机械加工表面质量

6.2机械加工表面质量机械制造基础——第7章本次课目的明白表面质量的含义及其对零件使用性能的影响能写出控制表面质量的工艺途径和工艺措施措施能区分振动种类并能说出其相应的抑制振动的措施6.2.1基本概念1.机械加工表面质量的含义评价零件的质量指标除机械加工精度外，还包括机械加工表面质量表面质量是指零件加工后的表面层状态表面质量影响零件的工作性能、可靠性、寿命（1）表面层的几何形状特征表面粗糙度表面微观几何形状误差表面加工纹理表面切削加工刀纹的形状和方向表面波度介于宏观几何误差与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差伤痕加工表面个别位置出现的缺陷（2）表面层的物理力学性能物理力学性能表面层加工硬化（冷作硬化）表面层产生残余应力表面层金相组织变化2、加工表面质量对零件使用性能的影响表面粗糙度：表面冷作硬化：耐磨性∴有最佳Ra=0.8~0.4N适当↑→耐磨性↑N太严重→表层组织疏松、剥落→耐磨性↓∴有最佳N表面纹理方向：轻载：两表面文理与相对运动方向一致→磨损最小重载：未必粗糙度Ra↑→应力集中严重→σ-1↓适当的N→阻止裂纹扩大→σ-1↑残余压应力σ－→σ-1↑残余拉应力σ+→σ-1↓疲劳强度粗糙度Ra↑→易存腐蚀液体→耐蚀性↓冷作硬化→耐蚀性↓残余压应力σ－→表面致密→耐蚀性↑残余拉应力σ+→表面显微裂纹→耐蚀性↓抗腐蚀性能配合性质粗糙度Ra↑→密封性能↓接触刚度↓运动的灵活性↓发热损失↑其他性能粗糙度Ra↑→冷作硬化→表层金属剥落→配合性质和精度破坏残余应力→零件变形→影响配合性质和精度6.2.2加工表面几何特征的形成及其影响因素几何因素尖刀切削时圆角刀切削时物理因素切削力和摩擦力塑性变形过程中形成的积屑瘤切削过程中工件表面上形成鳞刺在加工过程中，工艺系统有时会发生振动工艺因素切削加工刀具参数工件材料性能磨削加工切削用量磨削用量砂轮参数工件材料性能切削液磨削液影响切削加工表面粗糙度的因素刀具几何形状刀具材料、刃磨质量切削用量工件材料残留面积↓→Ra↓前角↑→Ra↓后角↑→摩擦↓→Ra↓刃倾角会影响实际工作前角

v↑→Ra↓f↑→Ra↑ap对Ra影响不大，太小会打滑，划伤已加工表面材料塑性↑→Ra↑同样材料晶粒组织大↑→Ra↑，常用正火、调质处理刀具材料强度↑→Ra↓刃磨质量↑→Ra↓冷却、润滑↑→Ra↓影响切削加工表面粗糙度的因素减小切削表面粗糙度的工艺措施合理选择刀具几何参数适当增大前角、后角增大刀尖圆弧半径减小主、副偏角改善材料切削性能减小材料塑性（采取正火、调质等方法）细化材料晶粒（热处理）合理选择切削用量合理选择切削速度，避开积屑瘤、鳞刺产生的切削速度区适当减少进给量切削深度不宜过小正确使用切削液乳化液、硫化油、植物油等性能各有不同，应合理选用采用辅助加工方法常用的有：研磨、珩磨、超精加工等提高工艺系统的刚度和精度主运动和进给运动系统的精度要高系统的刚度和抗振性好受力变形和热变形要小磨削表面质量磨削加工的特点磨削精度高，通常作为终加工工序磨削过程比切削复杂，一般滑擦、刻划、切削作用是同时进行的磨削速度高，通常v砂=40~50m/s，目前甚至高达v砂=80~200m/s磨削温度高，磨削点附近的瞬时温度可高达800~1000℃，会引起烧伤和裂纹径向切削力大，会引起机床发生振动和弹性变形影响磨削加工表面粗糙度的因素砂轮的线速度工件的线速度砂轮线速度↑→粗糙度值↓工件线速度↓→粗糙度值↓纵向进给量磨削深度纵向进给量↑→粗糙度值↑光磨次数越多，粗糙度值越小磨削温度砂轮性质应合理使用切削液砂轮的粒度砂轮的硬度砂轮的修整工件材料硬度、塑性、导热性等影响较大工件材料太软、太硬、太韧都不容易减小粗糙度砂粒尺寸↓→Ra↓,但太细易堵砂轮修整用量：切深↓、修整导程↓→磨削刃的等高性越好→Ra↓太软太硬均不好影响磨削加工表面粗糙度的因素粒度↓→Ra↓

