8第八章 機(jī)械加工表面質(zhì)量

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1、第八章第八章 機(jī)械加工表面質(zhì)量機(jī)械加工表面質(zhì)量Qualities of Machined Surface 本章提要本章提要 機(jī)械加工表面質(zhì)量決定了機(jī)器的使用性能和延長(zhǎng)使用壽命。機(jī)械加工表面質(zhì)量決定了機(jī)器的使用性能和延長(zhǎng)使用壽命。 機(jī)械加工表面質(zhì)量是以機(jī)械零件的加工表面和表面層作為機(jī)械加工表面質(zhì)量是以機(jī)械零件的加工表面和表面層作為分析和研究對(duì)象的。分析和研究對(duì)象的。 本章旨在研究零件表面層在加工中的變化和發(fā)生變化的機(jī)本章旨在研究零件表面層在加工中的變化和發(fā)生變化的機(jī)理，掌握機(jī)械加工中各種工藝因素對(duì)表面質(zhì)量的影響規(guī)律，運(yùn)理，掌握機(jī)械加工中各種工藝因素對(duì)表面質(zhì)量的影響規(guī)律，運(yùn)用這些規(guī)律來控制加工中的

2、各種影響因素，以滿足表面質(zhì)量的用這些規(guī)律來控制加工中的各種影響因素，以滿足表面質(zhì)量的要求。要求。 8.1 8.1 機(jī)械加工后的表面質(zhì)量機(jī)械加工后的表面質(zhì)量 Influence of the machined surface qualities on part performances 8.2 8.2 機(jī)械加工后的表面粗糙度機(jī)械加工后的表面粗糙度 Surface roughness of the machined surface layer 8.3 8.3 機(jī)械加工后的表面層物理機(jī)械性能機(jī)械加工后的表面層物理機(jī)械性能 Physical and mechanical properties of t

3、he machined surface layer 8.4 8.4 控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑 Technical approach of controlling the machined surface quality 8.5 8.5 機(jī)械加工過程中的振動(dòng)問題機(jī)械加工過程中的振動(dòng)問題 Vibration and chatter（振顫）（振顫） in machining operations 8.1 8.1 機(jī)械加工后的表面質(zhì)量機(jī)械加工后的表面質(zhì)量8.1.1 8.1.1 表面質(zhì)量的含義表面質(zhì)量的含義 表面質(zhì)量表面質(zhì)量是指機(jī)器零件加工后表面層的狀態(tài)。表面質(zhì)量的主要內(nèi)容面

4、兩部分：（1 1）表面層的幾何形狀）表面層的幾何形狀 表面粗糙度：表面粗糙度：是指表面微觀幾何形狀誤差，其波高與波長(zhǎng)的比值在L1H140的范圍內(nèi)。 表面波度：表面波度：是介于加工精度（宏觀幾何形狀誤差L3/H31000）和表面粗糙度之間的一種帶有周期性的幾何形狀誤差，其波高與波長(zhǎng)的比值在40L2H21000的范圍。如圖8l所示。圖8.1 表面幾何形狀 觀看動(dòng)畫（2 2）表面層的物理機(jī)械性能）表面層的物理機(jī)械性能 表面層冷作硬化（簡(jiǎn)稱冷硬）：表面層冷作硬化（簡(jiǎn)稱冷硬）：零件在機(jī)械加工中表面層金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的冷態(tài)塑性變形后，引起的強(qiáng)度和硬度都有所提高的現(xiàn)象。 表面層金相組織的變化：表面層金相組織的變

5、化：由于切削熱引起工件表面溫升過高，表面層金屬發(fā)生金相組織變化的現(xiàn)象。 表面層殘余應(yīng)力表面層殘余應(yīng)力是由于加工過程中切削變形和切削熱的影響，工件表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 8.1.2 8.1.2 表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響 8.1.2.1 對(duì)零件耐磨性的影響 在摩擦副的材料、熱處理情況和潤(rùn)滑條件已經(jīng)確定的情況下，零件的表面質(zhì)量對(duì)耐磨性能起決定性的作用，如圖8-2所示。 p217圖8-2表面粗糙度與初期磨損的關(guān)系 觀看動(dòng)畫重載輕載相對(duì)粗糙度最佳點(diǎn)表面粗糙度初期磨損量相對(duì)粗糙度最佳點(diǎn) 從從潤(rùn)滑磨損分析潤(rùn)滑磨損分析 表面粗糙度對(duì)零件表面磨損的影響很大。一般說表面粗糙度值愈小，

6、其耐磨性愈好。 接觸面的表面粗糙度有最佳值。 表面粗糙度的最佳值與零件工作情況有關(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。 表面粗糙度太大和太小都不耐表面粗糙度太大和太小都不耐磨！磨！ 表面粗糙度對(duì)耐磨性能的影響，還與粗糙度的輪廓形狀及紋路方向有關(guān)。 表面層的冷硬可顯著地減少零件的磨損。 但如果表面硬化過度，零件心部和表面層硬度差過大，會(huì)發(fā)生表面層剝落現(xiàn)象，使磨損加劇。 表面層產(chǎn)生金相組織變化時(shí)，由于改變了基體材料原來的硬度，因而也直接影響其耐磨性。 8.1.2.2 8.1.2.2 對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響 在周期性的交變載荷作用下，零件表面微觀不平與表面的缺

