《机械制造过程原理》课件05第五章 机械加工表面质量

1、第五章 机械加工表面质量第一节 表面质量的概念第二节 表面粗糙度及其影响因素第三节 机械加工后表面物理机械性能的变化第四节 控制加工表面质量的措施第五节 振动对表面质量的影响及其控制第一节 表面质量的概念表面质量的含义：机械加工表面质量是指经过机械加工后，在零件已加工表面上几微米至几百微米表面层所产生的物理机械性能的变化以及表面层微观几何形状误差。吸附层是由氧化膜或其它化合物吸收、渗进了气体粒子而形成的一层组织Fig.3 Workpiece Fig.4 SEM images of subsurface microstructure (fz=0.1mm/tooth)(a)V=301m/minRd

2、=0.3mm(b) V=490m/min, Rd=0.1mm(c) V=754m/min, Rd=0.2mmFig.2 The cutter used 第一节 表面质量的概念表面质量的含义：加工表面的几何形状特征：表面粗糙度 指加工表面的微观几何形状误差。波长与波高(L3/H3)的比值小于50。 表面粗糙度的现行标准为：GB/T131-93。表示方法：Ra、Rz、Ry。表面波度 介于形状误差与表面粗糙度之间的周期性形状误差。主要是由加工过程中工艺系统的振动引起的。波长与波高(L2/H2)的比值一般为：501000。纹理方向 指表面刀纹的方向。它取决于表面形成所采用的机械加工方法。表面质量的含义

3、：加工表面的物理力学性能的变化：表面层因塑性变形引起的加工硬化（冷作硬化）；表面层因力或热的作用产生的残余应力；表面层因切削热或磨削热的作用引起的金相组织变化；表面层内其它物理机械性能的变化，包括极限强度、疲劳强度、导热性和磁性等（由于2和3的变化所致）。表面质量对零件使用性能的影响对零件耐磨性的影响：表面粗糙度对耐磨性的影响刀纹方向对耐磨性的影响冷作硬化对耐磨性的影响残余应力对耐磨性的影响表面为压应力时，耐磨性高。对零件耐疲劳性的影响：表面粗糙度对耐疲劳性的影响残余应力对耐疲劳性的影响冷作硬化对耐疲劳性的影响表面为压应力时，耐疲劳性好。冷作硬化程度 耐疲劳性耐磨、耐疲劳、耐腐蚀、配合质量表面

4、质量对零件使用性能的影响对零件耐腐蚀性的影响：Ra值耐腐蚀性表面应力产生应力腐蚀对零件配合精度的影响：实验研究表明：零件尺寸大于50mm时，推荐：Ra=(0.10.15)T零件尺寸在1850mm时，推荐： Ra=(0.150.20)T零件尺寸小于18mm时，推荐： Ra=(0.200.25)T一定的精度应有相应的表面粗糙度！一定的尺寸公差要有相应的表面粗糙度！耐腐蚀性一、表面粗糙度产生的原因 切削加工时，表面粗糙度产生的原因可归纳为以下两方面： (1)几何因素所产生的粗糙度。它主要决定于残留面积的高度。 (2)由于切削过程不稳定因素所产生的粗糙度。其中包括积屑瘤、鳞刺、切削变形、刀具的边界磨损

5、、刀刃与工件相对位置变动等。第二节 表面粗糙度及其影响因素1、残留面积不考虑刀尖圆弧角：考虑刀尖圆弧角：Ra值2积屑瘤 由于积屑瘤会伸出切削刃及刀尖之外，从而产生一定的过切量，加以积屑瘤的形状不规则，因此，切削刃上各点积屑瘤的过切量不一致，从而在加工表面上沿着切削速度方向刻划出一些深浅和宽窄不同的纵向沟纹。 积屑瘤作为整体来说，虽然它的底部相对地比较稳定，但它的顶部常是反复成长与分裂，分裂的积屑瘤一部分附在切屑底部而排出，另一部分则留在已加工表面上形成鳞片状毛刺。 积屑瘤顶部的不稳定又使切削力波动而有可能引起振动，因此，进一步使加工表面粗糙度增大。3鳞刺 鳞刺就是已加工表面上出现的鳞片状的毛刺

6、 在较低及中等的切削速度下，用高速钢、硬质合金或陶瓷刀具切削低碳钢、中碳钢、铬钢、不锈钢、铝合金及铜合金等塑性材料时，无论是车、刨、插、钻、拉、滚齿、插齿及螺纹切削等工序中都可能出现鳞刺。鳞刺的晶粒和基体材料的晶粒相互交错，鳞刺与基体材料之间没有分界线， 鳞刺的表面微观特征是鳞片状，有一定高度，它的分布近似于沿整个刀刃宽度，其宽度近似地垂直于切削速度方向。鳞刺的出现使已加工表面的粗糙程度增加。4切削过程中的变形 在挤裂或单元切屑的形成过程中，断裂要深入到切削表面以下，从而在加工表面上留下挤裂的痕迹而成为波浪形。而在崩碎切屑的形成过程中，从主切削刃处开始的裂纹在接近主应力方向斜着向下延伸形成过切

