械加工表面质量

,单击此处编辑母版标题样式,机械制造工艺学,机电工程学院,第四章,4 机械加工表面质量,学习目的,机械加工表面质量和加工精度一样都是影响零件加工质量的重要方面。因为产品的工作性能，尤其是可靠性和寿命等，很大程度上取决于主要零件的表面质量。,了解表面质量的含义及其对使用性能的影响；,掌握加工表面几何形状特征及其改善措施；,掌握表面物理力学性能变化及其改善措施；,初步了解机械加工中的两种振动及其控制措施,。,4 机械加工表面质量,4.1 概述,掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高产品性能的目的。,实践表明，,零件的破坏一般总是从表面层开始的,。产品的工作性能，尤其是它的,可靠性、耐久性,等，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量。,研究机械加工表面质量的目的,机械产品的失效形式,因设计不周而导致强度不够；,磨损、腐蚀和疲劳破坏。,少数,多数,4.1 概述,4.4.1 加工表面质量的含义,1表面的几何形状特征,(1)表面粗糙度,：,加工表面微观几何形状误差，,波长/波高50,。,(2)波度,：,波长/波高=501000,；且具有,周期性,，是由机械加工中,的,振动,引起的；,波长/波高1000,称为,宏观几何形状误差,(如,平面度、圆度、,圆柱度,等)，属于加工精度范畴，不在本章讨论之列；,(3)纹理方向：,表面刀纹的方向，它,取决于,表面形成过程中所采用的,机械,加工方法。,(4)伤痕,：,指在加工表面个别位置出现的缺陷，如,沙眼,、,气孔,、,裂痕,等,加工表面几何形状误差,表面层的物理力学性能,4.1 概述,a）,波度,b）,表面粗糙度,加工表面的粗糙度与波度,R,Z,H,R,Z,波度宽,波度高,图4-2 加工纹理方向及其符号标注,车、刨,铣、钻孔,磨削、超精加工,端铣、磨,非正规研磨,立铣、端铣、端磨,4.1 概述,2表面层物理,力学性能,(1)表面层金属的冷作硬化；,(2)表面层金属的金相组织变化；,(3)表面层金属的残余应力。,(1) 表面金属层的冷作硬化,指工件在加工过程中，表面层金属产生强烈的,塑性变形,，使工件加工表面层的,强度和硬度,都有所提高的现象。,(2) 表面金属层的金相组织变化,指的是加工中，由于,切削热的作用,引起表层金属,金相组织发生变化,的现象。如磨削时常发生的磨削烧伤，大大降低表面层的物理机械性能。,(3) 表面层的残余应力,切削变形和切削热的作用,，,工件表层及其基体材料的交界处产生相互平衡的,弹性应力,的现象。,4.1 概述,4.1.2 加工表面质量对使用性能的影响,1表面质量对耐磨性的影响,（1）表面粗糙度对耐磨性的影响,零件的磨损可分为三个阶段,不是表面粗糙度值越小越耐磨，在一定工作条件下，摩擦副表面总是存在一个最佳表面粗糙度值，表面粗糙度Ra值约为,m,较好,。,表面粗糙度对摩擦副的影响,第阶段 起始磨损阶段：,有效接触面积小 接触部分压强大,接触点发生弹性、塑性变形及剪切 脱落的金属微颗,粒加剧磨损，所以初始阶段磨损速度快,第阶段 正常磨损阶段：,有效接触面积增大 接触压强减小,磨损速度减缓。,第阶段 快速磨损阶段：,随着有效接触面积的不断增大，运动副,两金属面间的分子亲和力增加 咬合作用增大,急剧磨损,4.1 概述,（2）表面纹理对耐磨性的影响,重载情况下,，,由于压强、分子亲和力和润滑液的储存等因素的变化，其规律与上述有所不同。,表面纹理方向影响零件表面的,实际接触面积,和,润滑液的存留,。,圆弧状、凹坑状,表面纹理的耐磨性好；尖峰状的表面纹理由于摩擦副接触面压强大，耐磨性差。,轻载时,，两表面的纹理方向与相对运动方向一致时，磨损最小；当两表面纹理方向与相对运动方向垂直时，磨损最大,。,运动副中,，两相对运动零件表面刀纹方向均与运动方向,相同时，耐磨性好,；刀纹方向均与运动方向,垂直时,，,耐磨性差。,4.1 概述,（3）冷作硬化对耐磨性的影响,由于加工硬化,提高,了表面层金属的,显微强度,，,降低了塑性,，减少了摩擦副接触表面的塑性变形和弹性变形而减少了磨损。