7、陷一樣都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，而且表面粗糙度值越大，即凹陷越深和越尖，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，越容易形成和擴(kuò)展疲勞裂紋而造成零件的疲勞損壞。 零件表面的冷硬層能夠阻礙裂紋的擴(kuò)大和新裂紋的出現(xiàn)，冷硬可以提高零件的疲勞強(qiáng)度。但冷硬層過深或過硬則容易產(chǎn)生裂紋，反而會(huì)降低疲勞強(qiáng)度。所以冷硬要適當(dāng)。 表面層的內(nèi)應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響很大。 表面層殘余的壓應(yīng)力能夠部分地抵消工作載荷施加的拉應(yīng)力，延緩疲勞裂紋擴(kuò)展，而殘余拉應(yīng)力容易使已加工表面產(chǎn)生裂紋而降低疲勞強(qiáng)度。 8.1.2.3 8.1.2.3 對(duì)零件抗腐蝕性能的影響對(duì)零件抗腐蝕性能的影響 零件表面粗糙度值越大，潮濕空氣和腐蝕介質(zhì)越容易堆積在零件表面四處而發(fā)生化學(xué)腐

8、蝕，或在凸峰間產(chǎn)生電化學(xué)作用而引起電化學(xué)腐蝕，故抗腐蝕性能越差。 表面冷硬和金相組織變化都會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。零件在應(yīng)力狀態(tài)下工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，若有裂紋，則更增加了應(yīng)力腐蝕的敏感性。因此表面內(nèi)應(yīng)力會(huì)降低零件的抗腐蝕性能。8.1.2.4 8.1.2.4 對(duì)零件的其它影響對(duì)零件的其它影響 表面質(zhì)量對(duì)零件的配合質(zhì)量、密封性能及摩擦系數(shù)配合質(zhì)量、密封性能及摩擦系數(shù)都有很大的影響。 零件表面層狀態(tài)對(duì)其使用性能也有如此大的影響 。圖4-60 車削時(shí)殘留面積的高度直線刃車刀（圖4-60a）（4-31）rrfHctgctg圓弧刃車刀（圖4-60b）28fHr（4-32）影響因素：,rrrkkf刀尖圓弧半徑主偏

9、角副偏角進(jìn)給量frRmaxvfrb）Rmaxfa）vfrr切削速度影響最大：v = 1050m/min范圍，易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，表面粗糙度最差（圖5-53） 。其他影響因素：刀具幾何角度、刃磨質(zhì)量，切削液等切削45鋼時(shí)切削速度與粗糙度關(guān)系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（m）481216202428收縮系數(shù)Ks1.52.02.53.0積屑瘤高度 h（m） 0200400600hKsRzv 砂輪速度v，Rav 工件速度vw，Ra v 砂輪縱向進(jìn)給f，Ra v 磨削深度ap，Ra 圖4-62 磨削用量對(duì)表面粗糙度的影響vw = 40(m/min)f = 2.36(

10、m /min)ap = 0.01(mm)v = 50(m/s)f = 2.36(m /min)ap = 0.01(mm)v(m/s), vw(m/min)Ra(m)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(m)00.20.60.020.030.04b） 圖4-63 光磨次數(shù)-Ra關(guān)系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次數(shù)粗粒度砂輪(WA60KV)細(xì)粒度砂輪(WA/GCW14KB)v光磨次數(shù)，Rav 砂輪粒度，Ra；但要適量v 砂輪硬度適中， Ra ；常取中軟v 砂輪組織適中，Ra ；常取中等組織v 采用超硬砂輪材料，Ra v 砂輪精細(xì)修整， R

11、a v 工件材料v 冷卻潤(rùn)滑液等f(wàn)，冷硬程度(圖4-64)切削用量影響刀具影響 00.20.40.60.81.0磨損寬度VB(mm)100180260340硬度(HV)50鋼，v = 40(m/min) f = 0.120.2(mm/z)圖4-65 后刀面磨損對(duì)冷硬影響工件材料切削速度影響復(fù)雜（力與熱綜合作用結(jié)果） 切削深度影響不大圖4-64 f 和 v 對(duì)冷硬的影響硬度(HV)0f (mm /r)0.20.40.60.8v =170(m/min)135(m/min)100(m/min )50(m/min)100200300400工件材料：45磨削用量砂輪工件材料圖4-66 磨削深度對(duì)冷硬的影

12、響ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削切削用量刀具工件材料圖4-68 f 對(duì)殘余應(yīng)力的影響工件：45，切削條件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液 殘余應(yīng)力(Gpa)0.2000.2001 00200300400距離表面深度(m) f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r僅討論切削加工圖4-67 vc 對(duì)殘余應(yīng)力的影響0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件：45切削條件：ap=0.3mm, f=0.05mm/r, 不加切削液050100150200距離表面深度(m)殘余應(yīng)力(Gpa)-

