机械制造工艺学 第2版 王先逵 清华大学 主编 第三章新.ppt

第三章 机械加工表面质量及其控制 第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响 第二节 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改进措施 第三节 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施 第四节 机械加工过程中的振动 第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响 一、机械加工表面质量含义 （一）加工表面几何特征 加工表面的几何特征，主要由表面粗糙度和表面波度两部分组成（见图7-1）。 （二）加工表面层物理力学性能 二、机械加工表面质量对机器使用性能和使用寿命的影响 （一）表面质量对零件耐磨性的影响 如图7-2所示的磨损曲线，其中 Ral和Ra2分别是轻、重负荷条件下最耐磨的表面粗糙度值。 对任何一种金属材料也都有一个表面冷作硬化程度的最佳 值Ha，低于或高于这个数值时磨损量都会增加，如图7-3所示，Ha为表面冷作硬化的最佳值。 （二）表面质量对零件抗腐蚀性的影响 （三）表面质量对零件疲劳强度的影响 第二节 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改进措施 第三节 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施 第四节 机械加工过程中的振动 一、机械加工动力学系统 二、机械加工中的受迫振动 三、 机械加工中的自激振动 综上所述，加工系统产生自激振动的基本条件为W振出W振入，即在力与位移的关系曲线中，振出过程曲线的包络范围要大于振入过程曲线的包络范围。 如图5.12中，对于振动运动轨迹上任一点而言，振动系统在振出阶段通过该点的力F振出(yi)应大于振入阶段通过同一位置的力F振入(yi) ， 因而自激振动的条件也可描述为F振出(yi)F振入(yi) 。 2) 自激振动机理的分析 根据自激振动的产生条件，可以分析工艺系统是否能够产生和维持自激振动。 以切削加工出现的再生性颤振为例，本次(转)切削产生的振纹与前次(转)的振纹基本上是不可能完全同步的，两者之间存在一定的相位差，如图5.13。 定义前次切削残留的振纹与本次切削的振纹间的相位差为φ，且两次切削的产生的振动幅值相等，则前次切削和本次切削的振动方程分别为 瞬时切削厚度a(t)和切削力F(t)的表达式为 在振动的一个周期内，切削力对振动系统所做的功为 其中，V(t)为振动速度，而β为切削力与轴的夹角。 分析上式可知，切削力对振动系统作功的性质取决于相位差φ的数值。 0φπ时，切削力对振动系统作正功，振动系统因有能量输入使得振动状态得以维持，系统将有再生型颤振产生； φ=π/2时，振动系统外部输入的能量最大，再生型颤振最为强烈； π φ2π时，振动系统将消耗能量，振动状态趋向衰减，从而工艺系统趋向稳定。(不可能出现)时，振动系统没有外部能量输入，切削厚度基本保持不变，切削力基本稳定。 (3) 金相组织的变化 不同的金相组织，具有不同的密度和比容。机械加工过程中，如果工件表面层的金相组织发生变化，则工件表面层金属的比容也会发生变化。这种比容的变化必然受到里层基体金属的阻碍，从而产生残余应力。如果金相组织的变化引起表面层金属的比容减小，则表面层金属产生拉应力，而里层产生压应力；反之，若金属的比容减小，表面层金属将产生压应力，而里层产生拉应力。如在磨削淬火钢时，由于磨削热导致表层可能产生回火，表层金属组织将由马氏体转变为接近珠光体的屈氏体或索氏体，密度增大，比热容减小，表层金属要产生相变收缩但会受到基体金属的阻止，从而在表层金属产生残余拉应力，里层金属产生残余压应力。如果磨削时表层金属的温度超过相变温度且冷却已充分，则表层金属将转变为淬火马氏体，密度减小，比热容增大，则表层金属产生残余压应力，里层金属产生残余拉应力。 实际上，机械加工后表面层的残余应力是上述三方面原因综合作用的结果。 2）影响残余应力的工艺因素 影响残余应力的主要工艺因素有工件材料的性质、刀具(砂轮)、切削用量及冷却润滑液等方面。具体情况要根据切削的塑性变形、切削温度和金相组织变化的影响程度而定。 (1) 切削加工影响残余应力的工艺因素 刀具的后角、刀尖的圆角半径及刃钝圆半径对表面层残余应力的影响不大，这是因为后角受到刀刃强度的制约变化不大，而刀尖的圆角半径和刃钝圆半径在刃磨后很小。刀具几何参数中前角的残余应力影响较大。实际上当刀具磨损到一定程度时，切削力以及刀具和工件的摩擦会显著增加，使表面层温度会升高，表面层的塑性变形加剧，因而刀具的磨损对残余应力影响较大。 加工用量对残余应力的影响比较复杂，它与工件的材料、原来的状态以及具体的加工条件等有关。 在一般情况下，残余应力的数值和方向与切削速度有关。以较低的速度切削时，工件表面层会产生残余拉应力。但随着切削速度的增大，拉应力值将逐渐减小，并在一定切削速度以上转变为残余压应力。 低速切削时切削热的作用占主导作用，