机械制造工艺与机床夹具第3章.ppt

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1、第三章第三章 机械加工的表面质量机械加工的表面质量第一节第一节 概述概述第二节第二节 影响机械加工表面粗糙度的因素影响机械加工表面粗糙度的因素第三节第三节 影响表面物理力学性能的工艺因素影响表面物理力学性能的工艺因素第四节第四节 机械加工中的振动机械加工中的振动第五节第五节 控制表面质量的工艺途径控制表面质量的工艺途径机械制造工艺与机床夹具第一节 概述 机械加工表面质量是指零件加工后的表面层状态，这是判定零件机械加工表面质量是指零件加工后的表面层状态，这是判定零件质量的主要依据之一。质量的主要依据之一。一、机械加工表面质量的含义一、机械加工表面质量的含义 表面质量的含义有以下两方面的内容：表面

2、质量的含义有以下两方面的内容：表面层的几何形状特征表面层的几何形状特征 表面粗糙度表面粗糙度 波度波度表面层物理力学性能的变化表面层物理力学性能的变化 表面层的加工硬化；表面层的加工硬化；表面层金相组织的变化；表面层金相组织的变化；表面层残余应力。表面层残余应力。二、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表面质量对零件耐磨性的影响表面质量对零件耐磨性的影响 Ra Ra为为0.80.80.20.2、加工硬化、改变金相组织。、加工硬化、改变金相组织。零件表面质量对零件疲劳强度的影响零件表面质量对零件疲劳强度的影响 Ra Ra越小越好越小越好 、一定的加工硬化一定的加工硬化 、表

3、面压应力表面压应力 提高提高疲劳强度疲劳强度。零件表面质量对零件耐腐蚀性能的影响零件表面质量对零件耐腐蚀性能的影响 Ra Ra越小越好越小越好 、一定的加工硬化一定的加工硬化 压应力、压应力、表表 面拉应力降低面拉应力降低疲劳强度疲劳强度。零件表面质量对配合性质及其它性能的影响零件表面质量对配合性质及其它性能的影响 RaRa越小越小配合配合越好，加工硬化越好，加工硬化 和表面应力和表面应力 配合配合下降。下降。密封性、接触刚度、表面磨檫系数、发热、密封性、接触刚度、表面磨檫系数、发热、功率损耗、噪声功率损耗、噪声第二节 影响机械加工表面粗糙度的因素一、影响机械加工表面粗糙度的几何因素一、影响机

4、械加工表面粗糙度的几何因素 切削加工过程中，刀具相对于工件作进给运动时，在被加工表面切削加工过程中，刀具相对于工件作进给运动时，在被加工表面上残留的面积愈大，所获得表面将愈粗糙。上残留的面积愈大，所获得表面将愈粗糙。尖刀切削时尖刀切削时 带圆角半径的刀切削时带圆角半径的刀切削时复习提问复习提问 1 1机械加工表面质量的含义？机械加工表面质量的含义？2 2影响机械加工表面粗糙度的几何因素？影响机械加工表面粗糙度的几何因素？由公式可知，减小进给量由公式可知，减小进给量f f，减小主、副偏角，增大刀尖圆角半径，都能，减小主、副偏角，增大刀尖圆角半径，都能减小残留面积的高度减小残留面积的高度H H，也

5、就减小了零件的表面粗糙度。，也就减小了零件的表面粗糙度。精加工时，在刀尖与负切削刃之间，磨出修光刃其长度精加工时，在刀尖与负切削刃之间，磨出修光刃其长度=（1.21.21.51.5）f f。也可以采用高转速、很小进给量、晓得吃到深度获得也可以采用高转速、很小进给量、晓得吃到深度获得RaRa极小值。极小值。粗加工就不用磨修光刃，表面粗糙度对加工精度没有啥影响。粗加工就不用磨修光刃，表面粗糙度对加工精度没有啥影响。对特殊的不要求精度，但表面光洁的件，表面要光整加工。对特殊的不要求精度，但表面光洁的件，表面要光整加工。二、影响机械加工表面粗糙的物理因素二、影响机械加工表面粗糙的物理因素切削力和磨擦力