13、0.2000.20vc =213m/minvc =86m/minvc =7.7m/min 合理選擇砂輪 合理選擇磨削用量 改善冷卻條件工件表層溫度達(dá)到或超過金屬材料相變溫度時(shí)，表層金相組織、顯微硬度發(fā)生變化，并伴隨殘余應(yīng)力產(chǎn)生，同時(shí)出現(xiàn)彩色氧化膜磨削表面殘余拉應(yīng)力達(dá)到材料強(qiáng)度極限，在表層或表面層下產(chǎn)生微裂紋。裂紋方向常與磨削方向垂直或呈網(wǎng)狀，常與燒傷同時(shí)出現(xiàn) 圖4-69 帶空氣擋板冷卻噴嘴 8.2 8.2 機(jī)械加工后的表面粗糙度機(jī)械加工后的表面粗糙度 8 82 21 1 切削加工后的表面粗糙度切削加工后的表面粗糙度 切削加工時(shí)表面粗糙度的形成，大致可歸納為三方面的原因：幾何因素、物理因素和工藝

14、系統(tǒng)的振動(dòng)。（1 1） 幾何因素幾何因素 形成粗糙度的幾何因素是由刀具相對(duì)于工件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)在加工表面上遺留下來的切削層殘留面積 ；（2 2） 物理因素物理因素（3 3）切削用量、冷卻潤(rùn)滑液和刀具材料等因素的影響）切削用量、冷卻潤(rùn)滑液和刀具材料等因素的影響 。（2 2） 物理因素物理因素 由圖8.6可知，切削加工后表面的實(shí)際粗糙度與理論粗糙度有比較大的差別。 主要是與被加工材料的性能及切削機(jī)理有關(guān)的物理因素的影響。切削過程中刀具的刃口圓角及后刀面對(duì)工件擠壓與摩擦而產(chǎn)生塑性變形。韌性越好的材料塑性變形就越大，且容易出現(xiàn)積屑瘤與鱗刺，使粗糙度嚴(yán)重惡化。 圖8.6 塑性材料加工后的表面實(shí)際 輪廓和理

15、論輪廓 觀看動(dòng)畫 8.2.2 8.2.2 磨削加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度 影響磨削后表面粗糙度的因素也可歸納為三方面：影響磨削后表面粗糙度的因素也可歸納為三方面： （1）與磨削過程和砂輪結(jié)構(gòu)有關(guān)的幾何因素，砂輪上磨粒的微刃形狀和分布對(duì)于磨削后的表面粗糙度是有影響的。 （2）與磨削過程和被加工材料塑性變形有關(guān)的物理因素，大多數(shù)磨粒只有滑擦、耕犁作用。磨削量是經(jīng)過很多后繼磨粒的多次擠壓因疲勞而斷裂、脫落，所以加工表面的塑性變形很大，表面粗糙度值就大。 （3）工藝系統(tǒng)的振動(dòng)因素 為了降低表面粗糙度值，應(yīng)考慮以下主要影響因素： 砂輪的粒度、砂輪的修整、砂輪速度、工件速度、徑向進(jìn)給量、軸向

16、進(jìn)給量。 8.3 8.3 機(jī)械加工后的表面層物理機(jī)械性能機(jī)械加工后的表面層物理機(jī)械性能 8.3.1 機(jī)械加工后表面層的冷作硬化 8.3.1.1 冷作硬化產(chǎn)生的原因 （1）切削或磨削加工時(shí)，表面層金屬由于塑性變形使晶體間產(chǎn)生剪切滑移，晶格發(fā)生拉長(zhǎng)、扭曲和破碎而得到強(qiáng)化。 冷作硬化的特點(diǎn)是：變形抵抗力提高（屈服點(diǎn)提高），塑性降低（相對(duì)延伸率降低）。 冷硬的指標(biāo)通常用冷硬層的深度h、表面層的顯微硬度H以及硬化程度 N 來 表 示 （ 圖 8 8 ） ， 其 中N=H/H0，H0為原來的顯微硬度。 圖8.8 切削加工后表面層的冷硬觀看動(dòng)畫（2 2）表面層冷作硬化的程度的影響因素）表面層冷作硬化的程度的

17、影響因素 表面層冷作硬化的程度決定于產(chǎn)生塑性變形的力、變形速度及變形時(shí)的溫度。力越大，塑性變形越大，則硬化程度越大；速度越大，塑性變形越不充分，則硬化程度越?。蛔冃螘r(shí)的溫度不僅影響塑性變形程度，還會(huì)影響變形后金相組織的恢復(fù)程度。切削加工時(shí)表面層的硬化可能有兩種情況：完全強(qiáng)化和不完全強(qiáng)化 。 機(jī)械加工時(shí)表面層的冷作硬化就是強(qiáng)化作用和回復(fù)作用的綜合結(jié)果。切削溫度越高、高溫持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)、強(qiáng)化程度越大，則回復(fù)作用也就越強(qiáng)。 8.3.1.2 8.3.1.2 影響冷作硬化的主要因素影響冷作硬化的主要因素 刀具刀具 刀具的切削刃口圓角和后刀面的磨損量對(duì)于冷硬層有很大的影響，此兩值增大時(shí)，冷硬層深度和硬度也隨