一般能提高耐磨性0.5 1倍。,过度,的加工,硬化,会使金属组织,疏松,，甚至出现,疲劳裂纹,和产生剥落现象，从而使耐磨性,下降,。,见图4-5,图4-5 T7A钢车削后，冷作硬化与耐磨性的关系,4.1 概述,2表面质量对耐疲劳性的影响,（1）表面粗糙度对耐疲劳性的影响,在交变载荷作用下，零件表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷易于在,凹谷,部位形成,应力集中,，并发展成,疲劳裂纹,，导致工件,疲劳破坏,。总之，,表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件的耐疲劳性越好；,反之，加工表面越粗糙，纹底半径越小，其抵抗疲劳破坏的能力越差。因此，对于重要零件表面如连杆、曲轴等，应进行光整加工，减小表面粗糙度值，提高其疲劳强度,。,（2）表面层的物理力学性能对耐疲劳性的影响,表面层金属的冷作硬化能,阻碍已有裂纹的生长和新裂纹的产生,，有助于提高耐疲劳强度。但冷作硬化的同时，必然伴随产生残余应力，残余应力存在,拉,应力和,压,应力之分，残余,拉,应力将使耐疲劳强度,降低,；,残余,压,应力将使耐疲劳强度,提高,。,4.1 概述,3表面质量对耐蚀性的影响,残余,压,应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可,增强,零件的耐腐蚀性；,表面粗糙度的影响,表面粗糙度值越大，越容易积聚腐蚀性物质；,波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。,零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度,表面残余应力对零件耐腐蚀性影响,残余,拉,应力则,降低,耐腐蚀性,4.1 概述,加工表面腐蚀过程示意图,4.1 概述,4表面质量对零件配合质量的影响,表面残余应力会引起零件,变形,，,使零件,形状和尺寸,发生变化,，,因此对配合性质有一定的影响。,相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。,表面粗糙度,的影响,对间隙配合而言，表面粗糙度值,太大,，会使配合表面很快,磨损,而,增大配合间隙,，改变配合性质，降低配合精度。,对过盈配合而言，装配时配合表面的波峰被挤平,，,减小实际过盈量,，降低了连接强度，影响了配合的可靠性。,表面残余应力,的影响,4.2 加工表面粗糙度及其改善措施,影响加工,表面粗糙度的工艺因素,几何因素,物理因素,两方面共同作用,4.2.1 切削加工后的表面,影响因素：,刀尖圆弧半径,、,主偏角,、,副偏角,、,进给量,切削加工表面粗糙度值取决于切削,残留面积的高度,H,。,H,f,a）,v,f,f,r,H,v,f,r,b）,图4-6 车削、刨削时残留面积的高度,尖刀切削,圆弧刀刃切削,切削加工改善措施：,刀尖圆弧半径,、,主偏角,、,副偏角,、,进给量,4.2 加工表面粗糙度及其改善措施,塑性变形会造成切削加工后表面粗糙度的实际轮廓形状与纯几何因素所形成的理论轮廓有较大的差别。,切削速度影响最大：,v = 10,50m/min,范围，易产生,积屑瘤和鳞刺,，表面粗糙度值最大,（图,4-7,）,。,4,8,12,16,20,24,28,图4-7 加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响,100,120,v,（m/min）,0,20,40,60,80,140,表面粗糙度,R,z,（,m）,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,可见，在实际加工中采用,低速宽刀精切和高速精切,可以获得较小的表面粗糙度值。,4.2 加工表面粗糙度及其改善措施,工件材料的因素：,加工,脆性材料,时，,切削速度,对表面粗糙度的,影响不大,。,加工脆性材料比塑性材料容易达到表面粗糙度值要求。