6、的影响（切削力和磨擦力大，切削力和磨擦力的影响（切削力和磨擦力大，RaRa值大。）值大。）积屑瘤的影响（使加工表面产生毛刺）积屑瘤的影响（使加工表面产生毛刺）鳞刺的影响（在以加工表面产生鳞刺）鳞刺的影响（在以加工表面产生鳞刺）三三、影响磨削加工表面粗糙度的因素、影响磨削加工表面粗糙度的因素磨削加工的特点磨削加工的特点 磨削过程比金属切削刀具的切削过程要复杂得多磨削过程比金属切削刀具的切削过程要复杂得多（滑擦、刻划、切削）（滑擦、刻划、切削）砂轮的磨削速度高砂轮的磨削速度高（=30=30 50m/s50m/s目前高达目前高达=80=80 125m/s 125m/s）参与切削的磨粒参与切削的磨粒多

7、多，所以，单位时间内切除金属的量大，所以，单位时间内切除金属的量大。影响磨削加工表面粗糙度的因素影响磨削加工表面粗糙度的因素磨削用量的影响磨削用量的影响 砂轮速度砂轮速度 高，参切磨粒多，切削厚度小，残留面积小，高，参切磨粒多，切削厚度小，残留面积小，RaRa小。小。工件速度工件速度 是是砂轮速度砂轮速度的的1/601/60左右，左右，RaRa小。小。磨削深度和光磨次数磨削深度和光磨次数 按较大磨削深度、较小磨削深度、无进给磨削深度即为光磨，步骤磨削。按较大磨削深度、较小磨削深度、无进给磨削深度即为光磨，步骤磨削。光磨次光磨次数数越多，越多，RaRa越小。越小。砂轮的影响砂轮的影响 砂轮的粒度

8、砂轮的粒度：常用砂轮粒度在：常用砂轮粒度在8080以内，粒度越细，以内，粒度越细，RaRa越小。越小。砂轮的硬度砂轮的硬度：常用砂轮硬度适中为好，主要根据工件材料选择。：常用砂轮硬度适中为好，主要根据工件材料选择。砂轮的修整砂轮的修整：及时修整砂轮，有利于获得锋利和等高的微刃。：及时修整砂轮，有利于获得锋利和等高的微刃。砂轮砂轮磨磨料料：刚玉砂轮磨刚类零件；碳化物类砂轮磨铸铁硬质合金件。：刚玉砂轮磨刚类零件；碳化物类砂轮磨铸铁硬质合金件。被加工材料的影响被加工材料的影响 一般工件材料较硬，采用磨削，如：碳钢铸铁。一般工件材料较硬，采用磨削，如：碳钢铸铁。对太软、韧性太大材料，不易采用磨削，如：

9、有色金属。对太软、韧性太大材料，不易采用磨削，如：有色金属。(用金刚石刀具加用金刚石刀具加工工)对太硬工件材料，不易采用磨削，因为磨粒很快钝化。（采用特种加工或对太硬工件材料，不易采用磨削，因为磨粒很快钝化。（采用特种加工或线切割加工）线切割加工）第三节 影响表面物理力学性能的工艺因素影响因素有以下三方面：影响因素有以下三方面：一、表面残余应力一、表面残余应力 切削过程中金属材料的表层组织发生形状变化和组织变化时，在表层切削过程中金属材料的表层组织发生形状变化和组织变化时，在表层金属与基体材料交界处将会产生相互平衡的弹性应力，该应力就是表面残余应金属与基体材料交界处将会产生相互平衡的弹性应力，

10、该应力就是表面残余应力。力。表面残余应力的产生因素：表面残余应力的产生因素：冷塑性变形的影响冷塑性变形的影响：表面产生压应力，内部产生拉应力。表面产生压应力，内部产生拉应力。热塑性变形的影响热塑性变形的影响：表层产生拉应力，里层产生压应力。表层产生拉应力，里层产生压应力。金相组织变化的影响金相组织变化的影响：磨削时，马氏体转为托氏体或索氏体，表面产生拉应力；磨削时，马氏体转为托氏体或索氏体，表面产生拉应力；若产生二次淬火马氏体，表面产生压应力。若产生二次淬火马氏体，表面产生压应力。加工后表面层的实际残余应力是以上三方面原因综合的结果加工后表面层的实际残余应力是以上三方面原因综合的结果二、表面层