18、之增大。前角減少時(shí)，冷硬也增大。 被加工材料被加工材料 被加工材料硬度愈低、塑性愈大，切削后的冷硬現(xiàn)象愈嚴(yán)重。 切削用量切削用量 切削速度增大時(shí)，刀具與工件接觸時(shí)間短，塑性變形程度減少，同時(shí)會(huì)使溫度增高，有助于冷硬的回復(fù)，所以硬化層深度和硬度都有所減少。進(jìn)給量增大時(shí)，切削力增大，塑性變形程度也增大，因此硬化現(xiàn)象增大。 但在進(jìn)給量較小時(shí)，由于刀具的刀口圓角在加工表面單位長(zhǎng)度上的擠壓次數(shù)增多，因此硬化傾向也會(huì)增大。徑向進(jìn)給量增大時(shí)，冷硬層深度也有所增大，但其影響程度不顯著。 8.3.2 8.3.2 機(jī)械加工后表面層金相組織的變化機(jī)械加工后表面層金相組織的變化8 83 32 2l l 金相組織變化的

19、原因金相組織變化的原因 (1) 磨削加工時(shí)磨削加工時(shí): 切削力比其它加工方法大數(shù)十倍，切削速度也特別高切削力比其它加工方法大數(shù)十倍，切削速度也特別高, ,由于砂輪導(dǎo)由于砂輪導(dǎo)熱性差、切屑數(shù)量少，磨削過程中能量轉(zhuǎn)化熱性差、切屑數(shù)量少，磨削過程中能量轉(zhuǎn)化的熱大部分都傳給了工件。 磨削時(shí)，在很短的時(shí)間內(nèi)磨削區(qū)溫度可上升到4001000，甚至更高。這樣大的加熱速度，促使加工表面局部形成瞬時(shí)熱聚集現(xiàn)象，有很高溫升和很大的溫度梯度，出現(xiàn)金相組織的變化，強(qiáng)度和硬度下降，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，甚至引起裂紋，這就是磨削燒傷現(xiàn)象。 (2) (2) 磨削淬火鋼時(shí)表面層產(chǎn)生的燒傷磨削淬火鋼時(shí)表面層產(chǎn)生的燒傷 磨削淬火鋼時(shí)極易

20、發(fā)生磨削燒傷，磨削淬火鋼時(shí)表面層產(chǎn)生的燒傷有以下三種： 回火燒傷 磨削區(qū)溫度超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度而未超過相變溫度，則工件表面原來的馬氏作組織將產(chǎn)生回火現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化成硬度降低的回火組織索氏體或屈氏體。 淬火燒傷 磨削區(qū)溫度超過相變溫度，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，由于冷卻液的急冷作用，表層會(huì)出現(xiàn)二次淬火馬氏體，硬度較原來的回火馬氏體高，而它的下層則因?yàn)槔鋮s緩慢成為硬度降低的回人組織。 退火燒傷 不用冷卻液進(jìn)行干磨削時(shí)，磨削區(qū)溫度超過相變溫度，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏作，因工件冷卻緩慢測(cè)表層硬度急劇下降，這時(shí)工件表層被退火。 表面顏色與燒傷之間的關(guān)系：表面顏色與燒傷之間的關(guān)系： 黑 青 淡青 米黃 淡黃 8.3.2.

21、2 8.3.2.2 影響磨削加工時(shí)金相組織變化的因素影響磨削加工時(shí)金相組織變化的因素 影響磨削加工時(shí)金相組織變化的因素有工件材料、磨削溫度、溫度梯度及冷卻速度等。(1)(1)工件材料工件材料 工件材料為低碳鋼時(shí)不會(huì)發(fā)生相變。 高合金鋼如軸承鋼、高速鋼、鎳鉻鋼等傳熱性特別差，在冷卻不充分時(shí)易出現(xiàn)磨削燒傷。 未淬火鋼為擴(kuò)散度低的珠光體，磨削時(shí)間短時(shí)不會(huì)發(fā)生金相組織的變化。 淬火鋼極易相變。 (2) (2) 磨削溫度、溫度梯度及冷卻速度等對(duì)金相磨削溫度、溫度梯度及冷卻速度等對(duì)金相 組織變化的影響組織變化的影響圖8.9 磨削高碳鋼淬火時(shí)表面硬度分布觀看動(dòng)畫 磨削溫度、溫度梯度、冷卻速度等對(duì)金相組織變化

22、的影響可以從圖8.9得到說明。 圖8.9所示，為高碳淬火鋼在不同磨削條件下出現(xiàn)的表面層硬度分布情況 。表面顯微硬度表面深度 8.3.3 8.3.3 機(jī)械加工后表面層的殘余應(yīng)力機(jī)械加工后表面層的殘余應(yīng)力 8.3.3.1 8.3.3.1 殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因 ! ! 在機(jī)械加工中，工件表面層金屬相對(duì)基體金屬發(fā)生形狀、體積的變化或金相組織變化時(shí)，工件表面層中將殘留相互平衡的殘余應(yīng)力。 產(chǎn)生表面層殘余應(yīng)力的原因：產(chǎn)生表面層殘余應(yīng)力的原因： （1 1）冷態(tài)塑性變形）冷態(tài)塑性變形 機(jī)械加工時(shí)，表層金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形。沿切削速度方向表面產(chǎn)生拉伸變形，晶粒被拉長(zhǎng)，金屬密度會(huì)下降，即比容增大