金刚石笔锋利↑，修正导程、径向进给量↓→Ra↓磨粒等高性↑→Ra↓硬度↑→钝化磨粒脱落↓→Ra↑硬度↓→磨粒脱落↑→Ra↑硬度合适、自励性好↑→Ra↓太硬、太软、韧性、导热性差↑→Ra↓影响磨削加工表面粗糙度的因素砂轮粒度工件材料性质砂轮修正磨削用量砂轮硬度砂轮V↑→Ra↓ap、工件V↑→塑变↑→Ra↑粗磨ap↑→生产率↑精磨ap↓→Ra↓(ap=0光磨)

6.2.3加工表面表面物理力学性能的变化及其影响因素1、表面层的残余应力定义当切削过程中表面层组织发生形状变化和组织变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性应力，称为表面残余应力产生原因冷塑性变形（切削力的作用）→σ－热塑性变形（切削热的作用）→σ+金相组织变化（切削高温作用下，引起表面层金属发生相变）V大→V小时→σ+通常是上述三种原因综合作用的结果2、表面层的加工硬化切削（含磨削）过程中，刀具前面迫使金属受到挤压而产生塑性变形，使晶体间产生剪切滑移，晶格严重扭曲，并使晶粒拉长、破碎和纤维化，引起材料强化、硬度提高，这就是冷作硬化现象表面冷作硬化现象评定指标：表面层的显微硬度H；硬化层深度h；硬化程度N：表面层硬化后的金属性质的具体特点为晶体形状改变（拉长、破碎）晶体方向改变（塑变后形成纤维化）变形抵抗力增加（产生冷作硬化）导电、导磁、导热性亦有变化表面层产生残余应力决定表面层硬化程度的因素产生塑性变形的力塑性变形的速度塑性变形时的温度力↑→硬化程度↑切削热→变形恢复→硬化程度↓变形速度↑→变形不充分→硬化程度↓影响表面层加工硬化的因素切削用量切削速度进给量低速时，塑性变形大，冷硬大速度增加，冷硬减少；但速度超过100m/min时，冷硬又增加进给量增大，塑性变形增大，冷硬增加进给量太小，刀具挤压作用增大，冷硬增加刀具工件材料刀具的刃口圆角大和后刀面的磨损严重以及前刀面的粗糙度高，都将使得刀具对工件表面层金属的挤压和摩擦作用增加，因而冷硬程度和深度都增加工件材料硬度越低，切削时塑性变形越大，冷硬现象越严重切削力↑→冷作硬化↑切削热↑→冷作硬化↓改善表面物理力学性能的加工方法滚压加工利用淬过火的滚压工具对工件表面施加压力，使其产生塑性变形，金属表面晶格产生畸变，硬度增加，并使表面冷和产生残余（压）应力，从而提高零件的承载能力和疲劳强度典型滚压加工外圆滚压工具金刚石压光利用金刚石挤压，压光后Ra可达0.4~0.02μm喷丸强化利用大量的珠丸（φ0.4~φ2的铸铁、砂石或钢丸）高速打击已加工表面，使表面产生冷硬层和残余（压）应力，从而提高零件的疲劳强度液体磨料强化利用液体和磨料的混合物高速喷射到已加工表面，以强化工件表面，提高工件的耐磨性、抗蚀性和抗疲劳强度液体磨料喷射加工原理零件表面处理技术表面电火花强化在工具和工件之间接一脉冲电源，使工具和工件之间不断产生火花放电，使零件表面产生物理化学变化，从而强化表面，改善其表面性能表面激光强化当激光束照射到金属表面时，其能量被吸收并转化为热，由于激光转化为热的速率是金属材料传导率的数倍乃至数十倍，材料表面所获得的热量还来不及向基体扩散，就使得表面迅速达到相变温度以上；当激光束移开被处理表面的瞬间，表面热量很快被扩散传至基体，即自激冷却产生淬火效应

