第4章 機(jī)械加工表面結(jié)構(gòu)

第4章

機(jī)械加工表面結(jié)構(gòu)

一概述

二

影響加工表面粗糙度的工藝因素及改善措施

三

影響加工表面物理力學(xué)性能的因素

四機(jī)械加工中的振動Chap.4:機(jī)械加工表面質(zhì)量概述表面結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容表面結(jié)構(gòu)對零件使用性能的影響概述表面結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容概述表面輪廓：表面輪廓指一個(gè)指定平面與實(shí)際表面相交所得到的輪廓，如圖4-2所示，實(shí)際表面是物體與周圍介質(zhì)分離的表面，實(shí)際表面輪廓指由理想平面與實(shí)際表面相交所得的輪廓，表面輪廓屬重復(fù)性表面結(jié)構(gòu)。表面粗糙度概述在切削過程中由于切屑分離時(shí)的塑性變形、工藝系統(tǒng)的振動以及刀具和被加工表面的摩擦等原因，會使零件表面留下微小的凹凸不平的痕跡，其微小峰谷的高低以及間距的細(xì)密程度所構(gòu)成的微觀幾何形狀誤差稱為表面粗糙度。概述

表面波紋度和表面形狀誤差

在加工過程中，由于機(jī)床—刀具—工件系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動、刀具進(jìn)給的不規(guī)則和回轉(zhuǎn)質(zhì)量的不平衡等原因，在零件表面留下的波距較大且具有較強(qiáng)周期性的誤差稱為表面波紋度。表面粗糙度、表面波紋度、表面形狀誤差的劃分表面粗糙度、表面波紋度和表面形狀誤差的劃分，通常按相鄰兩波峰或波谷之間的距離，即波距的大小來劃分，或按波距與波幅（峰谷高度）的比值來劃分。

如圖4-3（b），波距小于1mm并呈周期性變化的，屬于表面粗糙度范圍；如圖4-3（c），波距在1mm~10mm之間并呈周期形變化的，屬于表面波紋度范圍；如圖4-3（d），波距在10mm以上且無明顯周期變化的，屬于表面形狀誤差。表面缺陷概述

表面缺陷指在加工、使用或儲存期間，非故意或偶然生成的實(shí)際表面的單元體、成組的單元體或不規(guī)則體。主要類型有凹缺陷、凸缺陷、混合表面缺陷、區(qū)域和外觀缺陷。表面結(jié)構(gòu)對零件使用性能的影響概述

1、表面結(jié)構(gòu)對零件耐磨性的影響表面粗糙度對耐磨性有較大的影響。零件的耐磨性主要與摩擦副的材料、熱處理狀況、表面結(jié)構(gòu)和潤滑條件有關(guān)。從圖4-5實(shí)驗(yàn)曲線可知，表面粗糙度值Ra與初期磨損量Δ0之間存在著一個(gè)最佳值。此點(diǎn)所對應(yīng)的是零件最耐磨的表面粗糙度值。表面結(jié)構(gòu)對零件使用性能的影響概述

2、表面結(jié)構(gòu)對配合性質(zhì)的影響表面粗糙度大，磨合后會使間隙配合的間隙增大，降3、表面結(jié)構(gòu)對零件疲勞強(qiáng)度的影響表面粗糙度值越大，疲勞強(qiáng)度也降低得越厲害。4、表面結(jié)構(gòu)對抗腐蝕性的影響表面光潔的零件，凹谷較淺，沉積腐蝕介質(zhì)的條件差，不太容易腐蝕。凡零件表面存在有殘余拉應(yīng)力，都將降低零件的耐腐蝕性；零件表層殘余壓應(yīng)力和一定程度的強(qiáng)化都有利于提高零件中的抗腐蝕能力。5、表面結(jié)構(gòu)對接觸剛度的影響表面粗糙度值大，零件之間接觸面積減小，接觸剛度減小，表面粗糙度值小，零件的配合表面的實(shí)際接觸面積大，接觸剛度大。影響加工表面粗糙度的工藝因素及改善措施切削加工影響表面粗糙度的因素磨削加工影響表面粗糙度的工藝因素及其改善措施影響加工表面粗糙度的工藝因素及改善措施1．刀刃在工件表面留下的殘留面積影響加工表面粗糙度的工藝因素及改善措施切削加工影響表面粗糙度的因素進(jìn)給量f對表面粗糙度影響較大，當(dāng)f值較低時(shí)，有利于表面粗糙度值的降低。減小主、副偏角，均有利于表面粗糙度值的降低。一般在精加工時(shí)，主、副偏角對表面粗糙度值的影響較小。2．切削過程的物理方面的原因（1）工件材料的性質(zhì)①積屑瘤的影響（塑性材料）影響加工表面粗糙度的工藝因素及改善措施切削加工影響表面粗糙度的因素積屑瘤的生成、長大和脫落，使切削發(fā)生波動，并嚴(yán)重影響工件的表面結(jié)構(gòu)。脫落的積屑瘤碎片，還會在工件的已加工表面上形成硬點(diǎn)，因此，積屑瘤是增大表面粗糙度數(shù)值的不可忽視的因素。②鱗刺的影響

