1、第一节 加工表面质量的概念,微观几何形状误差,表面粗糙度L/H50,波度L/H（501000）,纹理方向,伤痕,物理机械性能,冷作硬化,金相组织变化,残余应力,L1/H11000 形状误差 L2/H2=501000 波度 L3/H350表面粗糙度,一、表面层的几何形状误差,表面粗糙度 由残留面积、塑变、积屑瘤、鳞刺、高频振动引起。 波度 低频振动引起。,纹理方向 表面刀纹的方向，它取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法。 伤痕 伤痕是在加工表面上一些个别位置上出现的缺陷。例如砂眼、气孔、裂痕等。,二、表面层材料的物理机械性能,1、层金属的冷作硬化 定义：经机加后，塑变晶格扭曲、畸变，晶粒件产
2、生剪切变形，晶粒被拉长，表面层硬度常高于基体材料硬度这一现象。一般情况下，硬化层的深度可达0.050.30mm；若采用滚压加工，硬化层的深度可达几个毫米。,2、表面层金属的残余应力 力、热作用下，表面层金属塑变或产生金相组织的变化，使表层金属产生残余应力。 3、表面层金属的金相组织 热作用下表面层金属金相组织发生变化。,表面完整性：,表面形貌：描述零件几何特征，表面粗糙度、 波度和纹理等。,表面缺陷：描述加工表面宏观裂纹、伤痕、腐蚀等。,微观组织和表面层冶金化学性能，如微观裂纹等。,表面层物理力学性能，如表层硬化程度和深度、表层残余应力大小及分布等。,表层其他工程技术特征，如摩擦特性、导电性等
3、。,（1）表面质量对耐磨性的影响 （2）表面质量对耐疲劳性的影响 （3）表面质量对耐蚀性的影响 （4）表面质量对零件配合质量的影响,第二节 机械加工表面质量对机器使用性能的影响,表面粗糙度对耐磨性的影响,一、表面质量对耐磨性的影响,表面粗糙度与初期磨损量的关系,耐磨性,Ra,（不利于储存润滑油，引起干摩擦，分子粘接，磨损增大）,耐磨性,Ra,（接触面积减少，压强增大，磨损大）,纹理形状：,刀纹方向与运动方向：,圆弧状、凹坑状：耐磨性好 尖峰状 ：耐磨性差,相同：耐磨性好 垂直：耐磨性差,表面纹理对耐磨性的影响,冷作硬化对耐磨性的影响,Hv,耐磨性,(减少摩擦表面接触部位处的弹塑变形）,Hv,耐
4、磨性,（组织疏松，产生裂纹、剥落，加速磨损）,Ra,抗疲劳性,Ra,（表面纹痕深纹底半径小-易应力集中-产生疲劳裂纹）,抗疲劳性,表面粗糙度对耐疲劳性的影响,二、表面质量对零件疲劳强度的影响,钢材对应力集中最为敏感 铸铁和有色金属对应力集中的敏感性较弱,拉伸残余应力,耐疲劳强度,压缩残余应力,耐疲劳强度,冷作硬化,耐疲劳强度,冷作硬化,耐疲劳强度,（显微裂纹）,表面层金属的力学物理性质对耐疲劳性的影响,残余压应力,耐蚀性,Ra,耐蚀性,（腐蚀物质越容易沉积于凹坑中,并渗透）,表面层力学物理性质对耐蚀性的影响,残余拉应力,耐蚀性,表面粗糙度对耐蚀性的影响,三、表面质量对抗腐蚀性能的影响,表面粗糙
5、度,残余应力,（-变形-精度降低）,间隙配合表面，表面粗糙度越大，起始磨损量越大，间隙越大，影响配合的稳定性、可靠性。 对于过盈配合表面，表面粗糙度越大，两表面相配合时表面凸峰易被挤掉，这会使过盈量减少。,四、表面质量对零件配合性质的影响,理想的表面质量：,粗糙度合适，表面有一定的冷硬层， 残余压应力。,切削加工表面粗糙度,第三节 影响加工表面粗糙度的工艺因素,Kr,Kr,f,H,几何因素：,刀尖圆弧半径r、主偏角r、副偏角r，及进给量 f 等,切削残留面积的高度,Ra值,积屑瘤：,物理因素：,积屑瘤、鳞刺、塑变,切削速度、材料性质,避免中低速切削，应高速切削,切削加工 粗糙度影响因素,刀具,
6、切削用量,冷却液、润滑,工件材料,振动,刀具材料,刃磨质量,韧性,晶粒组织,车端面，端面很粗糙？ (外圆直径10mm，s=1200r/min),思考：,V=Dn/1000=38m/min,磨削加工表面粗糙度,经验公式：,径向进给,工件速度,轴向进给,砂轮宽度,砂轮速度,1）磨削用量,Ra,2）砂轮,粒度细 砂轮直径越大 磨粒微刃等高性越好 中软砂轮（硬度） 中等组织,Ra,3）磨料与加工材料的适应性,4）良好的磨削液,氧化物（Al2O3）砂轮磨削钢类零件； 碳化物（SiC）砂轮磨削铸铁、硬质合金 用高硬磨料（人造金刚石、立方氮化硼）砂轮磨削可获得极小的表面粗糙度值，但加工成本很高。,较好的流动
