机械加工表面质量(正式).ppt

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1、第第8 8章章 机械加工表面质量机械加工表面质量本章要点机械加工后的表面质量机械加工后的表面质量机械加工后的表面粗糙度机械加工后的表面粗糙度控制加工表面质量的途径控制加工表面质量的途径机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能机械加工过程中的振动问题机械加工过程中的振动问题1机械制造技术基础机械制造技术基础 第第8章章 机械加工表面质量机械加工表面质量8.1 机械加工后的表面质量机械加工后的表面质量28.1.1 表面质量的含义表面质量的含义 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

2、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加工质量图1 加工质量包含的内容38.1.1 表面质量的含义表面质量的含义 表面质量：机器零件加工后表面层的状态。它分为两个部分:（1 1）表面层的几何形状，包括零件宏观几何形状误差、波度、表面粗糙度宏观几何形状误差（平面度、圆度等）宏观几何形状误差（平面度、圆度等）波长波长/波高波高10001000波度波度 波长波长/波高波高=40=4010001000；且具有周期特性；且具有周期特性表面粗糙度表面粗糙度 波长波长/波高波高4040 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RZHRZ4（

3、2）表面层的物理机械性能）表面层的物理机械性能表面层冷作硬化（冷硬）：零件在机械加工中表面表面层冷作硬化（冷硬）：零件在机械加工中表面层金属产生强烈的冷态塑性变形而引起强度、硬度层金属产生强烈的冷态塑性变形而引起强度、硬度提高的现象。提高的现象。表面层金相组织的变化：切削热温升引起工件表层表面层金相组织的变化：切削热温升引起工件表层温升过高，表面金属层发生金相组织变化的现象。温升过高，表面金属层发生金相组织变化的现象。表面层残余应力：加工中切削变形和切削热的影响表面层残余应力：加工中切削变形和切削热的影响导致工件表层产生残余应力导致工件表层产生残余应力。8.1.1 表面质量的含义表面质量的含义

4、58.1.2 表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响 对耐磨性影响对耐磨性影响Ra（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（图8-2）对耐疲劳性影响对耐疲劳性影响对耐蚀性影响对耐蚀性影响对配合质量影响对配合质量影响纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好 见书p217图8-3适当硬化可提高耐磨性6机械制造技术基础机械制造技术基础 第第8章章 机械加工表面质量机械加工表面质量8.2 机械加工后的表面粗糙度机械加工后的表面粗糙

5、度78.2.1 切削加工后的表面粗糙度切削加工后的表面粗糙度图8-4 车削时残留面积的高度直线刃车刀（图直线刃车刀（图8-4a8-4a）（8-1）圆弧刃车刀（图圆弧刃车刀（图8-4b8-4b）（8-2）影响因素：影响因素：frRmaxvfrb）Rmaxfa）vf切削残留面积（几何因素）切削残留面积（几何因素）形成原因：几何因素形成原因：几何因素、物理因素、工艺系统的振动、物理因素、工艺系统的振动8 切切削削速速度度影影响响最最大大：v v=101050m/min50m/min范范围围，易易产产生生积积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差（图屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差（图8-58-5）。其他影响因素：刀具

6、几何角度、刃磨质量，切削液等其他影响因素：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100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（m）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度 h（m）0200400600hKsRz8.2.1 切削加工后的表面粗糙度切削加工后的表面粗糙度切削表面塑性变形和积屑瘤（物理因素）切削表面塑性变形和积屑瘤（物理因素）98.2.2 磨削加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度磨削机理磨削机理:磨削的切削刃由无数砂粒组成，分布不均匀；磨削的切削刃由无数砂粒组成，分布不均匀；大多数砂粒为负前角

7、切削；大多数砂粒为负前角切削；砂粒三种切削状态砂粒三种切削状态:弹性变形不形成切削屑弹性变形不形成切削屑 钝化砂粒钝化砂粒 塑性变形形成沟槽不形成切削屑塑性变形形成沟槽不形成切削屑 较钝砂粒较钝砂粒 塑性变形强烈形成切屑塑性变形强烈形成切屑 锋利的砂粒锋利的砂粒 单位面积上的刻痕数愈多，刻痕的等高性好则粗糙度单位面积上的刻痕数愈多，刻痕的等高性好则粗糙度也愈小。也愈小。影响表面粗糙度的三个因素：几何因素几何因素 物理因素物理因素 工艺系统的振动工艺系统的振动10v 砂轮速度v，Rav 工件速度vw，Ra v 砂轮纵向进给f，Ra v 磨削深度ap，Ra 图8-6 磨削用量对表面粗糙度的影响vw

8、=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(m)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(m)00.20.60.020.030.04b）8.2.2 磨削加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度磨削用量影响磨削用量影响 图8-7 光磨次数-Ra关系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)v光磨次数，Ra11v 砂轮粒度，Ra；但要适量v 砂轮硬度适中，Ra；常取中

