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1、第3章 机械加工表面质量及其控制本章要点表面质量及对使用性能影响 表面质量及对使用性能影响影响表面粗糙度工艺因素 影响表面粗糙度工艺因素机械加工中的振动 机械加工中的振动影响表层物理性能工艺因素 影响表层物理性能工艺因素1第3章 机械加工表面质量及其控制Analysis and Control of Machining Surface Quality3.1 加工表面质量及其对使用性能的影响Machining Surface Quality and its Influence to Use Performance机械制造工艺学 2表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）表面质量表面几何形
2、状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工表面质量加工表面质量加工质量包含的内容3.1.1 加工表面质量概念33.1.1 加工表面质量概念 加工表面的几何形貌加工表面的几何形貌q q 表面粗糙度 表面粗糙度 波长 波长/波高 波高50 50q q 波度 波度 波长 波长/波高 波高=50=50 1000 1000；且具有周期特性；且具有周期特性q q 宏观几何形状误差（平面度、圆度等）宏观几何形状误差（平面度、圆度等）波长 波长/波高 波高1000 1000q q 纹理方向表面刀纹形式 纹理方向表面刀纹形式q q 表面缺陷如 表面缺陷如划痕、砂眼、气孔、裂纹等 砂眼、气孔、裂
3、纹等 是加工表面个别位置出现的缺陷 是加工表面个别位置出现的缺陷 a）波度 b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度与波度RZHRZ43.1.1 加工表面质量概念 无氧铜镜面三维形貌及表面轮廓曲线53.1.1 加工表面质量概念 加工纹理方向及其符号标注63.1.1 加工表面质量概念 表面层金属力学物理性能和化学性能表面层金属力学物理性能和化学性能q q 表面层金属冷作硬化 表面层金属冷作硬化 q q 表面层金属金相组织变化 表面层金属金相组织变化 q q 表面层金属残余应力 表面层金属残余应力加工变质层模型 73.1.2 表面质量对零件使用性能的影响 l表面质量对零件耐磨性的影响Ra（m）初始磨损量
4、重载荷轻载荷表面粗糙度与初始磨损量关系p表面粗糙度对零件耐磨性的影响表面粗糙度太大和太小都不耐磨。表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关83.1.2 表面质量对零件使用性能的影响 q q 表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。
5、这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过分“疏松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。冷硬程度磨损量T7A钢冷硬程度与耐磨性关系93.1.2 表面质量对零件使用性能的影响 q表面纹理零件耐磨性的影响表面纹理零件耐磨性的影响表面纹理的形状和刀纹方向对耐磨性也有影响，原因是纹理形状和刀纹方向影响有效接触面积和润滑液的存留，一般，圆弧状、凹坑状表面纹理的耐磨性好，尖峰状的耐磨性差。在运动副中，两相对运动零件的刀纹方向和运动方向相同时，耐磨性较好，两者的刀纹方向和运动方向垂直时，耐磨性最差。103.1.2 表面质量对零件使用性能的影响 q表面粗糙度对零件疲劳强度的影
6、响l表面质量对零件疲劳强度的影响表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。113.1.2 表面质量对零件使用性能的影响 q表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响123.1.2 表面质量对零件使用性能的影响 l表面质量对零件配合质量的影响p表面粗糙度对配合质量的影响表面粗糙度对零件配合精度的影响 表面粗糙度较大，则降低了配合精度。表面残余应力对零件工作精度的影响
