机械加工表面质量及其控制ppt课件

1、第3章 机械加工外表质量及其控制本章要点外表质量及对运用性能影响影响外表粗糙度工艺要素机械加工中的振动影响表层物理性能工艺要素1第3章 机械加工外表质量及其控制Analysis and Control of Machining Surface Quality3.1 加工外表质量及其对运用性能的影响Machining Surface Quality and its Influence to Use Performance机械制造工艺学 2外表粗糙度波度纹理方向伤痕划痕、裂纹、砂眼等外表质量外表几何外形精度外表缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层剩余应力加工外表质量加工质量包含的内容3.1.1

2、加工外表质量概念 33.1.1 加工外表质量概念 加工外表的几何形貌 外表粗糙度 波长/波高50 波度 波长/波高=501000；且具有周期特性 宏观几何外形误差平面度、圆度等波长/波高1000 纹理方向外表刀纹方式 外表缺陷如划痕、砂眼、气孔、裂纹等 是加工外表个别位置出现的缺陷 a波度 b外表粗糙度零件加工外表的粗糙度与波度RZHRZ43.1.1 加工外表质量概念 无氧铜镜面三维形貌及外表轮廓曲线53.1.1 加工外表质量概念 加工纹理方向及其符号标注63.1.1 加工外表质量概念 外表层金属力学物理性能和化学性能 外表层金属冷作硬化 外表层金属金相组织变化 外表层金属剩余应力加工蜕变层模

3、型 73.1.2 外表质量对零件运用性能的影响 外表质量对零件耐磨性的影响Ram初始磨损量重载荷轻载荷外表粗糙度与初始磨损量关系外表粗糙度对零件耐磨性的影响外表粗糙度太大和太小都不耐磨。外表粗糙度太大，接触外表的实践压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；外表粗糙度太小，也会导致磨损加剧。由于外表太光滑，存不住光滑油，接触面间不易构成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。外表粗糙度的最正确值与机器零件的任务情况有关83.1.2 外表质量对零件运用性能的影响 外表层的冷作硬化对零件耐磨性的影响加工外表的冷作硬化，普通能提高零件的耐磨性。由于它使磨擦副外表层金属的显微硬度提高，塑性降

4、低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是由于过分的冷作硬化，将引起金属组织过分“疏松，在相对运动中能够会产生金属剥落，在接触面间构成小颗粒，使零件加速磨损。冷硬程度磨损量T7A钢冷硬程度与耐磨性关系93.1.2 外表质量对零件运用性能的影响 外表纹理零件耐磨性的影响 外表纹理的外形和刀纹方向对耐磨性也有影响，缘由是纹理外形和刀纹方向影响有效接触面积和光滑液的存留，普通，圆弧状、凹坑状外表纹理的耐磨性好，尖峰状的耐磨性差。在运动副中，两相对运动零件的刀纹方向和运动方向一样时，耐磨性较好，两者的刀纹方向和运动方向垂直时，耐磨性最差。103.1.2 外表

5、质量对零件运用性能的影响 外表粗糙度对零件疲劳强度的影响外表质量对零件疲劳强度的影响外表粗糙度越大，抗疲劳破坏的才干越差。对接受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，外表粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。 外表粗糙度值越小，外表缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工外表越粗糙，外表的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的才干越差。113.1.2 外表质量对零件运用性能的影响 外表层冷作硬化与剩余应力对零件疲劳强度的影响 适度的外表层冷作硬化能阻止疲劳裂纹生长并产生外表压应力，提高零件的疲劳强度。剩余应力有拉应力和压应力之分，剩余拉应力容易使已加工外表产生裂纹并使其扩展

6、而降低疲劳强度剩余压应力那么可以部分地抵消任务载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。123.1.2 外表质量对零件运用性能的影响 外表质量对零件配合质量的影响外表粗糙度对配合质量的影响外表粗糙度对零件配合精度的影响 外表粗糙度较大，那么降低了配合精度。外表剩余应力对零件任务精度的影响 外表层有较大的剩余应力，就会影响零件精度的稳定性。外表剩余应力对配合质量的影响133.1.2 外表质量对零件运用性能的影响 外表质量对零件耐腐蚀性能的影响外表粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响 减小零件外表粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。由于零件外表越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，浸透

