机械制造技术基础第7章

1、学学机机 械械院院机械制造技术基础机械制造技术基础机械工程与自动化学院机械工程与自动化学院巩亚东巩亚东 教授教授YG2011年年9月月第第7章章 机械加工表面质量的影响因素与控机械加工表面质量的影响因素与控制制 7.1 7.1 机械加工表面质量概述机械加工表面质量概述 影响机器零件的机械加工质量除了加工精度之外，影响机器零件的机械加工质量除了加工精度之外，还有机械加工表面质量，它还有机械加工表面质量，它包括表面粗糙度、波度和包括表面粗糙度、波度和表面层材料物理机械性能。表面层材料物理机械性能。7.1.1 7.1.1 机械加工表面质量概述机械加工表面质量概述 表面质量包括的主要内容是：表面质量包

2、括的主要内容是： ( () )表面的几何形状特征表面的几何形状特征 ( () )表面层的物理及机械性能表面层的物理及机械性能 7.1.2 7.1.2 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 （1 1）表面质量对零件耐磨性能的影响）表面质量对零件耐磨性能的影响 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 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 （2 2）表面质量对疲劳强度的影响）表面质量对疲劳强度的影响 1) 1) 表面粗糙度对疲劳强度的影响表面粗糙度对疲劳强度的影响 2) 2) 残余应力、残余应力、冷作硬化冷作硬化对疲劳强度影响对疲劳强度

3、影响 （3 3）表面质量对零件耐腐蚀性能的影响）表面质量对零件耐腐蚀性能的影响 （4 4）表面质量对零件配合性质的影响）表面质量对零件配合性质的影响（5 5）表面质量对零件表面质量对零件接触刚度接触刚度的影响的影响 7.27.2机械加工表面质量影响因素机械加工表面质量影响因素 7.2.1 7.2.1 切削加工表面的形成过程切削加工表面的形成过程 7.2.2 7.2.2 加工表面长城粗糙度加工表面长城粗糙度 （1 1）切削加工影响表面粗糙度的因素）切削加工影响表面粗糙度的因素 1) 1) 刀具切削刃几何形状的影响刀具切削刃几何形状的影响 2)2)工件材料的影响工件材料的影响 Hfkkrrcotc

4、ot 3) 3) 切削用量的影响切削用量的影响 切削速度切削速度v v的影响的影响 进给量进给量f fa a的影响的影响 切削深度切削深度a ap p的影响的影响 4) 4) 工艺系统的高频振动工艺系统的高频振动 （2 2） 磨削加工影响表面粗糙度的因素磨削加工影响表面粗糙度的因素 1) 1) 砂轮的粒度砂轮的粒度砂轮的粒度砂轮的粒度 2) 2) 砂轮的硬度砂轮的硬度 3) 3) 砂轮的修整砂轮的修整 4) 4) 磨削速度磨削速度 5) 5) 磨削径向送给量与光磨次数磨削径向送给量与光磨次数 6) 6) 工件圆周进结速度与轴向进给量工件圆周进结速度与轴向进给量 7) 7) 冷却润滑液冷却润滑液

5、 7.2.3 7.2.3 加工表面变质层加工表面变质层 （1 1） 加工表面的冷作硬化加工表面的冷作硬化 1)1)表面层的硬化评定参数表面层的硬化评定参数 切削用量的影响切削用量的影响 切削刀具的影响切削刀具的影响 被加工材料的影响被加工材料的影响 HHHH00% 表面层金相组织变化及影响因素表面层金相组织变化及影响因素 (1) (1) 磨削烧伤磨削烧伤 1 1）如果工件表面层温度未超过相变临界温度）如果工件表面层温度未超过相变临界温度Ac3Ac3（一般中碳钢为（一般中碳钢为720720）。但超过马氏体的转变温度（一般中碳钢为）。但超过马氏体的转变温度（一般中碳钢为300300 C C），工件

