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1、1,1,第2章 机械加工表面质量,2,2,2.1 概 述2.2 加工对表面质量的各种影响2.3 影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制2.4 机械加工中的振动2.5 超精研、研磨、珩磨、抛光,第2章 机械加工表面质量,3,2.1 概 述,零件的机械加工质量包括机械加工精度和表面加工质量。机械加工后的零件表面存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。影响机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命。,返回,第2章 机械加工表面质量,4,2.2 加工对表面质量的各种影响 2.2.1 表面质量的含义 2.2.2 表面质量对零件使用性能的影响,第2章 机械
2、加工表面质量,5,2.2.1 表面质量的含义,第2章 机械加工表面质量,6,返回,图2-1 加工表面形状误差、表明波度与粗糙度,第2章 机械加工表面质量,2.2.1 表面质量的含义,7,2.2.2 表面质量对零件使用性能的影响,第2章 机械加工表面质量,8,（1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响,图2-2 表面粗糙度与初期磨损量的关系,1 表面质量对零件耐磨性的影响,图2-3 表面粗糙度太大和太小,2.2.2 表面质量对零件使用性能的影响,第2章 机械加工表面质量,（2）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响,加工表面的冷作硬化，通常能提高零件的耐磨性，但并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。,9,2
3、表面质量对零件疲劳强度的影响（1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响（2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响,2.2.2 表面质量对零件使用性能的影响,第2章 机械加工表面质量,3 表面质量对零件工作精度的影响（1）表面粗糙度对零件配合精度的影响（2）表面残余应力对零件工作精度的影响,10,4 表面质量对零件耐腐蚀性能的影响,（1）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响 零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈，见图2-4。（2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响 残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性。残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。,2
4、.2.2 表面质量对零件使用性能的影响,返回,图2-4 零件表面的腐蚀状况,第2章 机械加工表面质量,11,2.3 影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制 2.3.1 切削加工表面粗糙度形成的原因 2.3.2 磨削加工表面粗糙度 2.3.3 影响表面层物理力学性能的主要因素及控制,第2章 机械加工表面质量,12,1 几何因素,刀尖圆弧半径r主偏角kr、副偏角kr进给量f,图2-5 车削、刨削时残留面积高度,进给量f、刀具主偏角K、副偏角K、刀尖角半径r都直接影响表面粗糙度，见图2-5。,2.3.1 切削加工表面粗糙度形成的原因,第2章 机械加工表面质量,13,（2）切削速度的影响,加工塑性材料时
5、，切削速度对表面粗糙度的影响如图2-6所示。选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度,（4）其它因素的影响,合理使用冷却润滑液，适当增大刀具的前角，提高刀具的刃磨质量等，均能减小表面粗糙度。,（3）进给量的影响,减小进给量f可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势（图2-7）,韧性材料：韧性愈好，塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的工件，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。脆性材料：切屑崩碎易在加工表面残留，使表面粗糙。,（1）工件材料的影响,2 物理力学因素,2.3.1 切削加工表面粗糙度形成的原因,返回,14,图2-6 加工塑性材料时切
