1、第5章 机械加工表面质量,5.1 表面质量的含义及其对零件使用性能的影响 5.2 表面粗糙度及其影响因素 5.3 控制加工表面质量的措施 5.4 振动对表面质量的影响及其控制,1）表面层的加工硬化 2）表面层金相组织的变化 3）表面层的残余应力,（2）表面层的物理力学性能,（1）表面的几何形状特征,1）表面粗糙度 微观误差 波距1mm 2）表面波度 微观与宏观之间波距110mm,表面质量的基本概念,5.1 表面质量的含义及其对零件使用性能的影响,5.1.1 表面质量的含义,表面质量的主要内容： 表面层的几何形状特征 表面粗糙度：即表面微观几何形状误差 表面几何形状：即表面宏观不平度 波度：介于
2、宏观几何误差与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差,零件的表面质量及其对使用性能的影响,表面层的物理力学性能的变化 物理力学性能： 表面层塑性变形引起的冷作硬化层深度；表面层硬度的变化；表面层内的残余应力；刀瘤引起的撕裂、折皱等；微观及宏观裂纹；性能（如极限强度等）的变化；重熔金属的沉积层,零件的表面质量及其对使用性能的影响,金相组织： 相变；再结晶；过时效。 化学性质： 晶间腐蚀和选择性浸蚀；表面脆化（氢脆）,零件的表面质量及其对使用性能的影响,1 表面质量对零件耐磨性的影响,零件磨损三个阶段： 初期磨损阶段 正常磨损阶段 剧烈磨损阶段,一般来说表面粗糙 度值越小耐磨性越 好。但太小不易储 油
3、接触面发生分子 粘接，磨损增加。,表面加工硬化使表 层硬度增加耐磨性 提高。但硬化过度 会使表层剥落，加 快零件的磨损。,表面金相组织的变 化会导致表层硬度 发生变化，影响零 件的耐磨性。,5.1.2 表面质量对零件使用性能的影响,表面冷作硬化对耐磨性的影响,加工表面的冷作硬化，使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。但也不是冷作硬化程度愈高耐磨性就愈高，这是因为过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降。 如果表面层的金相组织发生变化，其表层硬度相应地也随之发生变化，影响耐磨性。,金属受交变载荷作用后产生的疲劳破坏往往发生在零件表面或表面
4、冷硬层下面，因此零件的表面质量对疲劳强度影响较大。 (1)表面粗糙度对疲劳强度的影响 (2)残余应力、冷作硬化对疲劳强度的影响,2.表面质量对疲劳强度的影响,3.表面质量对耐蚀性的影响,零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物 质就愈多，抗蚀性就愈差。 表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐蚀性，而残余压应力则能防止应力 腐蚀开裂。,4.表面质量对配合质量的影响,表面粗糙度值的大小将影响配合表面的配合质量。对于间隙配合，表面粗糙度值大会使磨损 加大，间隙增大，破坏了要求的配合性质。对于过盈配合，装配过程中一部分表面凸峰被挤平， 实际过盈量减小
5、，降低了配合件间的联接强度。,影响表面粗糙度的因素,1）刀具几何形状的影响,H=f /(cotr+cotr),H=r(1-cos) f 2/8 r,减小f 、r 、r及加大r ，可减小残留面积的高度,5.2 表面粗糙度及其影响因素,5.2.1 切削加工中影响表面粗糙度的因素,2）工件材料的性质,工件材料塑性越好，塑性变形越大，易产生积屑瘤和 鳞刺，加工表面粗糙。适当增大刀具前角，提高刃磨 质量，合理选择切削液，抑制积屑瘤和鳞刺。,3）切削用量,切削速度对表面粗糙 度影响很大，切削塑 性材料时切削速度处 在产生积屑瘤和鳞刺 范围内，加工表面粗 糙。,1）砂轮的粒度 磨粒越细表面粗糙度值越小,2）
