《機(jī)械加工表面質(zhì)量》PPT課件

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1、4.4 機(jī) 械 加 工 表 面 質(zhì) 量surface quality of Machining 內(nèi) 容 提 要 ： 表 面 質(zhì) 量 對(duì) 零 件 使 用 性 能 的 影 響 影 響 表 面 粗 糙 度 的 因 素 降 低 表 面 粗 糙 度 的 工 藝 措 施 概 述 重 要 性 ： 機(jī) 械 零 件 的 破 壞 ， 一 般 總 是 從 表 面 層開 始 的 。 產(chǎn) 品 的 性 能 ， 尤 其 是 它 的 可 靠 性 和 耐久 性 ， 在 很 大 程 度 上 取 決 于 零 件 表 面 層 的 質(zhì) 量 。 目 的 ： 為 了 掌 握 機(jī) 械 加 工 中 各 種 工 藝 因 素 對(duì) 加工 表 面 質(zhì)

2、 量 影 響 的 規(guī) 律 ， 以 便 運(yùn) 用 這 些 規(guī) 律 來(lái)控 制 加 工 過(guò) 程 ， 最 終 達(dá) 到 改 善 表 面 質(zhì) 量 、 提 高產(chǎn) 品 使 用 性 能 的 目 的 。 概 述 零 件 機(jī) 加 工 表 面 質(zhì) 量 的 評(píng) 定 ： （ 1） 表 面 幾 何 形 狀 特 征 （ 2） 加 工 表 面 層 的 物 理 機(jī) 械 性 能a、 表 面 粗 糙 度 ： 表 面 的 微 觀 幾 何 形 狀 誤 差 。b、 波 度 ： 介 于 微 觀 幾 何 形 狀 誤 差 和 表 面 粗 糙 度 之 間 的 周期 性 的 幾 何 形 狀 誤 差 。a、 表 面 層 材 料 的 塑 性 變 形 與

3、加 工 硬 化 ；b、 表 面 層 金 相 組 織 的 變 化 （ 高 溫 ） - 特 別 是 針 對(duì) 磨 削 ，也 稱 磨 削 燒 傷 ；c、 表 面 層 產(chǎn) 生 殘 余 應(yīng) 力 。 表 面 粗 糙 度 與 波 度Roughness and Waviness 機(jī) 加 工 表 面 質(zhì) 量 對(duì) 機(jī) 器 使 用 性 能 的 影 響 （ 一 ） 表 面 質(zhì) 量 對(duì) 耐 磨 性 的 影 響 1.表 面 粗 糙 度 對(duì) 耐 磨 性 的 影 響 一 個(gè) 剛 加 工 好 的 摩 擦 副 的 兩 個(gè) 接 觸 表 面 之 間 ， 最初 階 段 只 在 表 面 粗 糙 的 的 峰 部 接 觸 ， 實(shí) 際 接 觸

4、面 積 遠(yuǎn) 小于 理 論 接 觸 面 積 ， 在 相 互 接 觸 的 峰 部 有 非 常 大 的 單 位 應(yīng)力 ， 使 實(shí) 際 接 觸 面 積 處 產(chǎn) 生 塑 性 變 形 、 彈 性 變 形 和 峰 部之 間 的 剪 切 破 壞 ， 引 起 嚴(yán) 重 磨 損 （ 三 個(gè) 階 段 ？ ） 。 表 面 粗 糙 度 對(duì) 零 件 表 面 磨 損 的 影 響 很 大 。 (1)一 般說(shuō) 表 面 粗 糙 度 值 愈 小 ， 其 磨 損 性 愈 好 。 (2)但 若 表 面 粗糙 度 值 太 小 ， 潤(rùn) 滑 油 不 易 儲(chǔ) 存 ， 接 觸 面 之 間 容 易 發(fā) 生 分子 粘 接 ， 磨 損 反 而 增 加