7、与腐蚀作用越剧烈。 外表剩余应力对零件耐腐蚀性能的影响 零件外表剩余压应力使零件外表严密，腐蚀性物质不易进入，可加强零件的耐腐蚀性；外表剩余拉应力那么降低零件耐腐蚀性。143.1.2 外表质量对零件运用性能的影响 如减小外表粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和丈量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。外表质量对零件运用性能还有其它方面的影响153.1.2 外表质量对零件运用性能的影响 对耐磨性影响 外表粗糙度值 耐疲劳性 适当硬化阻止疲劳裂纹生长并产生外表压应力可提高耐疲劳性 外表粗糙度值耐蚀性 外表压应力：有利于提高耐蚀性 外表粗糙度值 配合质量外表剩余应力 精度的稳定

8、性 配合质量 外表粗糙度值耐磨性，但有限制 对耐疲劳性影响 对耐蚀性影响 对配合质量影响 纹理方式与方向：圆弧状、凹坑状较好；纹理方向一样较好 适当硬化可提高耐磨性16第3章 机械加工外表质量及其控制Analysis and Control of Machining Surface Quality3.2 影响加工外表质量工艺要素及其改良措施Technology Factors Influencing Machining Surface Quality and its Improving机械制造工艺学 173.2.1 切削加工外表粗糙度 几何要素的影响 直线刃车刀： 圆弧刃车刀： 影响要素：刀尖

9、圆弧半径 r、主偏角r、副偏角r 、进给量 f车削时残留面积的高度frRmaxvfrbRmaxfavf切削加工后外表粗糙度的值主要取决于切削残留面积的高度 183.2.1 切削加工外表粗糙度 工件资料的性质韧性 外表粗糙度 工件资料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工外表愈粗糙。脆性外表粗糙度 加工脆性资料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工外表留下许多麻点，使外表粗糙。塑性外表粗糙度 工件资料塑性越好，塑性变形越大，易产生积屑瘤和鳞刺，加工外表粗糙。物理要素的影响 同一资料金相组织越粗大 外表粗糙度 故对中碳钢和低碳钢资料的工件，为改善切削性能，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处置。19

10、3.2.1 切削加工外表粗糙度 切削速度的影响 加工塑性资料时，切削速度对外表粗糙度的影响随切削速度的变化而变化对积屑瘤和鳞刺的影响；切削速度越高，塑性变形越不充分，外表粗糙度值越小；选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的外表粗糙度；切削速度对脆性资料的影响不大。203.2.1 切削加工外表粗糙度 切削外表塑性变形和积屑瘤 切削速度影响最大：v = 2050m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，外表粗糙度最差； v 100m/min时减小，并趋于稳定 。切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120vm/min020406080140外表粗糙度Rzm481216202428收缩系数Ks1.52

11、.02.53.0积屑瘤高度 hm 0200400600hKsRz21积屑瘤的影响：3.2.1 切削加工外表粗糙度 22鳞刺的影响鳞刺的构成：抹试阶段、导裂阶段、层积阶段、刮成阶段3.2.1 切削加工外表粗糙度 233.2.1 切削加工外表粗糙度 进给量的影响 其他影响要素刀具几何角度、刃磨质量，切削液等减小进给量f固然可以减小外表粗糙度值，但进给量过小，外表粗糙度会有增大的趋势，效率降低。 适当增大刀具前角，提高刃磨质量，合理选择切削液，抑制积屑瘤和鳞刺。精镗(车)后的外表轮廓图(横向粗糙度)243.2.2 磨削加工外表粗糙度 磨削中影响粗糙度的几何要素 从几何要素和塑性变形两方面影响工件的磨

12、削外表是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的刻痕构成的，工件单位面积上经过的磨粒数越多，那么刻痕越多，刻痕的等高性越好，外表粗糙度值越小。磨削时切削力大速度高温度高，且磨粒大多数是负前角，切削刃又不锐利，大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工外表挤压，没有切削作用。加工外表在多次挤压下出现沟槽与隆起，又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形，故外表粗糙度值增大。磨削中影响粗糙度的物理要素通常是决议要素253.2.2 磨削加工外表粗糙度 磨削用量 砂轮速度v，Ra 工件速度vw，Ra 砂轮纵向进给f，Ra 磨削深度ap，Ra 光磨次数，Ra磨削用量对外表粗糙度的影响vw = 40(m/min)f = 2.36

13、(m /min)ap = 0.01(mm)v = 50(m/s)f = 2.36(m /min)ap = 0.01(mm)v(m/s), vw(m/min)Ra(m)0304050600.51.0aap(mm)00.010.40.8Ra(m)00.20.60.020.030.04b光磨次数-Ra关系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)263.2.2 磨削加工外表粗糙度 砂轮及其修整 砂轮粒度，Ra;但要适量(4660) 砂轮硬度适中， Ra ；常取中软 砂轮组织适中，Ra ；常取中等组织 砂轮资料：与工件资料相顺应

