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1、第5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量控制,5.1 影響加工表面質(zhì)量的因素5.2 機(jī)械加工中的振動5.3 控制機(jī)械加工表面質(zhì)量的措施,5.1影響加工表面質(zhì)量的因素,機(jī)械加工表面質(zhì)量對機(jī)器零件的使用性能，甚至整機(jī)的工作性能都有很大影響。深入研究影響加工表面質(zhì)量的各種因素及其規(guī)律，探究提高和保證加工表面質(zhì)量的措施和方法是機(jī)械制造工藝學(xué)研究的重要內(nèi)容。,5.1.1影響表面粗糙度的工藝因素,影響加工表面粗糙度的工藝因素主要有幾何因素和物理因素兩個方面。加工方式不同，影響的工藝因素也各不相同。1. 切削加工的表面粗糙度1）幾何因素影響表面粗糙度的幾何因素是指刀具相對工件作進(jìn)給運(yùn)動時，由于刀具的幾何形狀、幾何參數(shù)、進(jìn)給

2、運(yùn)動及切削刃本身的粗糙度等影響，未能完全將加工余量切除，在加工表面留下殘留面積，形成表面粗糙度。,以車削或刨削加工零件表面為例。 切削殘留面積的高度與下列因素有關(guān)刀尖圓弧半徑 re 主偏角 Kr 副偏角 Kr 進(jìn)給量 f 刀刃本身的粗糙度等因素有關(guān)。,切削深度較大且刀尖圓弧半徑很小時，或者采用尖刀刃具切削時，如圖5.1(a)所示，殘留面積的高度為,圓弧刀刃切削加工時，殘留面積的高度與刀尖圓弧半徑re和進(jìn)給量f有關(guān)，圖5.1(b)所示的幾何關(guān)系可近似為,減小進(jìn)給量、增大刀尖圓弧半徑、減小主偏角或副偏角都會使表面粗糙度得到改善，但以進(jìn)給量和刀尖圓弧半徑的影響最為明顯。實際加工表面的粗糙度總是大于上

3、面兩個殘留面積高度公式的理論計算值，只有切削脆性材料或高度切削塑性材料時，計算結(jié)果才比較接近實際。,2）物理因素在切削過程中刀具對工件的擠壓和摩擦等物理因素使金屬材料發(fā)生塑性變形，從而影響理論殘留部分的輪廓以及表面粗糙度。加工獲得的表面粗糙度輪廓形狀是幾何因素和物理因素綜合作用的結(jié)果。影響表面粗糙度的物理因素可歸結(jié)為以下幾個方面：（1） 刀具幾何參數(shù)及刀具材料刀具的幾何參數(shù)對切削加工表面粗糙度影響很大。刀具的主偏角、副偏角和刀尖圓弧半徑影響較為顯著。適當(dāng)增大刀具前角可以有效改善加工表面粗糙度。而刀具后角的大小與已加工表面的摩擦有關(guān)，后角大的刀具有利于改善表面粗糙度。但后角過大，對刀刃強(qiáng)度不利，

4、易產(chǎn)生切削振動，表面粗糙度反而增大。選用強(qiáng)度好，特別是熱硬性高的材料制造的刀具，易于保持刃口鋒利，而且摩擦系數(shù)小、耐磨性好，在切削加工時則能獲得較小的表面粗糙度。,（2）工件的材料及熱處理工件材料的品種、成分和性質(zhì)，以及熱處理方法的不同，加工表面的粗糙度也存在一定差別。塑性材料切削加工過程中，如低碳鋼、耐熱鋼、鋁合金和高溫合金等，在一定切速下會在刀面形成硬度很高的積屑瘤，從而改變刀具的幾何形狀和加工進(jìn)給量，使加工表面的粗糙度嚴(yán)重惡化。而脆性材料加工后，一般其表面粗糙度易于達(dá)到要求。對于同樣的工件材料，若金相組織的晶粒粗大，則切削加工獲得的表面粗糙度越差。因此，為減小切削加工的表面粗糙度值，常在