5、。 因 此 ， 接 觸 面 的 粗 糙 度 有 一 個(gè)最 佳 值 ， 其 值 與 零 件 的 工 作 情 況 有 關(guān) ， 工 作 載 荷 加 大 時(shí) ，初 期 磨 損 量 增 大 ， 表 面 粗 糙 度 最 佳 值 也 加 大 。 2.表 面 冷 作 硬 化 對(duì) 耐 磨 性 的 影 響impact of Surface work-harden on the wearability (1)加 工 表 面 的 冷 作 硬 化 使 摩 擦 副 表 面 層 金 屬 的 顯 微 硬 度提 高 ， 故 一 般 可 使 耐 磨 性 提 高 。(2)但 也 不 是 冷 作 硬 化 程 度 愈 高 ， 耐 磨

6、性 就 愈 高 ， 這 是 因?yàn)?過(guò) 分 的 冷 作 硬 化 將 引 起 金 屬 組 織 過(guò) 度 疏 松 ， 甚 至 出 現(xiàn)裂 紋 和 表 層 金 屬 的 剝 落 ， 使 耐 磨 性 下 降 。 （ 二 ） 表 面 質(zhì) 量 對(duì) 疲 勞 強(qiáng) 度 的 影 響impact of Machining surface quality on fatigue strength 金 屬 受 交 變 載 荷 作 用 后 產(chǎn) 生 的 疲 勞 破 壞 往 往 發(fā) 生 在 零 件 表 面 和 表面 冷 硬 層 下 面 ：1.表 面 粗 糙 度 對(duì) 疲 勞 強(qiáng) 度 的 影 響交 變 載 荷 作 用 下 ， 表 面 粗

7、糙 度 的 凹 谷 部 位 容 易 引 起 應(yīng) 力 集中 ， 產(chǎn) 生 疲 勞 裂 紋 。規(guī) 律 ： Ra ， 表 面 的 紋 痕 愈 深 ， 紋 底 半 徑 愈 小 ， 抗 疲 勞 破 壞 能 力 。2.殘 余 應(yīng) 力 、 冷 作 硬 化 對(duì) 疲 勞 強(qiáng) 度 的 影 響 表 面 層 殘 余 拉 應(yīng) 力 疲 勞 裂 紋 ， 疲 勞 破 壞 加 速 ； 表 面 殘 余 壓 應(yīng) 力 阻 止 疲 勞 裂 紋 的 擴(kuò) 展 ， 延 緩 疲 勞 破 壞 產(chǎn) 生 。 一 般 ， 表 面 冷 硬 伴 有 殘 余 壓 應(yīng) 力 的 產(chǎn) 生 ， 可 以 防 止 裂 紋 產(chǎn) 生 并 阻 止 已 有 裂 紋 的 擴(kuò) 展

8、， 對(duì) 提 高 疲 勞 強(qiáng) 度 有 利 。 硬 化 過(guò) 高 ， 則 反 之 。 （ 三 )表 面 質(zhì) 量 對(duì) 耐 蝕 性 的 影 響1、 零 件 的 耐 蝕 性 在 很 大 程 度 上 取 決 于 表 面 粗 糙 度 。 表 面 粗 糙 度 值 愈 大 凹 谷 中 聚 積 腐 蝕 性 物 質(zhì) 就 愈 多 ， 抗 蝕性 就 愈 差 。 2、 表 面 層 的 殘 余 拉 應(yīng) 力 會(huì) 產(chǎn) 生 應(yīng) 力 腐 蝕 開 裂 ， 耐 磨 性 殘 余 壓 應(yīng) 力 防 止 應(yīng) 力 腐 蝕 開 裂 。 （ 四 ） 表 面 質(zhì) 量 對(duì) 配 合 質(zhì) 量 的 影 響the influence of Surface qua

