機(jī)械加工表面質(zhì)量

6.2機(jī)械加工表面質(zhì)量機(jī)械制造基礎(chǔ)——第7章本次課目的明白表面質(zhì)量的含義及其對(duì)零件使用性能的影響能寫出控制表面質(zhì)量的工藝途徑和工藝措施措施能區(qū)分振動(dòng)種類并能說(shuō)出其相應(yīng)的抑制振動(dòng)的措施6.2.1基本概念1.機(jī)械加工表面質(zhì)量的含義評(píng)價(jià)零件的質(zhì)量指標(biāo)除機(jī)械加工精度外，還包括機(jī)械加工表面質(zhì)量表面質(zhì)量是指零件加工后的表面層狀態(tài)表面質(zhì)量影響零件的工作性能、可靠性、壽命（1）表面層的幾何形狀特征表面粗糙度表面微觀幾何形狀誤差表面加工紋理表面切削加工刀紋的形狀和方向表面波度介于宏觀幾何誤差與表面粗糙度之間的周期性幾何形狀誤差傷痕加工表面?zhèn)€別位置出現(xiàn)的缺陷（2）表面層的物理力學(xué)性能物理力學(xué)性能表面層加工硬化（冷作硬化）表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力表面層金相組織變化2、加工表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響表面粗糙度：表面冷作硬化：耐磨性∴有最佳Ra=0.8~0.4N適當(dāng)↑→耐磨性↑N太嚴(yán)重→表層組織疏松、剝落→耐磨性↓∴有最佳N表面紋理方向：輕載：兩表面文理與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向一致→磨損最小重載：未必粗糙度Ra↑→應(yīng)力集中嚴(yán)重→σ-1↓適當(dāng)?shù)腘→阻止裂紋擴(kuò)大→σ-1↑殘余壓應(yīng)力σ－→σ-1↑殘余拉應(yīng)力σ+→σ-1↓疲勞強(qiáng)度粗糙度Ra↑→易存腐蝕液體→耐蝕性↓冷作硬化→耐蝕性↓殘余壓應(yīng)力σ－→表面致密→耐蝕性↑殘余拉應(yīng)力σ+→表面顯微裂紋→耐蝕性↓抗腐蝕性能配合性質(zhì)粗糙度Ra↑→密封性能↓接觸剛度↓運(yùn)動(dòng)的靈活性↓發(fā)熱損失↑其他性能粗糙度Ra↑→冷作硬化→表層金屬剝落→配合性質(zhì)和精度破壞殘余應(yīng)力→零件變形→影響配合性質(zhì)和精度6.2.2加工表面幾何特征的形成及其影響因素幾何因素尖刀切削時(shí)圓角刀切削時(shí)物理因素切削力和摩擦力塑性變形過(guò)程中形成的積屑瘤切削過(guò)程中工件表面上形成鱗刺在加工過(guò)程中，工藝系統(tǒng)有時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)工藝因素切削加工刀具參數(shù)工件材料性能磨削加工切削用量磨削用量砂輪參數(shù)工件材料性能切削液磨削液影響切削加工表面粗糙度的因素刀具幾何形狀刀具材料、刃磨質(zhì)量切削用量工件材料殘留面積↓→Ra↓前角↑→Ra↓后角↑→摩擦↓→Ra↓刃傾角會(huì)影響實(shí)際工作前角

v↑→Ra↓f↑→Ra↑ap對(duì)Ra影響不大，太小會(huì)打滑，劃傷已加工表面材料塑性↑→Ra↑同樣材料晶粒組織大↑→Ra↑，常用正火、調(diào)質(zhì)處理刀具材料強(qiáng)度↑→Ra↓刃磨質(zhì)量↑→Ra↓冷卻、潤(rùn)滑↑→Ra↓影響切削加工表面粗糙度的因素減小切削表面粗糙度的工藝措施合理選擇刀具幾何參數(shù)適當(dāng)增大前角、后角增大刀尖圓弧半徑減小主、副偏角改善材料切削性能減小材料塑性（采取正火、調(diào)質(zhì)等方法）細(xì)化材料晶粒（熱處理）合理選擇切削用量合理選擇切削速度，避開(kāi)積屑瘤、鱗刺產(chǎn)生的切削速度區(qū)適當(dāng)減少進(jìn)給量切削深度不宜過(guò)小正確使用切削液乳化液、硫化油、植物油等性能各有不同，應(yīng)合理選用采用輔助加工方法常用的有：研磨、珩磨、超精加工等提高工藝系統(tǒng)的剛度和精度主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的精度要高系統(tǒng)的剛度和抗振性好受力變形和熱變形要小磨削表面質(zhì)量磨削加工的特點(diǎn)磨削精度高，通常作為終加工工序磨削過(guò)程比切削復(fù)雜，一般滑擦、刻劃、切削作用是同時(shí)進(jìn)行的磨削速度高，通常v砂=40~50m/s，目前甚至高達(dá)v砂=80