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1、第四章 机械加工表面质量Machining Surface Quality4-1加工表面质量及其对使用性能的影响一、 加工表面质量的概念 加工表面质量几何形状误差： 表面粗糙度（ 微观几何形状误差：Ra-表面轮廓算术平 均偏差；Rz-微观不平十点高度） 波度（宏观几何形状误差： 圆度误差、圆柱度误差) 纹理方向：刀纹方向（图4-2） 伤痕：砂眼、气孔、裂痕 力学物理性能： 冷作硬化；金相组织变化；残余应力一、 表面质量对机器零件使用性能的影响 （润滑液存留；接触面积大小）（一） 对耐磨性的影响1、粗糙度 磨损曲线 （图4-3） 最优表面粗糙度： 载荷大，起始磨损量大，最优Ra大 （图4-4）载
2、荷小，起始磨损量小，最优Ra小2、纹理（有效接触面积，润滑液的存留）（图4-2） 圆弧状，凹坑状 刀纹方向与运动方向相同3、冷作硬化 一般硬化程度大-耐磨性高（二） 表面质量对疲劳性的影响1、粗糙度（交变载荷） Ra小 -耐磨疲劳性好（凹谷应力集中） （材料对应力集中的敏感程度，钢材料的强度极限）2、力学物理性能 硬化提高疲劳强度 残余压应力提高疲劳强度（三） 表面质量对耐腐蚀性的影响1、粗糙度（大气中的气体与液体） Ra大 耐腐蚀性差2、力学物理性能 残余压应力-耐腐蚀性好（四） 表面质量对零件配合质量的影响 Ra大-间隙增大，过盈减小 4-2影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施一 切削
3、加工表面粗糙度切削残留面积高度：刀尖圆弧半径；主偏角；副偏角及进给量 （塑变）（图4-6）切削速度： 塑性材料（图4-7积屑瘤）、底速宽刃精切； 高速精切 脆性材料（影响小）精加工前调质（均匀细密晶粒组织、硬度）二 磨削加工后的表面粗糙度（一）几何因素1、磨削用量对表面粗糙度的影响 V砂轮增大- Ra小 纵向进给量小-Ra小V工件 增大- Ra大 2、砂轮粒度磨粒粒度号大（磨粒细）-Ra小磨粒间距小-Ra小（二）物理因素对Ra的影响 热多-塑变增加-晶粒拉长、裂纹、堆积1.磨削用量V砂轮增大 -塑变小-Ra小V工件增大 -塑变增大 -Ra大磨深增大-塑变增大-Ra大2.砂轮的选择 粒度大-Ra
4、小（4660号） 砂轮硬度-硬度大，磨粒不易脱落，自锐性差，塑变大 砂轮组织磨粒、结合剂、气孔的比例 砂轮材料： 氧化物（刚玉）-磨削钢类件 碳化物（碳化硅，碳化硼）-铸铁，硬质合金 高硬（人造金刚石，立方氮化硼）极小Ra 4-3影响表面层力学物理性能的工艺因素及改进措施切削(力、热)一加工表层的冷作硬化（一） 概述 硬化 ：强化（塑变硬化）； 弱化（热） 硬化指标： 显微硬度 HV 硬化层深度 h 硬化程度 N=(HV-HV0)/HV0*100% (二)影响切削表面冷作硬化的因素1.切削用量进给量大 -硬化程度大 V切 （力、热综合作用，热作用时间短）-硬化程度大 切深影响较小2.刀具几何形
5、状的影响切削刃钝圆半径大硬化程度大前角-20度刀具磨损- 后刀面 - 硬化3.加工材料性能影响 塑性大 -冷硬程度大(三)影响磨削加工表面冷作硬化的因素1.工件材料性能影响塑性好- 硬化程度大导热性好- 弱化程度小2.磨削用量的影响磨深增加-硬化程度大纵向进给增加-硬化程度大V砂轮增大-弱化程度大V工件转速增大 - 冷硬程度大（热作用时间短）3.砂轮粒度影响粒度大-冷硬程度小三、表层金属的金相组织的变化 （一） 机械加工表面金相组织的变化磨淬火钢：未超相变温度：马氏体转变为索氏体或托氏体（回火烧伤） 超相变温度加急冷： 表层二次淬火马氏体 （淬火烧伤） 内层-回火组织 超相变温度： 退火组织（