9、lity on fit quality 表 面 粗 糙 度 值 的 大 小 將 影 響 配 合 表 面 的 配 合 質(zhì) 量 ： a、 間 隙 配 合 Ra ， 磨 損 ,間 隙 增 大 ， 破 壞 了 要 求 的 配 合 性 質(zhì) 。 b、 過(guò) 盈 配 合 裝 配 過(guò) 程 中 一 部 分 表 面 凸 峰 被 擠 平 ， 實(shí) 際 過(guò) 盈 量 ，降 低 了 配 合 件 間 的 連 接 強(qiáng) 度 。 三 、 影 響 表 面 粗 糙 度 的 因 素 及 措 施 三 個(gè) 方 面 的 因 素 ：1、 幾 何 因 素 切 削 層 的 殘 留 面 積 （ 參 數(shù) ： Ac,hc) 車 削 為 例 ， 切 削 層

10、殘 留 面 積 越 大 ， 則 Ra 措 施 ： (1） 降 低 f或 減 小 k r、 kr ; (2)增 大 刀 尖 圓 弧 半 徑 r 幾 何 因 素 物 理 因 素工 藝 系 統(tǒng) 的 振 動(dòng) HH )0(cotcot rr rfH )0(8 2 rrfH 理 論 粗 糙 度 影 響 表 面 粗 糙 度 的 因 素2、 物 理 因 素 積 屑 瘤 、 鱗 刺 抑 制 積 屑 瘤 和 鱗 刺 的 措 施 ：關(guān) 鍵 減 少 加 工 時(shí) 的 塑性 變 形 ， 影 響 最 大 的 是 切削 速 度 與 切 削 材 料 性 質(zhì) 。（ 1） 選 擇 合 適 的 切 削 速 度 ， 避 開 中 速 區(qū)

11、 如 ： 精 加 工鋼 料 時(shí) ， 常 用 低 速 （ 如 鉸 孔 、 拉 孔 ） 或 高 速 （ 精 車 、精 鏜 ）（ 2） 合 理 選 擇 加 工 材 料 和 熱 處 理 方 法 ， 如 低 碳 鋼 與 低合 金 鋼 ， 常 預(yù) 先 做 調(diào) 質(zhì) 或 正 火 。（ 3） 采 用 合 適 刀 具 材 料 、 角 度 提 高 刀 具 刃 磨 質(zhì) 量 ，請(qǐng) 思 考 :前 角 、 后 角 ？ 金 鋼 石 車 刀 精 車 鋁 合 金 ， Ra降 低 ， 為 什 么 ?（ 4） 合 理 選 用 冷 卻 潤(rùn) 滑 液 。 思 考 ： 為 什 么 ？ 影 響 表 面 粗 糙 度 的 因 素affecting

12、 factors of surface roughness3、 加 工 過(guò) 程 中 的 振 動(dòng) (Vibration)機(jī) 械 加 工中 的振 動(dòng) 類 型 自 由 振 動(dòng) 5% 強(qiáng) 迫 振 動(dòng) 30%自 激 振 動(dòng) 65% 切 削 力 突 變 （ 切 入 時(shí) ） ， 外 力沖 擊受 周 期 干 擾 力 （ 地 基 、 電 機(jī) 、 齒輪 嚙 合 、 回 轉(zhuǎn) 件 不 平 衡 、 多 刃 多齒 刀 具 ）系 統(tǒng) 自 身 引 起 的 交 變 切 削 力 作 用 ， 加 強(qiáng) 和 維 持 了 自 身 振 動(dòng) 振動(dòng)的危害 表 面 質(zhì) 量 下 降 （ 振 紋 ） 降 低 機(jī) 床 、 夾 具 、 刀 具 壽 命

