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1、4.4 4.4 机械加工表面质量机械加工表面质量surface quality of Machining 内容提要：内容提要： 表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响 影响表面粗糙度的因素影响表面粗糙度的因素 降低表面粗糙度的工艺措施降低表面粗糙度的工艺措施概述概述重要性：重要性：机械零件的破坏，一般总是从表面层开始的。产品的性能，尤其是它的可靠性和耐久性，在很大程度上取决于零件表面层的质量。目的：目的：为了掌握机械加工中各种工艺因素对加工表面质量影响的规律，以便运用这些规律来控制加工过程，最终达到改善表面质量、提高产品使用性能的目的。概述概述 零件机加工表面质量的评定：零件
2、机加工表面质量的评定： （1）表面几何形状特征 （2）加工表面层的物理机械性能a、表面粗糙度：表面的微观几何形状误差。b、波度：介于微观几何形状误差和表面粗糙度之间的周期性的几何形状误差。a、表面层材料的塑性变形与加工硬化；b、表面层金相组织的变化（高温）-特别是针对磨削，也称磨削烧伤；c、表面层产生残余应力。表面粗糙度与波度表面粗糙度与波度Roughness and WavinessH H H H表面粗糙度高度表面粗糙度高度表面粗糙度高度表面粗糙度高度A A A A波度的高度波度的高度波度的高度波度的高度机加工表面质量对机器使用性能的影响机加工表面质量对机器使用性能的影响 （一）表面质量对耐
3、磨性的影响（一）表面质量对耐磨性的影响 1.1.表面粗糙度对耐磨性的影响表面粗糙度对耐磨性的影响 一个刚加工好的摩擦副的两个接触表面之间，最初阶段只在表面粗糙的的峰部接触，实际接触面积远小于理论接触面积，在相互接触的峰部有非常大的单位应力，使实际接触面积处产生塑性变形、弹性变形和峰部之间的剪切破坏，引起严重磨损（三个阶段？）。 表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。(1)一般说表面粗糙度值愈小，其磨损性愈好。(2)但若表面粗糙度值太小，润滑油不易储存，接触面之间容易发生分子粘接，磨损反而增加。因此，接触面的粗糙度有一个最佳值，其值与零件的工作情况有关，工作载荷加大时，初期磨损量增大，表面粗糙度最
4、佳值也加大。 2. 2.表面冷作硬化对耐磨性的影响表面冷作硬化对耐磨性的影响impact of Surface work-harden on the wearability (1)加工表面的冷作硬化使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。(2)但也不是冷作硬化程度愈高，耐磨性就愈高，这是因为过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降。（二）表面质量对疲劳强度的影响（二）表面质量对疲劳强度的影响impact of Machining surface quality on fatigue strength 金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏往往
5、发生在零件表面和表面冷硬层下面：1.表面粗糙度对疲劳强度的影响交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。规律：规律：Ra，表面的纹痕愈深，纹底半径愈小，抗疲劳破坏能力 。2.残余应力、冷作硬化对疲劳强度的影响 表面层残余拉应力疲劳裂纹 ，疲劳破坏加速； 表面残余压应力阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏产生。 一般，表面冷硬伴有残余压应力的产生，可以防止裂纹产生并阻止已有裂纹的扩展，对提高疲劳强度有利。硬化过高，则反之。（三（三) )表面质量对耐蚀性的影响表面质量对耐蚀性的影响1 1、零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。、零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。