14、如氧化铝适于磨钢，碳化物(硅硼)适于磨铸铁，金刚石砂轮适于磨陶瓷资料等 工件资料 冷却光滑液等 其他影响要素 金刚石砂轮磨削工程陶瓷零件采用超硬砂轮资料，Ra 但本钱高； 砂轮精细修整， f Ra 太硬易使磨粒磨钝 Ra 太软容易堵塞砂轮Ra 韧性太大，热导率差会使磨粒早期崩落Ra 。273.2.3 外表粗糙度和外表微观形貌丈量 比较法 触针法： Ra 0.025m外表粗糙度丈量工件驱动箱放大器处置器记录器显示器触针传感器触针法任务原理 光切法： Rz 0.560m 干涉法： Rz 0.050.8m283.2.3 外表粗糙度和外表微观形貌丈量 双管显微镜丈量原理1光源 2聚光镜 3窄缝 4工件

15、外表 5目镜透镜 6分划板 7目镜293.2.3 外表粗糙度和外表微观形貌丈量 干涉显微镜丈量原理1光源 2、10、15聚光镜 3滤色片 4光阑 5透镜 6、9物镜 7分光镜 8补偿镜 10、14、16反射镜 12目镜 13透光窗303.2.3 外表粗糙度和外表微观形貌丈量 外表三维微观形貌丈量外表三维形貌丈量与处置系统原理图1驱动 2撞块 3电触点 4触针 5任务台 6工件 7步进电机 8控制电路 9驱动电路 10放大电路 11A/D变换器 12微机 13显示器 14打印机313.2.3 外表粗糙度和外表微观形貌丈量 TOPO移相关涉显微镜光学原理图1光源 2、4、12透镜 3视场光阑 6干

16、涉滤光片 7CCD面阵探测器 8输出信号 9目镜 10分光镜 11压电陶瓷 13反射镜 14参考基准板 15分光板 16被测工件323.2.3 外表粗糙度和外表微观形貌丈量 外表微观形貌a外表形貌干涉条纹 b外表三维形貌ab相位值：轮廓高度：33第3章 机械加工外表质量及其控制Analysis and Control of Machining Surface Quality3.3 影响表层物理性能的工艺要素及其改良措施Technology Factors Influencing Surface Physics Performance and its Improving机械制造工艺学 343.3

17、.1 加工外表层冷作硬化 概述 加工硬化 机械加工时，工件外表层金属遭到切削力的作用产生剧烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使外表层的强度和硬度添加，这种景象称为加工硬化，又称冷作硬化和强化。 加工硬化度量 表层金属显微硬度 HV 硬化层深度 hm 硬化程度 N式中 HV 硬化层显微硬度HV； HV0 基体层显微硬度HV。35 外表层冷作硬化的程度决议于产生塑性变形的力、变形速度及变形时的温度。 冷作硬化产生的缘由 3.3.1 加工外表层冷作硬化 力越大，塑性变形越大，那么硬化程度越大； 速度越大，塑性变形越不充分，那么硬化程度越小； 变形时的温度不

18、仅影响塑性变形程度，还会影响变形后金相组织的恢复程度。 切削加工时外表层的硬化是不稳定的，一有条件，就会产生弱化景象： 假设温度超越0.250.30T熔熔化绝对温度，那么除了强化景象外，同时还有回复景象，此时歪扭的晶格部分得到恢复，减低了冷硬作用； 结论： 机械加工时外表层的冷作硬化就是强化作用和回复作用的综合结果。 3.3.1 加工外表层冷作硬化 切削温度越高、高温继续时间越长、强化程度越大，那么回复作用也就越强。因此对高温下任务的零件，能保证疲劳强度的最正确外表层是没有冷硬层或者只需极小1020m冷作硬化的外表层。 假设温度超越0.30T熔就会发生金属再结晶，此时由于强化而改动了的外表层物

19、理机械性能几乎可以完全恢复。3.3.1 加工外表层冷作硬化 影响切削加工外表冷作硬化要素 f切削力塑变冷硬 切削用量影响 刀具影响 r塑变冷硬 其他几何参数影响不明显 后刀面磨损影响显著综协作用00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v = 40(m/min) f = 0.120.2(mm/z)后刀面磨损对冷硬影响 工件资料 资料塑性，冷硬倾向 切削速度影响复杂力与热综协作用结果 切削深度影响不大f 和 v 对冷硬的影响硬度(HV)0f (mm /r)0.20.40.60.8v =170(m/min)(m/min)100(m/min )5

