機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課件第七章

機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課件第七章第一頁，共37頁。表面質(zhì)量包括的主要內(nèi)容是：

(１)表面的幾何形狀特征它主要包括：表面粗糙度；波度──介于宏觀幾何形狀誤差和表面粗糙（微觀幾何誤差）度之間的周期性幾何形狀誤差。

(２)表面層的物理及機械性能它主要包括表面層因塑性變形引起的加工硬化、表面層的金相組織變化、表面層的殘余應力等。第二頁，共37頁。7.1.2表面質(zhì)量對零件使用性能的影響（1）表面質(zhì)量對零件耐磨性能的影響

1)表面粗糙度對耐磨性的影響

零件的磨損，一般分為初期磨損、正常磨損和急劇磨損三個階段。其中表面的粗糙度對初期磨損量的影響最為顯著。第三頁，共37頁。

2）表面冷作硬化對耐磨性的影響經(jīng)過加工的零件表面會產(chǎn)生一定的冷作硬化，使得零件表層的性質(zhì)變化，如金相組織及硬度的變化、加工硬化及殘余應力的存在等也都影響零件的耐磨性。第四頁，共37頁。（2）表面質(zhì)量對疲勞強度的影響

1)表面粗糙度對疲勞強度的影響在交變載荷作用下，零件的破壞常常由于表面產(chǎn)生疲勞裂紋所致。而疲勞裂紋與應力集中有關(guān)。零件表面的粗糙度、劃痕和裂紋等缺陷容易引起應力集中，產(chǎn)生裂紋，造成疲勞破壞。

第五頁，共37頁。第六頁，共37頁。

2）表面層的殘余應力、冷作硬化對疲勞強度影響零件表面層為殘余壓應力，能夠部分的抵消工作載荷施加的拉應力，從而提高零件的疲勞強度；而殘余拉應力使疲勞裂紋擴展，加速疲勞破壞，從而降低零件的疲勞強度。第七頁，共37頁。

（3）表面質(zhì)量對零件耐腐蝕性能的影響金屬表面逐漸被氧化或溶解而遭破壞的現(xiàn)象稱為腐蝕，它是由化學、電化學過程而引起的。如鋼鐵與空氣中的氧化合成Fe2O3；金屬與電解質(zhì)液體接觸，會發(fā)生微電池作用，金屬質(zhì)點會變成離子狀態(tài)，金屬表面被破壞。第八頁，共37頁。（4）表面質(zhì)量對零件配合性質(zhì)的影響表面粗糙度會改變實際有效過盈量和間隙量，因此表面質(zhì)量好壞直接影響零件配合性質(zhì)的穩(wěn)定性。（5）表面質(zhì)量對零件接觸剛度的影響由于零件表面的粗糙輪廓，使相接觸的面積僅有理論面積較小的一部分，受外力作用時，由于凸峰處單位壓力大，因而接觸表面極易產(chǎn)生彈塑性變形，降低零件的接觸剛疲。

第九頁，共37頁。7.2表面質(zhì)量影響因素7.2.1影響表面粗糙度的因素

（1）切削加工影響表面粗糙度的因素影響切削加工表面粗糙度的因素主要有：幾何因素，物理因素及工藝系統(tǒng)振動等。

1)刀具切削刃幾何形狀的影響第十頁，共37頁。1)刀具切削刃幾何形狀的影響第十一頁，共37頁。

2)工件材料的影響切削塑性材料時，刀具前刀面對切屑擠壓嚴重，產(chǎn)生晶格扭曲，滑移和塑性變形，強迫切屑與工件分離時產(chǎn)生撕裂作用，加大了表面粗糙度。如圖所示，一般說來，韌性較大的塑性材料，加工后表面粗糙度也大，對于同樣的材料，晶粒組織愈是粗大，加工后的粗糙度亦大。

第十二頁，共37頁。3)切削用量的影響①切削速度u的影響切削速度高，切削過程中的切屑和加工表面的塑性變形小。②進給量fa的影響減小進給量fa可減小粗糙度，另外減小進給量fa還可以減小塑性變形，也可降低粗糙度。但當fa過小，則增加刀具與工件表面的擠壓次數(shù)，使塑性變形增大，反而增大了粗糙度。③切削深度ap的影響正常切削時ap對粗糙度影響不大，但在精密加工中卻對粗糙度有影響，過小的將使刀刃圓弧對工件加工表面產(chǎn)生強烈的擠壓和摩擦，引起附件的塑性變形，增大了粗糙度。第十三頁，共37頁。4)工藝系統(tǒng)的高頻振動當工藝系統(tǒng)產(chǎn)生高頻振動時，使刀尖相對于工件之間的正確加工位置發(fā)生變化，產(chǎn)生微幅振動，從而使粗糙度值加大。第十四頁，共37頁。（2）磨削加工影響表面粗糙度的因素

