机械加工后的表面质量

*,8.1,机械加工后的表面质量,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,8-1,加工质量包含的内容,第,8,章,机械加工表面质量,1,8.1,机械加工后的表面质量,表面质量：,机器零件加工后表面层的状态。,（,1,）,表面层的几何形状,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,表面粗糙度,波长,/,波高,40,a）,波度,b）,表面粗糙度,图,8-2,零件加工表面的粗糙度与波度,R,Z,H,R,Z,8.1.1,表面质量的定义,2,8.1,机械加工后的表面质量,（,1,）,表面层的物理机械性能,冷作硬化,表面层金属在机械加工中产生强烈冷态塑 性变形后，强度和硬度升高的现象。,金相组织变化,由于切削热引起工件表面温升过高，表面 层金属发生金相组织变化的现象。,残余应力,由于切削变形和切削热的影响，工件表面层 产生残余应力。,8.1.1,表面质量的定义,3,8.1.2,表面质量对零件使用性能的影响,对耐磨性影响,R,a,（,m,）,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,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,表面应力：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,8-2,）,对耐疲劳性能影响,对耐腐蚀性能影响,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,4,8.2,机械加工后的表面粗糙度,图,8-5,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：,f,r,R,max,v,f,r,b）,R,max,f,a）,v,f,几何因素,切削残留面积,8.2.1,切削加工后的表面粗糙度,5,8.2,机械加工后的表面粗糙度,材料韧性,物理因素,8.2.1,切削加工后的表面粗糙度,塑性变形,越易产生积屑瘤和鳞刺,粗糙度,切削用量,冷却润滑液,刀具材料,f,残留面积,粗糙度,积屑瘤,粗糙度,V,工艺系统振动,振动,粗糙度,6,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,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,100,120,v,（m/min）,0,20,40,60,80,140,表面粗糙度,R,z,（,m,）,4,8,12,16,20,24,28,收缩系数,K,s,1.5,2.0,2.5,3.0,积屑瘤高度,h,（,m,）,0,200,400,600,h,K,s,R,z,8.2.1,切削加工后的表面粗糙度,切削表面塑性变形和积屑瘤,7,砂轮速度,v,，,R,a,工件速度,v,w,，,R,a,砂轮纵向进给,f,，,R,a,磨削深度,a,p,，,R,a,8.2.2,磨削加工后的表面粗糙度,磨削用量影响,图,8-7,光磨次数,-,Ra,关系,Ra,(,m),0,10,20,30,0.02,0.04,0.06,光磨次数,粗粒度砂轮,(WA60KV),细粒度砂轮,(WA/GCW14KB),光磨次数,，,R,a,8,砂轮粒度,，,R,a,；,但要适量,采用超硬砂轮材料,，,R,a,砂轮修整质量,，,R,a,8.2.2,磨削加工后的表面粗糙度,砂轮影响,其他影响因素,工件材料：韧性、硬度,工艺系统的振动,，,Ra,冷却润滑液等,9,8.3,机械加工后的表面层物理机械性能,冷作硬化产生的原因,切削或磨削加工时，表面层金属由于塑性变形使晶粒间产生剪切滑移，晶粒发生拉长、扭曲和破碎而得到强化的现象。,显微硬度,，变形抵抗力（屈服点,）,，塑性（相对延伸率,）,。,冷硬层的深度,h,、表面层的显微硬度,H,以及硬化程度,N,。,8.3.1,机械加工后表面层的冷作硬化,冷作硬化的特点,冷作硬化的评价指标,H,0,原来的显微硬度。,10,8.3,机械加工后的表面层物理机械性能,冷作硬化程度取决于：,产生塑性变形的力,变形时的温度,完全强化,出现晶格歪扭、纤维化和变形层物理机械性能改变,。,8.3.1,机械加工后表面层的冷作硬化,两种冷作硬化的可能性,塑性变形力，塑性变形力,，,冷作硬化程度,变形速度,变形速度，塑性变形越不充分,，,冷作硬化程度,变形温度，不仅影响塑性变形程度,，,而且影响变形后金相组织的恢复程度。,不完全强化,当温度,(0.250.30),T,m,时，强化,+,回复，歪扭的晶格部分恢复，冷硬,；,当温度,0.40,T,m,时，强化,+,再结晶，由于强化而改变的表面物理机械性能完全恢复，几乎不产生冷作硬化,。,冷作硬化是强化作用和回复作用的综合作用结果。