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1、第三章 机械加工表面质量,第三章 机械加工表面质量,第一节 概 述 一、机械加工表面质量的含义 二、表面质量对零件使用性能的影响 第二节 影响表面质量的工艺因素 一、影响机械加工表面粗糙度的因素及降低表面粗糙度值的工艺措施 二、影响表面物理力学性能的工艺因素 第三节 控制表面质量的工艺途径 一、减小表面粗糙度值的加工方法 二、改善表面物理力学性能的加工方法 第四节 机械加工振动对表面质量的影响及其控制,第三章 机械加工表面质量,一、机械振动现象及分类 二、机械加工中的强迫振动及其控制 三、机械加工中的自激振动及其控制,第一节 概 述,一、机械加工表面质量的含义,1.表面层的几何形状特征 表面层
2、的几何形状特征如图31所示，主要由以下几部分组成：,一、机械加工表面质量的含义,图3-1 表面层几何特征的组成,一、机械加工表面质量的含义,(2) 表面波度 表面波度是介于宏观形状误差与微观表面粗糙度之间的周期性形状误差，它主要是由机械加工过程中低频振动引起的，应作为工艺缺陷设法消除。 (3) 表面加工纹理 表面加工纹理是指表面切削加工刀纹的形状和方向，取决于表面形成过程中所采用的机加工方法及其切削运动的规律。 (4) 伤痕 伤痕是指在加工表面个别位置上出现的缺陷，如砂眼、气孔、裂痕、划痕等，它们大多随机分布。 2.表面层的物理力学性能,一、机械加工表面质量的含义,表面层的物理力学性能主要指以
3、下三个方面的内容： 1) 表面层的加工冷作硬化。 2) 表面层金相组织的变化。 3) 表面层的残余应力。,二、表面质量对零件使用性能的影响,1.表面质量对零件耐磨性的影响 零件的耐磨性是零件的一项重要性能指标，当摩擦副的材料、润滑条件和加工精度确定之后，零件的表面质量对耐磨性将起着关键性的作用。 2.表面质量对零件疲劳强度的影响 表面粗糙度对承受交变载荷的零件的疲劳强度影响很大。 3.表面质量对零件耐腐蚀性能的影响 表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响很大。 4.表面质量对零件间配合性质的影响 相配零件间的配合性质是由过盈量或间隙量来决定的。 5.表面质量对零件其他性能的影响 表面质量对零件的使用
4、性能还有一些其他影响。,一、影响机械加工表面粗糙度的因素及降低表面粗糙度值的工艺措施,1.影响切削加工表面粗糙度的因素 在切削加工中，影响已加工表面粗糙度的因素主要包括几何因素、物理因素和加工中工艺系统的振动。 (1) 几何因素 切削加工时，表面粗糙度的值主要取决于切削面积的残留高度。 (2) 物理因素 在切削加工过程中，刀具对工件的挤压和摩擦使金属材料发生塑性变形，引起原有的残留面积扭曲或沟纹加深，增大表面粗糙度值。 (3) 动态因素振动的影响 在加工过程中，工艺系统有时会发生振动，即在刀具与工件间出现的除切削运动之外的另一种周期性的相对运动。 2. 减小表面粗糙度值的工艺措施,一、影响机械
5、加工表面粗糙度的因素及降低表面粗糙度值的工艺措施,1) 在精加工时，应选择较小的进给量f、较小的主偏角r和副偏角、较大的刀尖圆弧半径r，以获得较小的表面粗糙度值。 2) 加工塑性材料时，采用较高的切削速度可防止积屑瘤的产生，减小表面粗糙度值。 3) 根据工件材料、加工要求，合理选择刀具材料，有利于减小表面粗糙度值。 4) 适当地增大刀具前角和刃倾角，提高刀具的刃磨质量，降低刀具前面、后面的表面粗糙度值均能降低工件加工表面的粗糙度值。 5)对工件材料进行适当的热处理，以细化晶粒，均匀晶粒组织，可减小表面粗糙度值。,一、影响机械加工表面粗糙度的因素及降低表面粗糙度值的工艺措施,6)选择合适的切削液
