1、1 第5章机械加工表面质量 本章要点 表面质量对零件使用性能的影响 表面粗糙度的影响因素 表面力学物理性能的影响因素 机械加工振动对表面质量的影响 2 5 1概述 表面粗糙度 加工表面上较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特征 即加工表面的微观几何形状误差 一 机械加工表面质量的含义 3 5 1概述 一 机械加工表面质量的含义 表面波度 介于宏观形状误差与微观表面粗糙度之间的周期性形状误差 它主要是由机械加工过程中低频振动引起的 应作为工艺缺陷设法消除 4 5 1概述 一 机械加工表面质量的含义 表面加工纹理 表面切削加工刀纹的形状和方向 取决于表面形成过程中所采用的机加工方法及其切削运动的规律
2、 5 5 1概述 一 机械加工表面质量的含义 伤痕 在加工表面个别位置上出现的缺陷 如砂眼 气孔 裂痕 划痕等 它们大多随机分布 6 5 1概述 一 机械加工表面质量的含义 形状误差 从图中分辨出与表面粗糙度 波度的区别 尺寸误差 从图中分辨出与形状误差的关系 7 5 1概述 一 表面层的物理力学性能 表面层金属硬度的变化用硬化程度和深度两个指标来衡量 在机械加工过程中 工件表面层金属都会有一定程度的加工硬化 使表面层金属的显微硬度有所提高 一般情况中 硬化层的深度可达0 05 0 30mm 若采用滚压加工 硬化层的深度可达几个毫米 机械加工过程中 切削热会引起表面层金属的金相组织发生变化 由
3、于切削力和切削热的综合作用 表面层金属晶格会发生不同程度的塑性变形或产生金相组织的变化 使表层金属产生残余应力 8 5 1概述 二 表面质量对零件使用性能的影响 9 5 1概述 二 表面质量对零件使用性能的影响 10 5 1概述 二 表面质量对零件使用性能的影响 11 5 1概述 二 表面质量对零件使用性能的影响 12 5 1概述 二 表面质量对零件使用性能的影响 13 5 1概述 二 表面质量对零件使用性能的影响 14 5 1概述 二 表面质量对零件使用性能的影响 在间隙配合中 如果零件配合表面的粗糙度大 则由于磨损迅速使得配合间隙增大 从而降低了配合质量 影响了配合的稳定性 在过盈配合中
4、如果表面粗糙度大 则装配时表面波峰被挤平 使得实际有效过盈量减少 降低了配合件的联接强度 影响了配合的可靠性 因此 对有配合要求的表面应规定较小的表面粗糙度值 15 5 1概述 二 表面质量对零件使用性能的影响 在过盈配合中 如果表面硬化严重 将可能造成表面层金属与内部金属脱落的现象 从而破坏配合性质和配合精度 表面层残余应力会引起零件变形 使零件的形状 尺寸发生改变 因此它也将影响配合性质和配合精度 表面硬化和残余应力 16 5 2表面粗糙度的影响因素及其改善措施 一 切削加工影响表面粗糙度的因素 17 5 2表面粗糙度的影响因素及其改善措施 一 切削加工影响表面粗糙度的因素 1 刀具几何形
5、状的影响 和 18 2 工件材料的性质 工件材料塑性越好 塑性变形越大 易产生积屑瘤和鳞刺 加工表面粗糙 适当增大刀具前角 提高刃磨质量 合理选择切削液 抑制积屑瘤和鳞刺 3 切削用量 切削速度对表面粗糙度影响很大 切削塑性材料时切削速度处在产生积屑瘤和鳞刺范围内 加工表面粗糙 5 2表面粗糙度的影响因素及其改善措施 一 切削加工影响表面粗糙度的因素 19 5 2表面粗糙度的影响因素及其改善措施 二 磨削加工影响表面粗糙度的因素 20 5 2表面粗糙度的影响因素及其改善措施 二 磨削加工影响表面粗糙度的因素 砂轮粒度号越大 砂轮的颗粒越细 则砂轮表面上单位面积上的磨粒数越多 表面粗糙度值也越小
