機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課件第7章

1、第7章機(jī)械加工表面質(zhì)量的影響因素及控制 7.1機(jī)械加工表面質(zhì)量概述7.1.1機(jī)械加工表面質(zhì)量的含義 機(jī)械加工后所得到的零件表面，都不是理想的光滑表面，存在著一定的微觀幾何偏差和表面層物理機(jī)械性能的變化。這一表面層質(zhì)量對(duì)機(jī)械零件的可靠性、壽命等都有顯著的影響。表面質(zhì)量包括的主要內(nèi)容是： ()表面的幾何形狀特征 它主要包括：表面粗糙度；波度介于宏觀幾何形狀誤差和表面粗糙（微觀幾何誤差）度之間的周期性幾何形狀誤差。 ()表面層的物理及機(jī)械性能 它主要包括表面層因塑性變形引起的加工硬化、表面層的金相組織變化、表面層的殘余應(yīng)力等。7.1.2 表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響（1）表面質(zhì)量對(duì)零件耐磨性能的影響

2、 1)表面粗糙度對(duì)耐磨性的影響 零件的磨損，一般分為初期磨損、正常磨損和急劇磨損三個(gè)階段。其中表面的粗糙度對(duì)初期磨損量的影響最為顯著。 2）表面冷作硬化對(duì)耐磨性的影響 經(jīng)過加工的零件表面會(huì)產(chǎn)生一定的冷作硬化，使得零件表層的性質(zhì)變化，如金相組織及硬度的變化、加工硬化及殘余應(yīng)力的存在等也都影響零件的耐磨性。（2）表面質(zhì)量對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響 1) 表面粗糙度對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響 在交變載荷作用下，零件的破壞常常由于表面產(chǎn)生疲勞裂紋所致。而疲勞裂紋與應(yīng)力集中有關(guān)。零件表面的粗糙度、劃痕和裂紋等缺陷容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋，造成疲勞破壞。 2）表面層的殘余應(yīng)力、冷作硬化對(duì)疲勞強(qiáng)度影響 零件表面層為殘余壓應(yīng)力

3、，能夠部分的抵消工作載荷施加的拉應(yīng)力，從而提高零件的疲勞強(qiáng)度；而殘余拉應(yīng)力使疲勞裂紋擴(kuò)展，加速疲勞破壞，從而降低零件的疲勞強(qiáng)度。 （3）表面質(zhì)量對(duì)零件耐腐蝕性能的影響金屬表面逐漸被氧化或溶解而遭破壞的現(xiàn)象稱為腐蝕，它是由化學(xué)、電化學(xué)過程而引起的。如鋼鐵與空氣中的氧化合成Fe2O3；金屬與電解質(zhì)液體接觸，會(huì)發(fā)生微電池作用，金屬質(zhì)點(diǎn)會(huì)變成離子狀態(tài)，金屬表面被破壞。（4）表面質(zhì)量對(duì)零件配合性質(zhì)的影響表面粗糙度會(huì)改變實(shí)際有效過盈量和間隙量，因此表面質(zhì)量好壞直接影響零件配合性質(zhì)的穩(wěn)定性。（5）表面質(zhì)量對(duì)零件接觸剛度的影響由于零件表面的粗糙輪廓，使相接觸的面積僅有理論面積較小的一部分，受外力作用時(shí)，由于凸

4、峰處單位壓力大，因而接觸表面極易產(chǎn)生彈塑性變形，降低零件的接觸剛疲。 7.2 表面質(zhì)量影響因素7.2.1 加工表面的形成過程7.2.2 加工表面粗糙度1、表面粗糙度概述2、表面粗糙度的影響因素及控制1）切削加工表面粗糙度的影響因素及控制切削加工表面粗糙度的影響因素（1）積屑瘤的影響（2）鱗刺的影響（3）切削機(jī)理的變化（4）切削顫振（5）切削刃的損壞切削加工表面粗糙度的控制2） 磨削加工表面粗糙度的影響因素 1) 砂輪的粒度 2) 砂輪的硬度 3) 砂輪的修整 4) 磨削速度 5) 磨削徑向進(jìn)給量與光磨次數(shù) 6) 工件圓周進(jìn)結(jié)速度與軸向進(jìn)給量 7) 冷卻潤滑液7.2.3 加工表面變質(zhì)層1、 加工