23、，而里層材料則阻礙這種變形，因而： 在表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力殘余壓應(yīng)力，在里層則產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力殘余拉應(yīng)力。（2 2）熱態(tài)塑性變形）熱態(tài)塑性變形 機(jī)械加工時(shí)，切削或磨削熱使工件表面局部溫升過高，引起高溫塑性變形 ,使得工件在冷卻后從內(nèi)到外分別產(chǎn)生拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、和拉應(yīng)從內(nèi)到外分別產(chǎn)生拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、和拉應(yīng)力力。 （3 3）金相組織變化）金相組織變化 切削時(shí)產(chǎn)生高溫，由于不同的金相組織有不同的比容，表面層金相變化的結(jié)果將造成體積的變化。表面層體積膨脹時(shí)，因?yàn)槭艿交w的限表面層體積膨脹時(shí)，因?yàn)槭艿交w的限制，產(chǎn)生了壓應(yīng)力。反之，表面層體積縮小時(shí)，則產(chǎn)生拉應(yīng)力。制，產(chǎn)生了壓應(yīng)力。反之，表面層體積縮小時(shí)，

24、則產(chǎn)生拉應(yīng)力。 實(shí)際機(jī)械加工后的表面層殘余應(yīng)力及其分布，是上述三方面因素綜合作用的結(jié)果，在一定條件下，其中某一或二種因素可能起主導(dǎo)作用。 8.3.3.2 8.3.3.2 磨削裂紋的產(chǎn)生磨削裂紋的產(chǎn)生 ! ! 磨削加工中熱態(tài)塑性變形和金相組織變化的影響較大，故大多數(shù)磨削零件的表面層往往有殘余拉應(yīng)力殘余拉應(yīng)力。 當(dāng)殘余拉應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限殘余拉應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)，零件表面就會(huì)出現(xiàn)裂紋。有的磨削裂紋也可能不在工件的外表面，而是在表面層下成為肉眼難以發(fā)現(xiàn)的缺陷。磨削裂紋一般很淺 ，如圖8.12所示。 磨削裂紋的產(chǎn)生與材料性質(zhì)及熱處理工序有很大關(guān)系。磨削硬質(zhì)合金時(shí)，由于其脆性大，抗拉強(qiáng)度低以及

25、導(dǎo)熱性差，所以特別容易產(chǎn)生磨削裂紋。磨削合碳量高的淬火鋼時(shí)，由于其晶界脆弱，也容易產(chǎn)生磨削裂紋。 圖8.12 磨削裂紋 觀看動(dòng)畫 8.4 8.4 控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑8.4.1 8.4.1 減小殘余拉應(yīng)力、防止磨削燒傷和磨削裂紋的工藝減小殘余拉應(yīng)力、防止磨削燒傷和磨削裂紋的工藝途徑途徑 對(duì)零件使用性能危害甚大的殘余拉應(yīng)力、磨削燒傷和磨削裂紋均起因于磨削熱，所以如何降低磨削熱并減少其影響是生產(chǎn)上的一項(xiàng)重要問題。 解決的原則：解決的原則： 一是減少磨削熱的發(fā)生，一是減少磨削熱的發(fā)生， 二是加速磨削熱的傳出。二是加速磨削熱的傳出。 8.4.1.1 8.4.1.1 選擇

26、合理的磨削參數(shù)選擇合理的磨削參數(shù) 生產(chǎn)中比較可行的辦法是通過試驗(yàn)來確定磨削參數(shù)：先按初步選定的磨削參數(shù)試磨，檢查工件表面熱損傷情況，據(jù)此調(diào)整磨削參數(shù)直至最后確定下來。另一種方法是在磨削過程中連續(xù)測(cè)量磨削區(qū)溫度，然后控制磨削參數(shù)。 選擇適宜的磨削液和有效的冷卻方法，如采用高壓大流量冷卻、內(nèi)冷卻或?yàn)闇p輕高速旋轉(zhuǎn)的砂輪表面的高壓附著氣流的作用，有利于冷卻液能順利地噴注到磨削區(qū)。 8.4.1.2 8.4.1.2 選擇有效的冷卻方法選擇有效的冷卻方法（三）提高砂輪磨削性能（三）提高砂輪磨削性能1、銳化磨粒，減小摩擦；2、砂輪硬度不宜過高，保持自銳性；3、砂輪應(yīng)具一定彈性，避免過載；4、使用開槽砂輪；5、