6、表面），工件表面将产生回火组织（回火屈氏体和回火索氏体），硬度比原来的回火马氏将产生回火组织（回火屈氏体和回火索氏体），硬度比原来的回火马氏体低，称为体低，称为回火烧伤回火烧伤。 2 2）如果工件表面层温度超过相变临界温度，加上充分的冷却液，则）如果工件表面层温度超过相变临界温度，加上充分的冷却液，则表面层急冷形成二次淬火马氏体，硬度高于回火马氏体，但极薄，只有表面层急冷形成二次淬火马氏体，硬度高于回火马氏体，但极薄，只有几个微米厚，在它下层由于冷却较慢出现了比回火马氏体硬度低的组织几个微米厚，在它下层由于冷却较慢出现了比回火马氏体硬度低的组织称之为称之为淬火烧伤淬火烧伤。 3 3）如果工件表

7、面温度超过了相变临界温度。这时又无冷却液，则表）如果工件表面温度超过了相变临界温度。这时又无冷却液，则表面硬度急剧下降，工件表层被退火，称之为面硬度急剧下降，工件表层被退火，称之为退火烧伤退火烧伤。 (2) (2) 影响磨削烧伤的因素及其分析影响磨削烧伤的因素及其分析 1 1）被加工材料）被加工材料 2 2）砂轮的选择）砂轮的选择 3 3）磨削用量）磨削用量 4 4）冷却润滑）冷却润滑 残余应力及影响因素残余应力及影响因素 (1) (1) 残余应力产生的原因残余应力产生的原因 1) 1) 热塑性变形引起的残余应力热塑性变形引起的残余应力 2) 2) 冷态塑性变形引起的残余应力冷态塑性变形引起的

8、残余应力 3) 3) 金相组织变化引起的残余应力金相组织变化引起的残余应力 (2) (2) 残余应力测试方法残余应力测试方法 1) 1) 腐蚀法腐蚀法 2) 2) 射线衍射法射线衍射法 3) 3) 变形法变形法 7.37.3机械加工中的机械加工中的振动振动及控制及控制 7.3.17.3.1概述概述 7.3.2 7.3.2 强迫振动及其控制强迫振动及其控制 （1 1）机械加工中强迫振动的振源）机械加工中强迫振动的振源 (2) (2) 强迫振动的特点强迫振动的特点 1 1）强迫振动是在外界周期性干扰力的作用下产生的，）强迫振动是在外界周期性干扰力的作用下产生的，但振动本身并不能引起干扰力的变化。但

9、振动本身并不能引起干扰力的变化。 2 2）不管加工系统本身的固有频率多大，强迫振动的频）不管加工系统本身的固有频率多大，强迫振动的频率总与外界干扰力的频率相同或成倍数关系。率总与外界干扰力的频率相同或成倍数关系。 3 3）强迫振动振幅的大小在很大程度上取决于干扰力的）强迫振动振幅的大小在很大程度上取决于干扰力的频率与加工系统固有频率的比值。频率与加工系统固有频率的比值。 4 4）强迫振动振幅的大小除了与有关外，还与干扰力、）强迫振动振幅的大小除了与有关外，还与干扰力、系统刚度及阻尼系数有关。系统刚度及阻尼系数有关。 （3 3）减少强迫振动的基本途径）减少强迫振动的基本途径 (1) (1) 减少

10、或消除工艺系统中回转零件的不平衡减少或消除工艺系统中回转零件的不平衡 (2) (2) 提高系统传动件的精度提高系统传动件的精度 (3) (3) 提高工艺系统的动态特性提高工艺系统的动态特性 (4) (4) 隔振隔振 (5) (5) 消振消振7.3.3 7.3.3 自激振动及其控制自激振动及其控制 (1) (1) 自激振动的原理自激振动的原理 自激振动就是自激振动系统通过系统的初始振动将持自激振动就是自激振动系统通过系统的初始振动将持续作用的能源转换成某种力的周期变化，而这种力的周期续作用的能源转换成某种力的周期变化，而这种力的周期变化，反过来又使振动系统周期性地获得能量补充，从而变化，反过来又