20、0(m/min)100200300400工件资料：45383.3.1 加工外表层冷作硬化 影响磨削加工外表冷作硬化要素 磨削用量 砂轮 工件资料 磨削速度 塑变 温度 冷硬程度弱化作用加强 工件转速温度 冷硬程度 弱化作用减弱 纵向进给量影响复杂综协作用 磨削深度磨削力塑变冷硬程度 砂轮粒度冷硬程度 砂轮硬度、组织影响不显著 资料塑性塑变 冷硬倾向 资料导热性温度 冷硬倾向磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削393.3.1 加工外表层冷作硬化 冷作硬化丈量方法 表层显微硬度HV 硬化层深度丈量 斜截面丈量可同时测出

21、硬化层深度 h 显微硬度计采用顶角为金刚石压头，载荷2N斜截面丈量显微硬度403.3.2 外表金属金相组织变化 磨削加工时切削力大功率耗费远远大于其它切削方法，切削速度高通常4050m/s，高达80200m/s ，磨削区温度高短时间内可上升到4001000C，甚至更高。 这样大的加热速度，促使加工外表部分构成瞬时热聚集景象，有很高温升和很大的温度梯度，出现金相组织的变化，强度和硬度下降，产生剩余应力，甚至引起裂纹，这就是磨削烧伤景象。 切削加工中，由于切削热的作用，在工件的加工区及其临近区域产生了一定的温升，当工件表层温度到达或超越金属资料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随剩余

22、应力产生，同时出现彩色氧化膜。外表层金相组织变化 普通的切削加工方法不太严重，磨削时易产生磨削烧伤景象。41外表颜色与烧伤之间的关系： 黑 青 淡青 米黄 淡黄3.3.2 外表金属金相组织变化 磨削淬火钢时，由于磨削烧伤，工件外表产生氧化膜并呈现出不同颜色，相当于钢的回火色。 不同的烧伤色表示遭到不同温度的作用与产生不同的烧伤深度。有时外表虽看不出变色，但并不等于外表未受热损伤。 例如在磨削过程中由于采用过大的磨削用量，呵斥了很深的烧伤层，以后的无进给磨削中磨去了外表的烧伤色，而未能除去烧伤层，那么留在工件上的烧伤层就会成为运用中的隐患。42 回火烧伤 磨削区温度超越马氏体转变温度(350)而

23、未超越相变温度(Ac3) ，那么工件外表原来的马氏体组织将产生回火景象，转化成硬度降低的回火组织索氏体或屈氏体；淬火烧伤 磨削区温度超越相变温度，马氏体转变为奥氏体，由于冷却液的急冷作用，表层会出现二次淬火马氏体，硬度较原来的回火马氏体高，而它的下层那么由于冷却缓慢成为硬度降低的回火组织。退火烧伤(最为严重) 不用冷却液进展干磨削时，磨削区温度超越相变温度，马氏体转变为奥氏体，因工件冷却缓慢，那么表层硬度急剧下降，这时工件表层被退火。磨削淬火钢时外表层产生的烧伤有以下三种：3.3.2 外表金属金相组织变化 磨削温度组织变化) 温度梯度组织变化不同) 冷却速度得到组织不同)影响磨削加工时金相组织

24、变化的要素 3.3.2 外表金属金相组织变化 工件资料 低碳钢时不会发生相变； 高合金钢如轴承钢、高速钢、镍铬钢等传热性特别差，在冷却不充分时易出现磨削烧伤。 未淬火钢为分散度低的珠光体，磨削时间短时不会发生金相组织的变化； 淬火钢极易相变。3.3.2 外表金属金相组织变化 改善冷却条件冷却液进入磨削区改善磨削烧伤的途径 合理选择砂轮磨削时，砂轮外表上磨粒的切削刃口锋利磨削力磨削区的温度应根据工件资料合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织磨削烧伤合理选择磨削用量砂轮转速 磨削烧伤径向进给量fp 磨削烧伤轴向进给量fa磨削烧伤工件速度vw磨削烧伤采用内冷却法 磨削烧伤内冷却安装1锥形盖 2通道孔 3中

