第三章 机械加工表面质量及控制课件

第三章机械加工表面质量及控制

机械制造工艺学第三章机械加工表面质量及控制加工表面质量及其对使用性能的影响度影响表面粗糙度的工艺因素及其改进措施影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施机械加工过程中的振动

第三章机械加工表面质量及控制本章要点第三章机械加工表面质量及控制

加工表面质量的概念§3.1加工表面质量及其对使用性能的影响已加工表面质量表面粗糙度表面波度表面物理力学性能的变化表面微观几何形状特征表面层冷作硬化表面层残余应力表面层金相组织的变化第三章机械加工表面质量及控制a）波度b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ

表面的几何形状误差

表面粗糙度：加工表面的微观几何误差，波长与波高比值小于50。表面波度：加工表面不平度波长与波高比值在50～1000的几何形状误差纹理方向：表面刀纹的方向伤痕：加工表面个别位置出现的缺陷§3.1加工表面质量及其对使用性能的影响第三章机械加工表面质量及控制表层金属的力学物理性能和化学性能变化表面层金属的冷作硬化表面层的残余应力表面层金相组织的变化§3.1加工表面质量及其对使用性能的影响切屑刀具

切屑的分离和积屑瘤积屑瘤第三章机械加工表面质量及控制

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

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§3.1加工表面质量及其对使用性能的影响第三章机械加工表面质量及控制直线刃车刀（图a）圆弧刃车刀（图b）影响因素：

车削时残留面积的高度fκrRmaxvfⅠⅡrεb）RmaxⅠⅡfa）vf切削加工表面的粗糙度§3.2影响表面粗糙度的因素及改进措施第三章机械加工表面质量及控制磨削加工表面粗糙度影响因素

磨屑的形成过程

磨屑形成过程a）平面示意图b）截面示意图第三章机械加工表面质量及控制

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

↑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）磨削加工表面粗糙度影响因素

磨削用量影响

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↓第三章机械加工表面质量及控制

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↓砂轮影响其他影响因素

工件材料冷却润滑液等磨削加工表面粗糙度影响因素

第三章机械加工表面质量及控制

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（图5-53）。

其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等图4-61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）0200400600hKsRz切削表面塑性变形和积屑瘤§3.2影响表面粗糙度的因素及改进措施第三章机械加工表面质量及控制◆机械加工中产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变、晶粒间产生滑移，表层材料硬度增加的现象—冷作硬化◆机械加工中力的作用强化、热的作用弱化冷作硬化◆冷作硬化程度可用三个指标衡量：

表层金属的显微硬度HV

硬化层深度h（微米）硬化程度N表层材料的冷作硬化§3.3影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施第三章机械加工表面质量及控制进给量↑→冷硬程度↑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◆切削用量◆工件材料

材料塑性↑→冷硬倾向↑材料强度↑→冷硬倾向↓1、切削加工中影响表面冷作硬化的因素f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§3.3影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施第三章机械加工表面质量及控制◆刀具几何参数2、切削加工中影响表面冷作硬化的因素00.20.40.60.81.0磨损高度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v

=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)刀具后刀面磨损对冷硬影响↑→冷硬程度↑后刀面磨损量↑,冷硬程度变化如图成阶段性后角、主偏角、副偏角、刀尖圆弧半径对冷作硬化影响不大§3.3影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施第三章机械加工表面质量及控制磨削速度↑→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↑◆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↓

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3、磨削加工中影响表面冷作硬化的因素

§3.3影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施第三章机械加工表面质量及控制回火烧伤：磨削温度介于其相变温度723C°和马氏体转变温度300C°之间→马氏体回火转变淬火烧伤：磨削温度超过其相变温度723C°+急冷→二次淬火退火烧伤：磨削温度超过其相变温度723C°+不冷却→退火◆机械加工过程中加工区域温度达到或超过工件材料相变温度时，金相组织会发生变化（主要指磨削）◆磨削烧伤（淬火钢）表层金属金相组织变化

§3.3影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施◆烧伤表现：彩色氧化膜残余应力微裂纹第三章机械加工表面质量及控制

带空气挡板冷却喷嘴磨削烧伤与磨削裂纹的控制§3.3影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施

合理选择砂轮根据工件材料、磨削性质选择砂轮的硬度、结合剂和组织

合理选择磨削用量合理选择磨削过程的ap、f1、vw、vs

改善冷却条件内冷却、喷汽冷却、强制冷却等第三章机械加工表面质量及控制磨削烧伤与磨削裂纹的控制§3.3影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施

内冷却砂轮

内冷却砂轮

开槽砂轮

a）槽均匀分布b）90度内变距开槽

选择开槽砂轮第三章机械加工表面质量及控制§3.3影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施

残余应力产生的原因表层材料的残余应力

表层材料形状变化、体积变化、金相组织变化时将在表层材料与基体间产生相互平衡的残余应力1)机械加工中表层材料的塑性变形→外压内拉2)磨削温度造成表层材料的塑性变形→外拉内压3)金相组织变化→体积变化表层比容增大→外压内拉表层比容减小→外拉内压热生残余拉应力的示意图第三章机械加工表面质量及控制

v↑→残余应力↑（热应力起主导作用）◆切削用量◆刀具前角+→－，残余拉应力↓刀具磨损↑→残余应力↑◆工件材料材料塑性↑→残余应力↑铸铁等脆性材料易产生残余压应力

f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

f↑→残余应力↑切削深度影响不显著

vc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影响刀具切削残余应力的工艺因素第三章机械加工表面质量及控制◆磨削用量的影响背吃刀量ap、砂轮速度vs

工件的转速vw和进给f1◆工件材料强度↑、导热性↓、塑性↓→残余拉应力↑影响磨削残余应力的工艺因素

热变形和塑性变形对残余应力影响很大热因素起主导作用→残余拉应力塑性变形起主导作用→残余压应力淬火烧伤时，金相组织变化起主导作用→残余压应力ap对残余应力的影响磨削工业铁和T8的残余应力第三章机械加工表面质量及控制工件最终工序加工方法的选择加工方法残余应力符号

/MPa应力层深度h/mm车削一般外拉内压

外压内拉200～800刀具磨损1000一般外拉内压0.05～0.1高速、负前角时0.65磨削一般外压内拉200～10000.05～0.30铣削外压内拉600～1500碳钢淬硬外压内拉400～750钢珠滚压钢件外压内拉700～800喷丸强化钢件外压内拉1000～1200渗碳淬火外压内拉1000～1100镀铬外拉内压400镀铜外拉内压200各种加工方法在工件表面残余的内应力第三章机械加工表面质量及控制

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

利用珠丸高速打击工件表面,使工件表面产生冷硬层和压应力,提高疲劳强度喷丸强化

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、焊缝等滚压加工珠丸挤压引起残余应力

压缩拉伸塑性变形区域表面强化工艺第三章机械加工表面质量及控制滚压加工表面强化工艺第三章机械加工表面质量及控制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§3.4机械加工过程中的振动第三章机械加工表面质量及控制强迫振动产生原因

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§3.4机械加工过程中的振动第三章机械加工表面质量及控制自激振动的概念

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4-72）

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4-73）。图4-73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4-72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§3.4机械加工过程中的振动第三章机械加工表面质量及控制◆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4-74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4-74）：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§3.4机械加工过程中的振动第三章机械加工表面质量及控制◆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，图4-75）图4-75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。§3.4机械加工过程中的振动第三章机械加工表面质量及控制

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4-76）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（4-