,金相组织,：,对同样材料来说，,金相组织越粗大，切削后的表面粗糙度值也越大,。精加工前进行,调质,热处理可以得到,均匀细密,的晶粒组织和较高的,硬度,。,合理选择,切削液,，适当增大,刀具前角,，提高,刀具刃磨质量,等，均能有效地减小表面粗糙度值,。,4.2 加工表面粗糙度及其改善措施,4.2.2 磨削加工后的表面,磨削加工后的表面粗糙度的形成过程与切削过程一样，也是由,几何因素和物理因素,（塑性变形）决定的，但过程更加复杂。,1. 几何因素的影响,磨削表面,是由磨粒在工件表面上刻划出的,无数细微的沟槽,形成的。单位面积上刻痕越,多,，刻痕,等高性,越好，则磨削表面的,粗糙度,值越小。,（1）,切削用量对表面粗糙度的影响,砂轮的速度,，单位时间内的磨削量,，,表面粗糙度,；,工件的速度,，单位时间内的磨削量,，,表面粗糙度,；,砂轮纵向进给速度,，每部位重复磨削次数,，,表面粗糙度,。,4.2 加工表面粗糙度及其改善措施,（2）砂轮的粒度和砂轮的修整对表面粗糙度的影响,砂轮的粒度,磨粒的大小,磨粒间的距离,砂轮的,粒度号,，,参与磨削,的磨粒,，,表面粗糙度,；,砂轮的粒度号越大，磨粒和磨粒间离越小,修整,砂轮时，,纵向进给量,对表面粗糙度的,影响甚大,；,纵向,进给量,，,砂轮表面的,等高性,越好 ，,表面粗糙度,；,修正后的磨粒微刃,4.2 加工表面粗糙度及其改善措施,2. 金属表面层的塑性变形,物理因素的影响,在磨削过程中，磨削速度高，且磨粒大多为负前角，磨削比压大，对加工表面产生,挤压作用强烈,而使表面出现,塑性变形，,磨削区的,高温,更加剧了,塑性变形,，增大了表面粗糙度值。,砂轮转速,，,切削速度,，,工件材料,来不及变形，,塑性变形,，,表面粗糙度,工件转速,，,工件材料塑性变形,，,表面粗糙度,；,v,w,= 40(m/min),f,= 2.36(m /min),a,p,= 0.01(mm,),v,= 50(m/s),f,= 2.36(m /min),a,p,= 0.01(mm),v,(m/s),v,w,(m/min),R,a,(,m),0,30,40,50,60,0.5,1.0,（1）磨削用量,图4-8 砂轮速度、工件速度对粗糙度的影响,4.2 加工表面粗糙度及其改善措施,a,p,(mm),磨削深度,，,工件材料塑性变形,，,表面粗糙度,；,另外：,光磨次数,，,Ra,0,0.01,0.4,0.8,R,a,(,m),0,0.2,0.6,0.02,0.03,0.04,v,= 50(m/s),v,w,= 40(m /min),f,= 2.36(m/min),图4-8 背吃刀量对粗糙度的影响,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,细粒度砂轮,4.2 加工表面粗糙度及其改善措施,砂轮的,粒度,、,硬度,、,组织,和,材料,的选择不同，对磨削表面层金属的金属塑性变形产生影响，进而,影响表面粗糙度,。,砂轮的粒度,越细（号数大），则砂轮单位面积上的磨粒数越多，磨削表面的刻痕越细，表面粗糙度值越小；但粒度,过细,，砂轮易堵塞，使表面组糙度值增大，同时还易产生,波纹,和引起,烧伤。,一般砂轮粒度取4660号。,（2）砂轮的选择,砂轮的硬度,是指磨粒受磨削力后从砂轮上脱落的难易程度。,砂轮,太硬,，,磨粒磨损后不易脱落，使工件表面受到强烈的摩擦和挤压，增加了塑性变形，表面粗糙度值增大，同时还容易引起烧伤；砂轮,太软,，,磨粒易脱落，磨削作用减弱，也会增大表面粗糙度值,。通常选用,中软硬度,砂轮。,4.2,加工表面粗糙度及其改善措施,砂轮,磨削时温度高,，热的作用占主导地位。采用,切削液,可以,降低,磨削区,温度,，减少,烧伤,，,冲去脱落的砂粒和切屑，,以免划伤工件，从而降低表面粗糙度度值。但必须选择适当的冷却方法和切削液,。,砂轮的组织,是指磨粒、结合剂、和气孔的比例关系。,紧密组织,磨粒比例大、气孔小，能获得高精度和较小的表面粗糙度值。适于精密磨削。,疏松组织,的砂轮不易堵塞，适于磨削软金属、非金属软材料和热敏性材料（磁钢、不锈钢、耐热钢等），可获得较小的表面粗糙度值。