13、（ 聯(lián) 接 松 動(dòng) ， 崩 刃 、 磨 損 ） 限 制 生 產(chǎn) 率 的 提 高 （ 切 削 用 量 不 能 提 高 ） 環(huán) 境 污 染 （ 噪 音 ） （ 2） 強(qiáng) 迫 振 動(dòng) 的 特 點(diǎn) 及 來(lái) 源the feature and source of forced vibrationa、 工 藝 系 統(tǒng) 激 振 力b、 當(dāng) 激 振 頻 率 等 于 工 藝 系 統(tǒng) 固 有 頻 率 ， 共 振 ，可 能 使 振 動(dòng) 系 統(tǒng) 受 到 嚴(yán) 重 破 壞 。a、 機(jī) 床 內(nèi) 部 機(jī) 內(nèi) 振 源 （ 四 個(gè) 方 面 ， 思 考 ？ ）b、 機(jī) 床 外 部 機(jī) 外 振 源 ： 附 近 設(shè) 備 的 振 動(dòng) 通

14、過(guò) 地 基 傳 給 機(jī) 床（ 1） 高 速 旋 轉(zhuǎn) 件 不 平 衡 引 起 的 振 動(dòng) ；（ 2） 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 缺 陷 引 起 的 振 動(dòng) ；（ 3） 切 削 過(guò) 程 中 的 沖 擊 引 起 的 振 動(dòng) ；（ 4） 往 復(fù) 運(yùn) 動(dòng) 部 件 的 慣 性 力 引 起 的 振 動(dòng) 。 減 小 強(qiáng) 迫 振 動(dòng) 的 途 徑（ 1） 減 小 和 消 除 振 源 的 激 振 力 （ 根 本 ）舉 例 1： 消 除 工 藝 系 統(tǒng) 回 轉(zhuǎn) 零 件 的 不 平 衡 形 成 周 期 性 的 干擾 振 源 靜 平 衡 針 對(duì) 軸 向 尺 寸 較 小 （ b/D=0.2)方 法 ： P=0 M=0舉 例 2： 提

15、 高 機(jī) 床 傳 動(dòng) 元 件 的 制 造 精 度 與 裝 配 精 度 。 如 ： 齒 輪 精 度 不 高 、 齒 形 誤 差 過(guò) 大 會(huì) 引 瞬 間 傳 動(dòng) 比 突 變 ； 基 節(jié) 誤 差 過(guò) 大 會(huì) 在 嚙 合 過(guò) 渡 瞬 間 發(fā) 生 沖 擊 。 減 小 強(qiáng) 迫 振 動(dòng) 的 途 徑（ 2） 隔 振 在 振 動(dòng) 傳 遞 的 路 線 上 設(shè) 置 障 礙 ， 使 振 動(dòng) 不 能 傳 遞 到 刀具 和 工 件 上 去 。兩 類 ： （ i)積 極 隔 振 將 機(jī) 外 振 源 隔 離 起 來(lái) ， 防 止 振 動(dòng) 向 機(jī) 床 傳 遞(ii)消 極 隔 振 把 機(jī) 床 本 身 用 隔 振 墊 隔 離 起

16、來(lái) ， 防 止 外 部 振 源 向 機(jī) 床 傳 遞 。措 施 ： 把 需 要 隔 離 的 機(jī) 床 或 設(shè) 備 安 裝 在 合 適 的 彈 性 裝 置 （ 隔振 器 ） 上 ， 使 大 部 分 振 動(dòng) 為 隔 振 裝 置 所 吸 收 。 自 己 思 考 ： 如 何 提 高 ？ （ 3） 自 激 振 動(dòng) 的 特 點(diǎn) 及 來(lái) 源the feature and source of self-excited vibrationc、 一 種 不 衰 減 的 振 動(dòng) （ 因 周 期 性 的 切 削 力 加 強(qiáng) 和 維 持 振 動(dòng) ，補(bǔ) 充 阻 尼 損 耗 ）b、 振 動(dòng) 頻 率 等 于 或 接 近 系 統(tǒng)