11、加工硬化二、表面层加工硬化 表面加工硬化表面加工硬化在在机械加工过程中，由于切削力的作用，使被加机械加工过程中，由于切削力的作用，使被加工表面产生强烈的塑性变形，加工表面层晶格间剪切滑移，晶格严重扭曲、拉工表面产生强烈的塑性变形，加工表面层晶格间剪切滑移，晶格严重扭曲、拉长、纤维化以及破碎，造成加工表面层强长、纤维化以及破碎，造成加工表面层强度度和硬度增加和硬度增加，就称为表面加工硬化，就称为表面加工硬化（也称为冷作硬化）（也称为冷作硬化）。影响冷作硬化的主要因素有：影响冷作硬化的主要因素有：切削用量切削用量：切削速度提高，温度升高，硬度下降；切削速度提高，温度升高，硬度下降；f f和和apa

12、p增大，产生增大，产生硬化；硬化；f f和和apap减小，加工硬化减小。减小，加工硬化减小。刀具刀具：刃口圆角大、后刀面磨损、前后刀面不光洁，加工硬化增大。刃口圆角大、后刀面磨损、前后刀面不光洁，加工硬化增大。工件材料工件材料：工件材料硬度低，切削后，产生加工硬化。工件材料硬度低，切削后，产生加工硬化。三、表面层金相组织变化与磨削烧伤三、表面层金相组织变化与磨削烧伤 机械加工时，在工件的加工区及其附近区域将产生一定的温升。当温机械加工时，在工件的加工区及其附近区域将产生一定的温升。当温升达到相变临界点时，表层金属就会发生金相组织变化，产生极大的表面残余升达到相变临界点时，表层金属就会发生金相组

13、织变化，产生极大的表面残余应力，强度和硬度降低，甚至出现裂纹。这种现象称为应力，强度和硬度降低，甚至出现裂纹。这种现象称为磨削烧伤磨削烧伤。分为：分为：退火烧伤（最严重）退火烧伤（最严重）：零件表面硬度很低，甚至报废。零件表面硬度很低，甚至报废。淬火淬火烧伤烧伤：表面有很薄一层出现二次淬火，硬度有所下降。表面有很薄一层出现二次淬火，硬度有所下降。回火回火烧伤烧伤：表面硬度较低。表面硬度较低。避免烧伤避免烧伤主要是设法减少磨削区的高温对工件的热作用。磨削时采用强有主要是设法减少磨削区的高温对工件的热作用。磨削时采用强有力的、效果好的切削液，能有效地防止烧伤；合理地选用磨削用量、适当地提力的、效果

14、好的切削液，能有效地防止烧伤；合理地选用磨削用量、适当地提高工件转动的线速度；选择和使用合理硬度的砂轮。高工件转动的线速度；选择和使用合理硬度的砂轮。第四节 机械加工中的振动 振动使工艺系统的各种成形运动受到干扰和破坏，使加工表面出现振动使工艺系统的各种成形运动受到干扰和破坏，使加工表面出现振纹，降低了零件的加工精度和增大表面粗糙度。振纹，降低了零件的加工精度和增大表面粗糙度。切削加工中的振动，主要是强迫振动和自激振动两种类型。切削加工中的振动，主要是强迫振动和自激振动两种类型。磨削加工的振动主要是强迫振动；切削加工的振动常常是自激振动。磨削加工的振动主要是强迫振动；切削加工的振动常常是自激振

15、动。一、强迫振动一、强迫振动产生强产生强迫迫振动的原因振动的原因 在外界周期性干扰的作用下，工艺系统被迫产生振动，这些干扰力可能来在外界周期性干扰的作用下，工艺系统被迫产生振动，这些干扰力可能来源于工艺系统之外，源于工艺系统之外，称为外部振源称为外部振源；如其它机械的振动。如其它机械的振动。也可能来自工也可能来自工艺艺系系统统的内部，称的内部，称为为内部振源内部振源；如离心力、传动件有缺陷、；如离心力、传动件有缺陷、往复机构中的转向冲击和断续切削加工往复机构中的转向冲击和断续切削加工。复习提问复习提问 1 1、机械加工表面质量的含义？、机械加工表面质量的含义？2 2、影响机械加工表面粗糙度的几