5、加工前對工件材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以獲得較均勻的、細(xì)密的晶粒組織和較高的硬度。,（3）切削用量一般來說，切削深度對加工表面粗糙度影響不明顯，但過小的切削深度無法維持正常切削，常會引起刀刃與工件相互擠壓、摩擦，使加工表面質(zhì)量惡化。切削速度、進(jìn)給量對表面粗糙度影響較大。較小的切削進(jìn)給量可減少殘留面積的高度，減輕切削力和工件材料的塑性變形程度，從而獲得較低的表面粗糙度值。但進(jìn)給量過小，刀刃不能進(jìn)行切削而僅形成擠壓，致使工件的塑性變形程度增大，使表面粗糙度變大。切削過程中，切削速度越高，則被加工表面的塑性變形程度越小，表面粗糙度越好。（4）刀具的刃磨考慮到刀具刃口表面粗糙度在工件表面的復(fù)映效果，提高刀具的

6、刃磨質(zhì)量也能改善表面粗糙度。（5）潤滑冷卻液切削過程中，潤滑冷卻液可吸收、傳遞切削區(qū)內(nèi)的熱量，減小摩擦、促進(jìn)切屑分離，減輕力、熱的綜合作用，抑制刀瘤和鱗刺的產(chǎn)生，減少切削的塑性變形，利于改善加工表面的粗糙度。,2. 磨削加工表面粗糙度磨削是較為常見的精加工方法，其表面粗糙度的形成也是由幾何因素和物理因素決定的，但磨削過程較切削過程復(fù)雜。1）磨削加工表面粗糙度的形成磨削加工是通過砂輪和工件的相對運(yùn)動，使得分布在砂輪表面上的磨粒對工件表面進(jìn)行磨削加工。砂輪的磨粒分布存在很大的不均勻性和不規(guī)則性，尖銳且突出的磨粒可產(chǎn)生切削作用，而不足以形成切削的磨?？僧a(chǎn)生刻劃作用，形成劃痕并引起塑性變形，更低而鈍的

7、磨粒則在工件表面引起彈性變形，產(chǎn)生滑擦作用。因此磨削加工的表面是砂輪上大量的磨?？虅澇龅臒o數(shù)極細(xì)的刻痕形成的。另外，磨削加工時的速度較高，砂輪磨粒大多具有較大的負(fù)前角，磨粒與表面間的相互作用較強(qiáng)，將造成磨削比壓大、磨削區(qū)的溫度較高。如果工件表層溫度過高，則表層金屬易軟化、微熔或產(chǎn)生相變。而且，每個磨粒所切削的厚度僅為0.2m左右，大多數(shù)磨粒在磨削加工過程中僅起到擠壓作用，磨削余量是在磨粒的多次擠壓作用下經(jīng)過充分塑性變形出現(xiàn)疲勞剝落產(chǎn)生的，因而磨削加工的塑性變形一般要比切削加工大。,2）影響磨削加工表面粗糙度的工藝因素影響磨削表面粗糙度的主要工藝因素有如下幾個方面：(1) 砂輪的選擇砂輪的粒度、

8、硬度、組織、材料及旋轉(zhuǎn)質(zhì)量平衡等因素都會影響磨削表面粗糙度，在選擇時應(yīng)綜合考慮。單純從幾何因素考慮，在相同的磨削條件下，砂輪的粒度細(xì)，則單位面積上的磨粒多，加工表面上的刻痕細(xì)密均勻，磨削獲得的表面粗糙度值小。但磨粒太細(xì)時，砂輪容易被磨屑堵塞。通常磨粒的大小和磨粒之間的距離用粒度表示，一般常取46號60號。砂輪的硬度是指磨粒從砂輪上脫落的難以程度。砂輪選擇過硬，則磨粒鈍化后不易脫落，使得工件表面受到強(qiáng)烈的摩擦和擠壓作用，致使塑性變形的程度增加，增大表面粗糙度。反之，砂輪選擇太軟，則磨粒易于脫落，產(chǎn)生磨損不均勻，從而磨削作用減弱，難以保證工件表面的粗糙度。因此，砂輪硬度選擇要適當(dāng)，通常選用中軟砂輪