7、性和冷却性,机械加工-塑性变形- 晶格扭曲、畸变、滑移-表面硬度高于基体材料硬度，称作冷作硬化。,第四节 影响加工表面物理机械性能的工艺因素,一、表面层材料的冷作硬化,1冷作硬化及其评定参数,冷作硬化 评定指标,表层显微硬度Hv,硬化层深度h,硬化程度N,2影响冷作硬化的工艺因素,（1）刀具几何形状的影响 切削刃钝圆半径-塑变 N,h前角、后角刀具锋利，塑变-冷硬后刀面磨损-塑变-N,h,摩擦热急剧增大，弱化趋势明显增大,摩擦加剧，塑性变形增大,（2）切削用量的影响 切削用量中以进给量和切削速度的影响为最大。,f-切削力F-塑性变形-h，N 进给量-刮擦次数-N,切削速度对冷硬程度的影响是力因
8、素 和热因素综合作用的结果。,V -塑性变形 -塑变区域-h,V -切削热作用时间-冷硬程度N,V -温度达到相变温度,V -温度-表层软化-冷硬程度N,产生淬火相-N （充分冷却）,回火层-N （无充分冷却）,第七章 机械加工表面质量,切削厚度,力增大,塑变增大,N,h增大,导热性差-弱化增强,（3)加工材料性能的影响 塑性越大:冷硬倾向越大，冷硬程度也越严重。 塑性越小:冷硬程度越小。,影响磨削加工表面冷作硬化的因素,磨削温度比切削温度高， 磨削弱化与金相组织变化 常起主导作用，表层硬度 变化较为复杂。,1-磨削温度超过钢的回火温度，低于相变温度，表层出现回火组织，硬度降低,2-超过相变温
9、度，形成奥氏体，随后被基体淬硬得到马氏体硬度增强,（1）工件材料性能的影响,塑性好-磨削时的塑性变形大-强化倾向大； 导热性高-热不容易集中于表面层-弱化倾向小。,（2）磨削用量的影响,磨削深度,磨削力,塑变,表面冷硬倾向,纵向进给速度,每颗磨粒的切屑厚度,磨削力,冷硬,磨削区热量,冷硬,（综合考虑）,工件转速,热作用的时间,软化倾向,表面层的冷硬,高速磨削冷硬程度低(切削厚度小，力小，塑变小；温度高，弱化大）,1,2,磨削速度大，每颗磨粒切除切削厚度变小。,减少表面层冷作硬化的措施,1)合理选择刀具几何参数如较大前角与后角,刃磨,减小切削刃口圆角半径; 2)控制后刀面磨损 3)较高的切削速度
10、,较小的进给量 4)有效的切削液,（1）组织变化与烧伤,高温-金相组织变化-烧伤,磨削烧伤：磨削时，当磨削表面局部区域的温度超过工件材料的相变温度时，材料的金相组织发生变化，表层硬度随之变化，并产生残余应力甚至细微裂纹。,二、表面层材料金相组织变化,磨削淬火钢：,未超过相变温度,超过相变温度,（冷却液）,超过相变温度,（干磨）,回火烧伤,退火烧伤,（索、屈）,淬火烧伤,烧伤和磨削热的产生与传出有关，所以应减少热的产生，增加热的传出。,正确选择砂轮,选择较软砂轮，以使磨粒脱落较快（自锐),选择有弹性的结合剂。,（2）改善磨削烧伤的工艺途径,ap,合理选择磨削用量,ft,Vs、Vw,较小的磨削深度
11、ap,同时提高砂轮和工件速度w,较大的横向进给量,加大横向进给量ft对减轻烧伤有好处。,及时修正砂轮,有效冷却,大气孔或开槽砂轮在砂轮的圆周上开一些横槽，能使砂轮将冷却液带入磨削区，有效防止工件烧伤。,残余应力:没有外力作用下零件内存留的外力。,残余拉应力,残余压应力,（提高耐磨性、抗疲劳性）,（易产生裂纹，降低耐磨性、抗疲劳性）,三、表面金属的残余应力,冷塑性变形,挤压与摩擦-,表面：压,里层：拉,1)产生残余应力的原因,表面：拉伸塑变，里层：弹性变形,切削过后,弹性恢复,受外层牵制 表：压，里：拉,热塑性变形,热膨胀-,表面：拉,里层：压,表层：热压应力,切削过后,表层收缩受里层牵制 表面