7、表面层有较大的残余应力，就会影响零件精度的稳定性。p表面残余应力对配合质量的影响133.1.2 表面质量对零件使用性能的影响 l表面质量对零件耐腐蚀性能的影响p表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。因为零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。q表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响143.1.2 表面质量对零件使用性能的影响 如减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。l表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响153.1.2 表面质量对零件使用性能的影响 q q
8、对耐磨性影响 对耐磨性影响 表面粗糙度值 表面粗糙度值 耐疲劳性 耐疲劳性 适当硬化（阻止疲劳裂纹生长并产生表面压应力）可提高耐疲 适当硬化（阻止疲劳裂纹生长并产生表面压应力）可提高耐疲劳性 劳性 表面粗糙度值 表面粗糙度值 耐蚀性 耐蚀性 表面压应力：有利于提高耐蚀性 表面压应力：有利于提高耐蚀性 表面粗糙度值 表面粗糙度值 配合质量 配合质量 表面残余应力 精度的稳定性 配合质量 配合质量 表面粗糙度值 表面粗糙度值 耐磨性 耐磨性，但有限度，但有限度q q 对耐疲劳性影响 对耐疲劳性影响q q 对耐蚀性影响 对耐蚀性影响q q 对配合质量影响 对配合质量影响 纹理形式与方向：圆弧状、凹坑
9、状较好；纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好；纹理方向相同较好 纹理方向相同较好 适当硬化可提高耐磨性 适当硬化可提高耐磨性16第3章 机械加工表面质量及其控制Analysis and Control of Machining Surface Quality3.2 影响加工表面质量工艺因素及其改进措施Technology Factors Influencing Machining Surface Quality and its Improving机械制造工艺学 173.2.1 切削加工表面粗糙度 l几何因素的影响几何因素的影响 直线刃车刀：直线刃车刀：圆弧刃车刀：圆弧刃车刀：影响因素 影响因素：
10、刀尖圆弧半径：刀尖圆弧半径 r r、主偏角、主偏角 r r、副偏角、副偏角 r r、进给量、进给量 f f车削时残留面积的高度frRmaxvf rb）Rmax fa）vf切削加工后表面粗糙度的值主要取决于切削残留面积的高度 切削加工后表面粗糙度的值主要取决于切削残留面积的高度183.2.1 切削加工表面粗糙度 q工件材料的性质韧性表面粗糙度 工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。脆性表面粗糙度 加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。塑性表面粗糙度 工件材料塑性越好，塑性变形越大，易产生积屑瘤和鳞刺，加工表面粗糙。l物理因素的影响同一材
11、料金相组织越粗大 表面粗糙度 故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。193.2.1 切削加工表面粗糙度 q切削速度的影响 加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响随切削速度的变化而变化（对积屑瘤和鳞刺的影响）；切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小；选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度；切削速度对脆性材料的影响不大。203.2.1 切削加工表面粗糙度 q q 切削表面塑性变形和积屑瘤 切 切削 削速 速度 度影 影响 响最 最大 大：v v=20 20 50m/min 50m/min范 范围 围，易 易产 产生 生积
12、积屑 屑瘤 瘤和 和鳞 鳞刺，表面粗糙度最差；刺，表面粗糙度最差；v v 100m/min 100m/min时减小，并趋于稳定 时减小，并趋于稳定。切削45钢时切削速度与粗糙度关系100 120v（m/min）0 20 40 60 80 140表面粗糙度Rz（m）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度 h（m）0200400600hKsRz21p积屑瘤的影响：3.2.1 切削加工表面粗糙度22p鳞刺的影响鳞刺的形成：抹试阶段、导裂阶段、层积阶段、刮成阶段3.2.1 切削加工表面粗糙度233.2.1 切削加工表面粗糙度 q进给量的影响 p其他影响因素其他影响因素刀
