机械加工工艺编制及专用夹具设计电子教案项目4支架类零件工艺215

1、机械加工工艺编制及专用夹具设计项目4 支架类零件机械加工工艺编制 零件表面粗糙度影响因素4.1 机械加工振动理论4.2 连杆加工工艺4.3项目4 支架类零件机械加工工艺编制4.1 零件表面粗糙度影响因素 4.1.1 加工表面质量的概念 1、表面质量的含义： 零件的表面质量是机械加工质量的重要组成部分，它包括以下两方面的内容，即机械加工后零件表面层的微观几何结构及表层金属材料性质发生变化的情况。（1） 表面粗糙度。即表面的微观不平度，是已加工表面的微观几何形状误差。 （2） 表面波度。它是介于形状误差L1/H11000和表面粗糙度(L3/H350)之间的周期性形状误差，主要是由加工过程中工艺系统

2、低频振动所引起的。 图4-2表面粗糙度、表面波度的关系（3）表面层的物理力学性能 图4-3加工表面层的性质变化 由于加工过程中力因素和热因素的综合作用，加工表面层金属的物理力学性能将发生一定的变化，主要体现在表面层加工硬化、残余应力和表面层的金相组织变化。表面质量对产品使用性能的影响 (1) 对零件工作精度及其保持性的影响图4-4初期磨损与表面粗糙度的关系(2) 对零件疲劳强度的影响 加工表面层的冷作硬化能阻止已有裂纹的扩展和新的疲劳裂纹的产生，减轻表面缺陷和表面粗糙度的影响程度，故可提高零件的疲劳强度。(3) 对抗腐蚀性的影响 当机器零件在潮湿的空气中或在有腐蚀性的介质中工作时，常会发生与介

3、质直接接触表面的化学腐蚀或电化学腐蚀。(4) 对配合精度的影响 对于两个相互配合的零件，不论是间隙配合、过渡配合、还是过盈配合，如果加工表面太粗糙，则必然要影响到它们的实际配合性质。3、表面完整性 (1) 表面形貌。 包括表面粗糙度、表面波度和纹理等。(2) 表面缺陷。包括加工毛刺、飞边、宏观裂纹、伤痕和皱折等缺陷，对零件的使用有很大影响。(3) 微观组织和表面冶金、化学性能。主要包括微观裂纹、微观组织变化及晶间腐蚀和表层化学性能。(4) 表面层物理、力学性能。主要包括表面层加工硬化深度和程度、表面层残余应力的大小、方向及分布情况。(5) 表面层的其他工程技术特性。主要包括电子性能变化（电导率

4、、磁性及电阻变化）、光学性能变化（对光的反射性能如光亮度等）。4.1.2 表面粗糙度的形成及改善措施1、切削加工后的表面粗糙度1）几何因素主要是指刀具的形状和几何角度，特别是刀尖圆弧半径 、主偏角 、副偏角 和切削用量中的进给量f等对表面粗糙度有较大的影响。其次是进给量和刀刃本身的粗糙度等。图4-5车削加工时影响表面粗糙度的几何因素图4-6 前角对表面粗糙度的影响 图4-7 后角对表面粗糙度的影响 2）物理因素 切削过程中刀具的刃口圆角及后面的挤压与摩擦使金属材料发生塑性变形而使得表面粗糙度数值进一步增大。在加工塑性材料时，切削过程中出现积削瘤和鳞刺，使得表面粗糙度严重恶化。切削用量的影响 低

5、速或高速切削时，因不会产生积屑瘤，故表面粗糙度值较小，但在中等速度下，塑性材料由于容易产生积屑瘤和鳞刺，因此，表面粗糙度值大。如图4-8所示。一般来说切削深度对表面粗糙度的影响不明显，应根据刀具刃口刃磨的锋利情况选取相应的切削深度。减小进给量f可以减少切削残留面积高度Rmax，减小表面粗糙度值。但进给量太小，刀刃不能切削而形成挤压，增大了工件的塑性变形，反而使表面粗糙度值增大。图4-8切削速度与表面粗糙度的关系刀具材料影响。 不同的刀具材料，由于化学成分不同在加工时其前后刀面的硬度及粗糙度的保持性、刀具材料与被加工材料金属分子的亲合程度、以及刀具前后刀面与切屑和加工表面间的摩擦因数等均有所不同

6、，刀具的材料及刃磨质量影响积屑瘤、鳞刺的产生。工件材料性能影响 与工件材料相关的因素包括材料的塑性、韧性及金相组织等，一般地讲，韧性较大的塑性材料，易于产生塑性变形，与刀具的粘结作用也较大，加工后表面粗糙度值大。相反，脆性材料则易于得到较小的表面粗糙度值。3)工艺系统振动因素 工艺系统的低频振动，一般在工件的已加工表面产生表面波度，而工艺系统的高频振动将对已加工表面的粗糙度产生影响。因此为降低工件表面粗糙度，必须采用相应措施以防止加工过程中高频振动的产生4.)机床运动部件的爬行因素 当机床上运动部件低速运动时，主动件匀速运动，从动件往往出现明显的速度不均匀的跳跃式运动，即时走时停或者时快时慢的