6、退火烧伤） （二） 改善磨削烧伤的工艺途径 1.正确选择砂轮硬度： 硬度大，钝化不易脱落结合剂： 弹性结合剂组织： 孔隙浸石蜡 2.选择磨削用量磨深小-热少横向进给量大-热少V砂轮 和V工件增加-热少 3.改善冷却条件 外冷 （图4 -16） 内冷（图4 -17）开槽砂轮 （图4 -18）四、表层金属的残余应力（一） 产生残余应力的原因：塑变-比容增大，体积膨胀，受基体牵连产生残余应力（二） 影响车削表层金属残余应力的工艺因素1、切削速度和被加工材料的影响 45钢：车刀正前角；所有切速。热因素-残余拉应力 18CrNiMoA： V低速-残余拉应力 V中速-残余压应力 V高速-残余拉应力2、进给
7、量的影响 增大进给量：塑变增加，产生的热多-残余拉应力3、车刀前角影响负前角： 残余压应力正前角： 残余拉应力（三） 影响磨削残余应力的因素1磨削用量的影响磨削深度： 小 塑变为主 残余压应力 大 热影响为主 残余拉应力 V砂轮：大 热影响为主 残余拉应力2、工件材料 强度高、导热性差、塑性低-残余拉应力 （四）工件最终工序加工方法的选择承受交变载荷： 残余压应力相对滑动体: 残余拉应力相对滚动: 内层残余压应力四、 表面强化工艺（冷态塑变 ，硬度增加，产生残余压力）（一） 喷丸强化（二） 滚压强化4-4机械加工过程中的振动 振动：振痕（刀具与工件相对位移） 表面质量，影响使用性能 工艺系统受
8、动态变载荷 刀具加剧磨损、崩刃 机床连接特性破坏 噪声 危害操作者的身体健康一 机械加工过程中的强迫振动 强迫振动 由于外界周期性干扰力的作用而引起的振动 （影响精密加工质量、生产率的关键问题）（一） 强迫振动产生的原因机内振源 机床旋转件的不平衡 机床传动机构的缺陷 往复运动部件的惯性力 切削过程中的冲击等机外振源-地基传给机床（隔振地基）（二） 强迫振动的特征（频率特征、幅频相应特征） 频率特征 振动频率与干扰力的频率相同或是干扰力的整数倍 幅频影响特征 干扰力的幅值大，强迫振动幅值大。 工艺系统的动态特性：（A）如干扰力的频率远离工艺系统各阶模态的固有频率，振动幅值很小 （强迫振动响应将
9、处于机床动态响应的衰减区） （B）如干扰力的频率接近工艺系统某一固有频率时，振动幅值明显增大（C）如干扰力的频率与工艺系统某一固有频率相同，共振（阻尼小，振幅 十分大） 变动参数；工艺系统的结构 ：干扰力的频率发生变化工艺系统某阶固有频率发生变化： 远离减小幅值 二机械加工中的自激振动（Self-Excited Vibration）（一） 概述定义（自激振动；颤振）由系统内部激发反馈产生的周期性振动 振动位移yt 电动机（维持自激振动的能量）机床振动系统 调节系统（切削过程）自激振动系统： 动态切削力-（硬度不均，余量不均）交变切削力F（t）自激振动特征a)无外力干扰b)自激振动频率接近与系统
10、固有频率c)自激振动不因阻尼而衰减（二） 产生自激振动的条件（工艺系统存在自激振动的条件）1.自激振动实例（单自由度机械加工振动模型）图4-27 刀架振出： 切削力对振动系统作功，振动系统则从切削过程中吸收一部分能量（W振出=W12345），储存在系统中 刀架的振入： 在弹性恢复力作用下，振动系统对切削过程作功，振动系统消耗能W振入=W54621 当W振出W振入时，切削力Fy对振动系统作功大于振动系统对切削过程作功，加工系统有持续的自激振动产生，加工系统处于不稳定状态.W振出=W振入+W摩阻 ， 加工系统有稳幅自激振动产生 W振出W振入+W摩阻 ， 加工统系将出现振幅递增的自激振动W振出 F振入yi（三） 自激振动的激振机理1、再生原理 再生型颤振-由于切削厚度变化效应引起的自激振动 再生型颤振产生的条件本次切削振纹与前次振纹的同步程度（相位差）2、振型耦合原理（多自由度系统） 例如：一个二自由度振动系统，如因偶然干扰使刀架系统产生角频率为的振动，刀架将沿两X1 、 X2两刚度主轴同时振动 运动方程: y=Ay sint z=Az sin(t+)式中 Ay-y向振幅 Az-z向振幅 - z向相对于y向在主振频率上的相位差。不同，刀尖振动轨迹不同如果：是某值时，刀尖振动轨迹为沿椭圆
