机械制造工艺学 (7).ppt

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1、3 机械加工表面质量零件的加工质量：加工精度、表面质量表面质量的重要性：配合质量、零件的破坏从表面开始目的：掌握机械加工过程中各种工艺因素对加工表面质量的影响的规律，应用这些规律控制加工过程，最终达到提高加工表面质量、提高产品使用性能的目的。1、表面质量及其对零件使用性能的影响2、影响表面粗糙度的工艺因素3、影响表面层物理力学性能的因素4、工艺系统的振动内容3.1 加工表面质量及其对零件使用性能的影响一、加工表面质量的概念表面几何形状误差、表面层金属物理力学性能和化学性能(一)表面几何形状误差表面粗糙度、波度、纹理方向、伤痕形成：力、热综合作用的结果1、冷作硬化：硬化程度和深度两个指标 一般情

2、况深度：0.050.3 滚压加工：数mm2、表面层金属的金相组织：切削热导致金相变化 磨削淬火钢：马氏体分解、或出现回火组织3、残余应力(二)表面层金属物理力学性能和化学性能（三)表面质量对零件使用性能的影响耐磨性3、冷作硬化：提高耐磨性：0.51倍一般情况：表面显微硬度提高、塑性降低，减少摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形，减少咬焊1、粗糙度2、表面纹理：有效接触面积、润滑液的存留圆弧状、凹坑状表面纹理耐磨性好，尖峰状差运动副中：纹理方向与运动方向相同，耐磨性好；垂直，差1、表面粗糙度：对承受交变载荷的零件疲劳强度影响大：曲轴、连杆：光整加工2、表面层力学性质：冷作硬化：提高疲劳强度、阻止疲

3、劳裂纹生长，产生拉、压应力：拉应力：降低耐疲劳强度 压应力：提高耐疲劳强度表面质量对疲劳强度的影响对耐蚀性的影响 粗糙度：增加与腐蚀性物质的接触面积 力学性能：压应力：阻止裂纹扩大，增强耐磨性对配合质量的影响:表面粗糙度表面质量对零件使用性能的影响（续）二、表面完整性Integrity对产品的使用性能要求越来越高。重要零件：在高温、高速、高压等条件下工作时，表面层上任何缺陷不仅直接影响零件的工作性能，也会引起应力集中、应力腐蚀现象，加速零件的失效。对零件的表面质量提出新的概念表面完整性。1、表面形貌：描述加工后零件表面的几何特征：表面粗糙度、波度、纹理2、表面缺陷：加工表面出现的宏观裂纹、伤痕

4、、腐蚀等；对零件的使用有很大影响3、微观组织与表面层的冶金化学特性：（1）微观裂纹（2）微观组织变化：晶粒形状、大小、析出物和再结晶的的变化；（3）晶向腐蚀和化学成分的优先溶解；（4）对于氢、氧等元素的化学吸收作用所引起的脆性；表面完整性Integrity(续)4、表面层物理力学性能：表面层硬化深度的程度、表面层残余应力的大小和方向分布；5、表面层的其他工程技术属性：摩擦特性、光的反射率、导电、导磁特性等。更强调表面层内的特性表面完整性Integrity(续)3.2 影响加工表面粗糙度的工艺因素和改善措施两种：几何因素、物理因素一、切削加工尖刃切削：圆弧刃切削：车削、刨削时的残留高度：进给量、

5、主副偏角、刀尖圆弧半径切削速度的影响：塑性材料:V为2050m/min时，表面粗糙度最大，易出现积屑瘤、鳞刺等；超过100m/min后，粗糙度下降，并稳定脆性材料：切削速度对粗糙度影响不大应合理选择切削液、适当增加刀具前角、提高刀具刃磨质量切削加工时物理因素的影响：塑性变形1、表面粗糙度的形成：1）几何原因：加工表面由砂轮上大量磨粒刻划出单位面积上的刻痕越多（即通过单位面积上的磨粒数越多)，且刻痕深度均匀，粗糙度低。2）塑性变形：磨粒为负前角在磨削时对表面产生挤压作用而出现塑性变形，磨削高温进一步增加塑性变形，增大表面粗糙度3）加工时的振动：振动是主要因素，后文讲述二、磨削加工1）砂轮：粒度、