25、心腔 4有径向小孔薄壁套采用开槽砂轮冷却条件好延续磨削 受热磨削烧伤453.3.2 外表金属金相组织变化 图3-24 开槽砂轮 a 槽均匀分布 b槽不均匀分布463.3.3 外表金属剩余应力 外表层剩余应力 定义： 机械加工中工件外表层组织发生变化时，在外表层及其与基体资料的交界处会产生相互平衡的弹性力。这种应力即为外表层的剩余应力。剩余应力产生的缘由 冷态塑性变形 机械加工时，工件外表遭到挤压与摩擦，表层产生伸长塑变，基体仍处于弹性变外形状。切削后，表层产生剩余压应力，而在里层产生剩余拉伸应力。热态塑性变形机械加工时，切削或磨削热使工件外表部分温升过高，引起高温塑性变形。表层产生剩余拉应力，

26、里层产消费生剩余压应力；金相组织变化切削时产生的高温会引起外表的相变。比容大的组织比容小的组织体积收缩，产生拉应力，反之，产生压应力。473.3.3 外表金属剩余应力 实践机械加工后的外表层剩余应力及其分布，是上述三方面要素综协作用的结果，在一定条件下，其中某一或二种要素能够起主导作用。切削时切削热不多普通切削加工时那么以冷态塑性变形为主，外表层常产生剩余紧缩应力。假设切削热多那么以热态塑性变形为主，外表层常产生剩余拉伸应力。 磨削时外表层剩余应力岁磨削条件不同而不同：轻磨削条件产生浅而小的剩余压应力，由于此时没有金相组织变化，温度影响也很小，主要是塑性变形的影响在起作用。中等磨削条件产生浅而

27、大的拉应力。淬火钢重磨削条件那么产生深而大的拉应力最外外表能够出现小而浅的压应力，这里显然是由于热态塑性变形和金相组织变化的影响在起主导作用的缘故。483.3.3 外表金属剩余应力 v剩余应力热应力起主导作用 切削用量 资料塑性剩余应力 铸铁等脆性资料易产生剩余压应力 不同资料差别明显f 对剩余应力的影响工件：45，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液 剩余应力(Gpa)0.2000.200100200300400间隔外表深度(m) f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r f剩余应力 切削深度影响不显著vc 对剩余应力的影响0=5,0=5,r

28、=75,r=0.8mm,工件：45切削条件：ap=0.3mm, f=0.05mm/r, 不加切削液050100150200间隔外表深度(m)剩余应力(Gpa)-0.2000.20vc =213m/minvc =86m/minvc =7.7m/min影响剩余应力的工艺要素切削加工 工件资料493.3.3 外表金属剩余应力 低速620m/min剩余拉伸应力热应力起主导作用 中速200250m/min剩余紧缩应力 高速500850m/min剩余紧缩应力金相组织变化起主导作用 18CrNiMoA车削剩余应力切削速度对剩余应力的影响503.3.3 外表金属剩余应力 刀具影响 前角+，剩余拉应力 刀具磨损

29、剩余应力 513.3.3 外表金属剩余应力 磨削过程中剩余应力的影响磨削加工时外表层的剩余应力总的来说，磨削加工中热态塑性变形和金相组织变化的影响较大，故大多数磨削零件的外表层往往有剩余拉应力。当剩余拉应力超越资料的强度极限时，零件外表就会出现裂纹，即磨削裂纹。磨削裂纹磨削裂纹普通很浅0.25.050mm，大多数垂直于磨削方向或成网状磨螺纹时有时也有平行于磨削方向的裂纹，裂纹总是拉应力引起的，且常与烧伤同时出现。有的磨削裂纹也能够不在工件的外外表，而是在外表层下成为肉眼难以发现的缺陷。52图8.12 磨削裂纹3.3.3 外表金属剩余应力 533.3.3 外表金属剩余应力 v 温度 拉应力倾向

30、磨削用量 f工件转速塑变拉应力 背吃刀量：影响很大 ap很小压应力塑性变形起主要作用； 增大拉应力热变形起主要作用； 再增大压应力塑性变形起主要作用；磨削剩余应力的影响要素磨削工业铁背吃刀量剩余应力磨削T8钢背吃刀量剩余应力543.3.3 外表金属剩余应力 资料强度导热性塑性 拉应力倾向 工件资料磨削硬质合金时，由于其脆性大，抗拉强度低以及导热性差，所以特别容易产生磨削裂纹。磨削含碳量高的淬火钢时，由于其晶界脆弱，也容易产生磨削裂纹。工件在淬火后假设存在剩余应力，那么即使在正常的磨削条件下也能够出现裂纹。 工件资料的热处置工件淬火后在磨削前进展去除应力的工序能收到很好的效果。渗碳、渗氮时假设工