11、使振动系统周期性地获得能量补充，从而弥补了振动时由于阻尼作用所引起的能量消耗，以维持和弥补了振动时由于阻尼作用所引起的能量消耗，以维持和发展系统的振动。发展系统的振动。 （2 2）自激振动的特点：）自激振动的特点： (1)(1)自激振动是一种不衰减的振动。振动过程本身能引起自激振动是一种不衰减的振动。振动过程本身能引起某种力的周期变化；某种力的周期变化； (2)(2)自激振动的频率等于或接近系统的固有频率，也就是自激振动的频率等于或接近系统的固有频率，也就是说，由振动系统本身的参数所决定说，由振动系统本身的参数所决定 (3)(3)自激振动的形成和持续是由切削过程而产生的，如若自激振动的形成和持

12、续是由切削过程而产生的，如若停止切削过程，即机床空运转，自激振动也就停止了停止切削过程，即机床空运转，自激振动也就停止了 (4)(4)自激振动能否产生以及振幅的大小，决定于每一振动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能量与所消耗的能量的对比惰况周期内系统所获得能量与所消耗的能量的对比惰况 (3)(3)机械加工中自激振动产生机理机械加工中自激振动产生机理 1) 1) 再生再生自激振动自激振动原理原理 对于切断及横向进给磨削时对于切断及横向进给磨削时 1 1；车螺纹时；车螺纹时 =0=0，一般，一般情况下情况下0 0 1 1。如果。如果 0 0，即说明有重叠部分存在，即说

13、明有重叠部分存在，则工件上一转中如果留有振纹，就会引起下一转切削厚度则工件上一转中如果留有振纹，就会引起下一转切削厚度的周期变化，这样必然引起切削力的周期变化，从而有可的周期变化，这样必然引起切削力的周期变化，从而有可能引起工艺系统振动。能引起工艺系统振动。BfB切入切入切出切出fy0yfy0y切入切入切出切出切入切入切出切出fy0y切入切入切出切出fy0ya）b）c）d）2) 2) 振型耦合原理振型耦合原理 当纵车方牙螺纹表面时，刀具与已加工表面不存在着当纵车方牙螺纹表面时，刀具与已加工表面不存在着重叠切削，这样就排除了产生再生振动的条件，但当切削重叠切削，这样就排除了产生再生振动的条件，但

14、当切削深度加大到一定的程度，仍然能产生自激振动。基于这一深度加大到一定的程度，仍然能产生自激振动。基于这一点，引起了一些学者对切削时两自由度振动系统的研究，点，引起了一些学者对切削时两自由度振动系统的研究，提出了提出了振型藕合振型藕合自激振动自激振动理论（或叫坐标联系原理）。理论（或叫坐标联系原理）。 图图5-79 车床刀架振型耦合模型车床刀架振型耦合模型abcdx1x1x2x2k2k112mFX其刀尖合成运动轨迹为：其刀尖合成运动轨迹为： 当时，则与无相位差，轨迹为一直线；当时，则与无相位差，轨迹为一直线； 当时，则超前于，轨迹为一椭圆，运动当时，则超前于，轨迹为一椭圆，运动是逆时针方向，即

15、是逆时针方向，即dcba； 当时，则滞后于，轨迹仍为一椭圆，当时，则滞后于，轨迹仍为一椭圆，运动是顺时针方向，即运动是顺时针方向，即abcd。 3) 3) 负摩擦原理负摩擦原理 在切削某些材料时，由于在振动区域存在着切削力随在切削某些材料时，由于在振动区域存在着切削力随切削速度增加而减小，即所谓切削速度增加而减小，即所谓“负摩擦负摩擦”特性，此时的摩特性，此时的摩擦力不是阻碍运动，而是帮助运动。于是在切入时，切削擦力不是阻碍运动，而是帮助运动。于是在切入时，切削力小，力小， 小；切出时，切削力大，小；切出时，切削力大， 大；大； 故产故产生了持续的颤振。被称之为摩擦型颤振。生了持续的颤振。被称

