1、1,第8章 机械加工表面质量,本章要点,机械加工后的表面质量,机械加工后的表面粗糙度,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,机械加工过程中的振动问题,2,机械制造技术基础,第8章 机械加工表面质量,3,8.1.1 表面质量的含义,（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）,图1 加工质量包含的内容,4,8.1.1 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） 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）波长/波高10
2、00 波度 波长/波高=401000；且具有周期特性 表面粗糙度 波长/波高40,5,（2）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。 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。 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。,8.1.1 表面质量的含义,6,8.1.2 表面质量对零件使用性能的影响,对耐磨性影响,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
3、耐磨性，但有一定限度（图8-2）,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,7,机械制造技术基础,第8章 机械加工表面质量,8,8.2.1 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8-4a）,（8-1）,圆弧刃车刀（图8-4b）,（8-2）,影响因素：,形成原因：几何因素 、物理因素、工艺系统的振动,9,切削速度影响最大：v = 1050m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差（图8-5） 。,其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等,8.2.1 切削加工后的表面粗糙度,10,8.2.2 磨削加工后的表面粗糙度
4、,磨削机理: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切削；砂粒三种切削状态:弹性变形不形成切削屑 钝化砂粒塑性变形形成沟槽不形成切削屑 较钝砂粒塑性变形强烈形成切屑 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也愈小。,影响表面粗糙度的三个因素：几何因素物理因素工艺系统的振动,11,砂轮速度v，Ra工件速度vw，Ra 砂轮纵向进给f，Ra 磨削深度ap，Ra ,8.2.2 磨削加工后的表面粗糙度,光磨次数，Ra,12,砂轮粒度，Ra；但要适量砂轮硬度适中， Ra ；常取中软砂轮组织适中，Ra ；常取中等组织采用超硬砂轮材料，Ra 砂轮精细修整， Ra ,8.2.2
5、 磨削加工后的表面粗糙度,工件材料冷却润滑液等,13,机械制造技术基础,第8章 机械加工表面质量,14,8.3.1 机械加工后表面层的冷作硬化,冷作硬化产生的原因,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。 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。,15,8.3.1 机械加工后表面层的冷作硬化,对切削加工来说,f，冷硬程度(图8-7), 切削用量影响, 刀具影响,r
6、，冷硬程度其他几何参数影响不明显后刀面磨损影响显著（图8-8）, 工件材料,材料塑性，冷硬倾向,切削速度影响复杂（力与热综合作用结果）切削深度影响不大,16,磨削速度冷硬程度（弱化作用加强） 工件转速冷硬程度 纵向进给量影响复杂,磨削深度冷硬程度（图8-9）, 磨削用量, 砂轮,砂轮粒度冷硬程度砂轮硬度、组织影响不显著,工件材料,材料塑性 冷硬倾向材料导热性 冷硬倾向,8.3.1 机械加工后表面层的冷作硬化,17,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。,8.3.2 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 热变质层切削加工中由于切削热的作用，加
7、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。,18,磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下三种： 回火烧伤：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组织索氏体或屈氏体。 淬火烧伤：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。,8.3.2 机械加工后表面层金相组织的变化,退火烧伤：干磨削时，磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，
8、因工件冷却缓慢，则表层硬度急剧下降，工件表层被退火。,19,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应力。产生原因：（实际机加工后表层残余应力为三因素综合）（略讲）,8.3.3 机械加工后表面层的残余应力,（1）冷态塑性变形,（2）热态塑性变形,（3）金相组织变化,20,8.3.3 机械加工后表面层的残余应力,产生残余应力的原因： 冷塑性变形影响,表层压应力、里层拉应力,21,8.3.3 机械加工后表面层的残余应力,热塑性变形,表层受拉应力、里层受压应力,22,8.3.3 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 压应
9、力,切削加工(温度高),以热塑性变形为主 拉应力,磨削加工,热塑性为主 拉应力,机械加工后是这三方面原因综合作用的结果：,人们希望获得表面残余压应力，往往进行表面强化处理。,23,8.3.3 机械加工后表面层的残余应力,v残余应力（热应力起主导作用，图8-10）, 切削用量, 刀具,前角+，残余拉应力p25 刀具磨损残余应力, 工件材料,材料塑性残余应力 铸铁等脆性材料易产生残余压应力,仅讨论切削加工,f残余应力（图8-11）,切削深度影响不显著,24,8.3.3 机械加工后表面层的残余应力,合理选择砂轮合理选择磨削用量改善冷却条件,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
10、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,25,机械制造技术基础,第8章 机械加工表面质量,26,8.4 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 （1）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速度，但会使工件粗糙度增加可行办法是试验确定参数。 （2）选择有效的冷却方法（高压大流量、内冷却，加装空气挡板等） 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、细密磨削等。 （2）光整加工工艺：珩磨、超精加工、研磨、抛光,采用冷压强化工艺
11、 （见下页）,27,利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态挤压金属表面，将凸起部分下压下，凹下部分上凸，修正工件表面的微观几何形状,形成压缩残余应力，提高耐疲劳强度（图8-14）,利用大量快速运动珠丸打击工件表面, 使工件表面产生冷硬层和压应力,疲劳强度（图8-13）,喷丸强化,图8-14 滚压加工原理图,用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，例如板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等,8.4 控制加工表面质量的工艺途径,28,机械制造技术基础,第8章 机械加工表面质量,29,8.5.1 振动的概念与类型,机械加工过程中振动的危害,影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度影响生产效率
12、加速刀具磨损，易引起崩刃影响机床、夹具的使用寿命产生噪声污染，危害操作者健康,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。由于系统中总存在由阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。,30,8.5.2 机械加工过程中强迫振动,强迫振动产生原因,由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起强迫振动振源：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,频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数幅值特征：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
13、有频率时，产生共振相角特征：强迫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。,31,32,33,8.5.3 机械加工过程中自激振动,自激振动的概念,在没有周期性外力作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动自激振动过程可用传递函数概念说明（图8-15）,自激振动是一种不衰减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能否产生及振幅的大小取决于振动系统在每一个周期内获得和消耗的能量对比情况（图8-16）。,34,8.5.4 减少工艺系统振动的途径,减小机内干扰力的幅值 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
14、生强迫振动的条件,式中 f 和 fn 分别为振源频率和系统固有频率,隔振,图8-19 两种尾座结构,（7-33）,35,8.5.4 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）,36,减小重叠系数方法, 增加切削阻尼（例采用倒棱车刀，图8-21）,增加主偏角增大进给量,8.5.4 减少工艺系统振动的途径,37, 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,8.5.4 减少工艺系统振动的途径,38,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,动力减振器 摩擦式减振器（图8-23）,冲击式减振器（图8-24）,8.5.4 减少工艺系统振动的途径,