,11,8.3,机械加工后的表面层物理机械性能,切削加工：,影响因素,f,，,冷硬程度,(,图,8-7),切削用量影响,刀具影响,r,，,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,）,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,磨损宽度,VB,(mm),100,180,260,340,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,8-7,f,和,v,对冷硬的影响,硬度,(HV),0,f,(mm /r),0.2,0.4,0.6,0.8,v,=170(m/min),135(m/min),100(m/min ),50(m/min),100,200,300,400,工件材料：,45,8.3.1,机械加工后表面层的冷作硬化,12,磨削速度,冷硬程度,（回复作用加强）,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,a,p,(mm,),硬度,(HV),0,0.25,300,350,450,500,400,0.50,0.75,普通磨削,高速磨削,8.3,机械加工后的表面层物理机械性能,磨削加工：,影响因素,8.3.1,机械加工后表面层的冷作硬化,13,合理选择砂轮,(,硬度较低、结合剂有弹性,),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，表层金相组织发生变化， 强度和硬度下降，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜的现象。,磨削烧伤,图,8-12,带空气挡板冷却喷嘴,磨削烧伤的控制,磨削烧伤的类型,8.3,机械加工后的表面层物理机械性能,8.3.2,机械加工后表层金相组织的变化,磨削淬火钢时可能产生三种烧伤：,1,）回火烧伤 马氏体转变成索氏体或屈氏体,2,）淬火烧伤 表层二次淬火马氏体下层回火组织,3,）退火烧伤 表层产生退火组织表面硬度,切削加工时切削热大部分被切屑带走对金相组织影响小，,磨削时工件温升高引起金相组织显著变化。,14,磨削温度、温度梯度及冷却速度等对金相 组织变化的影响,图,8.9,磨削高碳钢淬火时表面硬度分布,观看动画,磨削温度、温度梯度、冷却速度等对金相组织变化的影响可以从图,8.9,得到说明。,图,8,.,9,所示，为高碳淬火钢在不同磨削条件下出现的表面层硬度分布情况,。,15,残余应力产生的原因,8.3,机械加工后的表面层物理机械性能,8.3.3,机械加工后表面层的残余应力,表面层金属相对于基体金属发生形状、体积或金相组织变化,表面层产生残余应力,冷态塑性变形,机械加工时，加工表面沿切削速度方向产生晶粒拉长，金属密度下降，比容增大，但受里层材料阻碍,表层残余压应力，里层残余拉应力,16,残余应力产生的原因,8.3,机械加工后的表面层物理机械性能,8.3.3,机械加工后表面层的残余应力,工件表面局部温升过高，热态塑性变形,受其它部分牵制，,产生残余应力。,热态塑性变形,图,8.10,切削热,17,残余应力产生的原因,8.3,机械加工后的表面层物理机械性能,8.3.3,机械加工后表面层的残余应力,金相组织变化,高温,体积变化,表层体积膨胀，压应力；,表层体积缩小，拉应力。,实际机械加工后表面层的残余应力及其分布，是冷态塑性变形、热态塑性变形和金相组织三方面因素综合作用的结果。,18,v,残余应力,（,热应力起主导作用，图,8-10,）,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,图,8-11,f,对残余应力的影响,工件：,45,，切削条件：,v,c,=86m/min,，,a,p,=2mm,，,不加切削液,残余应力,(,Gp,a,),0.20,0,0.20,0,100,200,300,400,距离表面深度,(,m),f,=0.40mm/r,f,=0.25mm/r,f,=0.12mm/r,切削加工情况：,切削热少时，冷态塑性变形为主；,切削热多时，热态塑性变形为主,f,残余应力,(,图,8-11),切削深度影响不显著,图,8-10,v,c,对残余应力的影响,0,=5,0,=5,r,=75,r,=0.8mm,工件：,45,切削条件：,a,p,=0.3mm,f,=0.05mm/r,不加切削液,0,50,100,150,200,距离表面深度,(,m),残余应力,(,Gp,a,),-0.20,0,0.20,v,c,=213m/min,v,c,=86m/min,v,c,=7.7m/min,8.3,机械加工后的表面层物理机械性能,8.3.3,机械加工后表面层的残余应力,19,没有金相组织变化，温度影响很小，塑性变形起主导作用,浅而小的残余压应力,轻磨削条件,中等磨削条件,热态塑性变形,+,金相组织变化,浅而大的残余拉应力,重磨削条件,磨削加工情况：,表面层残余应力状况取决于磨削条件。（图,8.11,）,8.3,机械加工后的表面层物理机械性能,8.3.3,机械加工后表面层的残余应力,热态塑性变形,+,金相组织变化,深而大的残余拉应力,20,磨削表面残余拉应力超过材料强度极限时，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。