机械制造第四章4-5节

第四章机械加工质量及其控制(3)天津科技大学机械工程学院2第四节机械加工表面质量一、加工表面质量的概念•1.加工表面的几何形貌•与加工过程切削残留面积、切削塑性变形和振动等有关。3(1)表面粗糙度:L/H＜50，称为微观几何形状误差，亦称表面粗糙度；(2)表面波纹度：L/H＝50～1000，称为波纹度，它是由机械加工振动引起的；(3)表面纹理方向：加工表面刀痕纹理的方向；(4)表面缺陷：加工表面出现的砂眼、气孔、裂痕等缺陷。•L/H＞1000称为宏观几何形状误差，例如圆度误差、圆柱度误差等，它们属于加工精度范畴42．表面层材料的物理力学性能（1）表面层的冷作硬化加工过程中表面层金属产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长，使表面层金属的硬度增加，塑性减小，统称为冷作硬化。（2）表面层残余应力机械加工过程中由于切削变形和切削热等因素的作用在工件表面层材料中产生的内应力，称为表面层残余应力。在铸、锻、焊、热处理等加工过程产生的内应力是在整个工件上平衡的应力，会引起工件的变形；表面层残余应力的重新分布不会引起工件变形，但它对机器零件表面质量有重要影响。（3）表面层金相组织变化机械加工过程中，在工件的加工区域，温度会急剧升高，当温度升高到超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织变化。5二、加工表面质量对机器使用性能的影响1．表面质量对耐磨性的影响•零件的耐磨性不仅与摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件有关，而且还与摩擦副表面质量有关。(1)表面粗糙度对耐磨性的影响(2)表面冷作硬化对耐磨性的影响(3)表面纹理对耐磨性的影响62．表面质量对零件疲劳强度的影响•减小Ra、一定的冷作硬化、表面层残余压应力可提高零件的疲劳强度。•但冷作硬化强度过高时，Ra增大会降低疲劳强度。3．表面质量对抗腐蚀性能的影响•加工表面的冷作硬化和残余应力，有促进腐蚀的作用。•减小Ra，控制表面加工硬化和残余应力，可以提高零件的抗腐蚀性能。4．表面质量对零件配合性质的影响•对于间隙配合，粗糙增大，使配合间隙增大，降低配合精度；•对于过盈配合，粗糙增大，将降低过盈配合的连接强度。7三、加工表面的表面粗糙度对于刀尖圆弧半径rε＝0的刀具，工件表面残留面积的高度：对于刀尖圆弧半径的刀具，H应为减小f、、及增大，均可减小残留面积的高度H值。'(4-36)cotcotrrfH1cos2tan2421cos2ffH2(4-37)8fHrr'rr0r8加工塑性材料时，切削速度对加工表面粗糙度的影响如图4－56所示。9适当增大刀具的前角，可以降低被切削材料的塑性变形；降低刀具前刀面和后刀面的表面粗糙度可以抑制积屑瘤的生成；增大刀具后角，可以减少刀具和工件的摩擦；合理选择冷却润滑液，可以减少材料的变形和摩擦，降低切削区的温度；采取上述各项措施均有利于减小加工表面的粗糙度。10四、加工表面的物理力学性能（一）表面层材料的冷作硬化•1．冷作硬化及其评定参数•切削过程中产生的塑性变形，会使表层金属的晶格发生扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长，甚至破碎，这些都会使表层金属的硬度和强度提高，这种现象称为冷作硬化，亦称强化。•评定冷作硬化的指标：•式中HV。为工件内部金属的显微硬度。00100%HVHVNHV11２.影响冷作硬化的主要因素①刀具②切削用量③工件材料（二）表面层材料的金相组织变化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。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，表层硬度↑，下层硬度↓；3）退火烧伤表层产生退火组织表面硬度。改善磨削烧伤的途径：1）尽可能减少磨削热的产生；2）改善冷却条件12•右图内冷却装置解决了外部浇注冷却液进不到磨削区的难题。13（三）表面层的残余应力残余应力产生的原因：1）表层材料比体积增大；2）切削热的影响如图4-58；3）金相组织的变化。14152．