,一般选中等组织的砂轮。,砂轮的材料,：,氧化物,（刚玉）,钢类；,碳化物,（碳化硅、碳化硼）,铸铁、硬质合金；,高硬度材料,（人造金刚石、六方碳化硼）,精密磨削，成本高。,4.2 加工表面粗糙度及其改善措施,铝、铜,合金等软材料,易堵塞砂轮,，比较难磨。,塑性大、导热性差,的,耐热合金,易使砂粒早期崩落，导致磨削表面粗糙度值增大。,粗糙度与工件材质有关的因素,包括材料的,硬度,、塑性、,导热性,等,。,对表面粗糙度有显著影响,4.2 加工表面粗糙度及其改善措施,1、不选择切削用量，只限定压强和加工时间；,2、无需精密机床；,3、降低表面粗糙度效果明显，提高精度不明显；,4、加工余量小,超精加工方法介绍,超精研,、研磨、,珩磨,、,抛光,超精加工的共同特点,：,4.2 加工表面粗糙度及其改善措施,（一）超精研,1、工作原理：,采用细粒度的磨条在一定压力和切削速度下往复运动，对表面进行光整加工。,加工运动：,A、,工件低速回转运动,；B、,磨条轴向进给运动;,C、,磨条高速往复振动,。,4.2 加工表面粗糙度及其改善措施,2、切削过程：可分为四个阶段,（1）,强烈切削阶段：,少数波峰上压强很大，切削作用剧烈。,（2）,正常切削阶段：,接触面积增大，接触压强减小，切削作用减弱。,（3）,微弱切削阶段：,接触面积进一步增大，接触压强进一步减小，磨条起抛光作用。,（4）,停止切削阶段：,工件被研平，接触压强很小，磨条与工件之间形成油膜，切削停止。,4.2 加工表面粗糙度及其改善措施,（二）研磨,研磨可以达到很高的精度和表面质量。,基本原理,：,通过介于工件和硬质研具之间的磨料或研磨液的流动产生机械摩擦和化学作用去除微小加工余量。,研磨加工原理示意图,研磨液,游离的,磨粒,4.2 加工表面粗糙度及其改善措施,1、研磨特点：,（1）,研具较软，以铸铁、塑料、硬木制成。,（2）,磨料中混有化学物质，机械与化学作用同时进行，磨粒运动轨迹复杂，保证均匀性。,（3）,加工表面质量高。,2、研具：,磨具应软硬适当,组织均匀。粗研采用铜、铝，精研采用铸铁。,3、研磨剂,：,研磨剂为,磨料与油脂,的混合剂。,磨料种类：,金刚石微粉,碳化硅,氧化铝等。,油脂种类：,油酸,凡士林,变压器油 -,起调和磨料，防,化学腐蚀作用。,4.2 加工表面粗糙度及其改善措施,4、研磨参数,（1）磨料粒度：,粒度,，则,粗糙度,，,效率,。,（2）研磨速度：,一般研磨速度,，,精研速度,。,（3）研磨余量：,手工研磨余量,10m，,机械研磨余量,W,振入,振动系统在各主振模态间互相耦合，互相关联而产生的自激振动，称,振型耦合型颤振。,y,z,（2）振型耦合原理,实际的振动系统一般都是多自由度系统,。,式中,A,y, y,向振幅,A,z, z,向振幅, z,向相对于向在主振频率,上的相位差。,图4-32 振型耦合型颤振原理示意图,4.4 机械加工中的振动,4.4 机械加工中的振动,（3）负摩擦原理,图4-34,可知，在某些速度区段内，切削力,F,y,随切削速度,v,增加而减小，具有下降特性,。,图4-35,（a）,所示的车床刀架在y方向上的振动运动：,当刀架由于外界偶然干扰在,y,方向上作振动运动时，切屑相对于刀具的相对运动速度,（v,o,-y）,与振动位移,y,的关系，,如图4-35,（b）,。因而，振出阶段的力总是大于振入阶段的力，即,F,振出,F,振入,，,如图4-35（c）,。,故加工系统有自己振动产生。,这种由于切削过程中存在负摩擦特性而产生的自己振动，称为,摩擦型颤振,。,振出,4.4 机械加工中的振动,4.4.4 机械加工中振动的控制,（1）受迫振动的诊断方法,消除或减弱产生机械振动的条件；,改善工艺系统的动态特性，增强工艺系统的稳定性,；,采取各种消振减振装置。,机械加工中控制振动的途径,基本途径,测出振动的频率，判断性质。,受迫振动的频,率与激振力频率相等或是它的整数倍。,a 简单方法,：,数出工件表面的波纹数，然后根据切削速度计算出振动频率。,b,较完善的方法：,对机床的振动信号进行功率谱分析、功率谱中的尖峰点对应的频率就是机床振动的主要频率。