激光强化的工艺特点热影响区小，表面变形极小一般不受工件形状及部位的限制，适应性较强加热与冷却均在正常空气中进行，不用淬火介质，工件表面清洁，操作简便淬硬层组织细密，具有较高的硬度（达800HV），强度、韧性、耐磨性及耐腐蚀性也较高表面硬化层较浅，通常为0.3~1.1mm设备费用高，应用受到一定限制3、表面层金相组织变化与——磨削烧伤磨削过程中的烧伤问题磨削过程中，由于磨削温度很高，而且磨削热有60~80%传给工件，当磨削温度超过相变临界点时，则会引起工件表面的金相组织发生变化，此时表面层的显微硬度也相应发生变化，这种现象称为磨削烧伤磨削烧伤的类型磨削淬火钢时，会产生三种金相组织变化退火烧伤淬火烧伤回火烧伤磨削温度超过相变温度Ac3，未予冷却时磨削温度超过相变温度Ac3，充分冷却时磨削温度低于相变温度Ac3，但超过350℃时磨削后，表面常出现黄、褐、紫、青等烧伤色，这是工件在瞬时高温下产生的氧化膜颜色，相当于回火时的颜色影响烧伤的因素磨削用量磨削深度增加，烧伤增加纵向进给量增加，烧伤减少工件转速增大，发热量增大，但接触时间缩短冷却条件冷却、散热条件越差，越易发生烧伤材料强度高，耗功多，发热量大，易烧伤工件材料材料硬度高，磨削热量多，易烧伤材料过软，易堵塞砂轮而产生烧伤材料韧性好，磨削力大，发热量大，易烧伤材料导热性能差，易烧伤砂轮选择砂轮硬度太高，自砺性差，易发生烧伤树脂结合剂比陶瓷结合剂容易产生烧伤橡胶结合剂比树脂结合剂更易产生烧伤砂轮粒度越细，越容易发生烧伤避免烧伤的途径设法减少磨削热量的产生、加速热量的传出，采取强有力冷却方式合理选择磨削用量，适当提高工件的转速考虑工件材料的硬度、塑性、韧性、热导率的影响合理选择砂轮的硬度和粒度1）aP不可大2）适当加大fa+宽砂轮3）适当↑V工+↑V砂带有空气挡板的切削液喷嘴内冷却砂轮结构防止磨削烧伤和裂纹的关键减少发热加强散热4、磨削表面层的残余应力——磨削裂纹问题磨削过程中残余应力的产生磨粒切削刃为负前角，法向切削力一般为切向切削力的2~3倍，磨粒对加工表面作用，引起冷塑性变形，产生压应力磨削温度高，易引起热塑性变形，表面出现拉应力磨削时，残余应力可能超过材料的强度极限，零件会产生裂纹，有的在外表层，有的在内层下磨削裂纹产生的原因磨削深度和纵向走刀量大，则塑性变形大，切削温度高，拉应力过大，可能产生裂纹含碳量高者易裂纹与淬火方式、速度及操作方法有关磨削用量工件材料热处理工序消除和减少磨削裂纹的措施合理选材正确制订热处理工艺合理选择砂轮逐渐减小切除量改善散热条件，加强冷却效果，设法降低切削热6.2.4机械加工振动1、机械振动现象机械振动现象机械加工过程中，工艺系统有时会发生振动，即在刀具的切削刃与工件上正在切削的表面之间，除了名义上的切削运动之外，还会出现一种周期性的相对运动机械振动破坏正常切削运动的表现使成形运动受到干扰，使加工表面出现振纹，恶化加工表面质量引起崩刃，引起机床、夹具松动，缩短刀具及机床、夹具的使用寿命限制切削用量的提高，降低生产效率，甚至使切削加工无法继续进行发出的噪声会污染环境，有害工人的身心健康机械振动类型受迫振动自激振动自由振动在外界周期性变化的干扰力作用下产生的振动切削过程本身引起切削力周期性变化而产生的振动由于切削力突然变化或其它外界偶然原因引起的振动机械加工过程中主要是强迫振动和自激振动2、机械加工中的受迫振动产生原因机床刀具工件多刀、多刃、刃高误差、断续切削引起的冲击断续表面、表面余量不均或硬度不一传动零件制造精度不高主轴与轴承间隙过大往复机构的转向和冲击皮带接头太粗某些零件缺陷、回转件不平衡地基受迫振动特点干扰力：F（t）=F0sinωt→振动：x（t）=Asin(ωt－φ)r---阻尼系数m---振动系统的质量r0---临界阻尼系数当ω=ω0时，φ=90°消除强迫振动的途径1）排除振源2）隔振3）避开共振区4）提高系统抗振性3、自激振动产生机理当系统受到外界或本身某些偶然的瞬时干扰力作用而触发的振动由振动过程本身的某种原因使得切削力产生周期性变化，又由这个周期性变化的动态力反过来加强和维持振动切削过程中产生的自激振动是频率较高的强烈振动，通常又称为颤振自激振动的特征自激振动特点不衰减的振动它由振动过程本身引起切削力周期性变化，从不具备交变特性的能源中周期获得能量，使振动得以维持。自激振动由振动系统本身参数决定，与受迫振动显著不同。自由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。自激振动的频率接近于系统的固有频率，即颤振频率取决于振动系统的固有特性。这与自由振动相似，而与受迫振动根本不同E

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