27、使用螺旋槽砂輪。 8.4.2 8.4.2 采用冷壓強(qiáng)化工藝采用冷壓強(qiáng)化工藝 對(duì)于承受高應(yīng)力、交變載荷的零件可以采用噴丸、液壓、擠壓等表面強(qiáng)化工藝使表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力和冷硬層并降低表面粗糙度值，從而提高耐疲勞強(qiáng)度及抗應(yīng)力腐蝕性能。 但是采用強(qiáng)化工藝時(shí)應(yīng)很好控制工藝參數(shù)，不要造成過度硬化，否則會(huì)使表面完全失去塑性性質(zhì)，甚至引起顯微裂紋和材料剝落，帶來不良的后果。 8.4.2.1 8.4.2.1 噴丸噴丸 噴丸是一種用壓縮空氣或離心力將大量直徑細(xì)小的丸粒（鋼丸、玻璃丸）以3550m/s的速度向零件表面噴射的方法。如圖8.14（a），可以用于任何復(fù)雜形狀的零件。噴丸的結(jié)果在表面層產(chǎn)生很大的塑性變形，

28、造成表面的冷作硬化及殘余壓應(yīng)力。 8.4.2.2 8.4.2.2 滾壓滾壓 用工具鋼淬硬制成的鋼滾輪或鋼珠在零件上進(jìn)行滾壓，如圖8.14(b)，使表層材料產(chǎn)生塑性流動(dòng)，形成新的光潔表面 。圖8.14 常用的冷壓強(qiáng)化工藝方法 (a)噴丸 (b)滾壓觀看動(dòng)畫 觀看動(dòng)畫利用淬硬和精細(xì)研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)擠壓金屬表面，將凸起部分下壓下，凹下部分上凸，修正工件表面的微觀幾何形狀,形成壓縮殘余應(yīng)力，提高耐疲勞強(qiáng)度（圖4-71）利用大量快速運(yùn)動(dòng)珠丸打擊工件表面, 使工件表面產(chǎn)生冷硬層和壓應(yīng)力,疲勞強(qiáng)度（圖4-70）圖4-71 滾壓加工原理圖用于強(qiáng)化形狀復(fù)雜或不宜用其它方法強(qiáng)化的工件，例如板彈簧、螺

29、旋彈簧、齒輪、焊縫等圖4-70 珠丸擠壓引起殘余應(yīng)力 壓縮拉伸塑性變形區(qū)域 8.4.3 8.4.3 采用精密和光整加工工藝采用精密和光整加工工藝 采用精密加工工藝能全面地提高加工精度和表面質(zhì)量，而光整加工工藝主要是為了獲得較高的表面質(zhì)量。8.4.3.1 8.4.3.1 精密加工工藝精密加工工藝 精密加工工藝的加工精度主要由高精度的機(jī)床保證。精密加工切削效率不高，故加工余量不能太大，所以對(duì)前道工序有較高的要求。精密加工工藝方法有高速精螳、高速精車、寬刃精刨和細(xì)密磨削等。 圖8.15金剛石筆的安裝觀看動(dòng)畫 8.4.3.2 8.4.3.2 光整加工工藝光整加工工藝 光整加工是用粒度很細(xì)的磨料對(duì)工件表

30、面進(jìn)行微量切削和擠壓、擦光的過程。 光整加工工藝所使用的工具都是浮動(dòng)連接，由加工面自身導(dǎo)向，而相對(duì)于工件的定位基準(zhǔn)沒有確定的位置，所使用的機(jī)床也不需要具有非常精確的成形運(yùn)動(dòng)。這些加工方法的主要作用是降低表面粗糙度，一般不能糾正形狀和位置誤差，加工精度主要由前面工序保證。光整加工工藝方法有衍磨、超精加工、研磨、拋光等。如圖8.18為常用的研具。圖8.18 外圓研具 (a)粗研具；(b)精研具 8.5 8.5 機(jī)械加工過程中的振動(dòng)問題機(jī)械加工過程中的振動(dòng)問題 8.5.1 8.5.1 振動(dòng)的概念與類型振動(dòng)的概念與類型 金屬切削過程中，工件和刀具之間常常發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，這是一種破壞正常切削過程的極其有

31、害的現(xiàn)象。當(dāng)切削振動(dòng)發(fā)生時(shí)，工件表面質(zhì)量嚴(yán)重惡化，粗糙度增大，產(chǎn)生明顯的表面振痕，這時(shí)不得不降低切削用量，使生產(chǎn)率的提高受到限制。振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)，會(huì)產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象，使加工過程無(wú)法進(jìn)行下去。此外，振動(dòng)將加速刀具和機(jī)床的磨損，從而縮短刀具和機(jī)床的使用壽命；振動(dòng)噪音也危害工人的健康。 機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)，也和其它的機(jī)械振動(dòng)一樣，按其產(chǎn)生的原因可分為自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)三大類。 8.5.2 機(jī)械加工中的強(qiáng)迫振動(dòng)機(jī)械加工中的強(qiáng)迫振動(dòng) 強(qiáng)迫振動(dòng)是工藝系統(tǒng)在一個(gè)穩(wěn)定的外界周期性干擾力（激振力）作用下引起的振動(dòng)。除了力之外，凡是隨時(shí)間變化的位移、速度及加速度，也可以激起系統(tǒng)