16、何因素？、影响机械加工表面粗糙度的几何因素？3 3、影响机械加工表面粗糙度的物理因素？、影响机械加工表面粗糙度的物理因素？4 4、砂轮的粒度如何选？砂轮的磨削速度一般选为多少？磨削时工件速度为、砂轮的粒度如何选？砂轮的磨削速度一般选为多少？磨削时工件速度为多少？多少？5 5、磨削钢件和铸铁件怎样选择磨料？、磨削钢件和铸铁件怎样选择磨料？6 6、什么是加工硬化（冷作硬化）？影响加工硬化有什么因素？、什么是加工硬化（冷作硬化）？影响加工硬化有什么因素？7 7、如何避免磨削烧伤？、如何避免磨削烧伤？8 8、切削加工中易产生哪两种振动？、切削加工中易产生哪两种振动？强迫振动的特性分析强迫振动的特性分析

17、强迫振动的频率等于激振力强迫振动的频率等于激振力 的频率，与系统的固有频率的频率，与系统的固有频率 无关。无关。强迫振动的稳态过程是简谐强迫振动的稳态过程是简谐 振动，只要有激振力存在，振动，只要有激振力存在，振动系统就不会被阻尼衰减振动系统就不会被阻尼衰减 掉。掉。强迫振动的振幅取决于振源强迫振动的振幅取决于振源 激振力激振力p p、频率比、频率比和阻尼和阻尼 比比D D。强迫振动的位移总是滞后于强迫振动的位移总是滞后于 激振力。激振力。减少强迫振动的途径减少强迫振动的途径减少激振力减少激振力避免激振力的频率与系避免激振力的频率与系 统的固有频率接近，以统的固有频率接近，以 防止共振防止共振

18、采取隔振措施采取隔振措施 如采用厚橡皮或木板将机床如采用厚橡皮或木板将机床 与地基隔离；液压缓冲装置。与地基隔离；液压缓冲装置。采用消振措施采用消振措施 如增加阻尼如增加阻尼(在振动物体上放在振动物体上放 其他物体其他物体)；安装消振器（静音装置）。；安装消振器（静音装置）。二、自激振动二、自激振动 这种由振动系统本身引起的交变这种由振动系统本身引起的交变力作用而产生的振动称为力作用而产生的振动称为自激振动（颤振）自激振动（颤振）。自激振动的特征自激振动的特征自激振动是一种不衰减的振动。自激振动是一种不衰减的振动。自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率。自激振动的频率等于或接近于系统的固有频

19、率。自激振动是否产生以及振幅的大小取决于振系统在自激振动是否产生以及振幅的大小取决于振系统在 每一周期内，输入的能量是否大于消耗的能量。每一周期内，输入的能量是否大于消耗的能量。产生自激振动的学说产生自激振动的学说 振动是机械加工中影响零件表面质量的重要因素之一。对于自激振动是机械加工中影响零件表面质量的重要因素之一。对于自激振动，目前为止尚无完全成熟的理论来解释其原因。振动，目前为止尚无完全成熟的理论来解释其原因。减少自激振动的基本途径减少自激振动的基本途径 自激振动与切削过程有关，也与工艺系统的结构有关。减少自激振动的自激振动与切削过程有关，也与工艺系统的结构有关。减少自激振动的基本途径：

20、基本途径：合理选用切削用量合理选用切削用量切削速度切削速度v v的选择的选择 进给量进给量f f的选择的选择 切削深度切削深度a ap p的选择的选择 20 80m/min 振动小振动小 f越大振动越小越大振动越小 ap越大振动越越大振动越大大 切削过程中改变切削过程中改变f也减小振动也减小振动复习提问复习提问 1 1、机械加工表面质量的含义？、机械加工表面质量的含义？2 2、影响机械加工表面粗糙度的几何因素？、影响机械加工表面粗糙度的几何因素？3 3、影响机械加工表面粗糙度的物理因素？、影响机械加工表面粗糙度的物理因素？4 4、砂轮的粒度如何选？砂轮的磨削速度一般选为多少？磨削时工件速度为、

