机械加工表面质量正式

第8章机械加工外表质量本章要点机械加工后的外表质量机械加工后的外表粗糙度控制加工外表质量的途径机械加工后的外表层物理机械性能机械加工过程中的振动问题1.机械制造技术根底第8章机械加工外表质量8.1

机械加工后的表面质量2.8.1.1外表质量的含义

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〕外表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1加工质量包含的内容3.8.1.1外表质量的含义◆外表质量：机器零件加工后外表层的状态。它分为两个局部:〔1〕外表层的几何形状，包括零件宏观几何形状误差、波度、外表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=40～1000；且具有周期特性外表粗糙度——波长/波高＜40a）波度b）表面粗糙度图8-2零件加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ4.〔2〕外表层的物理机械性能外表层冷作硬化〔冷硬〕：零件在机械加工中外表层金属产生强烈的冷态塑性变形而引起强度、硬度提高的现象。外表层金相组织的变化：切削热温升引起工件表层温升过高，外表金属层发生金相组织变化的现象。外表层剩余应力：加工中切削变形和切削热的影响导致工件表层产生剩余应力。8.1.1外表质量的含义5.8.1.2外表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8-2表面粗糙度与初始磨损量外表粗糙度值↓→耐疲劳性↑适当硬化可提高耐疲劳性外表粗糙度值↓→耐蚀性↑外表压应力：有利于提高耐蚀性外表粗糙度值↑→配合质量↓外表粗糙度值↓→耐磨性↑，但有一定限度〔图8-2〕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、凹坑状较好见书p217图8-3适当硬化可提高耐磨性6.机械制造技术根底第8章机械加工外表质量8.2

机械加工后的表面粗糙度7.8.2.1切削加工后的外表粗糙度图8-4车削时残留面积的高度直线刃车刀〔图8-4a〕（8-1）圆弧刃车刀〔图8-4b〕（8-2）影响因素：fκrRmaxvfⅠⅡrεb）RmaxⅠⅡfa）vf切削残留面积（几何因素）形成原因：几何因素、物理因素、工艺系统的振动8.切削速度影响最大：v=10～50m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，外表粗糙度最差〔图8-5〕。

其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等图8-5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收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度

h（μm）0200400600hKsRz8.2.1切削加工后的外表粗糙度切削表面塑性变形和积屑瘤（物理因素）9.8.2.2磨削加工后的外表粗糙度磨削机理:①磨削的切削刃由无数砂粒组成，分布不均匀；②大多数砂粒为负前角切削；③砂粒三种切削状态:弹性变形不形成切削屑——钝化砂粒塑性变形形成沟槽不形成切削屑——较钝砂粒塑性变形强烈形成切屑——锋利的砂粒④单位面积上的刻痕数愈多，刻痕的等高性好那么粗糙度也愈小。影响外表粗糙度的三个因素：几何因素物理因素工艺系统的振动10.

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8-6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）8.2.2磨削加工后的外表粗糙度磨削用量影响

图8-7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↓11.

砂轮粒度↑，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↓8.2.2磨削加工后的外表粗糙度砂轮影响其他影响因素

工件材料冷却润滑液等12.机械制造技术根底第8章机械加工外表质量8.3

机械加工后的表面层物理机械性能13.8.3.1机械加工后外表层的冷作硬化冷作硬化产生的原因影响冷作硬化因素切削或磨削加工时，表面层金属由于塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格发生拉长，扭曲和破碎而得到强化。评价指标：冷硬层的深度h和表面层的显微硬度H,硬化程度N.取决因素：产生塑性变形的力，变形速度，变形时的温度。完全强化与不完全强化；机械加工时的表面层的冷作硬化是强化作用和回复作用的综合结果。14.8.3.1机械加工后外表层的冷作硬化对切削加工来说

f↑，冷硬程度↑(图8-7)◆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8-8〕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8-8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8-7f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：4515.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8-9〕◆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8-9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8.3.1机械加工后外表层的冷作硬化对磨削加工来说16.影响磨削加工金相组织变化的因素：

