生自激振动的基本条件是：,W振出W振入,1）再生颤振原理,2产生自激振动的机理,图 再生颤振时振纹相位角与平均切削厚度的关系 a）=0 b）= c）0 -,结论：在再生颤振中，只有当后一转的振纹的相位 滞后于前一转振纹时才有可能产生再生颤振。,2）振型耦合原理,图 两个自由度的耦合振动模型 a）切削模型 b）动力学模型,3控制自激振动的途径,1）减小切削或磨削时的重叠系数,重叠系数直接影响再生自激振动， 它取决于加工方式、刀具几何参数和切削用量等。,2）增加切削阻尼,3）调整振动系统低刚度主轴的位置,图 削扁镗杆镗孔,减振装置,动力吸振器 冲击吸振器,图 用于镗刀杆的 动力吸振器,图 冲击式吸振器 1自由质量 2弹簧 3螺钉,