7、现象。这种在低速运动时产生的运动不平稳性称为爬行。4.1.3 加工表面物理、力学性能变化及影响因素1. 表面层的加工硬化影响表面层加工硬化的因素包括以下几个方面：(1) 切削力。切削力越大，塑性变形越大，则硬化程度和硬化层深度就越大。(2) 切削温度。切削温度增高时，回复作用增加，使得加工硬化程度减小。(3) 工件材料。被加工工件的硬度越低，塑性越大，切削后的冷硬现象越严重。2. 表面层的金相组织变化与磨削烧伤 磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤可有两个途径：一是尽可能减少磨削热的产生，二是改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。 回火烧伤。淬火烧伤退火烧伤。影响磨削烧伤的因素 磨削

8、用量: 实践证明，同时提高工件速度和砂轮速度可减轻工件表面烧伤。砂轮材料: 一般来讲，粗粒度不容易引起磨削烧伤。冷却方式 :采用切削液带走磨削区热量可避免烧伤图4-9 带空气档板的冷却液喷嘴 图4-10 内冷却装置1一锥形盖；2一切削液通孔；3一砂轮中心腔； 4一径向有孔的薄壁套表面层的残余应力 外部载荷去除后，工件表面层及其与基体材料的交界处仍残存的互相平衡的应力称为表面层残余应力。表面层残余应力的产生，有以下三种原因。（1）冷态塑性变形引起的残余应力 （2）热态塑性变形引起的残余应 （3）金相组织变化引起的残余应力 4.2 机械加工振动理论振动对机械加工过程的影响 振动按其产生的原因分为三

9、种：自由振动、受迫振动和自激振动。据统计，受迫振动约占30%，自激振动约占65%，自由振动所占比重则很小。自由振动往往是由于切削力的突然变化或其他外界力的冲击等原因所引起的。这种振动一般可以迅速衰减，因此对机械加工过程的影响较小。而受迫振动和自激振动都是不能自然衰减而且危害较大的振动。 1、受迫振动 机械加工中的受迫振动，是一种有工艺系统内部或外部周期交变的激振力（即振源）作用下引起的震动。 （1）受迫振动的成因： 机械加工中引起工艺系统受迫振动的激振力，主要来自以下几个方面： （1）机床上高速回转零件的不平衡。 （2）机床传动系统中的误差。 （3）切削过程本身的不均匀性。 （4）外部振源。

10、(5)往复运动的部件引起的惯性力 图4-11为内圆磨削系统动力学模型，系统运动微分方程式为：2）受迫振动的数学描述根据微分方程理论在 的减幅阻尼情况下，它的解由令f=0而得到的齐次方程的通解和非齐次方程的一个特解组成： 第一项（通解）为有阻尼的自由振动过程，如图4-12a所示，经过一段时间后，这部分振动衰减为零。式(4-7)的第二项（特解）如图4-12 b所示，是圆频率等于激振圆频率的受迫振动2）受迫振动的数学描述 图4-11内圆磨削振动系统1-主轴；2-砂轮；3-工件图4-12 受迫振动的时间响应3）受迫振动的特性(1)受迫振动是由外界周期性激振力引起的，不会被阻尼衰减掉，振动本身也不能引起

11、激振力的变化。(2)不管振动系统本身的固有频率如何，受迫振动的频率总是与外界激振力的频率相同或是它的整倍数。(3)受迫振动的振幅大小在很大程度上取决于激振力的频率与系统固有频率的比值。当这一比值等于或接近于1时，振幅将达到最大值，这种现象通常称为“共振”。(4)受迫振动的幅值还与激振力、系统刚度及其阻尼系数有关，激振力越大，刚度及阻尼系数越小，则振幅越大。图4-13幅频特性曲线 从上图可以看出：(1)当激振力的频率很小时， ，此时的振幅相当于把激振力作为静载荷加在系统上，使系统产生静位移。这种现象发生在 的范围，故称此范围为静态区。(2)当激振频率增大时， 也变大，振幅迅速增高。当 时，振幅急

12、剧增加，这种现象称为共振。 的区域称为共振区。为了避免共振，常把固有频率前后20%30%的区域都作为“禁区”，使激振力的频率避免出现在这个区域。(3)当激振力的频率增大到 时， ，振幅迅速下降，甚至振动消失。这表明振动系统的惯性跟不上激振力的变化，工程上把 的区域称为惯性区，在惯性区内，阻尼的影响大大减小，系统的振幅小于静位移，并且可用增加系统的刚度来提高系统的抗振性。（4）减少受迫振动的途径受迫振动是由于外界周期性干扰力引起的，因此为了消除受迫振动，应先找出振源，、然后采取适应的措施加以控制。（1）减小或消除振源的激振力。 （2）避免激振力的频率与系统的固有频率接近，以防止共振。 （3）采用