32、的振動(dòng)。 強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生的原因分工藝系統(tǒng)內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)方面。強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生的原因分工藝系統(tǒng)內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)方面。 8.5.2.1 強(qiáng)迫振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式強(qiáng)迫振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式 工藝系統(tǒng)是個(gè)多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，其振動(dòng)形態(tài)是很復(fù)雜的，但就某一特定情況而言，其振動(dòng)特性與相應(yīng)頻率的單自由度系統(tǒng)有近似之處，因此可以簡(jiǎn)化為單自由度系統(tǒng)來分析。 8.5.2.2 強(qiáng)迫振動(dòng)的特性 （1 1）幅頻特性曲線和相頻特性曲線）幅頻特性曲線和相頻特性曲線（2 2）振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)柔度）振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)柔度（3 3）強(qiáng)迫振動(dòng)的主要特性）強(qiáng)迫振動(dòng)的主要特性 強(qiáng)迫振動(dòng)是在外界周期性干擾力的作用下產(chǎn)生的，但振動(dòng)本身并不能引

33、起干擾力的變化。不管振動(dòng)系統(tǒng)本身的固有頻率如何，強(qiáng)迫振動(dòng)的固有頻率總是與外界干擾力的頻率相同。 強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅大小在很大程度上取決于干擾力的頻率與系統(tǒng)固有頻率的比值。當(dāng)這個(gè)頻率比等于或接近1時(shí)，振幅達(dá)到最大值，出現(xiàn)“共振”現(xiàn)象。干擾力越大，系統(tǒng)剛度及阻尼系數(shù)越小，則強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅就越大。8.5.3 8.5.3 機(jī)械加工中的自激振動(dòng)機(jī)械加工中的自激振動(dòng) （1）自激振動(dòng)是由振動(dòng)過程本身引起切削力周期性變化，又由這個(gè)周期性變化的切削力反過來加強(qiáng)和維持振動(dòng)，使振動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)充了由阻尼作用消耗的能量，讓振動(dòng)維持下去。切削過程中的自激振動(dòng)可舉日常生活中常見的電鈴為例來說明。 如圖8.24電鈴的結(jié)構(gòu)。（2 2）

34、自激振動(dòng)示例說明）自激振動(dòng)示例說明 振動(dòng)元件對(duì)調(diào)節(jié)元件產(chǎn)生反饋?zhàn)饔茫员惝a(chǎn)生持續(xù)的交變力。如圖8.24中，小錘敲擊電鈴的頻率是由彈簧片、小錘、銜鐵的本身參數(shù)（剛度、質(zhì)量、阻尼）所決定的 。 阻尼及運(yùn)動(dòng)摩擦所損耗的能量由本身維持。 這個(gè)過程就是區(qū)別于強(qiáng)迫振動(dòng)的自激振動(dòng)。只要停止切削過程，即使機(jī)床仍繼續(xù)空運(yùn)轉(zhuǎn)，自激振動(dòng)也就停止了。 所以可通過切削試驗(yàn)來研究工藝系統(tǒng)的自激振動(dòng)。同時(shí)，也可以通過改變對(duì)切削過程有影響的工藝參數(shù)來控制切削過程，從而限制自激振動(dòng)的產(chǎn)生。 圖8.24 電鈴的自激振動(dòng)觀看動(dòng)畫 8.5.4 8.5.4 減少工藝系統(tǒng)振動(dòng)的途徑減少工藝系統(tǒng)振動(dòng)的途徑 當(dāng)加工中出現(xiàn)振動(dòng)影響加工質(zhì)量時(shí)要

35、根據(jù)振動(dòng)產(chǎn)生的原因、運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性來尋求控制的途徑。對(duì)于自激振動(dòng)經(jīng)過許多試驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐有了一些相當(dāng)有效的抑制措施，例如： 合理選擇切削用量； 合理選擇刀具的幾何角度； 提高機(jī)床、工件、刀具自身的抗振性及采用減振裝置等。 一般提高工藝系統(tǒng)的剛度和安裝減振裝置對(duì)提高工藝系統(tǒng)的抗振性有顯著效果。v 影響加工表面粗糙度，振動(dòng)頻率較低時(shí)會(huì)產(chǎn)生波度v 影響生產(chǎn)效率 v 加速刀具磨損，易引起崩刃v 影響機(jī)床、夾具的使用壽命v 產(chǎn)生噪聲污染，危害操作者健康v 工藝系統(tǒng)受到初始干擾力而破壞了其平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)僅靠彈性恢復(fù)力來維持的振動(dòng)稱為自由振動(dòng)。v 由于系統(tǒng)中總存在由阻尼，自由振動(dòng)將逐漸衰弱，對(duì)加工影響不

36、大。自由振動(dòng)強(qiáng)迫振動(dòng)自激振動(dòng)v 由外界周期性的干擾力（激振力）作用引起v 強(qiáng)迫振動(dòng)振源：機(jī)外機(jī)內(nèi)。機(jī)外振源均通過地基把振動(dòng)傳給機(jī)床。機(jī)內(nèi)： 1）回轉(zhuǎn)零部件質(zhì)量的不平衡 2）機(jī)床傳動(dòng)件的制造誤差和缺陷 3）切削過程中的沖擊v 頻率特征：與干擾力的頻率相同，或是干擾力頻率整倍數(shù)v 幅值特征：與干擾力幅值、工藝系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性有關(guān)。當(dāng)干擾力頻率接近或等于工藝系統(tǒng)某一固有頻率時(shí)，產(chǎn)生共振v 相角特征：強(qiáng)迫振動(dòng)位移的變化在相位上滯后干擾力一個(gè)角，其值與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及干擾力頻率有關(guān)。圖4-73 自激振動(dòng)系統(tǒng)能量關(guān)系A(chǔ) B C能量EQEE0振幅電動(dòng)機(jī)(能源)交變切削力F(t)振動(dòng)位移X(t)圖4-72 自激振