9、。,砂輪的組織是指磨粒、結(jié)合劑和氣孔的比例關(guān)系。緊密組織能獲得高精度和較小的表面粗糙度值，而疏松組織的砂輪不易阻塞，適合加工軟金屬、非金屬軟材料和熱敏性材料。砂輪的材料，即磨料的選擇要綜合考慮加工質(zhì)量和成本。高硬磨料的砂輪可獲得較小的表面粗糙度，但加工成本很高。,(2)磨削用量磨削用量主要指砂輪速度、工件速度、進(jìn)給量和磨削深度等，即磨削加工的條件。提高砂輪速度，則通過被磨削表面單位面積上的磨粒數(shù)和劃痕增加。與此同時，每個磨粒的負(fù)荷小，熱影響區(qū)淺，工件材料的塑性變形的傳播速度可能大于磨削速度，工件來不及產(chǎn)生塑性變形，使得表面層金屬的塑性變形現(xiàn)象減輕，磨削表面的粗糙度值將明顯減小。工件速度對表面粗

10、糙度值的影響與砂輪速度的影響相反，增大工件速度時，單位時間內(nèi)通過被磨表面的磨粒數(shù)減少，工件表面粗糙度值將增加。砂輪縱向進(jìn)給量減少，工件表面被砂輪重復(fù)磨削的次數(shù)將增加，表面粗糙度值會減小；而軸向進(jìn)給量減小時，單位時間內(nèi)加工的長度短，表面粗糙度值也會減小。磨削深度對表面粗糙度的影響很大。減小磨削深度，工件材料的塑性變形減弱，被磨表面的粗糙度值會減小，但也會降低生產(chǎn)率。,(3) 砂輪的修整修整砂輪是改善磨削表面粗糙度的重要措施，因為砂輪表面的不平整在磨削時將被復(fù)映到被加工表面。修整砂輪的目的是使砂輪具有正確的幾何形狀和獲得具有磨削性能的銳利微刃。砂輪的修整與修整工具、修整砂輪縱向進(jìn)給量等有密切關(guān)系。

11、以單顆金剛石筆修整砂輪時，金剛石筆縱向進(jìn)給量越小，金剛石越鋒利，修出的砂輪表面越光滑，磨粒微刃的等高性越好，磨出的工件表面粗糙度越小。此外，工件材料的性質(zhì)、磨削液等對磨削表面粗糙度的影響也很明顯。,影響磨削加工表面粗糙度的因素,砂輪粒度,工件材料性質(zhì),砂輪修正,磨削用量,砂輪硬度,影響磨削加工表面粗糙度的因素,5.1.2影響零件表層物理力學(xué)性能的因素,機(jī)械加工過程中，工件表層在力、熱的綜合作用下，表面層的物理力學(xué)性能會發(fā)生變化，使其與金屬基體材料性能有所不同。最主要的變化是表層金屬顯微硬度的改變，金相組織的變化和在表層金屬中產(chǎn)生殘余應(yīng)力和表面強(qiáng)化現(xiàn)象。不同的工件材料，不同的加工條件，會產(chǎn)生不同

12、的表面層特性。在磨削加工時所產(chǎn)生的塑性變形和切削熱比切削加工時更嚴(yán)重，因而磨削加工表面層的上述三項物理力學(xué)性能的變化會很大。,影響表面層物理力學(xué)性能的主要因素,表面物理力學(xué)性能,影響金相組織變化因素,影響顯微硬度因素,影響殘余應(yīng)力因素,1. 加工表面的冷作硬化磨削和切削加工中，若加工工件表面層產(chǎn)生的塑性變形使表面層材料沿晶面產(chǎn)生剪切滑移，使晶格扭曲、畸變，產(chǎn)生晶粒拉長、破碎和纖維化，這將引起材料的強(qiáng)化，使工件表面層的強(qiáng)度和硬度增加，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化。評定表面層冷作硬化的指標(biāo)主要以硬化層深度、表面層金屬的顯微硬度和硬化程度表示。一般硬化程度越大，硬化深度也越大。硬化程度的表達(dá)式如下，式中 H

