机械加工表面质量及振动

机械加工表面质量及振动第一页，共三十页，编辑于2023年，星期一一、机械加工表面质量的含义1、表面的几何特征（1）表面粗糙度(Roughness)（2）表面波纹度（3）纹理方向（1）表面层加工硬化（2）表面层残余应力（3）表面层金相组织变化2、表面层物理力学性能1.5mm第二页，共三十页，编辑于2023年，星期一二、表面粗糙度的形成及对性能影响1、表面粗糙度的形成（1）几何原因（2）表面层塑性变形（3）加工过程中的振动2、对零件使用性能的影响（1）承载能力（2）配合性质（3）抗疲劳性（4）耐腐蚀、密封性第三页，共三十页，编辑于2023年，星期一三、切削加工表面粗糙度影响因素

车削时残留面积的高度（1）直线刃车刀（图a）（2）圆弧刃车刀（图b）（3）影响因素fκrRmaxvfⅠⅡrεb）RmaxⅠⅡfa）vf1、刀具切削角度第四页，共三十页，编辑于2023年，星期一（1）切削速度影响最大：v=10～50m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差。（2）其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等图切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（μm）481216202428变形系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度h（μm）0200400600hKsRz三、切削加工表面粗糙度影响因素

2、切削表面塑性变形和积屑瘤第五页，共三十页，编辑于2023年，星期一切屑刀具积屑瘤积屑瘤第六页，共三十页，编辑于2023年，星期一

四、磨削加工表面粗糙度影响因素1、磨削过程分析（1）弹性变形：磨粒在工件表面滑擦而过，不能切入工件。（2）塑性变形：磨粒切入工件，材料向两边隆起，工件表面出现刻痕（犁沟），但无磨屑产生。（3）切削：磨削深度、磨削点温度和应力达到一定数值，形成磨屑，沿磨粒前刀面流出。磨削表面存在剧烈挤压和摩擦。磨屑形成过程a）平面示意图b）截面示意图第七页，共三十页，编辑于2023年，星期一砂轮速度v↑，Ra↓工件速度vw↑，Ra↑砂轮纵向进给f↑，Ra

↑磨削深度ap↑，Ra

↑图4-62磨削用量对表面粗糙度的影响vw

=40(m/min)f=2.36(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(μm)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(μm)00.20.60.020.030.04b）四、磨削加工表面粗糙度影响因素

2、磨削用量影响第八页，共三十页，编辑于2023年，星期一砂轮粒度↑，Ra↓；但要适量（砂轮不易糊塞）砂轮硬度适中，Ra↓；常取中软（自锐性较好）砂轮组织适中，Ra↓

；常取中等组织采用超硬砂轮材料，Ra

↓砂轮精细修整，Ra↓四、磨削加工表面粗糙度影响因素

3、砂轮影响4、其他影响因素工件材料冷却润滑液等第九页，共三十页，编辑于2023年，星期一机械制造技术基础（二）第3章机械加工表面质量分析与控制AnalysisandControlofMachinedsurfaceQuality第2节

影响表层金属力学物理性能的工艺因素TechnologicalFactorsInfluencingPhysicsPropertiesofSurfaceLayer第十页，共三十页，编辑于2023年，星期一一、表面层加工硬化的影响因素

2、影响因素

f↑，冷硬程度↑（1）切削用量切削速度影响复杂（力与热综合作用结果）。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)135(m/min)100(m/min)50(m/min)100200300400工件材料：451、表面层加工硬化（Work-hardening）表面层强度和硬度增加，塑性降低的现象。第十一页，共三十页，编辑于2023年，星期一（2）刀具影响rε↑，冷硬程度↑其他几何参数影响不明显后刀面磨损影响显著00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v

=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)图后刀面磨损对冷硬影响（3）

工件材料材料塑性↑，冷硬倾向↑一、表面层加工硬化的影响因素

第十二页，共三十页，编辑于2023年，星期一二、表面层残余应力的影响因素

1、表面层残余应力（Residualstress）（1）冷态塑性变形产生的残余应力－－压应力2、表面层残余应力产生原因及影响因素hDΔhDΔhACFE切削力第十三页，共三十页，编辑于2023年，星期一二、表面层金属残余应力的影响因素

◆切削用量◆刀具◆工件材料f对残余应力的影响残余应力(Gpa)0.2000.200100200300400距离表面深度(μm)f

=0.40mm/rf

=0.25mm/rf

=0.12mm/rv对残余应力的影响050100150200距离表面深度(μm)残余应力(Gpa)-0.2000.20v

=213m/minv

=86m/minv

=7.7m/min第十四页，共三十页，编辑于2023年，星期一二、表面层残余应力的影响因素

（2）热态塑性变形产生的残余应力－－拉应力（3）金相组织变化产生的残余应力－－拉或压应力750℃刀具第十五页，共三十页，编辑于2023年，星期一三、磨削烧伤与磨削裂纹

