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1、第六章:機(jī)械加工表面質(zhì)量
6.1 表面質(zhì)量基本概念
一、機(jī)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(jī)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(jī)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(gè)部分組成。
表面粗糙度:切削運(yùn)動(dòng)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(fù)運(yùn)動(dòng)形成,
例如:
加工過程中工藝系統(tǒng)的振動(dòng)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(jī)械性能
1)表面層硬化:工件在機(jī)械加工過程中,表面層金
2、屬產(chǎn)生強(qiáng)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(yīng)力:加工后表層塑性變形層對(duì)里層彈性恢復(fù)的約束產(chǎn)生的應(yīng)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(jī)械性能的變化:包括抗腐蝕能力、化學(xué)活性、導(dǎo)熱性和磁性等的變化。
二、表面質(zhì)量對(duì)使用性能的影響
表面質(zhì)量對(duì)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(duì)磨損的影響:
對(duì)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(shí),摩擦副的兩個(gè)表面紋路方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向一致時(shí)磨損最小,如圖5-2所示。
重載時(shí),由于壓強(qiáng)、分子親和力和儲(chǔ)潤滑油等因素的變化,紋路相互垂直,且運(yùn)動(dòng)沿下表面紋路方向時(shí)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(qiáng)度降低。
2)殘余應(yīng)力的影響:
殘余壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度,
殘余拉應(yīng)力降低疲勞強(qiáng)度。
3. 配合質(zhì)量
動(dòng)配合表面:粗糙度大→起始磨損嚴(yán)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(qiáng)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(biāo)是
Ra:表面輪廓的算術(shù)平均偏差(絕對(duì)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(jì)算(圖5-5):
尖刀:
其中:f:進(jìn)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(jìn)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(shí)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(shí)會(huì)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(shí)驗(yàn)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(shí),塑性變形減小,粗糙度降低。
a。、λs、刀具刃磨質(zhì)量都會(huì)影響粗糙度。
6.3表面粗糙度的選用原則
提高對(duì)表面粗糙度的要求必然會(huì)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(dòng)摩擦表面粗糙度低于滑動(dòng)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(dòng)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(dòng)對(duì)表面質(zhì)量的影響及其控制
一 振動(dòng)對(duì)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(dòng)分類及其產(chǎn)生原因
(圖5-22,p258)
自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)、自激振動(dòng)(為主)
1 自激振動(dòng)的原因
切削過程的擾動(dòng)→擾動(dòng)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(jī)床動(dòng)力學(xué)”),
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(jī)械加工顫振的分析與對(duì)策”。
2 自
8、激振動(dòng)的特點(diǎn)
不衰減:振動(dòng)能量從切削能量中得到周期補(bǔ)充;(與自由振動(dòng)的區(qū)別)
接近固有頻率:(與強(qiáng)迫振動(dòng)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(dòng)的抑制和消除
消除振源:轉(zhuǎn)動(dòng)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(yuǎn)離系統(tǒng)固有頻率。
n 基于加工動(dòng)力學(xué)仿真的切削參數(shù)優(yōu)化
n 切削力建模
n 機(jī)床刀具系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析
n 刀具工裝系統(tǒng)仿真模態(tài)分析
n 整個(gè)工藝系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)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