31、艺不当，就会在外表层晶界面上析出脆性的碳化物、氮化物，当磨削时在热应力作用下，就容易沿着这些组织发生脆性破坏，而出现网状裂纹。55冷却方法选择适宜的磨削液和有效的冷却方法。采用高压大流量冷却内冷却加装空气挡板，减轻旋转的砂轮外表的高压附着气流的作用，以使冷却液能顺利地喷注到磨削区。3.3.3 外表金属剩余应力 最终工序加工方法选择交变载荷易产生部分微观裂纹，选压应力 滑动摩擦拉应力抗机械磨损挤压压溃 滚动摩擦外表层下h深处产生压应力有利ab应力分布a滑动摩擦 b滚动摩擦 外表剩余应力将直接影响零件的运用性能，普通工件外表剩余应力的数值和性质主要取决于工件最终加工工序的加工方法。零件的详细任务条

32、件573.3.4 外表强化工艺 是一种用紧缩空气或离心力将大量直径细小0.24mm的丸粒钢丸、玻璃丸以3050m/s的速度向零件外表放射的方法。 可使工件外表产生冷硬层和压应力,提高疲劳强度和运用寿命；喷丸强化 用于强化外形复杂或不宜用其它方法强化的工件，例如板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等珠丸挤压引起剩余应力 紧缩拉伸塑性变形区域外表硬度提高1040，耐疲劳强度提高3050，运用寿命可提高数倍至数十倍。如齿轮可提高倍，螺旋弹簧可提高倍以上。硬化深度可达.mm,外表粗糙度可自.降到.。583.3.4 外表强化工艺 利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温形状挤压金属外表，使表层资料产生塑性流动，

33、将凸起部分下压下，凹下部分上凸，构成新的光洁外表。修正工件外表的微观几何外形,构成紧缩剩余应力，提高耐疲劳强度。滚压加工原理图滚压加工外表粗糙度可自.降至.，外表硬度提高1040，外表硬化深度达.mm，耐疲劳强度提高3050。59第3章 机械加工外表质量及其控制Analysis and Control of Machining Surface Quality3.4 机械加工过程中的振动Vibrations in machining Process机械制造工艺学 603.4.1 概述 机械加工过程中振动的危害 振动会在工件加工外表出现振纹，降低了工件的加工精度和外表质量，低频振动时会产生波度；

34、振动会引起刀具崩刃打刀景象并加速刀具或砂轮的磨损； 振动使机床夹具衔接部分松动，影响运动副的任务性能，并导致机床丧失精度； 产生噪声污染，危害操作者安康 影响消费效率 机械加工过程中振动的类型自在振动强迫振动自激振动613.4.1 概述 工艺系统遭到初始干扰力而破坏了其平衡形状后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自在振动。 由于系统中存在阻尼，自在振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。自在振动623.4.2 机械加工过程中强迫振动强迫振动产生缘由 由稳定的外界周期性的干扰力激振力作用引起；除了力之外,凡是随时间变化的位移、速度和加速度，也可以激起系统的振动。强迫振动振源：机外机内。 机外：其他机床

35、、锻锤、火车、卡车等经过地基把振动传给机床 机内：1回转零部件质量的不平衡旋转零件的质量偏心 2机床传动件的制造误差和缺陷如齿轮啮合时的冲击、皮带 轮圆度误差及皮带厚度不均引起的张力变化，滚动轴承的套圈和滚 子尺寸及外形误差 3切削过程中的冲击如往复部件的冲击；液压传动系统的压力 脉动；断续切削时的冲击振动633.4.2 机械加工过程中强迫振动 频率特征：与干扰力的频率一样，或是干扰力频率整倍数 幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振 相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关强迫振动

36、的特征64 图1 内圆磨削振动系统 a) 模型表示图 b动力学模型 c受力图强迫振动的运动方程3.4.2 机械加工过程中强迫振动653.4.2 机械加工中的自激振动自激振动(颤振)的概念 在没有周期性外力(相对于切削过程)作用下，由系统内部激发反响产生的周期性振动 自激振动过程可用传送函数概念阐明电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)自激振动闭环系统机床振动系统弹性环节调理系统切削过程 切削过程本身能引起某种交变切削力，而振动系统能经过这种力的变化，从不具备交变特性的能源中周期性的获得补充能量，从而维持住这个振动。当运动一停顿，那么这种外力的周期性变化和能量的补充过程也都立刻停顿。工