6、，减小切削过程中的界面摩擦，降低切削区温度，减小切削变形，抑制鳞刺和积屑瘤的产生，可以大大减小表面粗糙度值。,二、影响表面物理力学性能的工艺因素,1.表面层残余应力 外载荷去除后，仍残存在工件表层与基体材料交界处的相互平衡的应力称为残余应力。 (1) 冷态塑性变形引起的残余应力 切削加工时，加工表面在切削力的作用下产生强烈的塑性变形，表层金属的比容增大，体积膨胀，但受到与它相连的里层金属的阻止，从而在表层产生了残余压应力，在里层产生了残余拉应力。 (2) 热态塑性变形引起的残余应力 切削加工时，大量的切削热会使加工表面产生热膨胀，由于基体金属的温度较低，会对表层金属的膨胀产生阻碍作用，因此表层
7、产生热态压应力。,二、影响表面物理力学性能的工艺因素,(3) 金相组织变化引起的残余应力 如果在加工中工件表层温度超过金相组织的转变温度，则工件表层将产生组织转变，表层金属的比容将随之发生变化，而表层金属的这种比容变化必然会受到与之相连的基体金属的阻碍，从而在表层、里层产生互相平衡的残余应力。 2.表面层加工硬化 (1) 加工硬化的产生及衡量指标 机械加工过程中，工件表层金属在切削力的作用下产生强烈的塑性变形，金属的晶格扭曲，晶粒被拉长、纤维化甚至破碎而引起表层金属的强度和硬度增加，塑性降低，这种现象称为加工硬化(或冷作硬化)。 1)表面层的显微硬度HV。 2)硬化层深度h(m)。,二、影响表
8、面物理力学性能的工艺因素,3)硬化程度N (2) 影响加工硬化的因素 1)切削用量的影响。 2)刀具几何形状的影响。 3)加工材料性能的影响。,一、减小表面粗糙度值的加工方法,1.超精密切削和小表面粗糙度值磨削加工 (1) 超精密切削加工 超精密切削是指表面粗糙度Ra为0.04m以下的切削加工方法。 (2) 小表面粗糙度值磨削加工 为了简化工艺过程，缩短工序周期，有时用小表面粗糙度值磨削替代光整加工。 2.采用超精密加工、珩磨、研磨等方法作为最终工序加工 超精密加工、珩磨等都是利用磨条以一定压力压在加工表面上，并作相对运动以减小表面粗糙度值和提高精度的方法，一般用于表面粗糙度Ra为04m以下的
9、表面加工。 (1) 珩磨 珩磨是利用珩磨工具对工件表面施加一定的压力，同时珩磨工具还要相对工件完成旋转和直线往复运动，以去除工件表面的凸峰的一种加工方法。,一、减小表面粗糙度值的加工方法,图3-2 珩磨工作原理及磨粒运动轨迹,一、减小表面粗糙度值的加工方法,(2) 超精加工 超精加工是用细粒度油石，在较低的压力和良好的冷却润滑条件下，以快而短促的往复运动，对低速旋转的工件进行振动研磨的一种微量磨削加工方法。,一、减小表面粗糙度值的加工方法,图3-3 超精加工的工作原理,一、减小表面粗糙度值的加工方法,图3-4 在车床上研磨外圆,一、减小表面粗糙度值的加工方法,图3-5 外圆研具,一、减小表面粗
10、糙度值的加工方法,(4) 抛光 抛光是在布轮、布盘等软性器具涂上抛光膏， 利用抛光器具的高速旋转，依靠抛光膏的机械刮擦和化学作用去除工件表面粗糙度的凸峰，使表面光泽的一种加工方法。,二、改善表面物理力学性能的加工方法,1.喷丸强化 喷丸强化是利用压缩空气或离心力将大量直径为044mm的珠丸高速打击零件表面，使其产生冷硬层和残余压应力，可显著提高零件的疲劳强度。 2.滚压加工 滚压加工是在常温下通过淬硬的滚压工具(滚轮或滚珠)对工件表面施加压力，使其产生塑性变形，将工件表面上原有的波峰填充到相邻的波谷中，从而减小了表面粗糙度值，并在其表面产生了冷硬层和残余压应力，使零件的承载能力和疲劳强度得以提
11、高。 3.金刚石压光 金刚石压光是一种用金刚石挤压加工表面的新工艺，国外已在精密仪器制造业中得到较广泛的应用。,二、改善表面物理力学性能的加工方法,4.液体磨料强化 液体磨料强化是利用液体和磨料的混合物高速喷射到已加工表面，以强化工件表面，提高工件的耐磨性、抗蚀性和疲劳强度的一种工艺方法。,二、改善表面物理力学性能的加工方法,图3-6 典型滚压加工示意图,二、改善表面物理力学性能的加工方法,图3-7 外圆滚压工具 a) 弹性滚压工具 b) 刚性滚压工具,二、改善表面物理力学性能的加工方法,图3-8 液体磨料喷射加工原理图 1压气瓶 2过滤器 3磨料室 4导管 5喷嘴 6集收器 7工件 8控制阀