1)砂輪的粒度

2)砂輪的硬度

3)砂輪的修整

4)磨削速度

5)磨削徑向進給量與光磨次數(shù)

6)工件圓周進結(jié)速度與軸向進給量

7)冷卻潤滑液第十五頁，共37頁。7.2.2表面層物理機械性能的變化及影響因素（1）加工表面的冷作硬化

1)表面層的硬化評定參數(shù)2)影響加工硬化的主要因素①切削用量的影響②切削刀具的影響③被加工材料的影響第十六頁，共37頁。7.2.3表面層金相組織變化及影晌因素

(1)磨削燒傷在切削過程中，切削所消耗的能量絕大部分都轉(zhuǎn)化為熱能，傳入工件的熱使加工表面局部升溫，當溫度達到金相組織轉(zhuǎn)變臨界點時，就會產(chǎn)生金相組織變化。第十七頁，共37頁。

磨削淬火鋼時，在工件表面層上生產(chǎn)的高溫將使表層產(chǎn)生以下三種金相組織變化：

1）如果工件表面層溫度未超過相變臨界溫度Ac3（一般中碳鋼為720℃）。但超過馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度（一般中碳鋼為300C），工件表面將產(chǎn)生回人組織（回火屈氏體和回火索氏體〕，硬度比原來的回火馬氏體低，稱為回火燒傷。

2）如果工件表面層溫度超過相變臨界溫度，再加上充分的冷卻液，則表面層急冷形成二次淬火馬氏體，硬度高于四火馬氏體，但極薄，只有幾個微米厚，在它下層由于冷卻較慢出現(xiàn)了比回人馬氏體硬度低的組織稱之為淬火燒傷。

3）如果工件表面溫度超過了相變臨界溫度。這時又無冷卻液，則表面硬度急劇下降，工件表層被退火，稱之為退火燒傷。第十八頁，共37頁。

(2)影響磨削燒傷的因素及其分析

1）被加工材料被加工材料對磨削區(qū)溫度的影響主要取決于其強度、陸度、韌性和導熱性。

2）砂輪的選擇磨削導熱性差的材料，應注意選擇砂輪的硬度、結(jié)合劑和組織。

3）磨削用量理論分析計算與實踐均表明增大磨削深度ap時，磨削力和磨削熱也急劇增加，表面層溫度升高，故ap不能選得過大，否則容易造成燒傷。增加進給量f，磨削區(qū)溫度下降，可減輕磨削燒傷。

4）冷卻潤滑良好的冷卻潤滑條件可將磨削區(qū)的熱量及時帶走，避免或減輕燒傷。

第十九頁，共37頁。第二十頁，共37頁。7.2.4殘余應力及影響因素

(1)殘余應力產(chǎn)生的原因

1)熱塑性變形引起

2)冷態(tài)塑性變形引起

3)局部金相組織變化引起第二十一頁，共37頁。(2)殘余應力測試方法

1)腐蝕法把加工表面層產(chǎn)生較大殘余拉應力的淬火鋼浸在硫酸或鹽酸溶液中，就可以出現(xiàn)裂紋。根據(jù)其裂紋程度可以定性的了解殘余應力狀況。此法對HRC55以上硬度的鋼很有效，但硬質(zhì)合金不能使用。

2)Ｘ射線衍射法用Ｘ射線衍射法測量殘余應力是根據(jù)原子間距的測量。因為—旦產(chǎn)生殘余應力，則原子間距就發(fā)生變化，可較精確、無損地測量表面層的殘余應力。

3)變形法該種方法是測定試件的曲率變化，根據(jù)試件的曲率變化計算表面層的殘余應力數(shù)值及分布。通常腐蝕試件費時較多。第二十二頁，共37頁。7.3機械加工中的振動

7.3.1機械加工中的強迫振動

（1）機械加工中強迫振動的振源（2）強迫振動的特點

1）強迫振動是在外界周期性干擾力的作用下產(chǎn)生的，但振動本身并不能引起干擾力的變化。如作用在加工系統(tǒng)上的干擾力是簡諧激振力F=F0sint，則強迫振動的穩(wěn)態(tài)過程也是簡諧振動，只要這個激振力存在，該振動就不會被阻尼衰減掉。

第二十三頁，共37頁。2）不管加工系統(tǒng)本身的固有頻率多大，強迫振動的頻率總與外界干擾力的頻率相同或成倍數(shù)關(guān)系。3）強迫振動振幅的大小在很大程度上取決于干擾力的頻率與加工系統(tǒng)固有頻率0的比值，當/