12、：拉，里层：压,相变引起的体积变化,相变使体积膨胀,表面：压,里层：拉,切削加工：冷塑性变形（压） 磨削加工：热塑、体积变化（拉）,马氏体=7.75tm3，奥氏体=7.96tm3， 铁素体=7.88tm3，珠光体=7.78tm3）,相变使体积缩小,表面：拉,里层：压,例如：淬火钢表面回火，表层金属由马氏体转变成屈氏体或索氏体，密度由7.75变为7.78g/cm3 ，表面产生什么应力？多少？,影响残余应力的工艺因素 比较复杂,通常凡能减少塑变和降低切削(磨削)温度的因素能使残余应力减少。,零件的破坏形式：疲劳破坏,交变载荷-微观裂纹-受拉,扩大-断裂,(最终工序:产生残压),滑动磨损,滚动磨损,
13、2零件主要工作表面最终加工工序加工方法,在表面层下h深处产生压应力的加工方法,(最终工序:产生残拉),冷压,冷态塑 性变形,表面粗糙度值,硬度,残余压缩应力,表面强化工艺：,主要方法有:滚压、喷丸、挤孔等。,1）喷丸强化,喷丸强化是利用大量快速运动的珠丸打击被加工工件表面，使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力，可显著提高零件的疲劳强度和使用寿命的工艺方法。,2）滚压加工,滚压加工可降低表面粗糙度35级，表面硬度一般可提高1040，表层金属的耐疲劳强度一般可提高3050。,工艺系统的振动是一种十分有害的现象，原因： 1）影响零件的质量和使用性能 2）刀具极易磨损（甚至崩刃） 3）机床寿命、精度降低
14、 4）产生噪声，污染环境,第五节 机械加工过程中的振动,振动,强迫振动（受迫振动）,自激振动（颤振）,自由振动（逐渐衰减）,约30%,约65%,强迫振动：是工艺系统内外周期性干扰力的作用而引起的振动。,一、机械加工过程中的强迫振动,机外振源：由地基传给机床。,机内振源 高速旋转件的不平衡产生激振力； 传动机构的缺陷； 切削过程的间隙性； 往复运动部件的惯性力,1）强迫振动产生的原因,（如冲压设备等）,2）强迫振动的特征,周期性激振力引起，不因阻尼而衰减。 振动频率与干扰力的频率相同，或是干扰力频率的整数倍，与系统固有频率无关。 幅值与激振力的幅值有关，与工艺系统的动态特性有关。 若干扰力的频率
15、=系统固有频率，则引起共振，幅值最大。,消除或尽量减弱外界干扰力； 外振源，采用隔离措施； 内振源，移出隔振，或精平衡； 避免出现共振现象； 增大系统刚度和阻尼。,3）消除或减弱强迫振动途径,1）自激振动产生条件和特性 无周期性外力作用，而由系统内部激发反馈产生的周期性振动。自激振动频率接近于系统某一薄弱振型的固有频率。,二、机械加工过程中的自激振动（颤振）,自激振动闭环系统,振入：切削力对振动系统作负功E振入,振出：切削力对振动系统作正功E振出,自激振动产生条件：,特性：,自激振动频率接近系统固有频率； 由偶然触发引起，振动所需交变力由振动本身引起； E振出E振入能量补充。,负摩擦原理 再生
16、原理 振型耦合原理 滞后原理,2）自激振动的激振学说,负摩擦原理（负摩擦激振学说）,Fy,v,Fy主要取决于切削与 刀具相对运动所产生的摩擦力,随摩擦速度增加而导致摩擦力下降的特性负摩擦特性,（韧性钢材）,径向切削分力,减少振动？,V入,V出,V0,F出F入,E+E-,再生原理：,偶然扰动-自由振动-留下一段振纹-在前一切削振纹处重复切削由于切削厚度变化引起动态切削力-条件合适，引起再生型颤振。,振入,振出,再生颤振：本次振纹滞后于前一次振纹,1）消除或减弱产生强迫振动的条件 减少激振力 调整振源频率，避免共振区 采取隔振措施,四、机械加工中振动的控制,2）消除或减弱产生自激振动的条件 合理选择切削用量，高速、大进给量等 合理选择刀具几何参数，Kr=90，前角增大 增加切削阻尼,四、机械加工中振动的控制,3）增加系统抗振性的措施 提高工艺系统的刚度和阻尼 采用各种消振隔振措施,思考题,车外圆时，车刀安装高一点或低一点哪种情况抗振性好?镗孔时，镗刀安装高一点或低一点哪种情况抗振性好?为什么?,车外圆时，刀尖安装偏低或镗孔时刀尖安装偏高，都会使刀具切削时的实际前角减少，实际后角增大，并使径向切削力Fy增大，因而容易引起系统的振动。所以车刀安装偏高些，或镗刀安装偏低些，其抗振性较好。,