13、具几何角度、刃磨质量，切削液等刀具几何角度、刃磨质量，切削液等减小进给量f固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势，效率降低。适当增大刀具前角，提高刃磨质量，合理选择切削液，抑制积屑瘤和鳞刺。精镗(车)后的表面轮廓图(横向粗糙度)243.2.2 磨削加工表面粗糙度 q磨削中影响粗糙度的几何因素 从几何因素和塑性变形两方面影响工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的刻痕形成的，工件单位面积上通过的磨粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。磨削时切削力大速度高温度高，且磨粒大多数是负前角，切削刃又不锐利，大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压，
14、没有切削作用。加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起，又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。p磨削中影响粗糙度的物理因素（通常是决定因素）253.2.2 磨削加工表面粗糙度 q q 磨削用量磨削用量 砂轮速度 砂轮速度v v，R Ra a 工件速度 工件速度v vw w，R Ra a 砂轮纵向进给 砂轮纵向进给f f，R Ra a 磨削深度 磨削深度a ap p，R Ra a 光磨次数 光磨次数，R Ra a 磨削用量对表面粗糙度的影响vw=40(m/min)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)v=50(m/s)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)v(m/
15、s),vw(m/min)Ra(m)030 40 50 600.51.0a）ap(mm)0 0.010.40.8Ra(m)00.20.60.02 0.03 0.04b）光磨次数-Ra关系Ra(m)010 20300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)263.2.2 磨削加工表面粗糙度 q q 砂轮及其修整 砂轮及其修整 砂轮粒度 砂轮粒度，R Ra a;但要适量 但要适量(4660(4660)砂轮硬度适中，砂轮硬度适中，R Ra a；常取中软 常取中软 砂轮组织适中 砂轮组织适中，R Ra a；常取中等组织 常取中等组织 砂轮材料：与工件材料
16、相适应（如氧 砂轮材料：与工件材料相适应（如氧化铝适于磨钢，碳化物 化铝适于磨钢，碳化物(硅硼 硅硼)适于磨铸铁 适于磨铸铁，金刚石砂轮适于磨陶瓷材料等），金刚石砂轮适于磨陶瓷材料等）工件材料 工件材料 冷却润滑液等 冷却润滑液等q q 其他影响因素 其他影响因素 金刚石砂轮磨削工程陶瓷零件 采用超硬砂轮材料 采用超硬砂轮材料，R Ra a 但成本高；但成本高；砂轮精细修整，砂轮精细修整，f f R Ra a 太硬易使磨粒磨钝Ra太软容易堵塞砂轮Ra韧性太大，热导率差会使磨粒早期崩落Ra。273.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量 q q 比较法 比较法q q 触针法：触针法：R Ra a
17、0.02 0.02 5 5 m m表面粗糙度测量表面粗糙度测量工件驱动箱放大器 处理器记录器显示器触针传感器触针法工作原理q q 光切法：光切法：R Rz z 0.5 0.5 60 60 m mq q 干涉法：干涉法：R Rz z 0.05 0.05 0.8 0.8 m m283.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量 双管显微镜测量原理1光源 2聚光镜 3窄缝 4工件表面 5目镜透镜 6分划板 7目镜293.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量 干涉显微镜测量原理1光源 2、10、15聚光镜 3滤色片 4光阑 5透镜 6、9物镜 7分光镜 8补偿镜 10、14、16反射镜 12目镜 13透光窗