7、，因此，造成加工表面的凹凸不平。 其次，由于在切削刃两端没有来自侧面的约束力，因此，在切削刃两端的已加工表面及待加工表面处，工件材料被挤压而产生隆起，从而使表面粗糙度进一步增大。5刀具的边界磨损 刀具磨损后有时会在副后面上产生沟槽形边界磨损，从而在已加工表面形成锯齿状的凸出部分，因此，使加工表面粗糙度增大。6刀刃与工件相对位置变动 由于机床主轴轴承回转精度不高及各滑动导轨面的形状误差等使运动机构发生的跳动、材料的不均匀性及切屑的不连续性等切削过程波动，均会使刀具、工件间的位移发生变化，从而使切削厚度、切削宽度或切削力发生变化；因此，在很多情况下，这些不稳定因素会在加工系统中诱发起自激振动，位置

8、变化的振幅更加扩大，以致影响到背吃刀量的变化，从而使表面粗糙度增大。二、影响表面粗糙度的因素 1刀具方面 为了减小残留面积，刀具应采用较大的刀尖圆弧半径、较小的副偏角；尤其是使用副偏角为零的修光刃，对减小表面粗糙度甚为有效；但修光刃不能过长，否则会引起振动。对于塑性大的材料，使用大前角的刀具，是减少积屑瘤和鳞刺，从而减小表面粗糙度的有效措施。 刀面及切削刃的表面粗糙度，对工件表面粗糙度有直接影响。由于刀具表面粗糙度的减小，有利于减小摩擦，从而可抑制积屑瘤和鳞刺的生成。 刀具材料不同时，由于与工件材料的亲和力不同，因而产生积屑瘤的难易程度不同，而且导热系数及前刀面摩擦系数的不同，又将使切削温度发

9、生变化；因此，积屑瘤的成长程度也不同。 2工件方面 工件材料性质中对表面粗糙度影响较大的是材料的塑性和金相组织，材料的塑性越大，积屑瘤和鳞刺越易生成，故表面粗糙度越大。因此，为了减小表面粗糙度，在切削低碳钢、低合金钢时，常将工件预先进行调质处理，以提高其硬度，降低塑性。对于中碳钢及中碳合金钢，在较高的切削速度时，粒状珠光体的表面粗糙度较小；在较低的切削速度时，片状珠光体加细晶粒的铁素体的表面粗糙度较小。易切钢中含有硫、铅等元素，可以减小加工表面粗糙度。此外，工件材料的韧性越大，加工时材料的隆起将越大，从而使已加工表面粗糙度越大。 切削灰铸铁时，切屑是崩碎的，同时石墨易从铸铁表面脱落而形成凹痕，

10、所以在相同的切削条件下，灰铸铁的已加工表面粗糙度，一般要比结构钢大一些；减小灰铸铁中石墨的颗粒尺寸，则可使表面粗糙度减小一些3切削条件方面 切削塑性材料时，在低、中切削速度的情况下，易产生积屑瘤及鳞刺，从而表面粗糙度都较大；提高切削速度可以使积屑瘤和鳞刺减小甚至消失，并可减小工件材料的塑性变形，因而可以减小表面粗糙度。 切削脆性材料时，由于不产生积屑瘤，切削速度对表面粗糙度基本上没有明显影响。 减小进给量，不仅可以减小残留面积，而且可以减小积屑瘤和鳞刺的高度，故可以减小粗糙度。 采用高效切削液，可以减小工件材料的变形和摩擦，而且是抑制积屑瘤和鳞刺的产生， 减小表面粗糙度的有效措施；但随着切削速

11、度的提高，其效果将随之减小。三. 磨削加工中影响表面粗糙度的因素三. 磨削加工中影响表面粗糙度的因素磨削用量三. 磨削加工中影响表面粗糙度的因素砂轮的特性粒度：粒度号Ra值砂轮的硬度：硬度难脱落Ra值硬度易脱落不易保持形状精度砂轮的修整：第三节 机械加工后表面物理机械性能的变化表面层的加工硬化 机械加工中，金属被加工表面层受切削力的作用产生塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生滑移剪切，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，引起表面层的强度和硬度都提高的现象，称加工硬化。评定指标：表面层的显微硬度 HV硬化层深度 h硬化程度 N表面层的加工硬化表面层的加工硬化影响因素：刀具 (钝圆、VB) 切削用量（V、f）

12、 工件材料（硬度和塑性）表面层的金相组织变化磨削烧伤加工中产生达到相变温度产生相变烧伤的形式：退火烧伤回火烧伤淬火烧伤工件表面温度超过相变温度AC3，但无冷却液，工件表面被退火。工件干磨时易发生这种烧伤。工件表面温度未达到相变温度AC3，但超过马氏体的转变温度，工件表层组织为回火屈氏体或索氏体。工件表面温度超过相变温度AC3，冷却充分，工件表面被二次淬火。但淬透层很薄，其下层仍为回火屈氏体或索氏体。磨削烧伤：磨削热超过了相变的临界点而产生金相组织的变化，使表面层的纤维硬度发生变化。影响磨削烧伤的因素：磨削用量aP工件表层温度烧伤V砂轮工件表层温度烧伤f工件表层温度烧伤V工件工件表层温度热源作用