6、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,5.2.2 磨削加工中影响表面粗糙度的因素,1表面层的加工硬化 表面冷作硬化现象 切削（含磨削）过程中，刀具前面迫使金属受到挤压而产生塑性变形，使晶体间产生剪切滑移，晶格严重扭曲，并使晶粒拉长、破碎和纤维化，引起材料强化、硬度提高，这就是冷作硬化现象,5.2.3 影响表面层物理、力学性能变化的因素,表面层硬化后的金属性质
7、的具体特点为： 晶体形状改变（拉长、破碎） 晶体方向改变（塑性变形后形成一定方向，纤维化） 变形抵抗力增加（产生冷作硬化） 导电性、导磁性、导热性亦有变化 表面层产生残余应力 决定表面层硬化程度的因素 产生塑性变形的力 塑性变形的速度 塑性变形时的温度,影响加工冷作硬化的因素 切削用量（主要是切削速度、进给量。切削速度的影响：低速时，塑性变形大，冷硬大；速度增加，冷硬减少；但速度超过100m/min时，冷硬又增加。进给量增大，塑性变形增大，冷硬增加；进给量太小，刀具挤压作用增大，冷硬增加。）,刀具（刀具的刃口圆角大和后刀面的磨损严重以及前刀面的粗糙度高，都将使得刀具对工件表面层金属的挤压和摩擦
8、作用增加，因而冷硬程度和深度都增加。） 工件材料的影响（工件材料硬度越低，切削时塑性变形越大，冷硬现象越严重。）,2.表面层材料金相组织变化,(1)磨削烧伤 当被磨工件表面层温度达到相变温度以上时，表层金属发生金相组织的变化，使表层金属强度、硬度降低，并伴随有残余应力产生，甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。 1)回火烧伤 2)淬火烧伤 3)退火烧伤,(2)改善磨削烧伤的途径 磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤有两个途径：一是尽可能地减少磨削热的产生；二是改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。 1)正确选择砂轮 2)合理选择磨削用量 3)改善冷却条件,2.表面层材料金相组织变化
9、,3.表面层残余应力,1)切削时在加工表面金属层内有塑性变形发生，使表层金属的比体积加大，由于塑性变形只在表层金属中产生，而表层金属比体积增大，体积膨胀，不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻止，因此就在表面金属层产生了残余压应力，而在里层金属中产生残余拉应力。,(1)产生残余应力的原因,2)切削加工中，切削区会有大量的切削热产生,图5-49 由于切削热在表层金属产生残余拉应力的分析图,(1)产生残余应力的原因,3)不同的金相组织具有不同的密度(马氏体=7.75t/m3，奥氏体=7.96t/m3，铁素体=7.88t/m3，珠光体=7.78t/m3)，亦即具有不同的比体积。,(1)产生残余应力的
10、原因,(2)零件主要工作表面最终工序加工方法的选择,选择零件主要工作表面最终工序加工方法，须考虑该零件主要工作表面的具体工作条件和可能的破坏形式。 在交变载荷作用下，机器零件表面上的局部微观裂纹，会因拉应力的作用使原生裂纹扩大，最后导致零件断裂。从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑，该表面最终工序应选择能在该表面产生残余压应力的加工方法。,提高加工表面质量的加工方法有两大类： 低效率、高成本的工艺措施，寻求各工艺参数的最佳组合，以降低表面粗糙度 着重改善表面的物理力学性能，提高工件的表面质量,5.3 控制加工表面质量的措施,1降低表面粗糙度的加工方法 超精密切削和低粗糙度磨削 主要是在机床上下功夫