~200m/s磨削溫度高，磨削點(diǎn)附近的瞬時(shí)溫度可高達(dá)800~1000℃，會(huì)引起燒傷和裂紋徑向切削力大，會(huì)引起機(jī)床發(fā)生振動(dòng)和彈性變形影響磨削加工表面粗糙度的因素砂輪的線速度工件的線速度砂輪線速度↑→粗糙度值↓工件線速度↓→粗糙度值↓縱向進(jìn)給量磨削深度縱向進(jìn)給量↑→粗糙度值↑光磨次數(shù)越多，粗糙度值越小磨削溫度砂輪性質(zhì)應(yīng)合理使用切削液砂輪的粒度砂輪的硬度砂輪的修整工件材料硬度、塑性、導(dǎo)熱性等影響較大工件材料太軟、太硬、太韌都不容易減小粗糙度砂粒尺寸↓→Ra↓,但太細(xì)易堵砂輪修整用量：切深↓、修整導(dǎo)程↓→磨削刃的等高性越好→Ra↓太軟太硬均不好影響磨削加工表面粗糙度的因素粒度↓→Ra↓

金剛石筆鋒利↑，修正導(dǎo)程、徑向進(jìn)給量↓→Ra↓磨粒等高性↑→Ra↓硬度↑→鈍化磨粒脫落↓→Ra↑硬度↓→磨粒脫落↑→Ra↑硬度合適、自勵(lì)性好↑→Ra↓太硬、太軟、韌性、導(dǎo)熱性差↑→Ra↓影響磨削加工表面粗糙度的因素砂輪粒度工件材料性質(zhì)砂輪修正磨削用量砂輪硬度砂輪V↑→Ra↓ap、工件V↑→塑變↑→Ra↑粗磨ap↑→生產(chǎn)率↑精磨ap↓→Ra↓(ap=0光磨)

6.2.3加工表面表面物理力學(xué)性能的變化及其影響因素1、表面層的殘余應(yīng)力定義當(dāng)切削過(guò)程中表面層組織發(fā)生形狀變化和組織變化時(shí)，在表面層及其與基體材料的交界處會(huì)產(chǎn)生互相平衡的彈性應(yīng)力，稱為表面殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因冷塑性變形（切削力的作用）→σ－熱塑性變形（切削熱的作用）→σ+金相組織變化（切削高溫作用下，引起表面層金屬發(fā)生相變）V大→V小時(shí)→σ+通常是上述三種原因綜合作用的結(jié)果2、表面層的加工硬化切削（含磨削）過(guò)程中，刀具前面迫使金屬受到擠壓而產(chǎn)生塑性變形，使晶體間產(chǎn)生剪切滑移，晶格嚴(yán)重扭曲，并使晶粒拉長(zhǎng)、破碎和纖維化，引起材料強(qiáng)化、硬度提高，這就是冷作硬化現(xiàn)象表面冷作硬化現(xiàn)象評(píng)定指標(biāo)：表面層的顯微硬度H；硬化層深度h；硬化程度N：表面層硬化后的金屬性質(zhì)的具體特點(diǎn)為晶體形狀改變（拉長(zhǎng)、破碎）晶體方向改變（塑變后形成纖維化）變形抵抗力增加（產(chǎn)生冷作硬化）導(dǎo)電、導(dǎo)磁、導(dǎo)熱性亦有變化表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力決定表面層硬化程度的因素產(chǎn)生塑性變形的力塑性變形的速度塑性變形時(shí)的溫度力↑→硬化程度↑切削熱→變形恢復(fù)→硬化程度↓變形速度↑→變形不充分→硬化程度↓影響表面層加工硬化的因素切削用量切削速度進(jìn)給量低速時(shí)，塑性變形大，冷硬大速度增加，冷硬減少；但速度超過(guò)100m/min時(shí)，冷硬又增加進(jìn)給量增大，塑性變形增大，冷硬增加進(jìn)給量太小，刀具擠壓作用增大，冷硬增加刀具工件材料刀具的刃口圓角大和后刀面的磨損嚴(yán)重以及前刀面的粗糙度高，都將使得刀具對(duì)工件表面層金屬的擠壓和摩擦作用增加，因而冷硬程度和深度都增加工件材料硬度越低，切削時(shí)塑性變形越大，冷硬現(xiàn)象越嚴(yán)重切削力↑→冷作硬化↑切削熱↑→冷作硬化↓改善表面物理力學(xué)性能的加工方法滾壓加工利用淬過(guò)火的滾壓工具對(duì)工件表面施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形，金屬表面晶格產(chǎn)生畸變，硬度增加，并使表面冷和產(chǎn)生殘余（壓）應(yīng)力，從而提高零件的承載能力和疲勞強(qiáng)度典型滾壓加工外圓滾壓工具金剛石壓光利用金剛石擠壓，壓光后Ra可達(dá)0.4~0.02μm噴丸強(qiáng)化利用大量的珠丸（φ0.4~φ2的鑄鐵、砂石或鋼丸）高速打擊已加工表面，使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余（壓）應(yīng)力，從而提高零件的疲勞強(qiáng)度液體磨料強(qiáng)化利用液體和磨料的混合物高速噴射到已加工表面，以強(qiáng)化工件表面，提高工件的耐磨性、抗蝕性和抗疲勞強(qiáng)度液體磨料噴射加工原理零件表面處理技術(shù)表面電火花強(qiáng)化在工具和工件之間接一脈沖電源，使工具和工件之間不斷產(chǎn)生火花放電，使零件表面產(chǎn)生物理化學(xué)變化，從而強(qiáng)化表面，改善其表面性能表面激光強(qiáng)化當(dāng)激光束照射到金屬表面時(shí)，其能量被吸收并轉(zhuǎn)化為熱，由于激光轉(zhuǎn)化為熱的速率是金屬材料傳導(dǎo)率的數(shù)倍乃至數(shù)十倍，材料表面所獲得的熱量還來(lái)不及向基體擴(kuò)散，就使得表面迅速達(dá)到相變溫度以上；當(dāng)激光束移開(kāi)被處理表面的瞬間，表面熱量很快被擴(kuò)散傳至基體，即自激冷卻產(chǎn)生淬火效應(yīng)

激光強(qiáng)化的工藝特點(diǎn)熱影響區(qū)小，表面變形極小一般不受工件形狀及部位的限制，適應(yīng)性較強(qiáng)加熱與冷卻均在正?？諝庵羞M(jìn)行，不用淬火介質(zhì)，工件表面清潔，操作簡(jiǎn)便淬硬層組織細(xì)密，具有較高的硬度（達(dá)800HV），強(qiáng)度、韌性、耐磨性及耐腐蝕性也較高表面硬化層較淺，通常為0.3~1.1mm設(shè)備費(fèi)用高，應(yīng)用受到一定限制3、表面層金相組織變化與——磨削燒傷磨削過(guò)程中的燒傷問(wèn)題磨削過(guò)程中，由于磨削溫度很高，而且磨削熱有60~80%傳給工件，當(dāng)磨削溫度超過(guò)相變臨界點(diǎn)時(shí)，則會(huì)引起工件表面的金相組織發(fā)生變化，此時(shí)表面層的顯微硬度也相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷磨削燒傷的類型磨削淬火鋼時(shí)，會(huì)產(chǎn)生三種金相組織變化退火燒傷淬火燒傷回火燒傷磨削溫度超過(guò)相變溫度Ac3，未予冷卻時(shí)磨削溫度超過(guò)相變溫度Ac3，充分冷卻時(shí)磨削溫度低于相變溫度Ac3，但超過(guò)350℃時(shí)磨削后，表面常出現(xiàn)黃、褐、紫、青等燒傷色，這是工件在瞬時(shí)高溫下產(chǎn)生的氧化膜顏色，相當(dāng)于回火時(shí)的顏色影響燒傷的因素磨削用量磨削深度增加，燒傷增加縱向進(jìn)給量增加，燒傷減少工件轉(zhuǎn)速增大，發(fā)熱量增大，但接觸時(shí)間縮短冷卻條件冷卻、散熱條件越差，越易發(fā)生燒傷材料強(qiáng)度高，耗功多，發(fā)熱量大，易燒傷工件材料材料硬度高，磨削熱量多，易燒傷材料過(guò)軟，易堵塞砂輪而產(chǎn)生燒傷材料韌性好，磨削力大，發(fā)熱量大，易燒傷材料導(dǎo)熱性能差，易燒傷砂輪選擇砂輪硬度太高，自礪性差，易發(fā)生燒傷樹脂結(jié)合劑比陶瓷結(jié)合劑容易產(chǎn)生燒傷橡膠結(jié)合劑比樹脂結(jié)合劑更易產(chǎn)生燒傷砂輪粒度越細(xì)，越容易發(fā)生燒傷避免燒傷的途徑設(shè)法減少磨削熱量的產(chǎn)生、加速熱量的傳出，采取強(qiáng)有力冷卻方式合理選擇磨削用量，適當(dāng)提高工件的轉(zhuǎn)速考慮工件材料的硬度、塑性、韌性、熱導(dǎo)率的影響合理選擇砂輪的硬度和粒度1）aP不可大2）適當(dāng)加大fa+寬砂輪3）適當(dāng)↑V工+↑V砂帶有空氣擋板的切削液噴嘴內(nèi)冷卻砂輪結(jié)構(gòu)防止磨削燒傷和裂紋的關(guān)鍵減少發(fā)熱加強(qiáng)散熱4、磨削表面層的殘余應(yīng)力——磨削裂紋問(wèn)題磨削過(guò)程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生磨粒切削刃為負(fù)前角，法向切削力一般為切向切削力的2~3倍，磨粒對(duì)加工表面作用，引起冷塑性變形，產(chǎn)生壓應(yīng)力磨削溫度高，易引起熱塑性變形，表面出現(xiàn)拉應(yīng)力磨削時(shí)，殘余應(yīng)力可能超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，零件會(huì)產(chǎn)生裂紋，有的在外表層，有的在內(nèi)層下磨削裂紋產(chǎn)生的原因磨削深度和縱向走刀量大，則塑性變形大，切削溫度高，拉應(yīng)力過(guò)大，可能產(chǎn)生裂紋含碳量高者易裂紋與淬火方式、速