在已加工表面產(chǎn)生鱗片狀毛刺,稱作鱗刺形成鱗刺的原因：1）機(jī)械加工系統(tǒng)的振動；2）擠拉作用。影響加工表面粗糙度的工藝因素及改善措施切削加工影響表面粗糙度的因素撕裂③脆性材料在加工脆性材料時(shí)，切屑呈不規(guī)則的碎粒狀，加工表面往往出現(xiàn)微粒崩碎痕跡，留下許多麻點(diǎn)，加大表面粗糙度值。2．切削過程的物理方面的原因（2）切削用量進(jìn)給量f切削速度vc(3)刀具材料和幾何參數(shù)刀具材料與被加工材料金屬分子的親和力大時(shí)，切削過程中容易生成積屑瘤。刀具幾何參數(shù)：前角、后角、（4）切削液

（5）工藝系統(tǒng)的高頻振動

影響加工表面粗糙度的工藝因素及改善措施切削加工影響表面粗糙度的因素1．砂輪的線速度隨著砂輪線速度vc的增加，在同一時(shí)間里參與切削的磨粒數(shù)也增加，每顆磨粒切去的金屬厚度減少，殘留面積也減小，而且高速磨削可減少材料的塑性變形，使表面粗糙度值降低。影響加工表面粗糙度的工藝因素及改善措施磨削加工影響表面粗糙度的工藝因素及其改善措施2．工件的線速度在其他磨削條件不變的情況下，隨工件線速度vn的降低，每顆磨粒每次接觸工件時(shí)切削厚度減少，殘留面積也小，因而表面粗糙度值低。

3．進(jìn)給量采用縱磨法磨削時(shí)，隨縱向進(jìn)給量的增加，表面粗糙度值也增加，橫向磨削時(shí)增加橫向進(jìn)給量（即切削深度）會增大表面粗糙度。4．砂輪的性質(zhì)（1）砂輪的粒度

（2）砂輪的硬度

（3）砂輪的修整

5．工件材料影響加工表面粗糙度的工藝因素及改善措施磨削加工影響表面粗糙度的工藝因素及其改善措施2．切削過程的物理方面的原因（2）切削用量進(jìn)給量f切削速度vc(3)刀具材料和幾何參數(shù)刀具材料與被加工材料金屬分子的親和力大時(shí)，切削過程中容易生成積屑瘤。刀具幾何參數(shù)：前角、后角、（4）切削液

（5）工藝系統(tǒng)的高頻振動

影響加工表面粗糙度的工藝因素及改善措施切削加工影響表面粗糙度的因素影響加工表面物理力學(xué)性能的因素表面層物理力學(xué)性能表面層的加工硬化表面層金相組織的變化表面層的殘余應(yīng)力影響加工表面物理力學(xué)性能的因素1.表面層物理力學(xué)性能表面層塑性變形引起的冷作硬化層深度；表面層硬度的變化；表面層內(nèi)的殘余應(yīng)力；刀瘤引起的撕裂、折皺等；微觀及宏觀裂紋；性能（如極限強(qiáng)度等）的變化；重熔金屬的沉積層影響加工表面物理力學(xué)性能的因素2．表面層的加工硬化表面冷作硬化現(xiàn)象切削（含磨削）過程中，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、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)象影響加工表面物理力學(xué)性能的因素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、破碎）晶體方向改變（塑性變形后形成一定方向，纖維化）變形抵抗力增加（產(chǎn)生冷作硬化）導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、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)的溫度影響加工表面物理力學(xué)性能的因素影響加工冷作硬化的因素切削用量（主要是切削速度、進(jìn)給量。切削速度的影響：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。）Moretolearn影響加工表面物理力學(xué)性能的因素3.金相組織：