6、硬度、砂轮的修整2)工件材料3）加工条件 2、磨削中影响表面粗糙度的因素及改善措施筛分法。大于50m,筛网在每英寸长度上的网眼数 显微镜分析法。小于50m,用显微镜测量7大级14小级:超软,软,中软,中,中硬,硬,超硬粒度细：单位面积上磨粒越多刻痕越细表面粗糙度越小 太细：易堵塞、降低磨削作用、产生波纹和烧伤（粒度号越大粒越细:磨粒刚刚能通过筛网的网号来表示）硬度磨粒受磨削力作用后从砂轮上脱落的难易程度 太硬：不易脱落、磨钝后受到强烈的摩擦和挤压、增加塑变粗糙度变大、烧伤 太软：易脱落、磨削作用减弱粗糙度变大应选择合适硬度：中软砂轮1）砂轮：粒度、硬度砂轮修整：修整工具、纵向进给量修整的目的：

7、除去钝化颗粒、使磨粒切削刃锋利、获得切削微刃、使磨粒等高性好工具：金刚石砂轮修整工件材料的硬度、塑性、导热性：对粗糙度影响显著铝、铜：堵塞砂轮；耐热合金：使砂粒早期崩落2）工件材料加工条件：切削用量、冷却条件、工艺系统刚度、抗振性v砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多，表面粗糙度值就越小。v工件转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，表面粗糙度值增大。v砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被重叠切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小。v冷却：降低磨削区温度、减少烧伤、冲去砂粒和切屑3）加工条件3.3 影响表层金属物理力学性能的工艺因素表面层受热和力的作用：导致物理力学性能

8、发生变化本节内容：表面物理力学表面物理力学性能性能影响金相组织变化影响金相组织变化因素因素影响显微硬度因素影响显微硬度因素影响残余应力因素影响残余应力因素塑变引起的冷硬金相组织变化引起的硬度变化冷塑性变形热塑性变形金相组织变化切削热工艺措施一 表面层加工硬化1、加工硬化的产生及衡量指标 工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，使表面层的强度和硬度增加，塑性降低，物理性能（密度、导电性、导热性）也有所变化，-加工硬化，又称冷作硬化和强化。软化：切削热使金属在塑性变形中产生回复现象，使金属失去加工硬化所得到的物理力学性能 硬化和

9、软化在加工过程中同时存在。最后的性能取决于两者的比率。加工硬化指标1）显微硬度：HV；2）硬化层深度：h0；3）硬化程度：HV0工件原表面层的显微硬度T3-1刀具几何形状的影响刀具几何形状的影响切削刃切削刃r、前角前角、后面磨损量、后面磨损量VB表层金属的塑变加剧表层金属的塑变加剧冷硬冷硬切削用量的影响切削用量的影响切削速度切削速度v塑变塑变冷硬冷硬f切削力切削力塑变塑变冷硬冷硬工件材料性能的影响工件材料性能的影响 材料塑性材料塑性冷硬冷硬3、加工硬化测量：HV、h 2、影响加工硬化的因素二 表面层残余应力三种:冷态塑变、热态塑变、金相组织变化1）冷态塑变:在切削力作用下，被加工工件表面受到挤

10、压与摩擦，表层金属体积增大，产生伸长塑变，基体仍处于弹性变形状态，表层塑变受到与其相连的里层金属的阻止。表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力。1、表面层残余应力产生原因切削热-表层热膨胀，基体温度低，表层产生压应力，基体产生压应力。切削过程结束，已产生塑变的表层由于温度降低冷缩，但受到基体的限制，最终表面表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力。tp:完全塑性，无应力tn:室温2 2）热态塑变热态塑变 金相组织变化：切削时产生高温，导致表层金相组织变化。比容大的组织比容小的组织体积收缩，产生拉应力，反之，产生压应力。（密度小，比容大）密度：马氏体 7.75mg/cm3 奥氏体 7.96 珠