6、削 速度对表面粗糙度的影响,2.3.1 切削加工表面粗糙度形成的原因,返回,图2-7 进给量对表面粗糙度的影响,第2章 机械加工表面质量,15,2.3.1 切削加工表面粗糙度形成的原因,返回,第2章 机械加工表面质量,16,2.3.2 磨削加工表面粗糙度,1 磨削中影响粗糙度的几何因素,（1）砂轮的磨粒,一般磨料的粒度用粒度号表示，每英寸长度上的网眼个数为粒度号，例80#，60#微粉用最大颗粒的最大尺寸的微米数表示，例W28、W14。,工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的刻痕形成的。,第2章 机械加工表面质量,17,砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多，表面粗糙度值就越
7、小。工件的转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，因此表面粗糙度值增大。,（3）磨削用量,使砂轮具有正确几何形状，也使砂轮工作表面形成排列整齐又锐利的微刃（图2-8）。,2.3.2 磨削加工表面粗糙度,图2-8 砂轮修整微刃,第2章 机械加工表面质量,18,2 磨削中影响粗糙度的物理因素,（1）磨削用量,砂轮的转速 材料塑性变形 表面粗糙度值 磨削深度、工件速度 塑性变形 表面粗糙度,（2）工件材料,太硬易使磨粒磨钝 Ra；太软容易堵塞砂轮Ra；韧性太大，热导率差会使磨粒早期崩 落Ra。,2.3.2 磨削加工表面粗糙度,第2章 机械加工表面质量,3 砂轮五大要素,粒度越细，磨削的表面粗糙度值越小。
8、但磨粒太细时，砂轮易被磨屑堵塞，使加工表面塑性变形增大。,硬度是指磨粒在磨削力的作用下从砂轮上脱落的难易程度。砂轮太硬太软，都使磨削作用减弱。,砂轮磨料主要有：氧化物(刚玉)砂轮适用于磨削钢类零件；碳化物(碳化硅、碳化棚)砂轮适于磨削铸铁、硬质合金等材料。,组织是指磨粒、结合剂和气孔的比例关系。紧密组织中的磨粒比例大，气孔小，在成形磨削和精密磨削时，能获得高精度和较小的表面粗糙度值。疏松组织的砂轮不易堵塞，适于磨削软金属、非金属软材料和热敏性材料(不锈钢、耐热钢等)，可获得较小的表面粗糙度值。,将磨料粘结在一起，给砂轮以强度和形状的材料被称为结合剂，主要有陶瓷结合剂、树脂结合剂、橡胶结合剂、金
9、属结合剂。,20,影响磨削加工表面粗糙度的因素,粒度Ra,金刚石笔锋利，修正导程、径向进给量 Ra磨粒等高性Ra,硬度钝化磨粒脱落Ra硬度磨粒脱落Ra硬度合适、自励性好Ra,太硬、太软、韧性差、导热性差 Ra,砂轮V Raap工件V 塑变 Ra粗磨ap生产率精磨ap Ra(ap=0光磨),工件材料性质,砂轮修正,磨削用量,砂轮硬度,磨削加工表面粗糙度,返回,第2章 机械加工表面质量,砂轮粒度,21,2.3.3 影响表面层物理力学性能的主要因素及控制,表面物理力学性能,第2章 机械加工表面质量,22,1 影响表面层加工硬化的因素,2.3.3 影响表面层物理力学性能的主要因素及控制,第2章 机械加
10、工表面质量,23,磨削烧伤：磨削加工时，表面层有很高的温度，当温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组织变化，强度和硬度降低、产生残余应力、甚至出现微观裂纹。,磨削烧伤的三种形式,淬火烧伤,回火烧伤,退火烧伤,3 表面层金相组织变化与磨削烧伤,2.3.3 影响表面层物理力学性能的主要因素及控制,2 表面层残余应力,（1）冷态塑变（2）热态塑变（3）金相组织变化,第2章 机械加工表面质量,24,磨削用量,砂轮与工件材料,改善冷却条件,1）砂轮转速 磨削烧伤2）径向进给量fp 磨削烧伤3）轴向进给量fa磨削烧伤4）工件速度vw磨削烧伤,1)磨削时，磨粒的切削刃口锋利，见图2-9磨削力磨削区的温度
11、磨削烧伤2)材料的磨削导热性(耐热钢、轴承钢、不锈钢)磨削烧伤3)应合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织磨削烧伤,采用内冷却法 磨削烧伤，见图2-10,采用开槽砂轮,间断磨削受热磨削烧伤，见图2-11,4 影响磨削烧伤的因素及改善途径,2.3.3 影响表面层物理力学性能的主要因素及控制,第2章 机械加工表面质量,25,1锥形盖 2通道孔 3砂轮中心孔 4有径向小孔的薄壁套图2-10 内冷却装置,a 槽均匀分布 b 槽均匀分布 图2-11 开槽砂轮2-8,2.3.3 影响表面层物理力学性能的主要因素及控制,图2-9 砂轮工作表面修整后的砂粒微刃,返回,第2章 机械加工表面质量,26,形成压应力的方法