37、動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)機(jī)床振動(dòng)系統(tǒng)（彈性環(huán)節(jié)）調(diào)節(jié)系統(tǒng)（切削過程） 切削過程，由于偶然干擾，使加工系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)并在加工表面上留下振紋。 第二次走刀時(shí)，刀具將在有振紋的表面上切削，使切削厚度發(fā)生變化，導(dǎo)致切削力周期性地變化，產(chǎn)生自激振動(dòng) 圖4-74 再生自激振動(dòng)原理圖f切入 切出y0ya）b）y0y切入 切出fc）fy0y切入 切出d）切入 切出fy0ya）b）c）系統(tǒng)無(wú)能量獲得；d）y(本次振動(dòng)) 滯后于y0 (上次振動(dòng)) ，即 0- ，此時(shí)切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出時(shí)切削力所作正功（獲得能量）大于切入時(shí)所作負(fù)功，系統(tǒng)有能量獲得，產(chǎn)生自激振動(dòng)將車床刀架簡(jiǎn)化為兩自由度振動(dòng)系統(tǒng)，等效質(zhì)量m用相互

38、垂直的等效剛度分別為k1、k2兩組彈簧支撐（設(shè)x1為低剛度主軸，圖4-75）圖4-75 車床刀架振型耦合模型Fmabcdx1x1x2x2k2k112X k1=k2，x1與x2無(wú)相位差, 軌跡為直線，無(wú)能量輸入 k1k2，x1超前x2 ，軌跡dcba為一橢圓，切入半周期內(nèi)的平均切削厚度比切出半周期內(nèi)的大，系統(tǒng)無(wú)能量輸入 k1k2，x1滯后于x2 ，軌跡為一順時(shí)針方向橢圓，即：abcd。此時(shí)，切入半周期內(nèi)的平均切削厚度比切出半周期內(nèi)的小，有能量獲得，振動(dòng)能夠維持 。調(diào)整振源的頻率，一般要求：調(diào)整振動(dòng)系統(tǒng)小剛度主軸的位置（圖4-76）式中 f 和 fn 分別為振源頻率和系統(tǒng)固有頻率x2x2x1x1x

39、1x1x2x2圖4-76 兩種尾座結(jié)構(gòu)0.25nfff（4-33）減小切削或磨削時(shí)的重疊系數(shù)（圖4-77）式中 bd 等效切削寬度，即本次切削實(shí)際切到上次切削殘留振紋 在垂直于振動(dòng)方向投影寬度； b 本次切削在垂直于振動(dòng)方向上的切削寬度； B , fa 砂輪寬度與軸向進(jìn)給量。 圖4-77 重疊系數(shù)apfaB振動(dòng)方向XDfbbda）切削b）磨削rr，dabBfbB（切削）（磨削）（4-34）v 減小重疊系數(shù)方法圖4-78 車刀消振棱0.10.3-5 -202 3增加切削阻尼增加切削阻尼（例采用倒棱車刀，圖4-78）提高工藝系統(tǒng)剛度 增大工藝系統(tǒng)阻尼 阻尼材料鑄鐵環(huán)鑄鐵套筒圖4-79 零件上加阻尼

40、材料圖4-80 摩擦式減振器1飛輪 2摩擦盤 3摩擦墊 4螺母 5彈簧v動(dòng)力減振器 v摩擦式減振器（圖4-80）v沖擊式減振器（圖4-81）圖4-81 沖擊式減振鏜刀與減振鏜桿1沖擊塊 2緊定螺釘a）減振鏜刀 b）減振鏜桿 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章主要闡述：機(jī)械加工表面質(zhì)量的基本概念及其對(duì)機(jī)械零件、對(duì)整臺(tái)機(jī)器的使用性能和使用壽命的影響。 詳細(xì)地分析了影響機(jī)械加工表面質(zhì)量的各種因素，著重討論了如何提高機(jī)械加工表面質(zhì)量的途徑，特別是對(duì)工藝系統(tǒng)的振動(dòng)問題作了較詳細(xì)的分析研究。 本章應(yīng)著重理解和掌握著重理解和掌握表面質(zhì)量的一些基本概念。表面質(zhì)量的一些基本概念。 重點(diǎn)掌握：重點(diǎn)掌握：冷作硬化、金相組織的變化和殘余應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理和磨削燒傷、磨削裂紋產(chǎn)生的機(jī)理。 應(yīng)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中發(fā)生的一些表面質(zhì)量問題從理論上作出解釋，學(xué)會(huì)分析表面質(zhì)量的方法，能采取改善表面質(zhì)量的工藝實(shí)施，解決生產(chǎn)實(shí)際問題。 學(xué)會(huì)識(shí)別和區(qū)分機(jī)械加工中的強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)，了解一些基本的消振方法。