零件主要工作表面最终加工工序加工方法的选择•工件最终加工工序在被加工工件表面上留下的残余应力将直接影响机器零件的使用性能。且与机器零件的失效形式密切相关。机器零件失效主要有以下三种不同的形式：•(1)疲劳破坏•(2)滑动磨损•(3)滚动磨损16第五节机械加工过程中的振动机械加工过程中产生的振动，是一种十分有害的现象，因为：1）刀具振动会使加工表面产生波纹，这将严重影响零件的使用性能。2）刀具振动，切削截面、切削角度等将随之发生周期性变化，刀具易于磨损（有时甚至崩刃），机床的连接特性会受到破坏。3）为了避免振动发生或减小振动，有时不得不降低切削用量，限制了生产效率的提高。综上，机械加工中的振动对于加工质量和生产效率都有很大影响，须采取措施控制振动。17一、机械加工过程中的强迫振动•强迫振动——指在外界周期性于扰力的持续作用下，振动系统受迫产生的振动。机械加工过程中的强迫振动的频率与干扰力的频率相同或是其整数倍；当干扰力的频率接近或等于工艺系统某一薄弱环节固有频率时，系统将产生共振。强迫振动振源来自于机床内部的机内振源和来自机床外部的机外振源。如果确认是强迫振动，就要查找振源，消除振源或减小振源。18二、机械加工过程中的自激振动(颤振)与强迫振动相比，自激振动具有以下特征：l）机械加工中的自激振动是指在没有周期性外力（相对于切削过程而言）干扰下产生的振动运动。2）自激振动的频率接近于系统某一薄弱振型的固有频率。19三、自激振动的激振机理1．振纹再生原理在切削的过程中，若受到一个瞬时的偶然扰动力的作用，刀具与工件便会产生相对振动（属自由振动），振动的幅值将因系统阻尼的存在而逐渐衰减。但该振动会在已加工表面上留下一段振纹。如图4-49所示，由于切削厚度变化效应（简称再生效应）而引起的自激振动称为再生型切削颤振。202．振型耦合原理实际振动系统一般都是多自由度系统。图4-63是简化的两自由度振动系统，振动系统与刀架相连，切削在光滑表面上进行。如果切削过程中偶然干扰使刀架产生了角频率为ω的振动，则刀架将沿x1和x2两个刚度主轴作耦合振动，刀尖的振动轨迹是一个椭圆形的封闭曲线。21四、控制机械加工振动的途径（一）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）消除或减小内部振源机床上的高速回转零件必须满足动平衡要求；提高传动元件及传动装置的制造精度和装配精度，保证传动平稳；使动力源与机床本体分离。•（2）调整振源的频率通过改变传动比，使可能引起强迫振动的振源频率远离机床加工系统薄弱环节的固有频率，避免产生共振。•（3）采取隔振措施使振源产生的部分振动被隔振装置所隔离或吸收。隔振方法有两种，一种是主动隔振，阻止机内振源通过地基外传；另一种是被动隔振，阻止机外干扰力通过地基传给机床。常用的隔振材料有橡皮、金属弹簧、空气弹簧、矿渣棉、木屑等。222．消除或减弱产生自激振动的条件（1）减小重叠系数再生型颤振是由于在有波纹的表面上进行切削引起的，如果本转（次）切削不与前转（次）切削振纹相重叠，就不会有再生型颤振发生。重叠系数越小，就越不容易产生再生型颤振。（2）减小切削刚度减小切削刚度可以减小切削力，可以降低切削厚度变化效应（再生效应）和振型耦合效应的作用。改善工件材料的可加工性、增大前角、增大主偏角和适当提高进给量等，均可使切削刚度下降。''sinsin1(4-41)sin()rrrrpCDfABa重叠系数：23（3）合理布置振动系统小刚度主轴的位置如图4-65所示，•x1为镗杆小刚度方向，x2为大刚度方向。•图中b)会产生振型耦合颤振，c)不会产生振型耦合颤振。24（二）改善工艺系统的动态特性1．提高工艺系统刚度•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。•提高各结合面的接触刚度，对主轴支承施加预载荷，对刚性较差的工件增加辅助支承等都可以提高工艺系统的刚度。2．增大工艺系统的阻尼•增大工艺系统中阻尼的方法：使用高内阻材料制造零件，增加运动件的相对摩擦，在床身、立柱的封闭内腔中充填型砂，在主振方向安装阻振器等。25（三）采用减振装置1．动力式减振器262．摩擦式减振器273．冲击式减振器28思考题与习题•P209•4-28；4-29；4-3029Thankyou.