21、砂轮的粒度如何选？砂轮的磨削速度一般选为多少？磨削时工件速度为多少？多少？5 5、磨削钢件和铸铁件怎样选择磨料？、磨削钢件和铸铁件怎样选择磨料？6 6、什么是加工硬化（冷作硬化）？影响加工硬化有什么因素？、什么是加工硬化（冷作硬化）？影响加工硬化有什么因素？7 7、如何避免磨削烧伤？、如何避免磨削烧伤？8 8、切削加工中易产生哪两种振动？、切削加工中易产生哪两种振动？9 9、减小强迫振动途径？、减小强迫振动途径？10 10、切削用量对自激振动有何影响（减小自激振动的基本途径）？、切削用量对自激振动有何影响（减小自激振动的基本途径）？合理选择刀具的几何参数合理选择刀具的几何参数 前角前角的的选择

22、选择：前角增大，振动减小；当高速切削时，前角影响不大：前角增大，振动减小；当高速切削时，前角影响不大 主偏角主偏角r的的选择选择：（：（r在在 内内）r增大振动减小增大振动减小 后角后角的的选择选择：=时有抑制振时有抑制振 动作用。动作用。刀尖圆角半径的选择：刀尖圆角半径的选择：减小刀尖圆角半径，振动减小。减小刀尖圆角半径，振动减小。提高工艺系统的抗振性能提高工艺系统的抗振性能 提高机床的抗振性能提高机床的抗振性能提高工艺系统的刚度提高工艺系统的刚度 提高刀具、工具夹持部分的刚度提高刀具、工具夹持部分的刚度，即悬伸长度尽量短；，即悬伸长度尽量短；加工细长轴、薄壁件，增加辅助支撑，如跟刀架、中心

23、架、可调支承，加工细长轴、薄壁件，增加辅助支撑，如跟刀架、中心架、可调支承，死顶尖，尾架套筒伸出尽量短。死顶尖，尾架套筒伸出尽量短。提高工艺系统的抗振性能提高工艺系统的抗振性能 合理安排机床、工件、刀具之间最大刚度方向的相对位置合理安排机床、工件、刀具之间最大刚度方向的相对位置 刀具方位角刀具方位角在在120 120 140 140 之间或在之间或在300 300 320 320 之间，之间，无振动切削深度接近无振动切削深度接近6mm6mm。其他角度。其他角度无振动切削深度仅为无振动切削深度仅为0.3 0.3 0.5mm0.5mm。提高工艺系统的抗振性能提高工艺系统的抗振性能 采用减振装置采用

24、减振装置第五节 控制表面质量的工艺途径 提高表面质量的加工方法大致可以分为两类：提高表面质量的加工方法大致可以分为两类：一类一类是用低效率、高成本的工艺措施，通过实验，寻求各工艺参数的最佳是用低效率、高成本的工艺措施，通过实验，寻求各工艺参数的最佳 组合，以减小工件的表面粗糙度；组合，以减小工件的表面粗糙度；一类一类是着重改善工件表面的物理力学性能，以提高工件的表面质量。是着重改善工件表面的物理力学性能，以提高工件的表面质量。一、减小表面粗糙度的加工方法一、减小表面粗糙度的加工方法超精密切削和低粗糙度磨削加工超精密切削和低粗糙度磨削加工 超精密切削超精密切削用金刚石刀具，切除用金刚石刀具，切除

25、0.10.1微薄的切削层，得微薄的切削层，得Ra Ra 0.040.04。小粗糙度磨削加工小粗糙度磨削加工通过计算机对磨削用量的优化，控制加工实现的。通过计算机对磨削用量的优化，控制加工实现的。采用超精加工、珩磨、研磨等方法作为终工序加工采用超精加工、珩磨、研磨等方法作为终工序加工 超精加工、珩磨等都是利用磨超精加工、珩磨等都是利用磨条以一定压力压在加工表面上，并条以一定压力压在加工表面上，并作相对运动以降低表面粗糙度和提作相对运动以降低表面粗糙度和提高精度的方法高精度的方法，一般，一般Ra Ra 0.40.4。珩磨珩磨用于加工直径用于加工直径15 15 150mm150mm的通的通 孔、深孔