相變；再結(jié)晶；過時(shí)效。化學(xué)性質(zhì)：晶間腐蝕和選擇性浸蝕；表面脆化（氫脆）Moretolearn影響加工表面物理力學(xué)性能的因素4．表面層的殘余應(yīng)力表面層殘余應(yīng)力的產(chǎn)生當(dāng)切削過程中表面層組織發(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就會產(chǎn)生互相平衡的彈性應(yīng)力，稱為表面殘余應(yīng)力影響加工表面物理力學(xué)性能的因素殘余應(yīng)力分類：零件整個(gè)尺寸范圍內(nèi)平衡的殘余應(yīng)力晶粒范圍內(nèi)平衡的殘余應(yīng)力晶胞間平衡的殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因冷塑性變形（切削力的作用）熱塑性變形（切削熱的作用）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）通常是上述三種原因綜合作用的結(jié)果影響加工表面物理力學(xué)性能的因素機(jī)械加工中的振動機(jī)械振動現(xiàn)象及其分類機(jī)械加工中的受迫振動與抑制措施機(jī)械加工中的自激振動及其控制機(jī)械加工中的振動機(jī)械振動現(xiàn)象及其分類機(jī)械加工過程的振動有自由振動、受迫振動和自激振動三種。自由振動是由切削力突變或受外部沖擊力引起，是一種迅速衰減的振動，對加工的影響較小。受迫振動是在外界周期性干擾力持續(xù)作用下，系統(tǒng)受迫產(chǎn)生的振動。自激振動是依靠振動系統(tǒng)在自身運(yùn)動中激發(fā)出交變力維持的振動。機(jī)械加工中的振動機(jī)械加工中的受迫振動與抑制措施1.工藝系統(tǒng)受迫振動的振源（1）工藝系統(tǒng)中高速旋轉(zhuǎn)零件的不平衡。（2）機(jī)床傳動系統(tǒng)中的誤差。（3）切削過程本身的不均勻性。機(jī)械加工中的振動機(jī)械加工中的受迫振動與抑制措施2．受迫振動的主要特點(diǎn)（1）受迫振動是由周期性激振力的作用而產(chǎn)生的一種不衰減的穩(wěn)定振動。（2）振動的頻率總是與外界干擾力的頻率相同，而與工藝系統(tǒng)的固有頻率無關(guān)。（3）振動的振幅大小在很大程度上取決于激振力的頻率與系統(tǒng)固有頻率的比值λ。（4）振動的振幅大小還與激振力大小、系統(tǒng)剛度及其阻尼系數(shù)有關(guān)。機(jī)械加工中的振動機(jī)械加工中的受迫振動與抑制措施3．減少受迫振動的措施和途徑（1）消除或減小激振力（2）調(diào)節(jié)振源頻率（3）提高工藝系統(tǒng)本身的抗振性（4）提高傳動零件的制造精度，改變機(jī)床轉(zhuǎn)速、使用不等齒距刀具（5）隔振（6）采用減振器和阻尼器機(jī)械加工中的振動機(jī)械加工中的自激振動及其控制1．自激振動的概念由切削過程本身引起的切削力周期性變化而激發(fā)和維持的振動稱為自激振動，因切削過程中產(chǎn)生的這種振動頻率較高，故通常也稱為顫振。機(jī)械加工中的振動機(jī)械加工中的自激振動及其控制3．自激振動的抑制措施（1）合理選擇切削用量（2）合理選擇刀具的幾何參數(shù)（3）提高工藝系統(tǒng)剛性（4）采用減振裝置機(jī)械加工中的振動機(jī)械加工中的自激振動及其控制3．自激振動的抑制措施（1）合理選擇切削用量機(jī)械加工中的振動機(jī)械加工中的自激振動及其控制3．自激振動的抑制措施（2）合理選擇刀具的幾何參數(shù)1）前角γo的選擇

高速切削時(shí)既使用負(fù)前角的刀具也不致于產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動。2)主偏角κr的選擇

主偏角κr增大時(shí)切削力F將減小，同時(shí)切削刃寬度b也減小，振幅將逐漸減小，κr=90°時(shí)振幅最小。3)后角αo選擇

后角αo減小到2°～3°時(shí)，振動明顯減弱。但后角不能太小，通?？稍诘毒咧骱竺嫔夏コ鲆欢呜?fù)倒棱，能起到很好的消振作用。4)刀尖圓角半徑rε的選擇

刀尖圓角半rε增大時(shí)，F(xiàn)Y隨之增大，因此，為減小振動，應(yīng)選擇rε越小越好，但會使刀具耐用度降低和表面粗糙度值增大，故應(yīng)綜合考慮。