6、 磨粒太细时 不仅砂轮易被磨屑堵塞 若导热情况不好 反而会在加工表面产生烧伤等现象 使表面粗糙度值增大 因此 砂轮粒度常取为46 60 1 砂轮的影响 粒度 Ra 粒度 Ra 21 5 2表面粗糙度的影响因素及其改善措施 二 磨削加工影响表面粗糙度的因素 砂轮选得太硬 磨粒不易脱落 磨钝了的磨粒不能及时被新磨粒替代 使表面粗糙度增大 砂轮选得太软 磨粒易脱落 磨削作用减弱 也会使表面粗糙度值增大 通常选用中软砂轮 1 砂轮的影响 硬度 Ra 硬度 Ra 22 5 2表面粗糙度的影响因素及其改善措施 二 磨削加工影响表面粗糙度的因素 紧密组织中的磨粒比例大 气孔比例小 在成形磨削和精密磨削时 能
7、获得高精度和较小的表面粗糙度值 疏松组织的砂轮不易堵塞 适于磨削软金属 非金属软材料和热敏性材料 磁钢 不锈钢 耐热钢等 可获得较小的表面粗糙度值 一般情况下 应选用中等组织的砂轮 1 砂轮的影响 组织紧密 Ra 组织疏松 Ra 23 5 2表面粗糙度的影响因素及其改善措施 二 磨削加工影响表面粗糙度的因素 2 工件的影响 一般来说 太硬 太软 韧性大的材料都不易磨光 太硬的材料便磨粒易钝 表面易烧伤并发生裂纹而使零件报废 铝 铜合金等软材料易堵塞砂轮 比较难磨 韧性大导热性差的耐热合金易使砂粒早期崩落 使砂轮表面不平 导致磨削表面粗糙度值增大 24 5 2表面粗糙度的影响因素及其改善措施 二
8、 磨削加工影响表面粗糙度的因素 3 磨削用量的影响 砂轮速度 Ra 砂轮速度越高 单位时间内通过被磨削表面的磨粒数就越多 因而工件表面的粗糙度值就越小 砂轮速度越高 塑性变形造成的隆起量越小 是因为高速度下塑性变形的传播速度小于磨削速度 材料来不及变形 所以粗糙度值减小 25 5 2表面粗糙度的影响因素及其改善措施 二 磨削加工影响表面粗糙度的因素 3 磨削用量的影响 砂轮轴向进给量 Ra 砂轮的轴向进给量减小 工件表面的每个部位被砂轮重复磨削的次数增加 被磨表面的粗糙度值将减小 砂轮磨削切深 Ra 增大磨削切深将增加塑性变形的程度 从而增大粗糙度 26 5 2表面粗糙度的影响因素及其改善措施
9、 二 磨削加工影响表面粗糙度的因素 3 磨削用量的影响 工件速度 Ra 工件速度越高 单位时间内通过被磨削表面的磨粒数减少 表面粗糙度值将增加 增大工件速度将增加塑性变形的程度 从而增大粗糙度 27 5 2表面粗糙度的影响因素及其改善措施 二 磨削加工影响表面粗糙度的因素 4 磨削液的影响 磨削液 Ra 对于磨削加工来说 由于磨削温度很高 热因素的影响往往占主导地位 因此 必须采取切实可行的措施 将磨削液送入磨削区 28 5 3表面力学物理性能的影响因素及其改善措施 一 冷作硬化 1 概念 机械加工 切削力 塑性变形 晶格扭曲 畸变 滑移 表面硬度高于基体材料硬度硬化机械加工 切削热 强化的金
10、属回复 硬度降低软化 29 5 3表面力学物理性能的影响因素及其改善措施 一 冷作硬化 1 概念 30 5 3表面力学物理性能的影响因素及其改善措施 一 冷作硬化 2 影响切削加工表面冷作硬化的因素 1 切削用量的影响 进给量 切削力 塑性变形 N 切削速度 切削力作用时间 塑性变形扩展深度 h 31 5 3表面力学物理性能的影响因素及其改善措施 一 冷作硬化 2 影响切削加工表面冷作硬化的因素 2 刀具几何形状的影响 刀具钝圆半径 背向力 塑性变形 N 前角 后角 刀具锋利 塑性变形 N 刀具磨损 摩擦 塑性变形 N 32 5 3表面力学物理性能的影响因素及其改善措施 一 冷作硬化 2 影响
11、切削加工表面冷作硬化的因素 3 工件材料性能的影响 塑性 塑性变形倾向 N 硬度 塑性变形倾向 N 导热性 切削温度 N 软化作用 33 5 3表面力学物理性能的影响因素及其改善措施 二 表面层的金相组织变化 1 概念 对于已淬火的钢件 磨削温度往往会使表层金属的金相组织产生变化 使表层金属硬度下降 使工件表面呈现氧化膜颜色 这种现象称为磨削烧伤 34 5 3表面力学物理性能的影响因素及其改善措施 二 表面层的金相组织变化 2 改善磨削烧伤的工艺途径 选用具有弹性的结合剂时 当个别磨粒由于某种原因导致磨削力增大时 结合剂的弹性能够做一定的径向退让 使磨深减小 以缓和磨削力突增而引起的烧伤 硬度