11、光体 7.78 铁素体 7.883）金相组织变化淬火钢：原组织马氏体 屈氏体或索氏体（接近珠光体）密度增大，体积减小 残余拉应力 如果表面温度超过Ac3（相变温度），冷却又充分，表层又将成为马氏体（一薄层二次淬火层）体积膨胀，残余压应力磨削回火磨削回火淬火钢加工中金相组织变化表面层残余应力 磨削：热的作用冷态塑性变形热态塑性变形 三者综合作用结果金相组织变化2、影响表面层残余应力及磨削裂纹的因素精细磨：温度低、冷态塑变为主；产生浅而小的残余压应力精磨：热塑变为主，产生残余拉应力重磨：表面极浅的残余压应力，接着是较深而大的残余拉应力：表面产生二次淬火层，下层为回火组织（回火屈氏体、索氏体）磨削裂

12、纹的产生与工件材料和热处理规范有关：高碳钢易产生裂纹磨削中的残余应力磨削裂纹的产生与工件材料和热处理规范有关：高碳钢易产生裂纹;淬火钢晶界脆弱，渗碳、渗氮钢受温度影响，易在临界面上析出脆性碳化物和氮化物，磨削时易产生裂纹。磨削裂纹三 表面层金相组织的变化与磨削烧伤高温使金属发生相变：一般切削，温度不足以产生相变磨削：可能发生相变磨削热使工件表面层金相组织发生变化，使表面层的硬度和强度下降，产生残余应力甚至产生显微裂纹：磨削烧伤磨削烧伤会严重影响零件的使用性能。1 原因磨削烧伤颜色发生磨削烧伤后，由于表面氧化层厚度的不同，会产生不同的颜色：黄、褐、紫、青。判断方法虽然将颜色磨去，但不能完全去除烧

13、伤层，会留下隐患。500700900青青紫紫褐褐黄黄3 3种磨削烧伤种磨削烧伤1）回火烧伤：马氏体转变温度 表面温度 Ac3+充分冷却(急冷)马氏体 二次淬火马氏体：硬度高于回火马氏体(薄)，下层为硬度较低的回火屈氏体或索氏体，总的硬度降低3）退火烧伤：表层温度 Ac3+慢冷 马氏体 奥氏体：退火-硬度急剧下降对磨削热的处理：*尽可能减少磨削热；*改善冷却条件1）合理选择磨削用量：外圆磨：ap Vs 烧伤 工件f 烧伤(砂轮与工件表面接触时间减少，热作用时间减少)Vw 温度 热源作用时间减少）烧伤 实践证明：同时 Vs Vw ：避免烧伤2 改善措施2）工件材料：轴承钢、耐热钢、不锈钢易烧伤 硬

14、度 强度 韧性增加 导热性好磨削热量增加散热好3）砂轮 太硬：烧伤；砂轮结合剂：采用具有一定弹性的材料，如树脂橡胶等。一般：粗砂轮，不易产生烧伤2 改善措施（续）3）冷却：切削液的冷却形式 冷却液流量（大流量）、冷却结构2 改善措施（续）四 提高表面层物理力学性能的措施工件表面残余拉应力好还是压应力好？（一）零件的破坏形式和最终工序的选择（二）表面强化工艺零件破坏形式：1、疲劳破坏：交变载荷表面层局部产生微观裂纹，在拉应力作用下，使原生裂纹扩大，导致零件破坏最终工序：能在加工表面产生残余压应力 2、滑动磨损：滑动摩擦、粘结、扩散、化学磨损等的综合作用。滑动磨损使表面承受压应力，当超过许用应力时

15、，发生磨损。最终工序：产生残余拉应力。3、滚动磨损：表层下h处的拉应力对引起滚动磨损起决定作用。最终工序：产生残余压应力（一）零件的破坏形式和最终工序的选择 表面质量尤其是表面层的物理力学性能，对零件的使用性能及寿命影响很大。如果最终工序不能保证零件表面获得预期的表面质量要求，须在工艺过程中增设表面强化工艺。表面强化工艺通过冷加工方法使表面层金属发生冷态塑变，以降低表面粗糙度、提高表面硬度，并在表面层产生残余压应力。方法：化学热处理、电镀和表面机械强化等。表面机械强化：喷丸强化、滚压加工、液体磨料强化等（二）表面强化工艺0.44mm钢珠高速打击被加工零件表面：产生冷硬层、残余压应力、提高零件疲