6、表面粗糙度值愈大表面粗糙度值愈大凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多，抗蚀凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多，抗蚀性就愈差。性就愈差。 2 2、表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，耐磨性、表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，耐磨性 残余压应力残余压应力 防止应力腐蚀开裂。防止应力腐蚀开裂。（四）表面质量对配合质量的影响（四）表面质量对配合质量的影响the influence of Surface quality on fit quality 表面粗糙度值的大小将影响配合表面的配合质量表面粗糙度值的大小将影响配合表面的配合质量： a a、间隙配合间隙配合 Ra Ra，磨损磨损 , ,间隙增大，破坏了要求的配合
7、性质。间隙增大，破坏了要求的配合性质。 b b、过盈配合过盈配合 装配过程中一部分表面凸峰被挤平，实际过盈量装配过程中一部分表面凸峰被挤平，实际过盈量，降低了配合件间的连接强度。降低了配合件间的连接强度。三、影响表面粗糙度的因素及措施三、影响表面粗糙度的因素及措施 三个方面的因素：三个方面的因素：1、几何因素切削层的残留面积（参数：Ac,hc) 车削为例，切削层残留面积越大，则Ra 措施：(1）降低f或减小kr、kr; (2)增大刀尖圆弧半径r几何因素 物理因素工艺系统的振动HH理论粗糙度理论粗糙度影响表面粗糙度的因素影响表面粗糙度的因素2、物理因素积屑瘤、鳞刺 抑制积屑瘤和鳞刺的措施：关键减
8、少加工时的塑性变形，影响最大的是切削速度与切削材料性质。具体具体具体具体措施：措施：措施：措施：（1）选择合适的切削速度，避开中速区如：精加工钢料时，常用低速（如铰孔、拉孔）或高速（精车、精镗）（2）合理选择加工材料和热处理方法，如低碳钢与低合金钢，常预先做调质或正火。（3）采用合适刀具材料、角度提高刀具刃磨质量，请思考:前角、后角？金钢石车刀精车铝合金，Ra降低，为什么?（4）合理选用冷却润滑液。思考：为什么？影响表面粗糙度的因素影响表面粗糙度的因素affecting factors of surface roughness3、加工过程中的振动、加工过程中的振动(Vibration)机械加工
9、机械加工中的中的振动类型振动类型 自由振动自由振动 5% 强迫振动强迫振动 30%自激振动自激振动 65%切切削削力力突突变变（切切入入时时），外外力力冲击冲击受周期干扰力（地基、电机、齿受周期干扰力（地基、电机、齿轮啮合、回转件不平衡、多刃多轮啮合、回转件不平衡、多刃多齿刀具）齿刀具）系统自身引起的交变切削力作用，系统自身引起的交变切削力作用，加强和维持了自身振动加强和维持了自身振动振振动动的的危危害害 表面质量下降表面质量下降 （振纹）（振纹） 降低机床、夹具、刀具寿命降低机床、夹具、刀具寿命 （联接松动，崩刃、（联接松动，崩刃、 磨损）磨损） 限制生产率的提高限制生产率的提高 （切削用量
10、不能提高）（切削用量不能提高） 环境污染环境污染 （噪音）（噪音） （2 2）强迫振动的特点及来源）强迫振动的特点及来源the feature and source of forced vibration两个重要特点：两个重要特点：两个重要特点：两个重要特点：a、工艺系统 激振力b、当激振频率等于工艺系统固有频率，共振，可能使振动系统受到严重破坏。两个主要振源：两个主要振源：两个主要振源：两个主要振源：a、机床内部机内振源（四个方面，思考？）b、机床外部机外振源：附近设备的振动通过地基传给机床（1）高速旋转件不平衡引起的振动；（2）传动机构缺陷引起的振动；（3）切削过程中的冲击引起的振动；（4