13、隔振措施。 2、机械加工中的自激振动 当系统受到外界或本身某些偶然瞬时的干扰力作用而触发自由振动时，由振动过程本身的某种原因使得切削力产生周期性的变化，并有这个周期性变化的动态力反过来加强和维持振动，使振动系统补充由阻尼作用所消耗的能量，这种类型的振动称为自激振动。切削过程中产生的自激振动是频率较高的强烈振动，通常又称为颤振。图4-14 自激振动系统框图（1）自激振动的特点1）自激振动是一种不衰减振动。振动过程本身能引起周期性变化的力，此力可从非交变特性的能源中周期性地获得能量的补充，以维持这个振动。2）自激振动频率等于或接近系统的固有频率，即由系统本身的参数决定。3）自己振动振幅大小取决于每

14、一振动周期内系统获得的能量与消耗能量的比值。当获得的能量大于消耗的能量时，则振幅将不断增加，反之振幅将不断减小，一直到两者能量相等为止。当获得的能量不能补偿消耗的能量时，自激振动也随之消失。（2）自激振动的机理 关于自激振动，虽然进行了大量的研究，但至今还没有较成熟的理论来解释各种状态下产生自振的原因，现将主要的学说分别进行介绍。(1)负摩擦原理(2)再生效应原理(3)振型藕合原理图4-15振型藕合原理示意图（3）控制自激振动的途径 (1)减小重叠系数 。（如图4-16）（2）合理选择切削用量。 （3）增加切削阻尼 。（如图4-17）（4）合理选择刀具几何角度。 （5）提高工艺系统的抗振性。

15、（6）合理调整振型的刚度比。（7） 采用减振装置。图4-16重叠系数 图4-17车刀消振棱（1）阻尼式减振器通过阻尼套和阻尼间隙中的粘性油的阻尼作用来减振。常用减振装置图4-18摩擦式减振器（2）动力式减振器 用弹性元件把一个附加质量块连接到振动系统中 , 利用附加质量的动力作用 , 使弹性元件加在系统上的力与系统的激振力相抵消。图4-19（3）冲击式减振器 它由一个与振动系统刚性相联的壳体2和一个在壳体内自由冲击的质量块1所组成的。当系统振动时，自由质量块反复冲击振动系统，消耗振动的能量，以达到减振效果。图4-204.3 连杆加工工艺 连杆是活塞式发动机的重要零件，其大头孔和曲轴连接，小头孔

16、通过活塞销和活塞连接，将作用于活塞的气体膨胀压力传给曲轴，又受曲轴驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。连杆承受的是高交变载荷，气体的压力在杆身内产生很大的压缩应力和纵向弯曲应力；由活塞和连杆重量引起的惯性力，使连杆承受拉应力。所以连杆承受的是冲击性质的动载荷。因此要求连杆重量轻、强度要好。1、技术要求2、工艺过程连杆工艺过程可分为以下三个阶段。(1) 粗加工阶段粗加工阶段也是连杆体和盖合并前的加工阶段。(2) 半精加工阶段半精加工阶段也是连杆体和盖合并后的加工。(3) 精加工阶段精加工阶段主要是最终保证连杆主要表面大、小头孔全部达到图纸要求的阶段，如珩磨大头孔、精镗小头轴承孔等。3.定位基准的选择

17、 连杆加工工艺过程的大部分工序都采用统一的定位基准：一个端面、小头孔及工艺凸台。这样有利于保证连杆的加工精度，而且端面的面积大，定位也比较稳定。 由于连杆的外形不规则，为了定位需要，在连杆体大头处作出工艺凸台，作为辅助基准面。 连杆大、小头端面对称分布在杆身的两侧，由于大、小头孔厚度不等，所以大头端面与同侧小头端面不在一个平面上。用这样的不等高面作定位基准，必然会产生定泣误差。制订工艺时，可先把大、小头作成一样厚度，这样不仅避免了上述缺点，而且由于定位面积加大，使得定位更加可靠，直到加工的最后阶段才铣出这个阶梯面。4.确定合理的夹紧方法连杆是一个刚性较差的工件，应十分注意夹紧力的大小、方向及着

18、力点的位置选择，以免因受夹紧力的作用而产生变形。4、工艺流程5、知识拓展1）零件工艺性分析 （1）零件材料：HT200。切削加工性良好，只是脆性材料，产生崩碎切屑加工中有冲击。选择刀具参数时可适当减小前角以强化刀刃即可；刀具材料选择范围较大，高速钢及YG硬质合金都可以。（2）组成表面分析：11圆孔及其上下端面，16内孔及其两端面，18内孔及其两端面，3斜孔，倒角，各外圆表面，各外轮廓表面。 （3）主要表面分析：16、18孔用于支承零件，为工作面，孔表面粗糙度要求Ram，11孔底面为安装（支承）面，亦是该零件的主要基准。 （4）主要技术要求：16内孔轴心与底面A的平行度保持在以内；18内孔轴心与底面A的平行度保持在以内；18内孔两端面与顶面B的跳动保持在以内。 2）零件制造工艺设计 （1）毛坯选择：根据零件材料、形状、尺寸、批量大小等因素，选择砂型铸件。 （2）基准分析：底面A是零件的主要设计基准，也比较适合作零件上众多表面加工的定位基准。 （3）零件安装方案：加工底面A、顶面B时，均可采用虎钳安装（互为基准）；11、16、1