12、：常用的方法有滚压、喷丸、高频淬火、滲碳、渗氮、氰化等。,滚压深度一般0.030.1mm，滚压次数不超过3次。滚轮可用W18Cr4V、硬质合金等材料制成。硬度要求HRC60-64以上，也可用滚珠轴承代替。,2.3.3 影响表面层物理力学性能的主要因素及控制,图2-12 外表面滚压工具,图a 刚性滚压工具,图b 弹性滚压工具,第2章 机械加工表面质量,27,喷丸强化是利用压缩空气或离心力将大量快速运动的珠丸（直径0.040.84mm）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。珠丸可是铸铁的，也可是切成小段的钢丝。对于铝质工件，为避免表面残留铁质微粒而引起电
13、解腐蚀，宜采用铝丸或玻璃丸。珠丸的直径一般为0.24mm。,陶瓷喷丸,喷丸强化,28,2.3.3 影响表面层物理力学性能的主要因素及控制,返回,图2-13 常用的冷压强化工艺方法,第2章 机械加工表面质量,29,2.4 机械加工中的振动 2.4.1 机械加工中的振动现象 2.4.2 机械加工中的强迫振动与控制 2.4.3 机械加工中的自激振动与控制,第2章 机械加工表面质量,30,振动会在工件加工表面出现振纹，降低了工件的加工精度 和表面质量；振动会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨损；振动使机床连接部分松动，影响运动副工作性能，并导致 机床丧失精度；振动产生的噪声，污染环境，危害操作者
14、的身心健康。,1 振动对机械加工的影响,2.4.1 机械加工中的振动现象,第2章 机械加工表面质量,31,2 振动的种类及其主要特点,机械加工振动,当系统受到初始干扰力激励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。,系统在周期性激振力持续作用下产生的振动，称为强迫振动。激振力存在振动系统就不会被阻尼衰减掉。（占35%),没有周期性干扰力作用的情况下，由振动系统本身产生的交变力所激发和维持的振动，称为自激振动。(占65%),2.4.1 机械加工中的振动现象,第2章 机械加工表面质量,32,外部振源：冲床、锻锤、粉碎机、空压机、振源动造型机、落砂机、飞机、载重汽车、火车、天车
15、等。高速旋转部件不平衡：主轴、三爪夹盘、电机、工夹具系统、齿轮、皮带轮、万向节、液压系统等，见图2-14。不连续切削产生交变负荷：刀齿不连续、加工表面不连续。,2.4.1 机械加工中的振动现象,返回,图2-14 振动振源,第2章 机械加工表面质量,33,(1)强迫振动是在外界周期性干扰力的作用下产生的，但振动本身并不能引起干扰力的变化；(2)强迫振动的频率总是与外界干扰力的频率相同或是它的整数倍；(3)强迫振动的振幅大小在很大程度上取决于干扰力的频率与系统固有频率的比值。当这一比值等于或接近于1时，振幅将达到最大值，通常称为“共振”；(4)强迫振动的振幅大小还与干扰力、系统刚度及其阻尼系数有关
16、。干扰力越大，刚度及阻尼系数越小，则振幅越大。,系统外部的周期性干扰力旋转零件的质量偏心传动机构的缺陷切削过程的间隙特性,2.4.2 机械加工中的强迫振动与控制,第2章 机械加工表面质量,1 强迫振动的振源,34,机内振源主要有：(1)机床上各个电动机的振动，包括电动机转子旋转不平衡及电磁力不平衡引起的振动；(2)机床上各回转零件的不平衡，如砂轮、皮带轮、卡盘、刀盘和工件等的不平衡引起的振动；(3)运动传递过程中引起的振动，如齿轮啮合时的冲击，皮带传动中平皮带的接头，三角皮带的厚度不均匀，皮带轮不圆，轴承滚动体尺寸及形状误差等引起的振动；(4)往复运动部件的惯性力；(5)不均匀或断续切削时的冲
17、击，例如铣削、拉削加工中，刀齿在切人或切出工件时，车削带有键槽的工件表面时；(6)液压传动系统压力脉动引起的振动等。,2.4.2 机械加工中的强迫振动与控制,3 强迫振动产生的原因,第2章 机械加工表面质量,35,减小激振力 调整振源频率 提高工艺系统的刚度和阻尼 采取隔振措施采用减振装置。,2.4.2 机械加工中的强迫振动与控制,第2章 机械加工表面质量,36,（1）减小激振力,减少振幅。（2）调节振源频率 当f激=f固时发生共振，避开共振区。（3）消振 加干扰质量m，使F干扰=F激振，见图2-15；加阻尼，如加大粘度润滑油，如图2-16所示为车刀消振器。刀头上固定了以铅制成的消振块。,2.
