机械制造工艺学第4章机械加工表面质量

100(m/min )
50(m/min) 工件材料：45 0.2 0.4 0.6 f (mm /r) 0.8
图1 f 和 v 对冷硬的影响
340 硬度(HV) 260 180 100 0 0.2 50钢，v = 40(m/min) f = 0.12～0.2(mm/z) 0.4 0.6 0.8 磨损宽度VB(mm) 1.0
塑性变形区域
压缩
拉伸
滚压加工
利用淬硬和精细研磨过的滚轮 或滚珠，在常温状态挤压金属表 面，将凸起部分下压下，凹下部 分上凸，修正工件表面的微观几 何形状,形成压缩残余应力，提高 耐疲劳强度
珠丸挤压引起残余应力
滚压加工原理图
4.4 机械加工过程中的振动
一、概述
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 自由振动 机械加工过程中振动的类型 强迫振动 自激振动
二、加工表面质量对使用性能的影响
1、加工表面质量对耐磨性能的影响
零件表面的耐磨曲线

表面粗糙度：Ra越小，耐磨性越好。但太小，分 子互相吸引，粘接磨损，磨损加剧。
表面纹理：纹理方向与运动方向相同时，耐磨性 最好，垂直时，耐磨性最差。 冷作硬化：适当的冷作硬化会提高耐磨性。


2、表面质量对耐疲劳性能的影响 表面粗糙度：Ra大，易应力集中，耐疲劳性能差。 表面层力学物理性能： 冷作硬化和 残余压应力会阻止疲劳裂纹增长，疲 劳寿命长。 3、表面质量对耐腐蚀性能的影响 4、表面质量对零件配合质量的影响
图2 后刀面磨损对冷硬影响
磨削加工
◆ 磨削用量 磨削深度↑→冷硬程度↑ 磨削速度↑→冷硬程度↓（弱化作用加强） 工件转速↑→冷硬程度↑ 500 纵向进给量影响复杂 ◆ 砂轮 砂轮粒度↑→冷硬程度↓ 砂轮硬度、组织影响不显著 ◆工件材料 材料塑性↑→ 冷硬倾向↑ 材料导热性↑→ 冷硬倾向↓
x2
图4-75 车床刀架振型耦合模型
② 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
③ 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 。
四、机械加工中的振动的防治
消除或减弱产生强迫振动的条件
减小机内干扰力的幅值 调整振源的频率，一般要求：
fn f 0.25 f
（4-33） x2 1 x1 2 x1 2 β x2 1
式中 f 和 fn 分别为振源频率和 系统固有频率 隔振
图 两种尾座结构
消除或减弱产生自激振动的条件
残余应力(Gpa)
◆ 切削用量 v↑→残余应力↑（热应力 起主导作用） f↑→残余应力↑ 切削深度影响不显著 ◆ 刀具 前角+→－，残余拉应力↓ 刀具磨损↑→残余应力↑ ◆ 工件材料 材料塑性↑→残余应力↑ 铸铁等脆性材料易产生残 余压应力
0.20 0
vc =213m/min vc =86m/min vc =7.7m/min
自由振动
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。
二、机械加工中的强迫振动
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
采用超硬砂轮材料，Ra ↓
砂轮精细修整， Ra ↓
其他影响因素：磨削液 等
4.3 影响表层金属力学物理性能的工艺因素
一、加工表面层的冷作硬化 冷作硬化：机械加工过程中产生的塑性变形，使晶格扭曲、 畸变，晶粒间产生滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层 金属的硬度增加。 冷作硬化后果：增大金属变形的阻力，减少金属的塑性， 金属的物理性质(如密度、导电性、导热性等)也会发生变 化。 弱化：金属冷作硬化的结果，使金属处于高能位不稳定状 态，只要一有条件，金属的冷硬结构就会本能地向比较稳 定的结构转化。机械加工过程中产生的切削热，将使金属 在塑性变形中产生的冷硬现象得到恢复。 评定指标：表面层显微硬度HV；硬化层深度；硬化程度。
0
A B C 振幅
自激振动系统能量关系