9、软v 砂轮组织适中，Ra ；常取中等组织v 采用超硬砂轮材料，Ra v 砂轮精细修整，Ra 8.2.2 磨削加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度砂轮影响砂轮影响其他影响因素其他影响因素v 工件材料v 冷却润滑液等12机械制造技术基础机械制造技术基础 第第8章章 机械加工表面质量机械加工表面质量8.3 机械加工后的表面层物理机械加工后的表面层物理机械性能机械性能138.3.1 机械加工后表面层的冷作硬化机械加工后表面层的冷作硬化冷作硬化产生的原因冷作硬化产生的原因影响冷作硬化因素影响冷作硬化因素切削或磨削加工时，表面层金属由于塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格发生拉长，扭曲和破碎而得到强化。

10、评价指标：冷硬层的深度h和表面层的显微硬度H,硬化程度N.取决因素：产生塑性变形的力，变形速度，变形时的温度。完全强化与不完全强化；机械加工时的表面层的冷作硬化是强化作用和回复作用的综合结果。148.3.1 机械加工后表面层的冷作硬化机械加工后表面层的冷作硬化对切削加工来说对切削加工来说 f f，冷硬程度冷硬程度(图图8-7)8-7)切削用量影响 刀具影响 r r ，冷硬程度冷硬程度 其他几何参数影响不明显其他几何参数影响不明显 后后刀刀面面磨磨损损影影响响显显著著（图图8-88-8）00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v=40(m/

11、min)f =0.120.2(mm/z)图8-8 后刀面磨损对冷硬影响 工件材料 材料塑性材料塑性，冷硬倾向，冷硬倾向 切切削削速速度度影影响响复复杂杂（力力与与热综合作用结果）热综合作用结果）切削深度影响不大切削深度影响不大图8-7 f 和 v 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：4515磨削速度磨削速度冷硬程度冷硬程度（弱化作用加强）（弱化作用加强）工件转速工件转速冷硬程度冷硬程度 纵向进给量影响复杂纵向进给量影响复杂磨削深度磨削深度冷硬程度冷硬程

12、度（图（图8-98-9）磨削用量 砂轮 砂轮粒度砂轮粒度冷硬程度冷硬程度 砂轮硬度砂轮硬度、组织影响不显著组织影响不显著工件材料 材料塑性材料塑性 冷硬倾向冷硬倾向 材料导热性材料导热性 冷硬倾向冷硬倾向 图8-9 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8.3.1 机械加工后表面层的冷作硬化机械加工后表面层的冷作硬化对磨削加工来说对磨削加工来说16影响磨削加工金相组织变化的因素：影响磨削加工金相组织变化的因素：工件材料，磨削温度，温度梯度及冷却速度。工件材料，磨削温度，温度梯度及冷却速度。8.3.2 机械加工后表面层

13、金相组织的变化机械加工后表面层金相组织的变化加工表面层的金相组织变化加工表面层的金相组织变化 热变质层热变质层 切削加工中由于切削热的作用，加工表面层会产生金相切削加工中由于切削热的作用，加工表面层会产生金相组织变化。金相组织变化原因：加工区温升达到一定值，出组织变化。金相组织变化原因：加工区温升达到一定值，出现金相组织变化，强度和硬度下降，产生残余应力，甚至引现金相组织变化，强度和硬度下降，产生残余应力，甚至引起裂纹，既产生烧伤现象。起裂纹，既产生烧伤现象。17磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下三种磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下三种：回火烧伤回火烧伤：磨削区温度超过马氏体转变温度而未超过

14、相变温：磨削区温度超过马氏体转变温度而未超过相变温度，工件表面的马氏体组织产生回火，转化成硬度低的回火度，工件表面的马氏体组织产生回火，转化成硬度低的回火组织组织索氏体或屈氏体。索氏体或屈氏体。淬火烧伤淬火烧伤：磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，：磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，由于冷却液的急冷作用，表面层会出现二次淬火马氏体，硬由于冷却液的急冷作用，表面层会出现二次淬火马氏体，硬度高于回火马氏体，而它的下层则因缓慢冷却成为硬度低的度高于回火马氏体，而它的下层则因缓慢冷却成为硬度低的回火组织回火组织。8.3.2 机械加工后表面层金相组织的变化机械加工后表面层金相组织的变化