26、和盲孔。孔、深孔和盲孔。珩磨头的结构（右图）珩磨头的结构（右图）珩磨的机理（下页图）珩磨的机理（下页图）珩磨的工艺参数珩磨的工艺参数 珩磨头的旋转运动和往复运动的合成运动在工件表面上产生了交叉而珩磨头的旋转运动和往复运动的合成运动在工件表面上产生了交叉而又不重复的网纹式磨粒轨迹，磨粒起到又不重复的网纹式磨粒轨迹，磨粒起到滑滑擦、擦、刻划刻划和切削的作用。和切削的作用。研磨研磨利用研具和工件的相对运动在磨料、研磨剂的作用下，对工件进利用研具和工件的相对运动在磨料、研磨剂的作用下，对工件进行行 光光 整加工的方法。尺寸精度可达整加工的方法。尺寸精度可达0.1 0.3和和RaRa为为0.04 0.0

27、4 0.010.01。研磨分为手工研磨和机械研磨。可磨外圆、内孔、平面、成形面。研磨分为手工研磨和机械研磨。可磨外圆、内孔、平面、成形面。研磨的机理（右图）研磨的机理（右图）研磨的工艺参数研磨的工艺参数 一般研磨压强为一般研磨压强为10 40N/c 滑动速度滑动速度10 50m/min，磨粒，磨粒 为为200 600 。超精加工超精加工 超精加工也叫超精研，是一种用细粒度磨块进行磨削的光整加工方法。如下图。抛光简介抛光简介 利用布轮、布盘等软性器具涂上抛光膏来抛光工件表面的。抛光时，一般不去除加工余量，因而不可能提高工件的精度，甚至有时还会损坏上道工序已获得的精度，抛光也不能减少零件的形状位置

28、误差。二、改善表面物理力学性能的加工方法二、改善表面物理力学性能的加工方法 改善表面物理力学性能的加工方法也叫作无屑光整加工，包括滚压改善表面物理力学性能的加工方法也叫作无屑光整加工，包括滚压加工、金刚石压光、钢球强化和挤孔等几种方法。加工、金刚石压光、钢球强化和挤孔等几种方法。滚压加工滚压加工用自有转动的滚子对加工表面施加压力，使其产生塑性变用自有转动的滚子对加工表面施加压力，使其产生塑性变 形，用表面的形，用表面的“峰峰”填充填充“谷谷”，表面得到强化。，表面得到强化。用于加工外用于加工外圆、内孔、平面。圆、内孔、平面。金刚石压光金刚石压光用于光整加工碳钢、合金钢、铜、铝。用于光整加工碳钢

29、、合金钢、铜、铝。何谓自激振动何谓自激振动?减少自激振动的措施有哪些？减少自激振动的措施有哪些？在无外界干扰的情况下，由切削加工自己引起的振动在无外界干扰的情况下，由切削加工自己引起的振动叫自激振动。措施有：叫自激振动。措施有：合理选择切削用量合理选择切削用量V或或V 都可使都可使 A；f可使可使A，但，但残留面积残留面积；ap时，时，A。合理选择刀具角度合理选择刀具角度前角前角0；主偏角主偏角K；后角；后角0 都可使都可使 A。工艺系统的抗振性。工艺系统的抗振性。采用各种消振阻尼装置。采用各种消振阻尼装置。采用削扁镗杆、正确处理两个刚度轴的位置。采用削扁镗杆、正确处理两个刚度轴的位置。复习提

30、问复习提问 1 1减小自激震动的基本途径？减小自激震动的基本途径？1 1）合理选择切削用量）合理选择切削用量 2 2）合理选择刀具的几何参数）合理选择刀具的几何参数 3 3）提高工艺系统的抗震性）提高工艺系统的抗震性 2 2减小表面粗造度的加工方法？减小表面粗造度的加工方法？1 1）超精密切削和低粗糙度磨削加工）超精密切削和低粗糙度磨削加工 2 2）采用超精加工、珩磨、研磨等方法作为终工序加工采用超精加工、珩磨、研磨等方法作为终工序加工 3 3改善表面物理力学性能的加工方法改善表面物理力学性能的加工方法 1 1）滚压加工滚压加工 2 2）金刚石压光）金刚石压光 复习提问复习提问 1 1影响机械加工表面粗糙度的几何因素？影响机械加工表面粗糙度的几何因素？2 2影响机械加工表面粗糙度的物理因素？影响机械加工表面粗糙度的物理因素？3 3磨削加工的特点？磨削加工的特点？4 4磨削时工件转速如何选？磨削时工件转速如何选？