单自由度机械加工振动模型
自激振动机理
◆ 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
y0 y 切入 切出 φ a） f
振动方向XD f ap B
κr
κ r，
a）切削
fa
b）磨削
重叠系数
减小重叠系数方法 增加主偏角 增大进给量 ◆ 增加切削阻尼（例采用倒棱车刀）
-5°～ -20°
0.1～0.3
2°～ 3° 图4-78 车刀消振棱
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.
电动机 (能源) 振动位移 X(t) 机床振动系统 （弹性环节）
调节系统 交变切削力F(t) （切削过程）
自激振动闭环系统
能量E E－ Q E＋
自激振动的特征
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 自激振动能否产生及振幅的 大小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
Hale Waihona Puke ◆ 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，图4-75）
◆ 自激振动的产生： ① k1=k2 ，x1 与x2 无相位差, 轨迹为直线，无能量输入
x1 x2 α2
X
k2
b c a d
α1
β
m
x1
k1
F
-0.20 0
50
100 150 距离表面深度(μm)
200
vc 对残余应力的影响
γ0=5°,α0==5°,κr=75°,rε=0.8mm,工件：45切削 条件：ap=0.3mm, f=0.05mm/r, 不加切削液 残余应力(Gpa) f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r 10 200 300 0 距离表面深度(μm)
◆ 调整振动系统小刚度主轴的位置 （图）
◆ 减小切削或磨削时的重叠系数

bd （切削） b

B fa （磨削） B
（4-34）
式中 bd —— 等效切削宽度，即本次切削实际切到上次切削残留振纹 在垂直于振动方向投影宽度； b —— 本次切削在垂直于振动方向上的切削宽度； B , fa —— 砂轮宽度与轴向进给量。
图4-61 切削45钢时切削速度与粗糙度关系
120 140 v（m/min）
其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等
二、磨削加工表面粗糙度
磨削用量影响
砂轮速度v↑，Ra↓ 工件速度vw↑，Ra ↑ 砂轮纵向进给f↑，Ra ↑ 磨削深度ap↑，Ra ↑ 光磨次数↑，Ra↓
硬度(HV)
450
400 350 300 0
普通磨削
高速磨削
0.25
0.50
0.75 ap(mm)
磨削深度对冷硬的影响
二、表层金属的金相组织变化—磨削烧伤与裂纹
磨削烧伤
工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时，表层金相 组织、显微硬度发生变化，并伴随残余应力产生，同时出 现彩色氧化膜
磨削裂纹
磨削表面残余拉应力达到材料强度 极限，在表层或表面层下产生微裂 纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或 呈网状，常与烧伤同时出现
Ra(μm)
0.0 6 粗粒度砂轮(WA60KV) Ra(μm) 1.0 vw = 40(m/min) f = 2.36(m /min) v = 50(m/s) ap = 0.01(mm) f = 2.36(m /min) ap = 0.01(mm)
0.5
0
30
40
50 60 v(m/s), vw(m/min) a）
切削加工
◆ 切削用量影响 f↑，冷硬程度↑ 切削速度影响复杂（力与 热综合作用结果）（图1） 切削深度影响不大 ◆ 刀具影响 rε↑，冷硬程度↑ 其他几何参数影响不明显 后刀面磨损影响显著（图 2） ◆ 工件材料 材料塑性↑，冷硬倾向↑
硬度(HV)
400 v =170(m/min) 300 200 100 0 135(m/min)
φ
y0
y
切入 切出
b） φ
f
y0 y 切入 切出 c） f
y0 y
切入 切出
d）
f
图4-74 再生自激振动原理图
◆ 产生条件： a）b）c）系统无能量获得； d）y 滞后于y0，即 0＞φ＞-π ，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
强迫振动的特征
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 φ角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。
三、机械加工中的自激振动