16、劳强度珠丸：铸铁、钢、砂石压缩空气喷丸、机械离心式喷丸：3550m/s（子弹300）适用：形状复杂零件：齿轮、连杆、曲轴、板弹簧、螺旋弹簧等硬化层深度：0.7 Ra：E-E+E-:振动加强；反之，衰减维持振动的条件3产生自激振动的条件 在背向力Fy作用下，刀具作切入、切出运动（振动）。单自由度机械加工振动模型：设工件系统为绝对刚体，振动系统与刀架相连，且只在y方向作单自由度振动。单自由度机械加工振动模型分析 刀具切入，其运动方向与背向力方向相反，作负功；即振动系统要消耗能量W振入；刀具切出，其运动方向与背向力方向相同，作正功；即振动系统要吸收能量W振出；刀架振动系统同时受F弹的作用。y越大，F

17、弹也越大，当Fy=F弹时，刀架的振动停止。背向力Fy是外力，Fy对振动系统作功。（1 1）当W振出W振入时，刀架振动系统将有持续的自激振动产生。单自由度机械加工振动模型分析（续）三种情况：W振出=W振入+W摩阻（振入）时，系统有稳幅的自激振动；W振出W振入+W摩阻（振入）时，系统为振幅递增的自激振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动；W振出 W振入+W摩阻（振入）时，系统为振幅递减的自激振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动；单自由度机械加工振动模型分析（续）故振动系统产生自激振动的基本条件是：W振出W振入或 Fy振出Fy振入单自由度机械加工振动模型分析（续）颤振的原因，机理复杂。目前尚无一种

18、能阐明各种情况下产生颤振的理论。主要学说有：负摩擦激振学说 再生颤振学说再生颤振学说 振型耦合原理振型耦合原理（坐标联系学说）4自激振动的激振学说机理go(1)再生颤振原理车床：车刀只做横向进给。在稳定的切削过程中，刀架系统因材料的硬点，加工余量不均匀，或其它原因的冲击等，受到偶然的扰动。刀架系统因此产生了一次自由振动，并在被加工表面留下相应的振纹。当工件转过一转后，刀具要在留有振纹的表面上切削，因切削厚度发生了变化，所以引起了切削力周期性的变化。产生动态切削力。将这种由于切削厚度的变化而引起的自激振动，称为“再生颤振”。自由正交切削时再生颤振的产生图示周期中的平均切削厚度比切出时的平均切削厚

19、度小，切削力也小，切削力所作正功大于负功：E+E-;可使振动维持。再生颤振产生的条件当后一转切削加工的工件表面比前一转切削加工的表面滞后一个相位角时，如果刀具在切入工件的半个再生颤振-结论结论：在再生颤振中，只有当后一转的振纹的相位滞后于前一转振纹时才有可能产生再生颤振。振动与前后两转间的加工重叠部分有关。重迭系数对再生颤振的影响重迭系数：重迭系数：前一次切削工件表面形成的波纹面宽度在相继的后一次切削的有效宽度中所占的比例，用 表示。会不会产生颤震？（2）振型耦合颤振(坐标联系学说)根据再生颤振原理，矩形螺纹外圆加工前后转无加工重迭现象，不应发生颤振。但当切削厚度达到一定值时，仍发生颤振。振型

20、耦合：多自由度的颤震现象。两自由度振型耦合颤振动力学模型刀具等效质量为 m，由相互垂直的等效刚度系数分别为k1、k2（设k1600r/min，砂轮、卡盘、转子、刀盘平衡带、链、齿轮等：保证传动稳定，带接头良好，用斜齿轮代替直齿轮等；动力源与机床本体分离；调整振源频率：避开共振区提高工艺系统的刚度和阻尼：改变系统固有频率采取隔振措施 主动隔振：阻止机床振源通过地基外传：地基良好 被动隔振：阻止外界振动通过地基传至机床 弹性隔振装置、材料：橡皮、弹簧、泡沫等（一）消除或减弱产生强迫振动的措施（续）（二）消除或减弱产生自激振动的措施抑制自激振动途径抑制自激振动途径V=3070m/min自振自振f自振