37、艺系统中维持自激振动的能量来自机床电动机，电动机除了供应切除切屑的能量外，还经过切削过程把能量输给振动系统，使工艺系统产生振动运动。663.4.2 机械加工中的自激振动 自激振动能否产生及振幅的大小取决于振动系统在每一个周期内获得和耗费的能量对比情况自激振动系统能量关系ABC能量EQEE0振幅自激振动的特征 机械加工中的自激振动是在没有周期性外力(相对于切削过程而言)干扰下所产生的振动运动，这一点与强迫振动有原那么区别。 自激振动的频率接近于系统的某一固有频率，或者说，颤振频率取决于振动系统的固有特性。这一点与强迫振动根本不同，强迫振动的频率取决于外界干扰力的频率。 自激振动是一种不衰减的振动

38、。振动过程本身能引起某种不衰减的周期性变化，而振动系统能经过这种力的变化，从不具备交变特性的能源中周期性的获得补充能量，从而维持住这个振动。 自激振动由振动系统本身参数决议，与强迫振动显著不同。自在振动受阻尼作用将迅速衰减，而自激振动不会因阻尼存在而衰减。67 如图3-33a所示为单自在度机械加工振动模型。设工件系统为绝对刚体，振动系统与刀架相连，且只在y方向作单自在度振动。 在背向力Fp作用下，刀具作切入、切出运动振动。刀架振动系统同时还有F弹作用在它上面。y越大，F弹也越大，当Fp=F弹时，刀架的振动停顿。 对上述振动系统而言，背向力Fp是外力，Fp对振动系统作功如图3-33b所示。 刀具

39、切入，其运动方向与背向力方向相反，作负功；即振动系统要耗费能量W振入； 刀具切出，其运动方向与背向力方向一样，作正功；即振动系统要吸收能量W振出； 产生自激振动的条件3.4.2 机械加工中的自激振动68图3-33 单自在度机械加工振动模型 a 振动模型 b 力与位移的关系图3.4.2 机械加工中的自激振动69 当W振出W振入时，刀架振动系统将有继续的自激振动产生。3.4.2 机械加工中的自激振动70三种情况： W振出=W振入+ W摩阻振入时，系统有稳幅的自激振动； W振出W振入+ W摩阻振入时，系统为振幅递增的自激 振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动； W振出 W振入+ W摩阻振入时，系统

40、为振幅递减的自激 振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动；故振动系统产生自激振动的根本条件是：W振出W振入或 FP振出FP振入3.4.2 机械加工中的自激振动713.4.2 机械加工中的自激振动 再生原理自激振动机理 如下图，车刀只做横向进给。 在稳定的切削过程中，刀架系统因资料的硬点，加工余量不均匀，或其它缘由的冲击等，遭到偶尔的扰动。刀架系统因此产生了一次自在振动，并在被加工外表留下相应的振纹。 当工件转过一转后，刀具要在留有振纹的外表上切削，因切削厚度发生了变化，所以引起了切削力周期性的变化。产生动态切削力。 将这种由于切削厚度的变化而引起的自激振动，称为 “再生颤振。图 自在正交切削时

41、再生颤振的产生723.4.2 机械加工中的自激振动产生条件再生自激振动原理图f切入切出y0yaby0y切入切出fcfy0y切入切出d切入切出fy0y 图中 abc系统无能量获得；d此时切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出时切削力所作正功获得能量大于切入时所作负功，系统有能量获得，产生自激振动。 图中绿线表示前一转切削的工件外表振纹，红线表示后一转切削的外表。 a前后两转的振纹没有相位差=0图a b前后两转的振纹相位差为=图b c后一转的振纹相位超前图c d后一转的振纹相位滞后图d 结论：在再生颤振中，只需当后一转的振纹的相位滞后于前一转振纹时才有能够产生再生颤振。73apfaB振动方向XD

42、fbbda切削b磨削rr，重 迭 系 数 前一次走刀工件外表构成的波纹面宽度在相继的后一次走刀的有效宽度中所占的比例，用表示。重迭系数对再生颤振的影响 在纵向切削或磨削工件外表时，后一次走刀(进给)和前一次走刀进给总会有部分重叠，有重迭切削，那么能够发生再生颤振。3.4.2 机械加工中的自激振动74 普通 01， 轴向切削时，01 径向切入前后两次走刀完全重叠时， =1如切槽、钻、端铣等 车方牙螺纹，=0，无重迭切削，不能够 发生再生颤振。3.4.2 机械加工中的自激振动在金属切削过程中，除极少数情况外，刀具总是部分地或完全地在带有波纹的外表上进展切削的。式中 bd 等效切削宽度，即本次切削实