11、 采用超精加工、珩磨、研磨、抛光等方法作为终工序加工,2改善表面物理力学性能的加工方法 滚压加工 利用淬过火的滚压工具对工件表面施加压力，使其产生塑性变形，金属表面晶格产生畸变，硬度增加，并使表面冷和产生残余（压）应力，从而提高零件的承载能力和疲劳强度,喷丸强化 利用大量的珠丸（0.42的铸铁、砂石或钢丸）高速打击已加工表面，使表面产生冷硬层和残余（压）应力，从而提高零件的疲劳强度,1.机械加工过程中的强迫振动 机械加工中的强迫振动与一般机械中的强迫振动没有什么区别，强迫振动的频率与干扰力的 频率相同或是它的倍数。强迫振动的振源有来自机床内部的机内振源和来自机床外部的机外振源两大类。,5.4
12、振动对表面质量的影响及其控制,一、机械加工过程中的强迫振动,2.机械加工过程中强迫振源的查找方法,图5-50 振动信号的时间历程图和频谱图,第一步可对在加工现场拾取的振动信号 (见图a) 进行频谱分析，以确定强迫振动的频率成分(如图b中的f1、f2)；第二步对机床加工中所有可能出现的强迫振源频率进行估算，列出振源频率数据表备查；第三步将经过频谱分析得到的强迫振动的频率与振源频率数据表进行比较，找出产生强迫振动的振源；第四步通过试验来验证上面所找的振源是否正确。,1)机械加工中的自激振动是在没有周期性外力 (相对于切削过程而言) 干扰下所产生的振动运动，这一点与强迫振动有原则区别。 2)自激振动
13、的频率接近于系统的某一固有频率，或者说，颤振频率取决于振动系统的固有特性。这一点与强迫振动根本不同，强迫振动的频率取决于外界干扰力的频率。 3)自由振动受阻尼作用将迅速衰减，而自激振动却不因有阻尼存在而衰减为零。,二、机械加工过程中的自激振动 (颤振),1.机械加工过程中的自激振动,2.机械加工过程中产生自激振动的条件,如果在一个振动周期内，振动系统从电动机获得的能量大于振动系统对外界做功所消耗的能量，若两者之差刚好能克服振动时阻尼所消耗的能量，则振动系统将有等幅振动运动产生。,图5-53 车削外圆单自由度振动系统模型,3.机械加工过程中自激振动的激振机理,在金属切削过程中，除极少数情况外，刀
14、具总是部分地或完全地在带有波纹的表面上进行切削的。首先来研究车刀作径向切削的情况，此时车刀只作横向进给，车刀将完全地在工件前一转切削时留下的波纹表面上进行切削，如图所示。,(1)振纹再生原理,图5-54 自由正交切削,(2)振型藕合原理,图5-57 振型耦合型颤振原理示意图,实际振动系统一般都是多自由度系统。,3.机械加工过程中自激振动的激振机理,三、控制机械加工振动的途径,1.消除或减弱产生振动的条件,(1)消除或减弱产生强迫振动的条件 1)减小机内外干扰力 2)调整振源频率 3)采取隔振措施,(2)消除或减弱产生自激振动的条件 1)减小重叠系数 2)减小切削刚度 3)增加切削阻尼,1.消除
15、或减弱产生振动的条件,(3)调整振动系统小刚度主轴的位置,图5-60 削扁锤杆,1.消除或减弱产生振动的条件,(1)高工艺系统的刚度 提高工艺系统薄弱环节的刚度，可以有效地提高机床加工系统的稳定性。增强联接结合面的接触刚度、对滚动轴承施加预载荷、加工细长工件外圆时采用中心架或跟刀架、镗孔时对镗杆设置镗套等措施，都可以提高工艺系统的刚度。 (2)增大工艺系统的阻尼 工艺系统的阻尼主要来自零件材料的内阻尼、结合面上的摩擦阻尼以及其它附加阻尼。,2.工艺系统的动态特性,3.各种消振减振装置,(1)动力式减振器,图5-62 动力式减振器 1橡皮圈 2橡皮垫 3主振系统质量m1 4弹簧阻尼元件 5附加质量m1,(2)摩擦式减振器,图5-63 装在车床尾座上的摩擦减振器 1后顶尖 2填料圈 3尾座套筒,3.各种消振减振装置,(3)冲击式减振器,图5-64 冲击式减振镗杆和镗刀,3.各种消振减振装置,