17、的 固 有 頻 率a、 停 止 切 削 或 磨 損 ， 即 使 機(jī) 床 仍 空 轉(zhuǎn) ， 自 激 振 動(dòng) 也 就 停 止 。振 源 ： 周 期 性 變 化 的 切 削 力 因 切 削 過(guò) 程 中 交 變 切 削 力 所 產(chǎn) 生 的 自 激 振 動(dòng) 頻 率 較 高 ， 通 常 又稱 顫 振 。 它 嚴(yán) 重 地 影 響 機(jī) 械 加 工 表 面 質(zhì) 量 和 生 產(chǎn) 率 。 （ 1） 再 生 自 激 振 動(dòng) 機(jī) 理 切 削 過(guò) 程 中 的 偶 然干 擾 使 加 工 系 統(tǒng) 產(chǎn) 生 了振 動(dòng) ， 并 在 加 工 表 面 上留 下 振 紋 。 當(dāng) 第 二 次 走刀 時(shí) ， 刀 具 就 將 在 有 振紋 的

18、表 面 上 切 削 ， 使 得切 削 厚 度 發(fā) 生 變 化 ， 導(dǎo)致 切 削 力 作 周 期 性 地 變化 ， 這 種 效 應(yīng) 稱 再 生 效應(yīng) 。 由 此 產(chǎn) 生 的 自 激 振動(dòng) 稱 再 生 自 激 振 動(dòng) 。 能 量 抵 消 能 量 抵 消消 耗 能 量 獲 得 能 量 振 動(dòng) （ 2） 振 型 耦 合 自 激 振 動(dòng) 機(jī) 理 實(shí) 際 生 產(chǎn) 中 ， 機(jī) 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(fù) 合 在 一 起 ， 滿 足 一定 的 組 合 條 件 就 會(huì) 產(chǎn) 生 自 激 振 動(dòng) ，

19、 這 種 復(fù) 合 在 一 起 的 自 激 振 動(dòng)機(jī) 理 稱 振 型 耦 合 自 激 振 動(dòng) 機(jī) 理 。車 床 刀 架 振 動(dòng) 系 統(tǒng) 刀 尖 沿 橢 圓 軌 跡 abcd 作 順 時(shí) 針 方向 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 因 x 1 為 低 剛 度 主 軸 ， 且位 于 切 削 力 F 與 法 向 X 的 夾 角 之 內(nèi) ，切 入 半 周 期 內(nèi) （ abc） 的 平 均 切 削 厚度 比 切 出 半 周 期 （ cda） 的 小 ， 系 統(tǒng)有 能 量 獲 得 ， 使 振 動(dòng) 得 以 維 持 。 k1 = k2 無(wú) 振 動(dòng)k1 k2 無(wú) 振 動(dòng)k1 鑄 鐵 鋼 鑄 鐵 加 薄 壁 封 砂 結(jié) 合 面 摩

20、擦 阻 尼 活 動(dòng) 面 ： 調(diào) 整 間 隙 ， 施 加 預(yù) 緊 固 定 面 ： 加 工 方 法 ， 表 面 粗 糙 度 (i)阻 尼 器 通 過(guò) 阻 尼 作 用 把 振 動(dòng) 能 量 轉(zhuǎn) 變 為 熱 能 而 達(dá) 到減 小 振 動(dòng) 的 目 的 。 分 固 體 摩 擦 、 液 體 摩 擦 以 及 電 磁 式 。(ii)減 振 器 ： 分 動(dòng) 力 式 和 沖 擊 式 。（ 3） 采 用 減 振 裝 置 43217 6 5金 剛 石 刀 具 研 磨 裝 置 示 意 圖The lapping setup for diamond tool1： 空 氣 隔 振 墊 2： 電 機(jī) 3： 空 氣 靜 壓 軸 承 4： 配 重 5： 裝 夾 系 統(tǒng) 6： 單 晶 金 剛 石 7： 高 磷 鑄 鐵 研 磨 盤 金 剛 石 刀 具 研 磨 技 術(shù)