0=1時，振幅達最大值，此現(xiàn)象稱“共振”。4）強迫振動振幅的大小除了與/

0有關(guān)外，還與干擾力、系統(tǒng)剛度及阻尼系數(shù)有關(guān)。第二十四頁，共37頁。7.3.2減少強迫振動的基本途徑

(1)減少或消除工藝系統(tǒng)中回轉(zhuǎn)零件的不平衡

(2)提高系統(tǒng)傳動件的精度

(3)提高工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性

(4)隔振

(5)消振

第二十五頁，共37頁。7.3.3機械加工中的自激振動

(1)自激振動的原理大多數(shù)情況下，自激振動頻率與加工系統(tǒng)的固有頻率相近。由于維持振動所需的交變切削力是由加工系統(tǒng)本身產(chǎn)生的，所以加工系統(tǒng)本身運動一停止，交變切削力也就隨之消失，自激振動也就停止。圖6-75機床自激振動閉環(huán)系統(tǒng)電動機機床振動系統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（切削過程）振動位移y（t）交變切削力F（t）第二十六頁，共37頁。

（2）自激振動的特點：

1)自激振動是—種不衰減的振動。振動過程本身能引起某種力的周期變化；

2)自激振動的頻率等于或接近系統(tǒng)的固有頻率，也就是說，由振動系統(tǒng)本身的參數(shù)所決定；

3)自激振動的形成和持續(xù)是由切削過程而產(chǎn)生的，如若停止切削過程，即機床空運轉(zhuǎn)，自激振動也就停止了；

4)自激振動能否產(chǎn)生以及振幅的大小，決定于每一振動周期內(nèi)系統(tǒng)所獲得能量與所消耗的能量的對比惰況。

第二十七頁，共37頁。(3)機械加工中自激振動振動機理

1)再生自激振動原理對于切斷及橫向進給磨削時＝1；車螺紋時=0，一般情況下0

1。如果0，即說明有重疊部分存在，則工件上一轉(zhuǎn)中如果留有振紋，就會引起下一轉(zhuǎn)切削厚度的周期變化，這樣必然引起切削力的周期變化，從而有可能引起工藝系統(tǒng)振動。這個振動又引起工件表面產(chǎn)生振紋，使得切削厚度發(fā)生變化，導致切削力作周期性地變化。這種由切削厚度的變化而使切削力變化的效應稱再生效應，由此產(chǎn)生的自激振動稱再生自激振動。第二十八頁，共37頁。第二十九頁，共37頁。

如圖a表示前一次走刀振紋y0與后一次走刀振紋y無相位差，即，切入和切出的半個周期內(nèi)平均切削厚度是相等的，故切出時切削力所作的正功（獲得能量）等于切入時所作負功（消耗能量），系統(tǒng)無能量獲得。如圖b表示y0與y相位差反相時，切入與切出的半周期內(nèi)平均切削厚度仍相等，系統(tǒng)仍無能量獲得。如圖c表示y超前于y0

，即，此時切出半周期中的平均切削厚度比切入半周期的小，所作正功小于負功，系統(tǒng)也不會有能量獲得。如圖d中y滯后于y0

，即，此時切出比切入半周期中的平均切削厚度大，正功大于負功，系統(tǒng)有了能量獲得，便產(chǎn)生了自激振動。不難看出，y滯后于y0是產(chǎn)生再生自激振動的必要條件。第三十頁，共37頁。第三十一頁，共37頁。2)振型耦合原理當縱車方牙螺紋表面時，刀具與已加工表面不存在著重疊切削，這樣就排除了產(chǎn)生再生振動的條件，但當切削深度加大到一定的程度，仍然能產(chǎn)生自激振動。實際生產(chǎn)中，機械加工系統(tǒng)一般是具有不同剛度和阻尼的彈簧系統(tǒng)，具有不同方向性的各彈簧系統(tǒng)復合在一起，滿足一定的組合條件就會產(chǎn)生自激振動，這種復合在一起的自激振動機理稱振型耦合自激振動機理。

第三十二頁，共37頁。右下圖給出了車床刀架的振型耦合模型。把車床刀架振動系統(tǒng)簡化為兩自由度振動系統(tǒng)，并假設(shè)加工系統(tǒng)中只有刀架振動，其等效質(zhì)量m用相互垂直的等效剛度分別為k1、k2的兩組彈簧支持著。彈簧軸線x1、x2稱剛度主軸，分別表示系統(tǒng)的兩個自由度方向。第三十三頁，共37頁。3)負摩擦原理

在切削某些材料時，會出現(xiàn)工件與刀具之間的摩擦力隨切削速度的增加而下降的現(xiàn)象，使得切削力隨之減小。這時刀具的切入、切出運動（如圖6-80（c）），刀架受到偶然干擾在y方向振動，切入時刀具與工件的相對滑動速度增加，而切出時，刀具與工件的相對滑動速度減小。由于在振動區(qū)域存在著切削力隨切削速