第六章机械加工表面质量

第六章机械加工表面质量第一页，共二十九页，编辑于2023年，星期五机械制造技术基础第6章机械加工表面质量QualitiesofMachinedSurface6.1

概述IntroductiontotheQualitiesof

MachinedSurface第二页，共二十九页，编辑于2023年，星期五6.1概述

尺寸精度形状精度位置精度（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度表面质量表面几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工质量图6-1-0加工质量包含的内容第三页，共二十九页，编辑于2023年，星期五6.1概述

◆

加工精度：零件加工后实际几何参数与理想几何参数接近程度。◆表面质量:零件宏观几何形状误差、波度、表面粗糙度宏观几何形状误差（平面度、圆度等）—波长/波高＞1000波度—波长/波高=50～1000；且具有周期特性表面粗糙度——波长/波高＜50a）波度b）表面粗糙度图6-2-0零件加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ第四页，共二十九页，编辑于2023年，星期五6.1概述----表面质量对零件使用性能的影响

对耐磨性影响Ra（μm）初始磨损量重载荷轻载荷图6-1表面粗糙度与初始磨损量表面粗糙度值↓→耐疲劳性↑适当硬化可提高耐疲劳性表面粗糙度值↓→耐蚀性↑表面压应力：有利于提高耐蚀性表面粗糙度值↑→配合质量↓表面粗糙度值↓→耐磨性↑，但有一定限度（图6-1）对耐疲劳性影响对耐蚀性影响对配合质量影响纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好适当硬化可提高耐磨性第五页，共二十九页，编辑于2023年，星期五机械制造技术基础第6章机械加工表面质量6.2

影响加工表面粗糙度的工艺因素TechnologicalFactorsInfluencingRoughness第六页，共二十九页，编辑于2023年，星期五6.2.1切削加工表面粗糙度影响因素

图6-5车削时残留面积的高度直线刃车刀（图6-5a）圆弧刃车刀（图6-5b）影响因素：fκrRmaxvfⅠⅡrεb）RmaxⅠⅡfa）vf切削残留面积第七页，共二十九页，编辑于2023年，星期五切削速度影响最大：vc=10～50m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差（图6-6-0）。其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等图6-6-0切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120vc（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（μm）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度h（μm）0200400600hKsRz6.2.1切削加工表面粗糙度影响因素

切削表面塑性变形和积屑瘤第八页，共二十九页，编辑于2023年，星期五砂轮速度v↑，Ra↓工件速度vw↑，Ra↑砂轮纵向进给f↑，Ra

↑磨削深度ap↑，Ra

↑图6-7-1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）6.2.2磨削加工表面粗糙度影响因素

磨削用量影响图6-7-0光磨次数-Ra关系Ra(μm)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)光磨次数↑，Ra↓第九页，共二十九页，编辑于2023年，星期五砂轮粒度号↑，Ra↓；但要适量砂轮硬度适中，Ra↓；常取中软砂轮组织适中，Ra↓

；常取中等组织采用超硬砂轮材料，Ra

↓砂轮精细修整，Ra↓6.2.2磨削加工表面粗糙度影响因素

砂轮影响其他影响因素工件材料冷却润滑液等第十页，共二十九页，编辑于2023年，星期五机械制造技术基础第6章机械加工表面质量6.3

机械加工后表面物理机械性能的变化PhysicalandMechanicalPropertiesofMachinedSurfaceLayer第十一页，共二十九页，编辑于2023年，星期五6.3.1影响表面冷作硬化的因素

切削加工

f↑，冷硬程度↑(图6-13-0)◆切削用量影响◆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（图6-14-0）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6-14-0后刀面磨损对冷硬影响◆工件材料材料塑性↑，冷硬倾向↑切削速度影响复杂（力与热综合作用结果）切削深度影响不大图6-13-0f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：45第十二页，共二十九页，编辑于2023年，星期五磨削速度↑→冷硬程度↓（弱化作用加强）工件转速↑→冷硬程度↑纵向进给量影响复杂磨削深度↑→冷硬程度↑（图6-15-0）◆磨削用量◆砂轮砂轮粒度↑→冷硬程度↓砂轮硬度、组织影响不显著◆工件材料材料塑性↑→冷硬倾向↑材料导热性↑→冷硬倾向↓图6-15-0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6.3.1影响表面冷作硬化的因素

磨削加工第十三页，共二十九页，编辑于2023年，星期五6.3.2磨削烧伤与磨削裂纹

合理选择砂轮合理选择磨削用量改善冷却条件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，常与烧伤同时出现图6-16带空气挡板冷却喷嘴磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削裂纹第十四页，共二十九页，编辑于2023年，星期五6.3.3影响层金属残余应力的因素

vc↑→残余应力↑（热应力起主导作用，图6-16-0）材料塑性↑→残余应力↑铸铁等脆性材料易产生残余压应力

f↑→残余应力↑（图6-17-0）切削深度影响不显著仅讨论切削加工◆切削用量◆刀具◆工件材料前角+→－，残余拉应力↓刀具磨损↑→残余应力↑图6-16-0vc对残余应力的影响γ0=5°,α0==5°,κr=75°,rε=0.8mm,工件：45切削条件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200距离表面深度(μm)残余应力(Gpa)-0.2000.20vc

=213m/minvc

=86m/minvc

=7.7m/min图6-16-0f对残余应力的影响工件：45，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液残余应力(Gpa)0.2000.200100200300400距离表面深度(μm)f

=0.40mm/rf

=0.25mm/rf

=0.12mm/r第十五页，共二十九页，编辑于2023年，星期五机械制造技术基础第6章机械加工表面质量6.4

控制加工表面质量的途径TechnicalApproachforControllingMachinedSurfaceLayer第十六页，共二十九页，编辑于2023年，星期五6.4控制加工表面质量的途径控制磨削参数采用超精加工、珩磨等光整加工方法作为最终加工工序采用喷丸、滚压、辗光等表面强化工艺第十七页，共二十九页，编辑于2023年，星期五6.4控制加工表面质量的途径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（图6-19-0）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（图6-18-0）喷丸强化图6-19-0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、焊缝等滚压加工图6-18-0珠丸挤压引起残余应力

压缩拉伸塑性变形区域第十八页，共二十九页，编辑于2023年，星期五机械制造技术基础第6章机械加工表面质量6.5振动对表面质量的影响及其控制VibrationsinMachiningProcess第十九页，共二十九页，编辑于2023年，星期五6.5.1机械加工过程中的振动概述

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页，共二十九页，编辑于2023年，星期五6.5.2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。强迫振动的特征第二十一页，共二十九页，编辑于2023年，星期五6.5.3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（图6-23）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6-24）。图6-24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6-23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）自激振动的特征第二十二页，共二十九页，编辑于2023年，星期五◆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图6-24-0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（图6-24-0）：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6.5.3机械加工过程中自激振动第二十三页，共二十九页，编辑于2023年，星期五◆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与k2两组弹簧支撑（设x1为低刚度主轴，图6-24-1）图6-24-1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6.5.3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。第二十四页，共二十九页，编辑于2023年，星期五6.5.4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（图6-25-0）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6-25-0两种尾座结构消除或减弱产生自激振动的条件第二十五页，共二十九页，编辑于2023年，星期五6.5.4机械加工中振动的防治◆减小切削或磨削时的重叠系数（图6-26-0）