18、303.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量 表面三维微观形貌测量表面三维微观形貌测量表面三维形貌测量与处理系统原理图1驱动 2撞块 3电触点 4触针 5工作台 6工件 7步进电机 8控制电路 9驱动电路 10放大电路 11A/D变换器 12微机 13显示器 14打印机313.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量 TOPO移相干涉显微镜光学原理图1光源 2、4、12透镜 3视场光阑 6干涉滤光片 7CCD面阵探测器 8输出信号 9目镜 10分光镜 11压电陶瓷 13反射镜 14参考基准板 15分光板 16被测工件323.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量 表面微观形貌a）表面形貌干涉条纹 b
19、）表面三维形貌a）b）相位值：轮廓高度：33第3章 机械加工表面质量及其控制Analysis and Control of Machining Surface Quality3.3 影响表层物理性能的工艺因素及其改进措施Technology Factors Influencing Surface Physics Performance and its Improving机械制造工艺学 343.3.1 加工表面层冷作硬化 概述概述q q 加工硬化 加工硬化 机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度
20、和硬度增加，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化和强化。q q 加工硬化度量 加工硬化度量 表层金属显微硬度 表层金属显微硬度 HV HV 硬化层深度 硬化层深度 h h（m m）硬化程度 硬化程度 N N式中 HV 硬化层显微硬度（HV）；HV0 基体层显微硬度（HV）。35 表面层冷作硬化的程度决定于产生塑性变形的力、变形速度及变形时的温度。p冷作硬化产生的原因 3.3.1 加工表面层冷作硬化 力越大，塑性变形越大，则硬化程度越大；速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度越小；变形时的温度不仅影响塑性变形程度，还会影响变形后金相组织的恢复程度。切削加工时表面层的硬化是不稳定的，一有条件，就会产
21、生弱化现象：若温度超过（0.250.30）T熔（熔化绝对温度），则除了强化现象外，同时还有回复现象，此时歪扭的晶格局部得到恢复，减低了冷硬作用；u 结论：机械加工时表面层的冷作硬化就是强化作用和回复作用的综合结果。3.3.1 加工表面层冷作硬化 切削温度越高、高温持续时间越长、强化程度越大，则回复作用也就越强。因此对高温下工作的零件，能保证疲劳强度的最佳表面层是没有冷硬层或者只有极小（1020m）冷作硬化的表面层。如果温度超过0.30T熔就会发生金属再结晶，此时由于强化而改变了的表面层物理机械性能几乎可以完全恢复。3.3.1 加工表面层冷作硬化 影影响响切切削削加加工工表表面面冷冷作作硬化因素
22、硬化因素 f f 切削力塑变冷硬q q 切削用量影响q q 刀具影响 r r 塑变 冷硬 其他几何参数影响不明显 其他几何参数影响不明显 后刀面磨损影响显著（后刀面磨损影响显著（综合作用 综合作用）0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v=40(m/min)f=0.120.2(mm/z)后刀面磨损对冷硬影响q q 工件材料 材料塑性 材料塑性，冷硬倾向，冷硬倾向 切 切削 削速 速度 度影 影响 响复 复杂 杂（力 力与 与热 热综 综合作用结果）合作用结果）切削深度影响不大 切削深度影响不大f 和 v 对冷硬的影响硬度(HV
23、)0f(mm/r)0.2 0.4 0.6 0.8v=170(m/min)135(m/min)100(m/min)50(m/min)100200300400工件材料：45383.3.1 加工表面层冷作硬化 影响磨削加工表面冷作硬化因素影响磨削加工表面冷作硬化因素q q 磨削用量q q 砂轮q q 工件材料 磨削速度 磨削速度 塑变 温度 冷硬程度 冷硬程度（弱化作用加强）（弱化作用加强）工件转速 工件转速 温度 冷硬程度 冷硬程度（弱化作用减弱）（弱化作用减弱）纵向进给量影响复杂 纵向进给量影响复杂（综合作用 综合作用）磨削深度 磨削深度 磨削力塑变 冷硬程度 冷硬程度 砂轮粒度 砂轮粒度 冷硬