13、V 加工后表面層顯微硬度，單位GPa； HV0 基體材料的顯微硬度，單位GPa。,表面層冷作硬化的程度取決于產(chǎn)生塑性變形的力、變形速度和變形時的溫度。產(chǎn)生塑性變形的力越大，塑性變形越大，硬化程度越大。變形速度越大，則塑性變形越不充分，硬化程度反而減少。變形時的溫度會影響塑性變形的程度和變形后金相組織恢復(fù)的能力。冷作硬化的表面層金屬處于高能位不穩(wěn)定狀態(tài)，在某些條件下(如溫度變化在某范圍內(nèi))，金屬結(jié)構(gòu)會向穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，從而部分地消除冷作硬化，即弱化。因此，工件加工后表面層的最終性質(zhì)是強(qiáng)化和弱化作用的綜合結(jié)果。實際上，冷作硬化的程度和深度還與金屬基體的性質(zhì)、機(jī)械加工的方法和條件有關(guān)。,1）影響切削

14、加工表面冷作硬化的因素切削加工過程中，被加工材料、刀具幾何參數(shù)和切削用量均在不同程度上影響表面層的冷作硬化程度。(1)被加工材料的影響工件材料的硬度越小、塑性越大，切削后的冷硬程度越嚴(yán)重。就碳素結(jié)構(gòu)鋼而言，含碳量越低，強(qiáng)度越低，塑性越大，因表面層的而冷硬程度嚴(yán)重。(2)刀具幾何參數(shù)的影響刀具的前角、刃鈍圓半徑和后面的磨損對冷硬程度有很大影響，而后角、主偏角、副偏角及刀尖圓弧半徑等的影響不大。刀具刃鈍圓半徑增大時，加工后表面的冷硬層深度和硬度也隨之增大。原因在于切削刃鈍圓半徑增大會加大徑向切削力，從而加劇塑性變形，導(dǎo)致硬化現(xiàn)象嚴(yán)重。刀具后面的磨損量增加時，使得刀具后面與被加工表面的摩擦加劇，塑性

15、變形增大，從而表層冷硬程度增大。,(3)切削用量的影響在切削用量中，以切削速度和進(jìn)給量影響較大。在不致引起表層金相組織發(fā)生相變的范圍內(nèi)，增加切削速度時，刀具與工件的接觸時間縮短，使得塑性變形程度減小，硬化層深度和硬度都有所減小。進(jìn)給量增大時，切削力增大，表層的塑性變形程度也增大，從而加劇表面層的冷作硬化程度。進(jìn)給量過小時，由于刀具刃口圓角在加工表面單位長度上的擠壓次數(shù)增多，反而會增大硬化程度。,影響表面層加工硬化的因素,刀具幾何形狀的影響,切削刃 r、前角、后面磨損量VB 表層金屬的塑變加劇冷硬,切削用量的影響,切削速度v塑變冷硬 f切削力塑變冷硬,工件材料性能的影響,材料塑性冷硬,2）影響磨

16、削加工表面冷作硬化的因素相比較而言，磨削加工的溫度比切削加工溫度高很多，磨削過程中的弱化作用或金相組織的變化起主導(dǎo)作用，使得磨削加工表面的硬化規(guī)律較為復(fù)雜。(1) 被加工材料的影響工件材料的塑性好，則磨削加工時塑性變形大，冷硬傾向大。導(dǎo)熱性能佳的材料，磨削加工產(chǎn)生的熱量不易集中于表面層，弱化傾向小。例如磨削高碳工具鋼T8時，加工表面冷硬程度平均達(dá)60%65%；磨削純鐵時，加工表面冷硬程度可達(dá)75%80%，甚至有時可達(dá)140%150%。原因在于純鐵的塑性好，磨削時的塑性變形大，強(qiáng)化傾向大，而且純鐵的導(dǎo)熱性比高碳鋼高，熱不易集中于表面層，弱化傾向小。,(2) 磨削用量的影響磨削速度的提高會減弱塑性變形的程度，而且磨削區(qū)溫度的增高會加強(qiáng)弱化作用。所以，高速磨削加工表面的冷硬程度一般比普通磨削低。相對而言，工件速度對冷硬程度的影響與磨削速度的影響基本相反。磨削加工的磨削力會隨磨削深度的加大而增大，從而加工件表面的塑性變形程度，表面冷硬傾向增大。加大縱向進(jìn)給速度時，磨削加工的磨削力加大，冷硬傾向增大。但縱向進(jìn)給速度的提高也可能使磨削區(qū)產(chǎn)生較大的熱量而使冷硬減弱。因而加工表面的冷硬狀況要考慮這兩種