,磨削裂纹,8.3,机械加工后的表面层物理机械性能,8.3.3,机械加工后表面层的残余应力,21,选择适宜的磨削液,砂轮速度,，,背吃刀量,，,适当工件速度,，进给量,。,选择合理的磨削参数,磨削过程的计算机控制与自适应磨削。,选择有效的冷却方法,8.4,控制加工表面质量的工艺途径,8.4.1,减小残余拉应力、防止磨削烧伤和磨削裂纹的工艺途径,磨削热,，,磨削温度,磨削热传出速度,磨削温度,采用有效的冷却方法,22,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，凹下部分上凸，修正工件表面的微观几何形状,形成残余压应力，提高耐疲劳强度（图,8-14,）,利用大量快速运动珠丸打击工件表面,使工件表面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,控制加工表面质量的工艺途径,8.4.2,采用表面强化（冷压强化）工艺,23,珩磨,在高精度机床上加工。,精密加工工艺,光整加工工艺,8.4,控制加工表面质量的工艺途径,8.4.3,采用精密和光整加工工艺,超精加工,研磨,抛光,24,8.5,机械加工过程中的振动问题,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,8.5.2,振动的概念与类型,25,8.4.2,机械加工过程中的强迫振动,强迫振动产生原因,由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起的。,强迫振动振源：外部内部。,外部振源：通过机床地基传给机床的振动。,内部振源：,1,）电动机的振动；,2,）机床回转零部件质量的不平衡，,3,）机床传动件在运动传递过程中产生的振动，如齿轮啮合过程中的冲击等；,4,）液压传动系统的压力脉动；,5,）切削过程中的冲击振动。,8.5,机械加工过程中的振动问题,26,8.4.2,机械加工过程中的强迫振动,强迫振动的运动方程式,单自由度强迫振动系统模型：,8.5,机械加工过程中的振动问题,27,8.4.2,机械加工过程中的强迫振动,强迫振动的运动方程式,单自由度强迫振动系统模型：,8.5,机械加工过程中的振动问题,28,8.4.2,机械加工过程中的强迫振动,强迫振动的运动方程式,单自由度强迫振动系统模型：,8.5,机械加工过程中的振动问题,29,8.4.2,机械加工过程中的强迫振动,强迫振动的运动方程式,单自由度强迫振动系统模型：,8.5,机械加工过程中的振动问题,30,8.4.2,机械加工过程中的强迫振动,强迫振动的幅频特性曲线,8.5,机械加工过程中的振动问题,31,8.4.2,机械加工过程中的强迫振动,当,/,0,1,(,0,),时：,激振力,F,0,的频率极低，近似于静载荷，振幅接近于力,F,0,所产生的静位移。,准静态区：,1.3,的区域。,32,8.4.2,机械加工过程中的强迫振动,强迫振动的相频特性曲线,8.5,机械加工过程中的振动问题,33,8.4.2,机械加工过程中的强迫振动,无论系统的阻尼比,为何值，,当,1,(,0,),时，相位滞后角,90,；,当,1,(,0,),时，,1,(,0,),时，,90,。,当,=0,或很小时，,在,1,的前后，出现“反相现象”（即相位角由,0,跳到,180,。,强迫振动的相频特性曲线,8.5,机械加工过程中的振动问题,振动系统的动态刚度和动态柔度,动态刚度,振动系统在某一频率下产生的振幅与激振力的力幅之比。,动态柔度,动刚度的倒数。,34,8.4.2,机械加工过程中的强迫振动,8.5,机械加工过程中的振动问题,振动系统的动态刚度和动态柔度,在准静态区,（,1.3,）,动刚度主要取决于系统质量，此时有,在共振区,（,0.7,1.3,）,动刚度受阻尼影响很大。,阻尼比,0.2,时，用,1,时,的,K,d,为其刚度值。,35,8.4.2,机械加工过程中的强迫振动,频率特征：,强迫振动的固有频率与外界干扰力的频率相同。,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固有频率时，产生共振。外界干扰力越大，系统刚度及阻尼系数越小，强迫振动的振幅越大。,相角特征：,强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个,角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。,强迫振动的特性,8.5,机械加工过程中的振动问题,36,8.5.3,机械加工中的自激振动,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,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对比情况（图,8-16,）。,图,8-27,自激振动系统能量关系,A,B,C,能量,E,Q,E,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,8.5,机械加工过程中的振动问题,37,自激振动示例说明,振动元件对调节元件产生反馈作用，以便产生持续的交变力。