21、自振；保证保证Ra时时f提高机床抗振性提高机床抗振性提高刀具抗振性提高刀具抗振性（采用消振刀具）（采用消振刀具）提高工件安装刚性提高工件安装刚性根据振型耦合原理，工艺系统根据振型耦合原理，工艺系统的振动还受到各振型的刚度比的振动还受到各振型的刚度比及其组合的影响。合理调整它及其组合的影响。合理调整它们之间的关系，就可以有效地们之间的关系，就可以有效地提高系统的抗振性，抑制自激提高系统的抗振性，抑制自激振动。（振动。（削扁镗杆试验削扁镗杆试验）提高工艺系统抗振性提高工艺系统抗振性合理选择切削用量合理选择切削用量合理选择刀具参数合理选择刀具参数采用变速切削采用变速切削采用采用减振装置减振装置合理调

22、整主振模态合理调整主振模态刚度比及其组合刚度比及其组合前角、主偏角前角、主偏角自振自振后角后角自振自振；但太小时但太小时自振自振抑制再生颤振方法用于工艺系抑制再生颤振方法用于工艺系统刚性较好的场合。统刚性较好的场合。合理选择切削用量切削速度进给量切削深度合理选择刀具参数主偏角前角小的后角或带负后角的消振棱增大摩擦阻尼（三）增强工艺系统抗振性和稳定性的措施1、提高刚度：提高工艺系统薄弱环节的刚度，合理配置刚度主轴的方向，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以外。措施：调整主轴系统、进给系统的间隙，改变机床结构，减小工件、刀具悬伸，采用削扁镗杆；减轻工艺系统各构件的质量等；提高刚度、

23、增加系统阻尼（三）增强工艺系统抗振性和稳定性的措施2、增加系统阻尼：阻尼：零部件材料的内阻尼、结合面上摩擦阻尼、其他阻尼增大阻尼：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；如床身：薄壁封砂结构吸振 活动结合面：间隙调整、预紧增加摩擦 固定结合面：选用合理的加工方法、粗糙度等级、结合面比压、固定方式（四）消振减振措施1、摩擦式减振器：利用固体或液体的摩擦阻尼消耗振动能量。如：主轴系统液体减振器间隙大的滑动轴承、阻尼套、粘性油空心镗杆内放入阻尼系数大弹性系数小的固体粒子阻尼套固定，主轴和阻尼套间不断注入粘性油三类减振装置 用弹性元件把附加质量连接到振动系统上，利用附加质量的动力作用，

24、使弹性元件加在系统上的力与系统的激振力抵消。镗刀杆动力减振器及动力学模型：附加m2、k2、c2 两自由度系统适当选择，使m1不再振动，而只有m2振动 2、动力式减振器 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组成。当系统振动时，自由质量块反复冲击壳体，消耗振动能量。质量块：密度大、弹性恢复系数大、间隙要合适 特点：噪声；结构简单、质量轻、体积小、适用范围广。3、冲击式减振器 根据振型耦合原理，工艺系统的振动会受到各振型的刚度比及其组合的影响。合理调整它们之间的关系，就可以有效地提高系统的抗振性，抑制自激振动。图示削扁镗杆，x1是削扁镗杆的小刚度主轴，x2是削扁镗杆的大刚度主

25、轴。理论分析与实验结果表明，方位角（为加工表面法向y与镗杆削边垂线的夹角）对镗孔系统的稳定性具有重要影响。图 b所示削扁镗杆的小刚度主轴的方位角介于切削力F与y方向的夹角范围内，容易产生振型耦合型颤振。图 c所示削扁镗杆的小刚度主轴的方位角落在F与y方向的夹角范围之外，可避免发生振型耦合型颤振。削扁镗杆实验削扁镗杆图小刚度主轴小刚度主轴大刚度主轴大刚度主轴易颤振易颤振AA 取镗杆a=0.8d，vc=40m/min，f=0.3mm/r，ap=3mm，镗杆悬伸长度为550mm。由图所示的“8”字形区域可知，最适宜的方位角在=120140(或=300320)之间。具有较高稳定性的方位角通过实验获得：削扁镗杆实验小结1、表面质量：表面几何形状误差、表面层金属物理力学性能和化学性能2、表面粗糙度3、表面层金属物理力学性能：加工硬化、残余应力、金相组织变化磨削烧伤4、工艺系统振动：强迫振动、自激振动