,测定振动频率的方法,4.4 机械加工中的振动,对于,高转速（600rmin以上）零件，如砂轮、卡盘、电动机转子及刀盘等，,必须进行平衡以减小和消除激振力,；,提高带传动、链传动、齿轮传动及其他传动结构的稳定性，如采用完善的带接头、以斜齿轮或人字齿轮代替直齿轮等；,使动力源与机床本体放在两个分离的基础上。,（2）消除或减弱产生强迫振动的条件, 减小激振力, 调整振源频率,在选择转速时，尽可能使引起强迫振动的振源的频率,避开共振区,。使工艺系统部件在准静态区或惯性区运行，以免发生共振。, 采取隔振措施,隔振方式,主动隔振,阻止机床振源通过地基外传；,被动隔振,阻止外干扰力通过地基传给机床,。,4.4 机械加工中的振动,不论哪种隔振方式，都是用弹性隔振装置将需防振的机床或部件与振源之间分开，使大部分振动被吸收，从而达到减小振源危害的目的。,常用的隔振材料：,橡皮、,金属弹簧,、,空气弹簧,、,泡沫,、,乳胶,、,软木,、,矿渣棉,、木屑,等。,4.4 机械加工中的振动,2. 消除或减弱产生自激振动的条件,切削进给量和切削深度与振幅的关系曲线表明，选较大的进给量和较小的切削深度有利于减小振动。,（1）合理选择切削用量,从切削速度与振幅的关系曲线，可看出在低速或高速切削时，振动较小。,4.4 机械加工中的振动,（2）合理选择刀具几何参数,刀具几何参数中对振动影响最大的是,主偏角,和,前角,。,主偏角,增大，则垂直于加工表面方向的切削分力减小，实际切削宽度减小，故不易产生自振。,如左图所示,，,前角越大，切削力越小，振幅也小。,如上图所示，,主偏角90,o,时，振幅最小；主偏角 90,o,，振幅增大,。,30,5,4.4 机械加工中的振动,适当减小刀具,后角,(a,0,2,o, 3,o,)，可以增大工件和刀具后刀面之间的摩擦阻尼；,在后刀面磨出带有负后角的,消振棱,，如图所示。,（3）增加切削阻尼,4.4 机械加工中的振动,3. 增强工艺系统抗振性和稳定性的措施,首先,要提高工艺系统薄弱环节的刚度，合理配置刚度主轴的位置，使小刚度主轴位于切削力和加工表面法线方向的夹角范围之外。如调整主轴系统、进给系统的间隙，合理改变机床的结构，减小工件和刀具安装中的悬伸长，车刀反装切削等。,（1）提高工艺系统的刚度,其次,是减轻工艺系统中各构件的质量，因为质量小的构件在受动载荷作用时惯力小。,图4-42 削扁镗杆,4.4 机械加工中的振动,工艺系统的阻尼主要来自零部件材料的内阻尼、结合面上的摩擦阻尼以及其他附加阻尼。,（2）增大系统的阻尼,选用阻尼比大的材料制造零件；把高阻尼的材料附加到零件上去。如图所示的,薄壁封砂的床身结构，可提高抗振性。,增大系统的阻尼的方法,增加摩擦阻尼,，对于机床的活动结合面，可通过间隙调整,施加预紧力增大摩擦,；对于固定结合面，,选用合理的加工方法,、表面粗糙度等级、结合面上的比压以及固定方式等，,增加摩擦阻尼,。,4.4 机械加工中的振动,4.4 机械加工中的振动,4. 采用各种消振减振措施,如果不能从根本上消除产生机械振动的条件，又不能有效地提高工艺系统的动态特性，为保证加工质量和生产率，就要采用消振减振装置。,(1) 摩擦式减振器,它是利用固体或液体的摩擦阻尼来消耗振动的能量,。,常用的减振装置有：,如图所示，,通过阻尼套和主轴间隙中的粘性油的阻尼作用来减振。,4.4 机械加工中的振动,4.4 机械加工中的振动,它是用弹性元件把一个附加质量块连接到振动系统中，利用附加质量的动力作用，使弹性元件加在系统上的力与系统的激振力相抵消。,(2),动力式减振器,如图所示：在振动系统中增加了附加系统,m,2,后，则变为两自由度系统。只要,参数m,2,、,2,及,k,2,选取得合适，原系统的,m,1,就不再振动，只有附加系统(减振器),m,2,在振动，从而达到减振目的,。,4.4 机械加工中的振动,4.4 机械加工中的振动,(3)冲击式减振器,它是由一个与振动系统刚性连接的壳体和一个在壳体内自由冲击的质量块所组成，,当系统振动时，自由质量块反复冲击壳体，以消耗振动能量，,达到减振的目的。,4.4 机械加工中的振动,为了获得,最佳碰撞条件,，希望