18、4.2 机械加工中的强迫振动与控制,图2-15 加干扰质量,1 螺钉 2 弹簧 3 消振块图2-16 车刀消振器,5 具体对策,第2章 机械加工表面质量,37,（4）高速运转的部件充分平衡 当n500r/min时，可在不平衡质量的反面附加平衡块。（5）隔振 隔离受振体，见图2-17所示。挖防振沟，见图2-18。（6）以液压传动代替机械传动；直流马达代替交流马达；滑动轴承代替滚动轴承；结构上进行抗振设计等。,2.4.2 机械加工中的强迫振动与控制,1 工作台 2 橡胶垫 3 钢板4 螺栓、螺母、垫片 5 电机图2-17 隔离受振体,返回,图2-18 隔离受振体,第2章 机械加工表面质量,38,自
19、激振动是由振动系统（工艺系统）和调节系统（切削过程）两个环节组成的一个闭环系统，见图2-19所示。工艺系统的振动一停止，动态切削力也就随之消失。,2.4.3 机械加工中的自激振动与控制,图2-19 自激振动系统的组成,第2章 机械加工表面质量,39,3 强迫振动与自激振动的区别 首先分析可能的振源（外部振源一般明显），测定频率与工件上的振痕频率相比较，若相同即为强迫振动。f外振=f工件。测定振幅A后改变V、f、ap，A随之而变者是自激振动，而强迫振动（除非连续切削外）不变。没有外力干扰下产生的振动，停止切削，振动消失者为自激振动。,2 自激振动的特征,切削停止振动消失，无余振；振幅大小随切削用
20、量而变；切削过程振动，是可逆的，即振动可反过来影响切削过程。振动不自行衰减，频率较高且f振f固。,2.4.3 机械加工中的自激振动与控制,第2章 机械加工表面质量,40,减振装置,（1）阻尼器,图2-20 阻尼器减振装置,4 控制自激振动的途径,（2）吸振器,图2-21 用于镗刀杆的动力吸振器,1自由质量2弹簧3螺钉图2-22 冲击式吸振器,2.4.3 机械加工中的自激振动与控制,第2章 机械加工表面质量,41,采用减振器，如在镗杆上加工孔，在孔内放置铅块消振，见图2-23，图2-24为车床用液压减振器，利用油液通过节流孔的阻尼来减振。,2.4.3 机械加工中的自激振动与控制,图2-23 减振
21、镗杆,1、4、5 活塞 2 工件 3 节流阀 6 弹簧图2-24 液压减振器,（3）采用其他消振阻尼装置,第2章 机械加工表面质量,42,2.4.3 机械加工中的自激振动与控制,1 滚动轴承 2 工件 3 触头4 消振杆 5 壳体 6 密封圈图2-24 固体摩擦阻振器,第2章 机械加工表面质量,43,速度：V只在一定范围内A最大，见图2-25a。走刀量：f0.04mm/r以后f可使A，但残留面积，见图2-25b。切深：当ap时，A，见图2-25c。刀具角度：合理选择刀具角度前角0；主偏角K；后角都可使A。其他：工艺系统的抗振性工艺系统的刚度；接触刚度；系统阻尼都可使A。,2.4.3 机械加工中