12、 钝化后不易脱落 磨削力 具有弹性的结合剂 烧伤 烧伤 35 5 3表面力学物理性能的影响因素及其改善措施 二 表面层的金相组织变化 2 改善磨削烧伤的工艺途径 磨削深度 烧伤 磨削温度 工件轴向进给量 烧伤 接触时间 砂轮速度 烧伤 接触时间 工件速度 烧伤 接触时间 磨削温度 36 5 3表面力学物理性能的影响因素及其改善措施 二 表面层的金相组织变化 2 改善磨削烧伤的工艺途径 改善冷却条件 通用的冷却方法效果很差 实际上没有多少磨削液能够真正进入磨削区 冷却液通过中空主轴法兰套引入砂轮的中心腔3内 在离心力的作用下冷却液通过砂轮内部的孔隙向砂轮四周的边缘洒出 因此冷却水就有可能直接注入
13、磨削区 37 5 3表面力学物理性能的影响因素及其改善措施 三 表面层的残余应力 1 概念 38 5 3表面力学物理性能的影响因素及其改善措施 三 表面层的残余应力 2 残余应力的产生原因 39 5 3表面力学物理性能的影响因素及其改善措施 三 表面层的残余应力 2 残余应力的产生原因 40 5 3表面力学物理性能的影响因素及其改善措施 三 表面层的残余应力 2 残余应力的产生原因 41 5 4机械加工振动对表面质量的影响及其控制 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 一
14、概述 42 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 5 4机械加工振动对表面质量的影响及其控制 一 概述 自由振动强迫振动自激振动 43 5 4机械加工振动对表面质量的影响及其控制 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
15、近或等于工艺系统某一固有频率时 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 44 5 4机械加工振动对表面质量的影响及其控制 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 45 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 5 4机械加工振动对表面质量的影响及其控制 振入 46 再生机理 切削过程 由于偶然干扰 使加工系统产生振动并在加工表面上留下振纹 第二次走刀时 刀具将在有振纹的表面上
16、切削 使切削厚度发生变化 导致切削力周期性地变化 产生自激振动 自激振动机理 产生条件 上图 a b c 系统无能量获得 d y滞后于y0 即0 此时切出比切入半周期中的平均切削厚度大 切出时切削力所作正功 获得能量 大于切入时所作负功 系统有能量获得 产生自激振动 5 4机械加工振动对表面质量的影响及其控制 47 5 4机械加工振动对表面质量的影响及其控制 振型耦合机理 将车床刀架简化为两自由度振动系统 等效质量m用相互垂直的等效刚度分别为k1 k2两组弹簧支撑 设x1为低刚度主轴 如右图 自激振动的产生 k1 k2 x1与x2无相位差 轨迹为直线 无能量输入 k1 k2 x1超前x2 轨迹d c b a为一椭圆 切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的大 系统无能量输入 k1 k2 x1滞后于x2 轨迹为一顺时针方向椭圆 即 a b c d 此时 切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的小 有能量获得 振动能够维持