度及操作方法有關(guān)磨削用量工件材料熱處理工序消除和減少磨削裂紋的措施合理選材正確制訂熱處理工藝合理選擇砂輪逐漸減小切除量改善散熱條件，加強(qiáng)冷卻效果，設(shè)法降低切削熱6.2.4機(jī)械加工振動(dòng)1、機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象機(jī)械加工過(guò)程中，工藝系統(tǒng)有時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)，即在刀具的切削刃與工件上正在切削的表面之間，除了名義上的切削運(yùn)動(dòng)之外，還會(huì)出現(xiàn)一種周期性的相對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)械振動(dòng)破壞正常切削運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)使成形運(yùn)動(dòng)受到干擾，使加工表面出現(xiàn)振紋，惡化加工表面質(zhì)量引起崩刃，引起機(jī)床、夾具松動(dòng)，縮短刀具及機(jī)床、夾具的使用壽命限制切削用量的提高，降低生產(chǎn)效率，甚至使切削加工無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行發(fā)出的噪聲會(huì)污染環(huán)境，有害工人的身心健康機(jī)械振動(dòng)類型受迫振動(dòng)自激振動(dòng)自由振動(dòng)在外界周期性變化的干擾力作用下產(chǎn)生的振動(dòng)切削過(guò)程本身引起切削力周期性變化而產(chǎn)生的振動(dòng)由于切削力突然變化或其它外界偶然原因引起的振動(dòng)機(jī)械加工過(guò)程中主要是強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)2、機(jī)械加工中的受迫振動(dòng)產(chǎn)生原因機(jī)床刀具工件多刀、多刃、刃高誤差、斷續(xù)切削引起的沖擊斷續(xù)表面、表面余量不均或硬度不一傳動(dòng)零件制造精度不高主軸與軸承間隙過(guò)大往復(fù)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向和沖擊皮帶接頭太粗某些零件缺陷、回轉(zhuǎn)件不平衡地基受迫振動(dòng)特點(diǎn)干擾力：F（t）=F0sinωt→振動(dòng)：x（t）=Asin(ωt－φ)r---阻尼系數(shù)m---振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量r0---臨界阻尼系數(shù)當(dāng)ω=ω0時(shí)，φ=90°消除強(qiáng)迫振動(dòng)的途徑1）排除振源2）隔振3）避開(kāi)共振區(qū)4）提高系統(tǒng)抗振性3、自激振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理當(dāng)系統(tǒng)受到外界或本身某些偶然的瞬時(shí)干擾力作用而觸發(fā)的振動(dòng)由振動(dòng)過(guò)程本身的某種原因使得切削力產(chǎn)生周期性變化，又由這個(gè)周期性變化的動(dòng)態(tài)力反過(guò)來(lái)加強(qiáng)和維持振動(dòng)切削過(guò)程中產(chǎn)生的自激振動(dòng)是頻率較高的強(qiáng)烈振動(dòng)，通常又稱為顫振自激振動(dòng)的特征自激振動(dòng)特點(diǎn)不衰減的振動(dòng)它由振動(dòng)過(guò)程本身引起切削力周期性變化，從不具備交變特性的能源中周期獲得能量，使振動(dòng)得以維持。自激振動(dòng)由振動(dòng)系統(tǒng)本身參數(shù)決定，與受迫振動(dòng)顯著不同。自由振動(dòng)受阻尼作用將迅速衰減，而自激振動(dòng)不會(huì)因阻尼存在而衰減。自激振動(dòng)的頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率，即顫振頻率取決于振動(dòng)系統(tǒng)的固有特性。這與自由振動(dòng)相似，而與受迫振動(dòng)根本不同E

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