43、践切到上次切削残留振纹 在垂直于振动方向投影宽度； b 本次切削在垂直于振动方向上的切削宽度； B , fa 砂轮宽度与轴向进给量。 753.4.2 机械加工中的自激振动 振型耦合原理 振动系统实践上都是多自在度的，如图是一个二自在度振动系统表示图。不思索再生效应，当刀架系统产生了角频率为的振动，那么刀架将在x1和x2两个方向上同时振动，刀具振动的轨迹普通为椭圆形的封锁曲线ACBDA 。 自激振动的产生条件： k1k2，x1超前x2 ，轨迹ADBCA为一椭圆，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的大，系统无能量输入 k1k2，x1滞后于x2 ，轨迹为一顺时针方向椭圆，即：ACBD A 。此

44、时，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的小，有能量获得，振动可以维持 。 k1=k2，x1与x2无相位差, 轨迹为直线，无能量输入763.4.2 机械加工中的自激振动 负摩擦原理切削塑性资料时，吃刀抗力Fp自某一速度开场随切削速度添加而下降。在此区域，极易引起自激振动。Fp /N切削速度对吃刀抗力Fp的影响Fp主要取决于切屑与刀具相对运动所产生的摩擦力。切削过程假设有振动，切入半周期切削速度高 Fp小切入半周期切削力所作负功小于切出半周期切削力所作正功，系统有能量输入，振动维持Fp主要由摩擦引起，故将切削速度增高导致摩擦力下降的特性称为负摩擦特性负摩擦激振原理773.4.2 机械加工中的

45、自激振动 切削力滞后原理 由于存在惯性和阻尼，作用在刀具上的切削力滞后主振动系统运动 振入过程实践切削厚度小于名义值 Fp小切入半周期切削力所作负功小于切出半周期切削力所作正功，系统有能量输入，振动维持vFpkc动力学模型 振出振入xFpFp与 x 关系 由切削力滞后引起，故称为滞后型颤振783.4.3 机械加工振动诊断技术振动诊断的目的 明确振动类型，以便采取针对性的处理措施。振动诊断振动诊断内容 首先断定振动类型，明确所测频率属于强迫振动和颤振的部分； 假设有属于自激振动的频率成分，那么需进一步断定其属于哪一种颤振类型；自激振动类型诊断的关键在于确定诊断参数；所确定的诊断参数必需充分并只是

46、反映该类振动最本质、最中心的参数。793.4.3 机械加工振动诊断技术 强迫振动诊断根据 强迫振动频率与干扰力频率一样或为其整倍数强迫振动诊断 强迫振动诊断步骤 采集现场加工振动信号加工部位振动敏感方向 频谱分析处置自功率谱密度函数处置，各峰值点频率即振动频率，最大谱峰值频率对应主振频率 环境实验、查找机外振源机床停顿形状，拾取信号进展频谱分析，得到机外干扰力源频率成分，并与加工时振动频率比较。假设一样，可确定为强迫振动 空运转实验、查找机内振源机床按加工参数运转不加工，拾取信号进展频谱分析，并与加工时振动频率比较。假设一样，可确定为强迫振动 查找干扰力源确定内部干扰源详细位置803.4.3

47、机械加工振动诊断技术 诊断参数相位差，再生型颤振产生的根本缘由再生型颤振诊断 相位差丈量与计算 相位差可经过丈量颤振频率 f 及工件转数 n 间接求得 车削：工件每转切削振痕数 J式中Jz、J分别为J 的整数和小数部分相位差： 3601 J 为控制丈量误差，需采用频率细化技术 诊断要领 相位差位于、象限，即0 180，有再生型颤振 相位差位于、象限，即180 360，非再生型颤振813.4.3 机械加工振动诊断技术 诊断参数y 向振动相对于 x 向振动的相位差耦合型颤振诊断 诊断要领根据实际推导： 相位差位于、象限，非耦合型颤振 相位差位于、象限，为耦合型颤振 相位差丈量与计算 相位差可经过求取振动信号 x(t) 与 y(t) 的互功率谱密度函数Sxy()在主振频率成分上的相位值获得823.4.3 机械加工振动诊断技术 任务条件与测试安装诊断实例 任务条件C6140车床车电机轴，长度800mm，最大直径50mm，YT15车刀，主偏角45，v84.4m/min，f0.12mm/r，ap0.4mm 测试