工件材料，磨削温度，温度梯度及冷却速度。8.3.2机械加工后外表层金相组织的变化加工外表层的金相组织变化——热变质层切削加工中由于切削热的作用，加工外表层会产生金相组织变化。金相组织变化原因：加工区温升到达一定值，出现金相组织变化，强度和硬度下降，产生剩余应力，甚至引起裂纹，既产生烧伤现象。17.磨削淬火钢时外表层产生的烧伤有以下三种：回火烧伤：磨削区温度超过马氏体转变温度而未超过相变温度，工件外表的马氏体组织产生回火，转化成硬度低的回火组织——索氏体或屈氏体。淬火烧伤：磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，由于冷却液的急冷作用，外表层会出现二次淬火马氏体，硬度高于回火马氏体，而它的下层那么因缓慢冷却成为硬度低的回火组织。8.3.2机械加工后外表层金相组织的变化磨削烧伤色磨削烧伤后由于表层的氧化膜按烧伤程度颜色由浅到深黄褐紫青浅黄退火烧伤：干磨削时，磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，因工件冷却缓慢，那么表层硬度急剧下降，工件表层被退火。18.在机械加工中，工件外表层金属相对基体金属发生形状、体积或金相组织的变化时，工件表层中将残留相互平衡的剩余应力。产生原因：〔实际机加工后表层剩余应力为三因素综合〕〔略讲〕8.3.3机械加工后外表层的剩余应力〔1〕冷态塑性变形〔2〕热态塑性变形〔3〕金相组织变化19.8.3.3机械加工后外表层的剩余应力产生剩余应力的原因：①冷塑性变形影响表层压应力、里层拉应力切削力受拉应力表层产生塑性变形伸长表层面积增大里层弹性伸长切削结束里层弹性变形要恢复受阻外层塑性变形区工件工件+σ-σ-σ+σoo'加工时加工后由冷塑性变形产生的残余应力里表20.8.3.3机械加工后外表层的剩余应力②热塑性变形表层受拉应力、里层受压应力切削温度高表层体积膨胀受阻基体，产生压缩应力，产生热塑性变形切削结束温度下降表层要收缩受里层阻止工件工件-σ+σo+σo'-σ加工时加工后由热塑性变形产生的残余应力21.8.3.3机械加工后外表层的剩余应力机械加工以冷塑性变形为主——压应力切削加工(温度高)以热塑性变形为主——拉应力磨削加工热塑性为主——拉应力机械加工后是这三方面原因综合作用的结果：人们希望获得外表剩余压应力，往往进行外表强化处理。22.8.3.3机械加工后外表层的剩余应力v↑→剩余应力↑〔热应力起主导作用，图8-10〕◆切削用量◆刀具前角+→－，剩余拉应力↓p25刀具磨损↑→剩余应力↑◆工件材料材料塑性↑→剩余应力↑铸铁等脆性材料易产生剩余压应力图8-11f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仅讨论切削加工f↑→剩余应力↑〔图8-11〕切削深度影响不显著图8-10vc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/min23.8.3.3机械加工后外表层的剩余应力

合理选择砂轮合理选择磨削用量改善冷却条件磨削外表剩余拉应力到达材料强度极限，在表层或外表层下产生微裂纹。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8-12带空气挡板冷却喷嘴磨削裂纹的控制磨削裂纹24.机械制造技术根底第8章机械加工外表质量8.4控制加工表面质量的工艺途径25.8.4控制加工外表质量的工艺途径减小剩余拉应力，防止磨削烧伤和磨削裂纹的工艺途径〔1〕选择合理的磨削参数，为减少磨削热，降低磨削区温度，可减少砂轮速度和背吃刀量，适当提高进给量和工件速度，但会使工件粗糙度增加－可行方法是试验确定参数。〔2〕选择有效的冷却方法〔高压大流量、内冷却，加装空气挡板等〕采用精密和光整加工工艺〔1〕精密加工工艺：高速精镗、高速精车、宽刃精刨、细密磨削等。〔2〕光整加工工艺：珩磨、超精加工、研磨、抛光采用冷压强化工艺〔见下页〕26.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外表，将凸起局部下压下，凹下局部上凸，修正工件外表的微观几何形状,形成压缩剩余应力，提高耐疲劳强度〔图8-14〕利用大量快速运动珠丸打击工件外表,使工件外表产生冷硬层和压应力,↑疲劳强度〔图8-13〕喷丸强化图8-14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8-13珠丸挤压引起残余应力

压缩拉伸塑性变形区域8.4控制加工外表质量的工艺途径27.机械制造技术根底第8章机械加工外表质量8.5

机械加工过程中的振动问题28.8.5.1振动的概念与类型

机械加工过程中振动的危害影响加工外表粗糙度，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29.8.5.2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30.31.32.8.5.3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，由系统内部激发反响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8-15〕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比照情况〔图8-16〕。图8-16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8-15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33.8.5.4减少工艺系统振动的途径

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8-19〕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βx2x2x1x1x1x1x2