制造工程基礎(chǔ)：第6章 機械加工表面質(zhì)量

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1、第六章：機械加工表面質(zhì)量 6.1 表面質(zhì)量基本概念 一、機械加工表面質(zhì)量的含義 表面質(zhì)量：在零件已加工表面上幾微米至幾百微米表面層所產(chǎn)生的物理機械性能的變化以及表面層微觀紋理。 包含：表面紋理、表面層物理機械性能。 1. 表面紋理 表面紋理主要是由表面粗糙度和波度兩個部分組成。 表面粗糙度：切削運動后，刀刃在被加工表面上形成的切削痕跡。 表面波度：加工中不可控的刀具往復運動形成， 例如： 加工過程中工藝系統(tǒng)的振動所引起的振紋； 多刃刀具刀刃不等高。 一般情況粗糙度疊加在波度之上（圖5－0） 2. 表面層物理機械性能 1）表面層硬化：工件在機械加工過程中，表面層金

2、屬產(chǎn)生強烈的塑性變形，使表面層的硬度提高，又稱表面冷作硬化。 2）表面層內(nèi)殘余應力：加工后表層塑性變形層對里層彈性恢復的約束產(chǎn)生的應力。 3）表面層金相組織的改變：由于加工溫度很高材料產(chǎn)生表層金相組織變化。 4）表面層內(nèi)其它物理機械性能的變化：包括抗腐蝕能力、化學活性、導熱性和磁性等的變化。 二、表面質(zhì)量對使用性能的影響 表面質(zhì)量對零件使用性能、如耐磨性、耐疲勞性、耐腐蝕性、配合質(zhì)量等都有一定程度的影響。 1. 耐磨性 零件的耐磨性主要與摩擦副的材料、熱處理情況和潤滑條件有關(guān)，在這些條件已確定的情況下，零件的表面質(zhì)量就起決定性作用。 1）表面粗糙度量值對磨損的影響： 對初期磨

3、損量影響曲線如圖5-1所示,在一定條件下，摩擦副表面有一最佳粗糙度。 2）表面紋路方向?qū)α慵湍バ缘挠绊憽? 輕載時，摩擦副的兩個表面紋路方向與相對運動方向一致時磨損最小，如圖5-2所示。 重載時，由于壓強、分子親和力和儲潤滑油等因素的變化，紋路相互垂直，且運動沿下表面紋路方向時磨損最小。 2. 耐疲勞性 1）表面粗糙度數(shù)值大→裂紋源增多→疲勞強度降低。 2）殘余應力的影響： 殘余壓應力提高疲勞強度， 殘余拉應力降低疲勞強度。 3. 配合質(zhì)量 動配合表面：粗糙度大→起始磨損嚴重→配合間隙增大→配合精度降低 靜配合表面：粗糙度大→凸峰擠平→配合過盈減少→結(jié)合強度降低。

4、 6.2 表面粗糙度及其影響因素 一、切削加工后的表面粗糙度 表面粗糙度是表面微觀不平整的程度，最常用的指標是 Ra：表面輪廓的算術(shù)平均偏差(絕對值的積分中值)。圖5－4 理論粗糙度：理想狀態(tài)下刀刃在被加工表面上形成的切削痕跡，以理想狀態(tài)下殘留面積高度度量。殘留面積高度計算（圖5－5）： 尖刀： 其中：f：進給量，kr：主偏角，kr′：副偏角， 圓弧刀尖： rε：刀尖圓弧半徑 二、影響表面粗糙度的因素 1影響理論粗糙度的因素 由上述公式可見：減小進給量f，減小刀具的主、副偏角kr、kr′,增大刀尖半徑rε均使粗糙度減小。 實際粗糙度一般大于理論粗糙度（圖5-

5、6，p247），這是由于積屑瘤、鱗刺、塑性變形、刀刃磨損、加工顫振等原因。因此影響粗糙度的因素還有： 2 積屑瘤的影響 積屑瘤使粗糙度增大 切削過程中出現(xiàn)的積屑瘤是不穩(wěn)定的，它不斷地形成、長大，然后粘附在切屑上被帶走或留在工件上。由于積屑瘤有時會伸出切削刃之外，其輪廓也很不規(guī)則，因而使加工表面出現(xiàn)深淺和寬窄不斷變化的刀痕，增加了表面粗糙度（圖5-7）。 3切削速度的影響 低速段：速度→積屑瘤→粗糙度 從實驗知道切削速度愈高，切削過程中切屑和加工表面的塑性變形程度就愈輕，因而粗糙度也愈低。采用較高的切削速度常能防止積屑瘤、鱗刺的產(chǎn)生（圖5-8）。 4被加工材料性質(zhì)的影響

6、 韌性大，粗糙度差，脆性材料接近理想粗糙度。 5刀具的幾何形狀、材料、刃磨質(zhì)量的影響 γ。值增大時，塑性變形減小，粗糙度降低。 a。、λs、刀具刃磨質(zhì)量都會影響粗糙度。 6.3表面粗糙度的選用原則 提高對表面粗糙度的要求必然會提高制造成本， 有些表面不見得越光越好， 所以合理選擇粗糙度十分重要。 原則： 1 滿足要求的情況下，盡量選大粗糙度； 2 工作表面粗糙度低于非工作表面； 3 摩擦表面粗糙度低于非摩擦表面，滾動摩擦表面粗糙度低于滑動摩擦表面； 4 精度越高，表面粗糙度越低；但有外觀要求或防腐要求的零件粗糙度與精度無關(guān)； 5 動載荷零件粗糙度低于靜載

7、荷零件； 6 間隙配合面粗糙度低于過盈配合面； 6.4 振動對表面質(zhì)量的影響及其控制 一 振動對加工過程的影響 ① 影響表面質(zhì)量，粗糙度、波紋度 ② 影響加工效率 ③ 影響刀具壽命 ④ 工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 二 振動分類及其產(chǎn)生原因 （圖5-22，p258） 自由振動、強迫振動、自激振動（為主） 1 自激振動的原因 切削過程的擾動→擾動位移→切削力變化→切入深度變化→切削力變化→…… 參考S.A.Tobias（托貝斯“機床動力學”）， G.Boothroy d（布思羅伊德“金屬切削加工的理論基礎(chǔ)”）， 星鐵太郎“機械加工顫振的分析與對策”。 2 自

8、激振動的特點 不衰減：振動能量從切削能量中得到周期補充；（與自由振動的區(qū)別） 接近固有頻率：（與強迫振動的區(qū)別） 持續(xù)條件 n 消耗能量不大于輸入能量 n 反饋過程存在 三 振動的抑制和消除 消除振源：轉(zhuǎn)動件平衡； 隔離振源：隔振墊； 提高剛度：減小懸伸、增加支撐； 提高阻尼：高阻尼材料（鑄鐵）、高阻尼結(jié)構(gòu)（摩擦面、阻尼板） 優(yōu)化加工參數(shù)：遠離系統(tǒng)固有頻率。 n 基于加工動力學仿真的切削參數(shù)優(yōu)化 n 切削力建模 n 機床刀具系統(tǒng)實驗模態(tài)分析 n 刀具工裝系統(tǒng)仿真模態(tài)分析 n 整個工藝系統(tǒng)動力學建模 n 求解顫振穩(wěn)定域 n 根據(jù)顫振穩(wěn)定域選擇加工參數(shù) 圖5－9、5－10