15、磨削烧伤色磨削烧伤色 磨削烧伤后由于表层的氧化膜磨削烧伤后由于表层的氧化膜 按烧伤程度按烧伤程度颜色由浅到深颜色由浅到深黄黄褐褐紫紫青青浅黄浅黄退火烧伤退火烧伤：干磨削时，磨削区温度超过相变温度，马氏体：干磨削时，磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，因工件冷却缓慢，则表层硬度急剧下降，转变为奥氏体，因工件冷却缓慢，则表层硬度急剧下降，工件表层被退火。工件表层被退火。18在机械加工中，工件表面层金属相对基体金属发生形状、体在机械加工中，工件表面层金属相对基体金属发生形状、体积或金相组织的变化时，工件表层中将残留相互平衡的残余积或金相组织的变化时，工件表层中将残留相互平衡的残余应力。产生原

16、因：（实际机加工后表层残余应力为三因素综应力。产生原因：（实际机加工后表层残余应力为三因素综合）合）（略讲）（略讲）8.3.3 机械加工后表面层的残余应力机械加工后表面层的残余应力（1）冷态塑性变形）冷态塑性变形（2）热态塑性变形）热态塑性变形（3）金相组织变化）金相组织变化198.3.3 机械加工后表面层的残余应力机械加工后表面层的残余应力产生残余应力的原因：产生残余应力的原因：冷塑性变形影响冷塑性变形影响表层压表层压应力、应力、里层拉里层拉应力应力切削力切削力受拉应力表层产受拉应力表层产生塑性变形伸长生塑性变形伸长表层面积增大里表层面积增大里层弹性伸长层弹性伸长切削结束里层弹切削结束里层弹

17、性变形要恢复受性变形要恢复受阻外层塑性变形阻外层塑性变形区区工件工件工件工件+-+o ooo加工时加工时加工后加工后由冷塑性变形产生的残余应力由冷塑性变形产生的残余应力里表208.3.3 机械加工后表面层的残余应力机械加工后表面层的残余应力热塑性变形热塑性变形表层受表层受拉应力、拉应力、里层受里层受压应力压应力切削切削温度温度高高表层体积膨胀受表层体积膨胀受阻基体，产生压阻基体，产生压缩应力，产生热缩应力，产生热塑性变形塑性变形切削结束温度下切削结束温度下降表层要收缩受降表层要收缩受里层阻止里层阻止工件工件工件工件-+o o+oo-加工时加工时加工后加工后由热塑性变形产生的残余应力由热塑性变形

18、产生的残余应力218.3.3 机械加工后表面层的残余应力机械加工后表面层的残余应力机械加工以冷塑性变形为主机械加工以冷塑性变形为主 压应力压应力切削加工切削加工(温度高温度高)以热塑性变形为主以热塑性变形为主 拉应力拉应力磨削加工磨削加工热塑性为主热塑性为主 拉应力拉应力机械加工后是这三方面原因综合作用的结果：机械加工后是这三方面原因综合作用的结果：人们希望获得表面人们希望获得表面残余残余压应力压应力，往往进行表面，往往进行表面强化处理。强化处理。228.3.3 机械加工后表面层的残余应力机械加工后表面层的残余应力 v v残余应力残余应力（热应力（热应力起主导作用，图起主导作用，图8-108-

19、10）切削用量 刀具前角前角+，残余拉应力残余拉应力 p25p25刀具磨损刀具磨损残余应力残余应力 工件材料材料塑性材料塑性残余应力残余应力 铸铸铁铁等等脆脆性性材材料料易易产产生生残残余压应力余压应力图8-11 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(m)f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r仅讨论切削加工 f f残残 余余 应应 力力 （图图 8-8-1111）切削深度影响不显著切削深度影响不显著图8-10 vc 对残余应力的影响0=

20、5,0=5,r=75,r=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(m)残余应力(Gpa)-0.2000.20vc=213m/minvc=86m/minvc=7.7m/min238.3.3 机械加工后表面层的残余应力机械加工后表面层的残余应力 合理选择砂轮合理选择砂轮 合理选择磨削用量合理选择磨削用量 改善冷却条件改善冷却条件磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，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 图8-12 带空气挡板冷却喷嘴磨削裂纹的控制磨削裂纹的控制磨削裂纹磨削裂纹24

21、机械制造技术基础机械制造技术基础 第第8章章 机械加工表面质量机械加工表面质量8.4 8.4 控制加工表面质量的工艺控制加工表面质量的工艺途径途径258.4 控制加工表面质量的工艺途径控制加工表面质量的工艺途径减小残余拉应力，防止磨削烧伤和磨削裂纹的工艺途径减小残余拉应力，防止磨削烧伤和磨削裂纹的工艺途径（1）选择合理的磨削参数，为减少磨削热，降低磨削区温）选择合理的磨削参数，为减少磨削热，降低磨削区温度，可减少砂轮速度和背吃刀量，适当提高进给量和工件度，可减少砂轮速度和背吃刀量，适当提高进给量和工件速度，但会使工件粗糙度增加可行办法是试验确定参数。速度，但会使工件粗糙度增加可行办法是试验确定