22、的自激振动与控制,返回,a 速度 b 走刀量 c 切深图2-25 刀具的切削用量与振幅的关系,（4）合理选择切削用量及刀具参数,第2章 机械加工表面质量,44,2.5 超精研、研磨、珩磨、抛光 2.5.1 超精研 2.5.2 研磨 2.5.3 珩磨 2.5.4 抛光,第2章 机械加工表面质量,45,超精研、研磨、珩磨、抛光加工的共同特点是：1 不选择切削用量，只限定压强和加工时间2 无需精密机床、降低表面粗糙度效果明显，提高精度不明显3 加工余量小,2.5 超精研、研磨、珩磨、抛光,网状砂轮 金刚石砂轮,第2章 机械加工表面质量,46,1 工作原理：采用细粒度的磨条在一定压力和切削速度下往复运
23、动，对表面进行光整加工。,2 切削过程：可分为四个阶段（1）强烈切削阶段：少数波峰上压强很大，切削作用剧烈。（2）正常切削阶段：接触面积增大，接触压强减小，切削作用减弱。（3）微弱切削阶段：接触面积进一步增大，接触压强进一步减小，磨条起抛光作用。（4）停止切削阶段：工件被研平，接触压强很小，磨条与工件之间形成油膜，切削停止。,2.5.1 超精研,返回,图2-26 超精研加工原理及其运动轨迹,第2章 机械加工表面质量,47,1 基本原理：通过介于工件和硬质研具之间的磨料或研磨液的流动产生机械摩擦和化学作用去除微小加工余量。,2 研磨特点：（1）研具较软，以铸铁、塑料、硬木制成。（2）磨料中混有化
24、学物质，机械与化学作用 同时进行，磨粒运动轨迹复杂，保证均匀性。（3）加工表面质量高。3 研具：磨具应软硬适当,组织均匀。粗 研采用铜、铝，精研采用铸铁。4 研磨剂：研磨剂为磨料与油脂的混合剂。磨料种类：金刚石微粉,碳化硅,氧化铝等。油脂起调和磨料.化学腐蚀作用。油脂种类：油酸,凡士林,变压汽油。,2.5.2 研磨,返回,第2章 机械加工表面质量,图2-27 超精研加工原理 及其运动轨迹,48,2.5.3 珩磨,珩磨：采用精密油石相对于工件作螺旋线运动，油石弹性压在工件表面上。不能提高位置精度。尺寸精度达0.10.3m，Ra 0.0250.01m,第2章 机械加工表面质量,返回,49,2.5.
25、4 抛光,抛光：工件表面只要光亮没有精度要求，原理与研磨相似，只是研具采用无纺布等软质材料，抛光膏有磨料、腊和黄油，磨料粒度为W28 W5，抛光可用于自由曲面加工。尺寸精度可达2m，Ra 0.0250.01m。,图2-28 抛光加工原理示意图,第2章 机械加工表面质量,50,1 加工过程中若表面层以局部高温和相变为主，则产生哪种应力？2 只能减少表面粗糙度的光整加工方法是哪种？3 反映砂轮特性的要素有什么？4 影响切削加工表面粗糙度的因素有哪些？5 什么是冷作硬化现象？请解释：切削速度增大，硬化现象减小；进给量f增大，硬化现象增大；刀具刃口圆弧半径r增大，后刀面磨损VB增大，硬化现象增大；前角0增大，硬化现象减少。6 什么是磨削“烧伤”？为什么磨削加工会发生“烧伤”？为什么磨削高合金钢较普通碳钢更易产生“烧伤”？,第2章 机械加工表面质量（本章习题）,