11、）往复运动部件的惯性力引起的振动。减小强迫振动的途径减小强迫振动的途径（1 1）减小和消除振源的激振力（根本）减小和消除振源的激振力（根本）举例举例1 1：消除工艺系统回转零件的不平衡形成周期性的干扰振源控制方法：控制方法：控制方法：控制方法：静平衡静平衡针对轴向尺寸较小（b/D=0.2)方法： P=0 M=0举例举例2 2：提高机床传动元件的制造精度与装配精度。 如：齿轮精度不高、齿形误差过大会引瞬间传动比突变； 基节误差过大会在啮合过渡瞬间发生冲击。减小强迫振动的途径减小强迫振动的途径（2）隔振）隔振在振动传递的路线上设置障碍，使振动不能传递到刀具和工件上去。两类：两类：（i)积极隔振将机
12、外振源隔离起来，防止振动向机床传递(ii)消极隔振把机床本身用隔振垫隔离起来，防止外部振源向 机床传递。措施：措施：把需要隔离的机床或设备安装在合适的弹性装置（隔振器）上，使大部分振动为隔振装置所吸收。（3 3 3 3）提高工艺系统的刚度和阻尼。）提高工艺系统的刚度和阻尼。）提高工艺系统的刚度和阻尼。）提高工艺系统的刚度和阻尼。自己思考：如何提高？（3 3）自激振动的特点及来源）自激振动的特点及来源the feature and source of self-excited vibration三个特点：三个特点：三个特点：三个特点：c、一种不衰减的振动（因周期性的切削力加强和维持振动，补充阻尼
13、损耗）b、振动频率等于或接近系统的固有频率a、停止切削或磨损，即使机床仍空转，自激振动也就停止。振源：振源：周期性变化的切削力 因切削过程中交变切削力所产生的自激振动频率较高，通常又因切削过程中交变切削力所产生的自激振动频率较高，通常又称称颤振颤振。它严重地影响机械加工表面质量和生产率。它严重地影响机械加工表面质量和生产率。（1 1）再生自激振动机理）再生自激振动机理 切削过程中的切削过程中的偶然偶然干扰干扰使加工系统产生了使加工系统产生了振动，并在加工表面上振动，并在加工表面上留下振纹。当第二次走留下振纹。当第二次走刀时，刀具就将在有振刀时，刀具就将在有振纹的表面上切削，使得纹的表面上切削，
14、使得切削厚度发生变化，导切削厚度发生变化，导致切削力作周期性地变致切削力作周期性地变化，这种效应称化，这种效应称再生效再生效应应。由此产生的自激振。由此产生的自激振动称动称再生自激振动再生自激振动。 能量抵消能量抵消能量抵消能量抵消消耗能量消耗能量获得能量获得能量振动振动（2 2）振型耦合自激振动机理）振型耦合自激振动机理 实实际际生生产产中中，机机械械加加工工系系统统一一般般是是具具有有不不同同刚刚度度和和阻阻尼尼的的弹弹簧簧系系统统，具具有有不不同同方方向向性性的的各各弹弹簧簧系系统统复复合合在在一一起起，满满足足一一定定的的组组合合条条件件就就会会产产生生自自激激振振动动，这这种种复复合
15、合在在一一起起的的自自激激振振动动机理称振型耦合自激振动机理。机理称振型耦合自激振动机理。车床刀架振动系统车床刀架振动系统 刀刀尖尖沿沿椭椭圆圆轨轨迹迹 abcd 作作顺顺时时针针方方向向运运动动时时，因因 x1 为为低低刚刚度度主主轴轴，且且位位于于切切削削力力 F 与与法法向向 X 的的夹夹角角 之之内内，切切入入半半周周期期内内（abc）的的平平均均切切削削厚厚度度比比切切出出半半周周期期（cda）的的小小，系系统统有能量获得，使振动得以维持。有能量获得，使振动得以维持。k1 = k2 无振动无振动k1 k2 无振动无振动k1 铸铁铸铁 钢钢 铸铁铸铁 加加 薄壁封砂薄壁封砂结合面摩擦阻
16、尼结合面摩擦阻尼 活动面：调整间隙，施加预紧活动面：调整间隙，施加预紧 固定面：加工方法，表面粗糙度固定面：加工方法，表面粗糙度(i)阻尼器通过阻尼作用把振动能量转变为热能而达到减小振动的目的。分固体摩擦、液体摩擦以及电磁式。(ii)减振器：分动力式和冲击式。（3 3）采用减振装置采用减振装置4321765金刚石刀具研磨装置示意图金刚石刀具研磨装置示意图The lapping setup for diamond tool1：空气隔振垫空气隔振垫 2：电机：电机 3：空气静压轴承：空气静压轴承 4：配重：配重 5：装夹系统：装夹系统6：单晶金刚石：单晶金刚石 7：高磷铸铁研磨盘：高磷铸铁研磨盘金刚石刀具研磨技术金刚石刀具研磨技术