24、程度 冷硬程度 砂轮硬度 砂轮硬度、组织影响不显著 组织影响不显著 材料塑性 材料塑性 塑变 冷硬倾向 冷硬倾向 材料导热性 材料导热性 温度 冷硬倾向 冷硬倾向 磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)0 0.253003504505004000.50 0.75普通磨削高速磨削393.3.1 加工表面层冷作硬化 冷作硬化测量方法冷作硬化测量方法q q 表层显微硬度HVq q 硬化层深度测量 斜截面测量可同时测出硬化层深度 斜截面测量可同时测出硬化层深度 h h 显微硬度计采用顶角为 显微硬度计采用顶角为136 136金刚石压头，载荷 金刚石压头，载荷 2N 2N斜截面测量显微硬度 斜截面
25、测量显微硬度403.3.2 表面金属金相组织变化 磨削加工时切削力大（功率消耗远远大于其它切削方法），切削速度高（通常4050m/s，高达80200m/s），磨削区温度高（短时间内可上升到4001000C，甚至更高）。这样大的加热速度，促使加工表面局部形成瞬时热聚集现象，有很高温升和很大的温度梯度，出现金相组织的变化，强度和硬度下降，产生残余应力，甚至引起裂纹，这就是磨削烧伤现象 磨削烧伤现象。切削加工中，由于切削热的作用，在工件的加工区及其邻近区域产生了一定的温升，当工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜。表面层金相组
26、织变化表面层金相组织变化 一般的切削加工方法不太严重，磨削时易产生磨削烧伤现象。41u表面颜色与烧伤之间的关系：黑青淡青米黄淡黄3.3.2 表面金属金相组织变化 磨削淬火钢时，由于磨削烧伤，工件表面产生氧化膜并呈现出不同颜色，相当于钢的回火色。不同的烧伤色表示受到不同温度的作用与产生不同的烧伤深度。有时表面虽看不出变色，但并不等于表面未受热损伤。例如在磨削过程中由于采用过大的磨削用量，造成了很深的烧伤层，以后的无进给磨削中磨去了表面的烧伤色，而未能除去烧伤层，则留在工件上的烧伤层就会成为使用中的隐患。42 回火烧伤 磨削区温度超过马氏体转变温度(350)而未超过相变温度(Ac3)，则工件表面原
27、来的马氏体组织将产生回火现象，转化成硬度降低的回火组织索氏体或屈氏体；淬火烧伤 磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，由于冷却液的急冷作用，表层会出现二次淬火马氏体，硬度较原来的回火马氏体高，而它的下层则因为冷却缓慢成为硬度降低的回火组织。退火烧伤(最为严重)不用冷却液进行干磨削时，磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，因工件冷却缓慢，则表层硬度急剧下降，这时工件表层被退火。p磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下三种：3.3.2 表面金属金相组织变化 磨削温度 磨削温度（组织变化（组织变化)温度梯度 温度梯度（组织变化不同（组织变化不同)冷却速度 冷却速度（得到组织不同 得到组织不同
28、)p影响磨削加工时金相组织变化的因素 3.3.2 表面金属金相组织变化 工件材料 工件材料 低碳钢时不会发生相变；高合金钢如轴承钢、高速钢、镍铬钢等传热性特别差，在冷却不充分时易出现磨削烧伤。未淬火钢为扩散度低的珠光体，磨削时间短时不会发生金相组织的变化；淬火钢极易相变。3.3.2 表面金属金相组织变化 改善冷却条件（改善冷却条件（冷却液进入磨削区 冷却液进入磨削区）改善磨削烧伤的磨削烧伤的途径 合理选择砂轮 合理选择砂轮磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃口锋利磨削力磨削区的温度应根据工件材料合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织磨削烧伤 合理选择磨削用量 合理选择磨削用量砂轮转速 磨削烧伤径向进给量f