如,图,8.24,中，小锤敲击电铃的频率是由弹簧片、小锤、衔铁的本身参数（刚度、质量、阻尼）所决定的,。阻尼及运动摩擦所损耗的能量由本身维持。这个过程就是区别于强迫振动的自激振动。,只要停止切削过程，即使机床仍继续空运转，自激振动也就停止了。所以可通过切削试验来研究工艺系统的自激振动。同时，也可以通过改变对切削过程有影响的工艺参数来控制切削过程，从而限制自激振动的产生。,图,8.24,电铃的自激振动,观看动画,38,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,8-17,再生自激振动原理图,f,切入,切出,y,0,y,a）,b）,y,0,y,切入,切出,f,c）,f,y,0,y,切入,切出,d）,切入,切出,f,y,0,y,产生条件（图,8-17,） ：,a,）,b,）,c,）,系统无能量获得；,d,）,y,滞后于,y,0,，,即,0,-,，,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,8.4.3,机械加工过程中自激振动,39,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,k,1,、,k,2,两组弹簧支撑（设,x,1,为低刚度主轴，图,8-18,）,图,8-18,车床刀架振型耦合模型,F,m,a,b,c,d,x,1,x,1,x,2,x,2,k,2,k,1,1,2,X,自激振动的产生：,k,1,=,k,2,，,x,1,与,x,2,无相位差,轨迹为直线，无能量输入,8.4.3,机械加工过程中自激振动,k,1,k,2,，,x,1,超前,x,2,，,轨迹,dcba,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,k,1,k,2,，,x,1,滞后于,x,2,，,轨迹为一顺时针方向椭圆，即：,abcd,。,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,。,40,减小激振力的幅值：减小回转元件的不平衡。,调整工艺系统的固有频率，避开共振区。一般要求：,消除或减弱强迫振动的措施,式中,f,和,f,n,分别为振源频率和系统固有频率,减少因传动而引起的振动：提高机床传动部件的制造精度。,x,2,x,2,x,1,x,1,x,1,x,1,x,2,x,2,图,8-19,两种尾座结构,（,7-33,）,8.5,机械加工过程中的振动问题,8.5.4,减少工艺系统振动的途径,判断振动类型,若振动频率与干扰力作用频率相同，且随干扰力作用频率的改变而改变，随干扰力作用的去除而消失,强迫振动。,若振动频率与系统固有频率相等或相近，机床转速改变时振动频率不变或稍变，随切削过程停止而消失,自激振动。,隔振,提高工艺系统的刚度及采用阻尼消振装置。,41,合理选择切削用量。,消除或减弱自激振动的措施,8.5,机械加工过程中的振动问题,8.5.4,减少工艺系统振动的途径,合理选择刀具的几何角度。,提高机床、工件、刀具自身的抗振性能。,采用减振装置。,42,4.9.4,机械加工中振动的防治,减小切削或磨削时的重叠系数（图,8-20,）,式中,b,d,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,f,a,砂轮宽度与轴向进给量。,图,8-20,重叠系数,a,p,f,a,B,振动方向,X,D,f,b,b,d,a,）,切削,b,）,磨削,r,r,，,（,8-3,）,43,减小重叠系数方法,图,8-21,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，图,8-21,）,增加主偏角,增大进给量,8.4.4,机械加工中振动的防治,44,提高工艺系统刚度,增大工艺系统阻尼,改善工艺系统动态特性,8.4.4,机械加工中振动的防治,阻尼材料,铸铁环,铸铁套筒,图,8-22,零件上加阻尼材料,45,图,8-23,摩擦式减振器,1,飞轮,2,摩擦盘,3,摩擦垫,4,螺母,5,弹簧,动力减振器,摩擦式减振器（图,8-23,）,冲击式减振器（图,8-24,）,8.4.4,机械加工中振动的防治,采用减振装置,图,8-24,冲击式减振镗刀与减振镗杆,1,冲击块,2,紧定螺钉,a,）,减振镗刀,b,）,减振镗杆,46,（,2,）磨削加工影响表面粗糙度的因素,1,）砂轮的粒度,磨粒越细表面粗糙度值越小,2,）砂轮的硬度,硬度适当表面粗糙度值小,6,）圆周进给速度和轴向进给量,粗糙度值增大,5,）径向进给量和光磨次数,径向进给量增加，,粗糙度值增大；光磨次数增多，粗糙度值减小,4,）磨削速度,提高磨削速度粗糙度值小,3,）砂轮的修整,微刃性等高性好粗糙度值小,7,）冷却润滑液,降低表面粗糙度值,47,2.,影响表面层物理力学性能的因素,（,1,）表面层的加工硬化,1,）加工硬化产生的原因,表层材料塑性变形剪切滑移晶格畸变晶粒伸长纤维化,加工硬化的评定指标：, 表层金属的显微硬度,HV,硬化层深度,h,硬化程度,N N =,（,HV,-,HV,0,）,/,HV,0,）,100%,）影响加工硬化的主要因素, 刀具 切削用量 工件材料,48,49,50,51,