5、硬化1)加工硬化概念2)影響加工硬化的主要因素 及控制措施2、 殘余應(yīng)力及影響因素1) 殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因 （1） 熱塑性變形引起 （2） 冷態(tài)塑性變形引起 （3） 局部金相組織變化引起2）影響殘余應(yīng)力的因素3、磨削燒傷與裂紋及控制 (1) 磨削燒傷 在切削過程中，切削所消耗的能量絕大部分都轉(zhuǎn)化為熱能，傳入工件的熱使加工表面局部升溫，當(dāng)溫度達(dá)到金相組織轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生金相組織變化。 磨削淬火鋼時(shí)，在工件表面層上生產(chǎn)的高溫將使表層產(chǎn)生以下三種金相組織變化： 1）如果工件表面層溫度未超過相變臨界溫度Ac3（一般中碳鋼為720）。但超過馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度（一般中碳鋼為300C），工件表面將產(chǎn)生回

6、人組織（回火屈氏體和回火索氏體，硬度比原來的回火馬氏體低，稱為回火燒傷。 2）如果工件表面層溫度超過相變臨界溫度，再加上充分的冷卻液，則表面層急冷形成二次淬火馬氏體，硬度高于四火馬氏體，但極薄，只有幾個(gè)微米厚，在它下層由于冷卻較慢出現(xiàn)了比回人馬氏體硬度低的組織稱之為淬火燒傷。 3）如果工件表面溫度超過了相變臨界溫度。這時(shí)又無冷卻液，則表面硬度急劇下降，工件表層被退火，稱之為退火燒傷。（2）磨削裂紋（3）磨削燒傷與裂紋及控制 1）被加工材料 被加工材料對(duì)磨削區(qū)溫度的影響主要取決于其強(qiáng)度、陸度、韌性和導(dǎo)熱性。 2）砂輪的選擇 磨削導(dǎo)熱性差的材料，應(yīng)注意選擇砂輪的硬度、結(jié)合劑和組織。 3）磨削用量

7、理論分析計(jì)算與實(shí)踐均表明增大磨削深度ap時(shí)，磨削力和磨削熱也急劇增加，表面層溫度升高，故ap不能選得過大，否則容易造成燒傷。增加進(jìn)給量f，磨削區(qū)溫度下降，可減輕磨削燒傷。 4）冷卻潤滑 良好的冷卻潤滑條件可將磨削區(qū)的熱量及時(shí)帶走，避免或減輕燒傷。 7.3 機(jī)械加工中的振動(dòng)及控制 7.3.1 概述7.3.2 強(qiáng)迫振動(dòng)及其控制 （1）強(qiáng)迫振動(dòng)的成因 （2）強(qiáng)迫振動(dòng)的特點(diǎn) 1）強(qiáng)迫振動(dòng)是在外界周期性干擾力的作用下產(chǎn)生的，但振動(dòng)本身并不能引起干擾力的變化。如作用在加工系統(tǒng)上的干擾力是簡諧激振力 F =F0sin t，則強(qiáng)迫振動(dòng)的穩(wěn)態(tài)過程也是簡諧振動(dòng)，只要這個(gè)激振力存在，該振動(dòng)就不會(huì)被阻尼衰減掉。 2）

8、不管加工系統(tǒng)本身的固有頻率多大，強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率總與外界干擾力的頻率相同或成倍數(shù)關(guān)系。3）強(qiáng)迫振動(dòng)振幅的大小在很大程度上取決于干擾力的頻率 與加工系統(tǒng)固有頻率0的比值，當(dāng)/ 0 =1時(shí)，振幅達(dá)最大值，此現(xiàn)象稱“共振”。4）強(qiáng)迫振動(dòng)振幅的大小除了與/ 0有關(guān)外，還與干擾力、系統(tǒng)剛度及阻尼系數(shù)有關(guān)。（3） 消除與控制強(qiáng)迫振動(dòng)的措施(1) 減少或消除工藝系統(tǒng)中回轉(zhuǎn)零件的不平衡(2) 提高系統(tǒng)傳動(dòng)件的精度(3) 提高工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性(4) 隔振 (5) 消振 7.3.3 自激振動(dòng)及其控制 (1) 自激振動(dòng)的原理大多數(shù)情況下，自激振動(dòng)頻率與加工系統(tǒng)的固有頻率相近。由于維持振動(dòng)所需的交變切削力是由加工系統(tǒng)