12、 9振动器,第四节 机械加工振动对表面质量的影响及其控制,一、机械振动现象及分类,1.机械振动现象及其对表面质量的影响 在机械加工过程中，工艺系统有时会发生振动(人为地利用振动来进行加工服务的振动车削、振动磨削、振动时效及超声波加工等除外)，即在刀具的切削刃与工件上正在切削的表面之间，除了名义上的切削运动之外，还会出现一种周期性的相对运动。 1)振动使工艺系统的各种成形运动受到干扰和破坏，使加工表面出现振纹，增大表面粗糙度值，恶化加工表面质量。 2)振动还可能引起切削刃崩裂，引起机床、夹具连接部分松动，缩短刀具及机床、夹具的使用寿命。 3)振动限制了切削用量的进一步提高，降低切削加工的生产效率
13、，严重时甚至还会使切削加工无法继续进行。 4)振动所发出的噪声会污染环境，有害工人的身心健康。,一、机械振动现象及分类,2.机械振动的基本类型 机械加工过程的振动有三种基本类型： (1) 强迫振动 强迫振动是指在外界周期性变化的干扰力作用下产生的振动。 (2) 自激振动 自激振动是指切削过程本身引起切削力周期性变化而产生的振动。 (3) 自由振动 自由振动是指由于切削力突然变化或其他外界偶然原因引起的振动。,二、机械加工中的强迫振动及其控制,1.机械加工过程中产生强迫振动的原因 机械加工过程中产生的强迫振动，其原因可从机床、刀具和工件三方面去分析。 (1) 机床方面 机床中某些传动零件的制造精
14、度不高，会使机床产生不均匀运动而引起振动。 (2) 刀具方面 多刃、多齿刀具如铣刀、拉刀和滚刀等，切削时由于刃口高度的误差或因断续切削引起的冲击，容易产生振动。 (3) 工件方面 被切削的工件表面上有断续表面或表面余量不均、硬度不一致，都会在加工中产生振动。 2.强迫振动的特点 1)强迫振动的稳态过程是谐振，只要干扰力存在，振动就不会被阻尼衰减掉，去除干扰力，振动就停止。,二、机械加工中的强迫振动及其控制,2)强迫振动的频率等于干扰力的频率。 3)阻尼越小，振幅越大，谐波响应轨迹的范围越大；增加阻尼，能有效地减小振幅。 4)在共振区，较小的频率变化会引起较大的振幅和相位角的变化。 3.消除强迫
15、振动的途径 强迫振动是由于外界干扰力引起的，因此必须对振动系统进行测振试验，找出振源，然后采取适当措施加以控制。 (1)改进机床传动结构，进行消振与隔振 消除强迫振动最有效的办法是找出外界的干扰力(振源)并去除它。,二、机械加工中的强迫振动及其控制,(2)消除回转零件的不平衡 机床和其他机械的振动，大多数是由于回转零件的不平衡所引起，因此对于高速回转的零件要注意其平衡问题，在可能条件下，最好能做动平衡。 (3)提高传动件的制造精度 传动件的制造精度会影响传动的平衡性，引起振动。 (4)提高系统刚度，增加阻尼 提高机床、工件、刀具和夹具的刚度都会增加系统的抗振性。 (5)合理安排固有频率，避开共
16、振区 根据强迫振动的特性，一方面是改变激振力的频率，使它避开系统的固有频率；另一方面是在结构设计时，使工艺系统各部件的固有频率远离共振区。,三、机械加工中的自激振动及其控制,1.自激振动产生的机理 机械加工过程中，还常常出现一种与强迫振动完全不同形式的强烈振动，这种振动是当系统受到外界或本身某些偶然的瞬时干扰力作用而触发自由振动后，由振动过程本身的某种原因使得切削力产生周期性变化，又由这个周期性变化的动态力反过来加强和维持振动，使振动系统补充了由阻尼作用消耗的能量，这种类型的振动被称为自激振动。,图3-9 电铃的自激振动原理 a) 电铃的自激振动 b) 电铃的自激振动系统,三、机械加工中的自激振动及其控制,2.自激振动的特点 自激振动的特点可简要地归纳如下： 1)自激振动是一种不衰减的振动。,三、机械加工中的自激振动及其控制,图3-10 机床自激振动系统,三、机械加工中的自激振动及其控制,3)自激振动能否产生以及振幅的大小，取决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