22、参数。（2）选择有效的冷却方法（高压大流量、内冷却，加装空）选择有效的冷却方法（高压大流量、内冷却，加装空气挡板等）气挡板等）采用精密和光整加工工艺采用精密和光整加工工艺（1）精密加工工艺：高速精镗、高速精车、宽刃精刨、细）精密加工工艺：高速精镗、高速精车、宽刃精刨、细密磨削等。密磨削等。（2）光整加工工艺：珩磨、超精加工、研磨、抛光）光整加工工艺：珩磨、超精加工、研磨、抛光采用冷压强化工艺采用冷压强化工艺采用冷压强化工艺采用冷压强化工艺 （见下页）（见下页）（见下页）（见下页）26 利利用用淬淬硬硬和和精精细细研研磨磨过过的的滚滚轮轮或或滚滚珠珠，在在常常温温状状态态挤挤压压金金属属表表面面

23、，将将凸凸起起部部分分下下压压下下，凹凹下下部部分分上上凸凸，修修正正工工件件表表面面的的微微观观几几何何形形状状,形形成成压压缩缩残残余余应应力力，提提高耐疲劳强度（图高耐疲劳强度（图8-148-14）利利用用大大量量快快速速运运动动珠珠丸丸打打击击工工件件表表面面,使使工工件件表表面面产产生生冷冷硬硬层层和和 压压 应应 力力,疲疲 劳劳 强强 度度（图图 8-8-1313）喷丸强化喷丸强化图8-14 滚压加工原理图 用用于于强强化化形形状状复复杂杂或或不不宜宜用用其其它它方方法法强强化化的的工工件件，例例如如板板弹弹簧簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等螺旋弹簧、齿轮、焊缝等滚压加工滚压加工图8-

24、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控制加工表面质量的工艺途径27机械制造技术基础机械制造技术基础 第第8章章 机械加工表面质量机械加工表面质量8.5 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动问题问题288.5.1 振动的概念与类型振动的概念与类型 机械加工过程中振动的危害机械加工过程中振动的危害v 影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度v 影响生产效率 v 加速刀具磨损，易引起崩刃v 影响机床、夹具的使用寿命v 产生噪声污染，危害操作者健康v 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。v 由于系

25、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机械加工过程中振动的类型自由振动自由振动自由振动强迫振动自激振动298.5.2 机械加工过程中强迫振动机械加工过程中强迫振动强迫振动产生原因强迫振动产生原因v 由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起v 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v 频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数v 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v 相角特征：强迫

26、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。强迫振动的特征强迫振动的特征3031328.5.3 机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动自激振动的概念自激振动的概念 在在没没有有周周期期性性外外力力作作用用下下，由由系系统统内内部部激激发发反反馈馈产生的周期性振动产生的周期性振动 自自激激振振动动过过程程可可用用传传递递函数概念说明（图函数概念说明（图8-158-15）自激振动是一种不衰减振动自激振动是一种不衰减振动 自自激激振振动动的的频频率率等等于于或或接接近近于系统的固有频率于系统的固有频率 自自激激振振动动能能否否产产生生及及振振幅幅的的大大小小取

27、取决决于于振振动动系系统统在在每每一一个个周周期期内内获获得得和和消消耗耗的的能能量量对对比比情况（图情况（图8-168-16）。）。图8-16 自激振动系统能量关系A B C能量EQEE0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）自激振动的特征自激振动的特征338.5.4 减少工艺系统振动的途径减少工艺系统振动的途径 减小机内干扰力的幅值减小机内干扰力的幅值 调整振源的频率，一般要求：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8-19）消除或减弱产生强迫振动的条件消除或减弱产生强迫振动的条件式中

28、 f 和 fn 分别为振源频率和系统固有频率 隔振隔振x2x2x1x1x1x1x2x2图8-19 两种尾座结构消除或减弱产生自激振动的条件消除或减弱产生自激振动的条件（7-33）348.5.4 减少工艺系统振动的途径减少工艺系统振动的途径 减小切削或磨削时的重叠系数（图8-20）图8-20 重叠系数apfaB振动方向XDfbbda）切削b）磨削rr，式中 bd 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,fa 砂轮宽度与轴向进给量。（8-3）35v 减小重叠系数方法图8-21 车刀消振棱0.10.3-5-202 3

29、增加切削阻尼（例采用倒棱车刀，图8-21）增加主偏角增加主偏角 增大进给量增大进给量8.5.4 减少工艺系统振动的途径减少工艺系统振动的途径36 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改善工艺系统动态特性8.5.4 减少工艺系统振动的途径减少工艺系统振动的途径阻尼材料铸铁环铸铁套筒图8-22 零件上加阻尼材料37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v动力减振器 v摩擦式减振器（图8-23）v冲击式减振器（图8-24）8.5.4 减少工艺系统振动的途径减少工艺系统振动的途径采用减振装置采用减振装置图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38