29、p 磨削烧伤轴向进给量fa磨削烧伤工件速度vw磨削烧伤采用内冷却法磨削烧伤内冷却装置 内冷却装置1 1锥形盖 锥形盖 2 2通道孔 通道孔 3 3中心腔 中心腔 4 4有径向小孔薄壁套 有径向小孔薄壁套采用开槽砂轮（冷却条件好 冷却条件好）间断磨削 受热磨削烧伤453.3.2 表面金属金相组织变化 图3-24 开槽砂轮a）槽均匀分布 b）槽不均匀分布463.3.3 表面金属残余应力 q q 表面层残余应力 定义：机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层的残余应力。p残余应力产生的原因 冷态塑性变形机械加工时，工件表面受到挤压与
30、摩擦，表层产生伸长塑变，基体仍处于弹性变形状态。切削后，表层产生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力。热态塑性变形机械加工时，切削或磨削热使工件表面局部温升过高，引起高温塑性变形。表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力；金相组织变化切削时产生的高温会引起表面的相变。比容大的组织比容小的组织体积收缩，产生拉应力，反之，产生压应力。473.3.3 表面金属残余应力 q q 实际机械加工后的表面层残余应力及其分布，是上述三方面因素综合作用的结果，在一定条件下，其中某一或二种因素可能起主导作用。切削时切削热不多（一般切削加工）时则以冷态塑性变形为主，表面层常产生残余压缩应力。若切削热多则以热态塑性
31、变形为主，表面层常产生残余拉伸应力。磨削时表面层残余应力岁磨削条件不同而不同：轻磨削条件产生浅而小的残余压应力，因为此时没有金相组织变化，温度影响也很小，主要是塑性变形的影响在起作用。中等磨削条件产生浅而大的拉应力。淬火钢重磨削条件则产生深而大的拉应力（最外表面可能出现小而浅的压应力），这里显然是由于热态塑性变形和金相组织变化的影响在起主导作用的缘故。483.3.3 表面金属残余应力 v v 残余应力 残余应力（热应力起主（热应力起主导作用）导作用）q q 切削用量 切削用量 材料塑性 材料塑性 残余应力 残余应力 铸 铸铁 铁等 等脆 脆性 性材 材料 料易 易产 产生 生残 残余 余压应力
32、 压应力 不同材料差异明显 不同材料差异明显f 对残余应力的影响工件：45，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液 残余应力(Gpa)0.2000.200 100200 300 400距离表面深度(m)f=0.40mm/r f=0.25mm/r f=0.12mm/r f f 残余应力 残余应力 切削深度影响不显著 切削深度影响不显著vc 对残余应力的影响0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件：45切削条件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液0 50 100 150 200距离表面深度(m)残余应力(Gpa)-0.2000.20vc=213m/minvc
33、=86m/minvc=7.7m/min影响残余应力的工艺因素u切削加工 q q 工件材料 工件材料493.3.3 表面金属残余应力 低速（低速（6 6 20m/min 20m/min）残余拉伸应力（热应力起主导作用）残余拉伸应力（热应力起主导作用）中速（中速（200 200 250m/min 250m/min）残余压缩应力 残余压缩应力 高速（高速（500 500 850m/min 850m/min）残余压缩应力（金相组织变化起主导 残余压缩应力（金相组织变化起主导作用）作用）v v 18CrNiMoA 18CrNiMoA车削残余应力 车削残余应力切削速度对残余应力的影响 切削速度对残余应力的
34、影响503.3.3 表面金属残余应力 q q 刀具影响 刀具影响 前 前角 角+，残 残余 余拉应力 拉应力 刀 刀具 具磨 磨损 损 残 残余 余应力 应力 513.3.3 表面金属残余应力 q磨削过程中残余应力的影响磨削加工磨削加工时表面层的残余应力总的来说，磨削加工中热态塑性变形和金相组织变化的影响较大，故大多数磨削零件的表面层往往有残余拉应力。当残余拉应力超过材料的强度极限时，零件表面就会出现裂纹，即磨削裂纹。p磨削裂纹磨削裂纹一般很浅（0.25.050mm），大多数垂直于磨削方向或成网状（磨螺纹时有时也有平行于磨削方向的裂纹），裂纹总是拉应力引起的，且常与烧伤同时出现。有的磨削裂纹也