16、之为摩擦型颤振。EEEE减少机械加工振动的途径减少机械加工振动的途径 （1 1）合理选择切削参数）合理选择切削参数 ）合理选择切削用量）合理选择切削用量 ）合理选择刀具几何参数）合理选择刀具几何参数 （2 2）提高工艺系统的抗振性提高工艺系统的抗振性（3 3）合理安排两个自由度振动系统的刚度以及合理安排两个自由度振动系统的刚度以及正确选择有关参数正确选择有关参数 7.4 7.4 质量保证体系质量保证体系 7 7.4.1 .4.1 质量工程的定义、范围和发展特点质量工程的定义、范围和发展特点 现代质量保证体系发展出现了以下新特点：现代质量保证体系发展出现了以下新特点： （1 1）高科技的兴起、促

17、使国际市场由价格竞争为主转向以质量竞争为）高科技的兴起、促使国际市场由价格竞争为主转向以质量竞争为主的质量和价格双重竞争。主的质量和价格双重竞争。 调调 查查市场和用户需求市场和用户需求产品现场使用和失效情况产品现场使用和失效情况质量功能展开质量功能展开故障报告、分析、纠正措施闭环系统故障报告、分析、纠正措施闭环系统并并 行行 工工 程程 设设 计计 和和 系系 统统 工工 程程 管理管理设设 计计 质质 量量 工工 程程制制 造造 质质 量量 工工 程程材料、毛坯、元器件控制材料、毛坯、元器件控制过程过程(工序工序)控制控制产品控制产品控制产品市场产品市场知识知识质量规划质量规划研究与开发研

18、究与开发专业设计技术专业设计技术(传统现代传统现代)健壮性设计健壮性设计可靠性设计可靠性设计“双双I”设计设计产 品产 品设计设计工 艺工 艺设计设计 （2 2）ISO9000ISO9000标准系列成为世界标准系列成为世界各国密切注视的热门主题。各国密切注视的热门主题。 （3 3）竞争促成了质量工程研究的）竞争促成了质量工程研究的“五结合五结合”的研究新机制。的研究新机制。 （4 4）竞争促使了现代化质量综合）竞争促使了现代化质量综合管理的迫切需要管理的迫切需要 （5 5）竞争迫使各种新型制造质量）竞争迫使各种新型制造质量技术的迅猛发展。技术的迅猛发展。 7.4.2 7.4.2 设计质量工程设

19、计质量工程 质量是产品、过程或服务满足规定或潜在需要的质量是产品、过程或服务满足规定或潜在需要的特征和特性总和。它在时间和空间观念上发生了重要变特征和特性总和。它在时间和空间观念上发生了重要变化、在深度和广度上也有了新的发展。它是随时间而变化、在深度和广度上也有了新的发展。它是随时间而变化的一个动态指标。化的一个动态指标。 质质 量量设计质量设计质量预期的功能设计特性预期的功能设计特性性能性能(或功能或功能)质量指标质量指标功能健壮性设计特性功能健壮性设计特性抗干扰质量指标抗干扰质量指标可信性可信性(可靠性、维修性、保障性可靠性、维修性、保障性)时间质量指标时间质量指标制造出与设计符合的产品质量制造出与设计符合的产品质量(符合性符合性)制造质量制造质量7.4.3 7.4.3 制造质量工程制造质量工程 （1 1）制造质量工程的概念）制造质量工程的概念 其主要研究内容包括：其主要研究内容包括： 1 1）质量体系的开发和运行。）质量体系的开发和运行。 2 2）质量保证和质量控制技术的开发