工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜。1、磨削烧伤磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现。2、磨削裂纹第十六页，共三十页，编辑于2023年，星期一三、磨削烧伤与磨削裂纹

3、磨削烧伤的类型（1）回火烧伤：回火屈氏体或索氏体（2）淬火烧伤：二次淬火马氏体（3）退火烧伤：4、磨削烧伤的原因第十七页，共三十页，编辑于2023年，星期一带空气挡板冷却喷嘴合理选择砂轮及磨削方式合理选择磨削用量改善冷却条件5、磨削烧伤与磨削裂纹的控制三、磨削烧伤与磨削裂纹

第十八页，共三十页，编辑于2023年，星期一四、表面强化工艺简介

利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态挤压金属表面，将凸起部分下压下，凹下部分上凸，修正工件表面的微观几何形状,形成压缩残余应力，提高耐疲劳强度。利用大量快速运动珠丸打击工件表面,使工件表面产生冷硬层和压应力,↑疲劳强度。1、喷丸强化滚压加工原理图用于强化形状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。2、滚压加工珠丸挤压引起残余应力

压缩拉伸塑性变形区域第十九页，共三十页，编辑于2023年，星期一机械制造技术基础第3章机械加工表面质量分析与控制AnalysisandControlofMachinedsurfaceQuality第3节

机械加工过程中的振动VibrationsinmachiningProcess第二十页，共三十页，编辑于2023年，星期一一、概述

机械加工过程中振动的危害影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度影响生产效率加速刀具磨损，易引起崩刃影响机床、夹具的使用寿命产生噪声污染，危害操作者健康工艺系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。

由于系统中总存在由阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。机械加工过程中振动的类型自由振动自由振动强迫振动自激振动第二十一页，共三十页，编辑于2023年，星期一二、机械加工过程中强迫振动强迫振动产生原因由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起强迫振动振源：机外＋机内。机外振源均通过地基把振动传给机床。机内：1）回转零部件质量的不平衡2）机床传动件的制造误差和缺陷3）切削过程中的冲击

频率特征：与干扰力的频率相同，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φ角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。强迫振动的特征第二十二页，共三十页，编辑于2023年，星期一三、机械加工过程中自激振动自激振动的概念在没有周期性外力作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动自激振动过程可用传递函数概念说明自激振动是一种不衰减振动自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率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消耗的能量对比情况图自激振动系统能量关系ABC能量EQE－E＋0振幅电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)图自激振动闭环系统机床振动系统（弹性环节）调节系统（切削过程）自激振动的特征第二十三页，共三十页，编辑于2023年，星期一◆再生机理：切削过程，由于偶然干扰，使加工系统产生振动并在加工表面上留下振纹。第二次走刀时，刀具将在有振纹的表面上切削，使切削厚度发生变化，导致切削力周期性地变化，产生自激振动自激振动机理再生自激振动原理图f切入切出y0ya）b）φy0y切入切出fc）φfy0y切入切出d）切入切出fy0yφ◆产生条件：a）b）c）系统无能量获得；d）y滞后于y0，即0＞φ＞-π，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，产生自激振动三、机械加工过程中自激振动第二十四页，共三十页，编辑于2023年，星期一◆振型耦合机理：将车床刀架简化为两自由度振动系统，等效质量m用相互垂直的等效刚度分别为k1、k2两组弹簧支撑（设x1为低刚度主轴）车床刀架振型耦合模型Fmabcdx1x1x2x2βk2k1α1α2X◆自激振动的产生：①k1=k2，x1与x2无相位差,轨迹为直线，无能量输入三、机械加工过程中自激振动②k1＞k2，x1超前x2，轨迹d→c→b→a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③k1＜k2，x1滞后于x2，轨迹为一顺时针方向椭圆，即：a→b→c→d。此时，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，振动能够维持。第二十五页，共三十页，编辑于2023年，星期一四、机械加工中振动的防治减小机内干扰力的幅值调整振源的频率，一般要求：◆调整振动系统小刚度主轴的位置消除或减弱产生强迫振动的条件式中f和fn分别为振源频率和系统固有频率隔振βx2x2x1x1x1x1x2x2图4-76两种尾座结构消除或减弱产生自激振动的条件第二十六页，共三十页，编辑于2023年，星期一四、机械加工中振动的防治◆减小切削或磨削时的重叠系数式中bd

——等效切削宽度，即本次切削实际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。图重叠系数apfaB振动方向XDfbbda）切削b）磨削κrκr，第二十七页，共三十页，编辑于2023年，星期一

减小重叠系数方法图车刀消振棱0.1～0.3-5°～-20°2°～3°◆增加切削阻尼（例采用倒棱车刀）增加主偏角增大进给量四、机械加工中振动的防治第二十