9、本身產(chǎn)生的，所以加工系統(tǒng)本身運(yùn)動(dòng)一停止，交變切削力也就隨之消失，自激振動(dòng)也就停止。圖5-75 機(jī)床自激振動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)機(jī)床振動(dòng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（切削過程）振動(dòng)位移y（t）交變切削力F（t）（2）自激振動(dòng)的特點(diǎn)： 1) 自激振動(dòng)是種不衰減的振動(dòng)。振動(dòng)過程本身能引起某種力的周期變化； 2) 自激振動(dòng)的頻率等于或接近系統(tǒng)的固有頻率，也就是說，由振動(dòng)系統(tǒng)本身的參數(shù)所決定； 3) 自激振動(dòng)的形成和持續(xù)是由切削過程而產(chǎn)生的，如若停止切削過程，即機(jī)床空運(yùn)轉(zhuǎn)，自激振動(dòng)也就停止了； 4)自激振動(dòng)能否產(chǎn)生以及振幅的大小，決定于每一振動(dòng)周期內(nèi)系統(tǒng)所獲得能量與所消耗的能量的對(duì)比惰況。 (3) 機(jī)械加工中自激振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理

10、 1) 再生自激振動(dòng)原理 對(duì)于切斷及橫向進(jìn)給磨削時(shí)1；車螺紋時(shí)=0，一般情況下0 1。如果 0，即說明有重疊部分存在，則工件上一轉(zhuǎn)中如果留有振紋，就會(huì)引起下一轉(zhuǎn)切削厚度的周期變化，這樣必然引起切削力的周期變化，從而有可能引起工藝系統(tǒng)振動(dòng)。這個(gè)振動(dòng)又引起工件表面產(chǎn)生振紋，使得切削厚度發(fā)生變化，導(dǎo)致切削力作周期性地變化。這種由切削厚度的變化而使切削力變化的效應(yīng)稱再生效應(yīng)，由此產(chǎn)生的自激振動(dòng)稱再生自激振動(dòng) 。 如圖a表示前一次走刀振紋y0與后一次走刀振紋y無相位差，即 ，切入和切出的半個(gè)周期內(nèi)平均切削厚度是相等的，故切出時(shí)切削力所作的正功（獲得能量）等于切入時(shí)所作負(fù)功（消耗能量），系統(tǒng)無能量獲得。如

11、圖b表示y0與y相位差反相 時(shí)，切入與切出的半周期內(nèi)平均切削厚度仍相等，系統(tǒng)仍無能量獲得。如圖c表示y超前于y0 ，即 ，此時(shí)切出半周期中的平均切削厚度比切入半周期的小，所作正功小于負(fù)功，系統(tǒng)也不會(huì)有能量獲得。如圖d中y滯后于y0 ，即 ，此時(shí)切出比切入半周期中的平均切削厚度大，正功大于負(fù)功，系統(tǒng)有了能量獲得，便產(chǎn)生了自激振動(dòng)。不難看出，y滯后于y0是產(chǎn)生再生自激振動(dòng)的必要條件。2) 振型耦合原理 當(dāng)縱車方牙螺紋表面時(shí)，刀具與已加工表面不存在著重疊切削，這樣就排除了產(chǎn)生再生振動(dòng)的條件，但當(dāng)切削深度加大到一定的程度，仍然能產(chǎn)生自激振動(dòng)。實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)械加工系統(tǒng)一般是具有不同剛度和阻尼的彈簧系統(tǒng)，具有不同方向性的各彈簧系統(tǒng)復(fù)合在一起，滿足一定的組合條件就會(huì)產(chǎn)生自激振動(dòng)，這種復(fù)合在一起的自激振動(dòng)機(jī)理稱振型耦合自激振