第一节表面质量的概念表面质量

第一节表面质量的概念表面质量第1页，共28页，2023年，2月20日，星期一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。波长与波高(L2/H2)的比值一般为：50~1000。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。第2页，共28页，2023年，2月20日，星期一表面质量的含义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；第3页，共28页，2023年，2月20日，星期一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↗→阻止疲劳裂纹的产生，耐疲劳性↗冷作硬化程度↗↗→耐疲劳性↘第4页，共28页，2023年，2月20日，星期一表面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↙表面压应力表面致密耐腐蚀性↗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=(0.1~0.15)T零件尺寸在18~50mm时，推荐：Ra=(0.15~0.20)T零件尺寸小于18mm时，推荐：Ra=(0.20~0.25)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！Ra值↗→改变配合性质第5页，共28页，2023年，2月20日，星期一第二节影响表面质量的因素切削加工中影响表面粗糙度的因素几何因素：考虑刀尖圆弧角：Ra值↗第6页，共28页，2023年，2月20日，星期一切削加工中影响表面粗糙度的因素物理因素切削速度：v↗→Ra↙工件材料性质：脆性材料更易达到要求，材料金相组织越粗大，加工后Ra越大。刀具几何形状、材料：前角↗Ra值↙冷却润滑：工艺系统的振动：第7页，共28页，2023年，2月20日，星期一Ra值↗40-60粒度号↗↗磨削加工中影响表面粗糙度的因素磨削用量砂轮的特性粒度：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↙中软砂轮的修整：金刚石笔的纵向进给量越小，磨粒的等高性越好，Ra越小。冷却第8页，共28页，2023年，2月20日，星期一影响表面层物理力学性能的因素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提高、塑性下降的现象，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影响因素：刀具：切削刃钝圆半径及磨损切削用量：进给量和切削速度工件材料：塑性越大，冷硬越严重第9页，共28页，2023年，2月20日，星期一表面层的金相变化加工中产生θ℃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，马氏体→奥氏体，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，工件表层组织为硬度较低的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。第10页，共28页，2023年，2月20日，星期一表面层的金相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↙热源作用时间↙烧伤↙工件材料：导热性差的材料，易烧伤。砂轮特性：较软砂轮、弹性结合剂、开槽砂轮冷却第11页，共28页，2023年，2月20日，星期一影响表面层物理力学性能的因素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在切削力的作用下，已加工面受后刀面的挤压，使晶格扭曲，表层金属比容积增大，体积膨胀，而内层金属又阻止其伸长。故加工后表面层残余应力为压应力(-)，里层为拉应力(+)。在切削热的作用下，已加工面产生热膨胀，此时表层产生热压应力。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(-)。不同的金相组织有不同的密度，如ρM=7.75g/cm3ρA=7.96g/cm3、ρP=7.78g/cm3、ρF=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第12页，共28页，2023年，2月20日，星期一第三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表面强化工艺改善物理力学性能渗氮、渗碳等化学热处理：表层产生残余压应力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；第13页，共28页，2023年，2月20日，星期一第四节机械加工中的振动自由振动：当振动系统的平衡被破环，只靠系统的弹性恢复力来维持的振动。

有阻尼自由振动:系统的频率只与振动系统的刚度k和质量m有关，而与振动的初始条件无关，也和振幅的大小无关,称为系统的固有圆频率。因为存在阻尼，自由振动振幅逐渐衰减的，最后振动停止。振动：物体在某一位置附近做来回往复运动。（一）振动的分类一、机械加工中的振动及分类第14页，共28页，2023年，2月20日，星期一强迫振动：由于外界周期性激振力引起和维持的振动；危害大。振动频率：外界激振力的频率

自激振动：由系统内部激发反馈产生的周期振动，危害大。在一定条件下，由于振动系统本身产生的交变力激发和维持的一种稳定的周期性振动。振动频率：近似或等于固有频率一、机械加工中的振动及分类第15页，共28页，2023年，2月20日，星期一影响零件的表面质量：低频：波度；高频：增大微观不平度影响生产率：刚度不足，切削用量、生产率下降影响机床、夹具、刀具的寿命：刀具增加附加动载荷->刀具磨损->崩刃增大机床、夹具的间隙：刚度、精度、寿命下降振动的噪声污染工作环境振动的利用：振动磨削、振动研抛、超声波加工---提高表面质量（二）机械振动对机械加工的影响第16页，共28页，2023年，2月20日，星期一强迫振动产生的原因系统外部的周期性干扰力：机床附近的振源->地基->系统所以隔振地基高速回转零件的质量不平衡：形状不对称，材质不均匀，加工、装配误差—偏心v↑Fj↑砂轮、齿轮、电机转子、带轮……往复运动的惯性力：牛头刨、平面磨传动机构的缺陷：齿轮的啮合冲击、带的接头不良、V带的厚度不均、轴承滚动体大小不一。链条运动的不均匀等切削过程的间歇性：铣削、拉削：切入和切出的冲击液压系统中的冲击现象：脉动液压油二、机械加工中的强迫振动第17页，共28页，2023年，2月20日，星期一二、机械加工中的强迫振动强迫振动的数学描述第18页，共28页，2023年，2月20日，星期一物体受力分析：外力：Px=Posinωt

弹性力：kx阻尼力：cx’强迫振动的数学描述第19页，共28页，2023年，2月20日，星期一其中第一项为齐次方程的通解，代表有阻尼自由振动，振幅衰减，为一瞬态过程；第二项代表非齐次方程的特解，是等幅强迫振动，为一稳态过程。强迫振动的数学描述第20页，共28页，2023年，2月20日，星期一由外界激振力引起的，不因阻尼的存在而衰减的等幅周期振动，除非外界激振力消失，振动才停止；振动频率与干扰力频率相等；振幅：主要取决于激振力的大小及频率比和阻尼比，而与初始条件无关。动态放大系数η=A/A2=准静态区、共振区和惯性区振幅与各参数之间的关系：干扰力幅值Po↑→A2↑

系统刚度k↑→A2↓

阻尼系数c↑→A2↓强迫振动的特征减小Po，消除振源激振力隔振，尤其是外界振源提高阻尼系数c，变化频率比λ，使其远离1。消除强迫振动的措施：第21页，共28页，2023年，2月20日，星期一自激振动系统包含四个环节：①不变（非振）的能源机构；②控制进入振动系统能量的调节系统；③振动系统；④振动系统对于调节系统的反馈，控制进入系统能量的大小。机械加工中的自激振动自激振动的产生：无周期外力，由系统内部激发反馈产生的周期振动，其振动频率与系统固有频率接近。只开机不切削，工艺系统无自激振动。第22页，共28页，2023年，2月20日，星期一自激振动为不衰减的振动，外部干扰只起初始作用；自激振动的频率等于或接近于系统固有频率；自激振动能否产生、振动大小，取决于每一振动周期内输入与消耗能量的对比情况。自激振动的特点第23页，共28页，2023年，2月20日，星期一负摩擦自振原理负摩擦特性：径向切削分力Fy随切削速度的增大先增后减，在曲线下降区域容易出现自激振动。产生自激振动的几种学说第24页，共28页，2023年，2月20日，星期一外圆磨削：砂轮宽度B，每转进给量f，重叠系数定义为：μ=（B-f）/B0<μ<1再生颤振学说纵车纵磨时μ<1切槽、切断、横磨、钻削等μ=1一般情况下0<μ<1重叠系数越大，越容易产生自激振动。第25页，共28页，2023年，2月20日，星期一再生颤振学说第26页，共28页，2023年，2月20日，星期一