13、时间烧伤工件材料：导热性等砂轮特性：硬度大，易烧伤；结合剂弹性好，不易烧伤。冷却：合理冷却，减小烧伤表面层的金相组织变化磨削烧伤加工表面层的残余应力冷态塑性变形热态塑性变形局部金相组织变化 表面的残余应力:当切削过程中表面层组织发生形状变化和组织变化时，在表面层及里层就会产生相互平衡的弹性应力。冷态塑性变形加工表面层的残余应力 在切削力的作用下，已加工面受后刀面的挤压，产生弹塑性变形，当力去除后，外层金属弹性回复，但塑性变形不能恢复，外层金属阻止内层金属恢复。故加工后表面层残余应力为压应力(-)，里层为拉应力(+)。热态塑性变形加工表面层的残余应力 在切削热的作用下，已加工面产生热膨胀，当表面

14、层金属的温度超过材料的弹性变形范围时，会产生热塑性变形。加工后，表层已产生的热塑性变形收缩受到内层金属的阻碍。故加工后表面层残余应力为拉应力(+) ，里层为压应力(-) 。加工表面层的残余应力局部金相组织变化 不同的金相组织有不同的密度，如M=7.75g/cm3 A=7.96g/cm3、P=7.78g/cm3、F=7.88g/cm3 当金相组织变化时，由于密度不同，体积会发生变化。如果表层金属膨胀则残余应力为压应力(-)，反之，如果表层金属体积缩小则产生残余拉应力(+)。 例如：淬火钢表面回火，表层金属由马氏体转变成屈氏体或索氏体，密度由7.75变为7.78g/cm3 。体积缩小，将受到基体的

15、限制，将产生拉应力。磨削裂纹控制：磨削用量，砂轮性能，冷却液冷却第四节 控制加工表面质量的措施二、采用光整加工方法降低表面粗糙度三、表面强化工艺改善物理力学性能渗氮(Cr、Mo、Al、V)、渗碳等化学热处理激光表面处理技术机械强化工艺：滚压加工；喷丸强化；液体磨料强化；控制磨削参数第四节 控制加工表面质量的措施控制磨削参数 提高工件转速和采用小的切深，以减小参残余拉应力和消除磨削烧伤、裂纹等缺陷。 降低砂轮转速，但影响生产效率，慎重对待。第四节 控制加工表面质量的措施采用光整加工方法降低表面粗糙度采用光整加工方法降低表面粗糙度第四节 控制加工表面质量的措施采用光整加工方法降低表面粗糙度第四节

16、控制加工表面质量的措施采用光整加工方法降低表面粗糙度第四节 控制加工表面质量的措施第四节 控制加工表面质量的措施表面强化工艺改善物理力学性能渗氮(Cr、Mo、Al、V)、渗碳等化学热处理激光表面处理技术机械强化工艺：滚压加工；喷丸强化；液体磨料强化；超声波振动珩磨第五节 振动对表面质量的影响及其控制5.5.1 振动对表面质量的影响振动是有害的，主要表现在：增大表面粗糙度降低生产率影响刀具寿命对机床、夹具等不利(引起连接部分松动，间隙增大，精度降低等)切削加工中的振动类型：自由振动、强迫振动、自激振动 是在外界周期性干扰力作用下的不衰减振动（1）.切削加工中产生强迫振动的原因机床：主轴、轴承、齿

17、轮、皮带轮、电机刀具：多刃、多齿刀具，如铣刀、拉刀、滚刀工件：断续表面、余量不均、硬度不一其它：相临机床干扰（2）.强迫振动的特点干扰力在，振动在；干扰力不在，振动停止振动频率等于干扰力频率阻尼越小振幅越大 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5.5.2 强迫振动（2）消除强迫振动的途径消振与隔振：针对外部振源消除回转零件的不平衡提高传动件的制造精度（提高其传动的平稳性）提高系统刚度（工艺系统），增加阻尼 5.5.3 自激振动由振动本身引起的切削力周期性变化，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，振动在没有外界干扰力的作用下持续下去。一般频率较高，又称为颤振。 （1）自激振动的特点是一种不衰减的振动振动频率等于或接近于系统的固有频率振幅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。 切削或磨削停止，自激振动 停止 机床结构动态性能有限元分析 主要是对机床整机和部件的模态频率、模态振型进行分析。通过分析，了解和掌握机床结构存在的薄弱环节，从而提出改进措施。 a) 一阶振型（69Hz） b) 二阶振型（82Hz） c) 三阶振型（123Hz） 模态频率及振型 模态阶次模态频率/Hz振型描述169整机绕X轴摆动，立柱振型明显283整机绕X轴弯曲，立柱与工件箱呈相对于M切面作相对摆动3123立柱、工件箱分