35、可能不在工件的外表面，而是在表面层下成为肉眼难以发现的缺陷。52图8.12 磨削裂纹3.3.3 表面金属残余应力 533.3.3 表面金属残余应力 v v 温度 温度 拉应力倾向 拉应力倾向 q q 磨削用量 磨削用量 f f 工件转速 工件转速 塑变 塑变 拉应力 拉应力 背吃刀量：背吃刀量：影响很大 影响很大 aap p很小 很小 压应力（塑性变形起主要作用）；压应力（塑性变形起主要作用）；增大 增大 拉应力（热变形起主要作用）；拉应力（热变形起主要作用）；再增大 再增大 压应力 压应力（塑性变形起主要作用）；（塑性变形起主要作用）；磨削残余应力的影响因素磨削残余应力的影响因素磨削工业铁背
36、吃刀量残余应力 磨削工业铁背吃刀量残余应力磨削 磨削T8 T8钢背吃刀量残余应力 钢背吃刀量残余应力543.3.3 表面金属残余应力 材料强度 材料强度 导热性 导热性 塑性 塑性 拉应力倾向 拉应力倾向 q q 工件材料 工件材料磨削硬质合金时，由于其脆性大，抗拉强度低以及导热性差，所以特别容易产生磨削裂纹。磨削含碳量高的淬火钢时，由于其晶界脆弱，也容易产生磨削裂纹。工件在淬火后如果存在残余应力，则即使在正常的磨削条件下也可能出现裂纹。q q 工件材料的热处理 工件材料的热处理工件淬火后在磨削前进行去除应力的工序能收到很好的效果。渗碳、渗氮时如果工艺不当，就会在表面层晶界面上析出脆性的碳化物
37、、氮化物，当磨削时在热应力作用下，就容易沿着这些组织发生脆性破坏，而出现网状裂纹。55p 冷却方法选择适宜的磨削液和有效的冷却方法。采用高压大流量冷却内冷却加装空气挡板，减轻旋转的砂轮表面的高压附着气流的作用，以使冷却液能顺利地喷注到磨削区。3.3.3 表面金属残余应力 最终工序加工方法选择最终工序加工方法选择q q交变载荷 交变载荷 易产生局部微观裂纹，选压应力 易产生局部微观裂纹，选压应力q q 滑动摩擦 滑动摩擦 拉应力抗机械磨损（挤压压溃）拉应力抗机械磨损（挤压压溃）q q 滚动摩擦 滚动摩擦 表面层下 表面层下h h深处产生 深处产生压应力有利 压应力有利a a）b b）应力分布 应
38、力分布a a）滑动摩擦）滑动摩擦 b b）滚动摩擦）滚动摩擦 表面残余应力将直接影响零件的使用性能，一般工件表面残余应力的数值和性质主要取决于工件最终加工工序的加工方法。零件的具体工作条件573.3.4 表面强化工艺 是一种用压缩空气或离心力将大量直径细小（0.24mm）的丸粒（钢丸、玻璃丸）以3050m/s的速度向零件表面喷射的方法。可 可使 使工 工件 件表 表面 面产 产生 生冷 冷硬 硬层 层和 和压 压应 应力 力,提高疲劳强度和使用寿命；提高疲劳强度和使用寿命；喷丸强化喷丸强化 用 用于 于强 强化 化形 形状 状复 复杂 杂或 或不 不宜 宜用 用其 其它 它方 方法 法强 强化
39、 化的 的工 工件 件，例 例如 如板 板弹 弹簧 簧、螺 螺旋 旋弹 弹簧 簧、齿轮、焊缝等 齿轮、焊缝等珠丸挤压引起残余应力 压缩拉伸塑性变形区域 表 表面 面硬 硬度 度提 提高 高10 10 40 40，耐 耐疲 疲劳 劳强 强度 度提 提高 高30 30 50 50，使用寿命可提高数倍至数十倍。如齿轮可提高倍，螺旋弹簧可提高倍以上。硬化深度可达.mm,表面粗糙度可自.降到.。583.3.4 表面强化工艺 利 利用 用淬 淬硬 硬和 和精 精细 细研 研磨 磨过 过的 的滚 滚轮 轮或 或滚 滚珠 珠，在 在常 常温 温状 状态 态挤 挤压 压金 金属 属表 表面 面，使表层材料产生塑
40、性流动，将 将凸 凸起 起部 部分 分下 下压 压下 下，凹 凹下 下部 部分 分上 上凸 凸，形成新的光洁表面。修 修正 正工 工件 件表 表面 面的 的微 微观 观几 几何 何形 形状 状,形 形成 成压 压缩 缩残 残余 余应 应力 力，提 提高 高耐 耐疲 疲劳 劳强 强度。度。滚压加工原理图滚压加工滚压加工表面粗糙度可自.降至.，表 表面 面硬 硬度 度提 提高 高10 10 40 40，表面硬化深度达.mm，耐疲劳强度提高 耐疲劳强度提高30 30 50 50。59第3章 机械加工表面质量及其控制Analysis and Control of Machining Surface Q
41、uality3.4 机械加工过程中的振动Vibrations in machining Process机械制造工艺学 603.4.1 概述 机械加工过程中振动的危害机械加工过程中振动的危害v 振动会在工件加工表面出现振纹，降低了工件的加工精度和表面质量，低频振动时会产生波度；v 振动会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨损；v 振动使机床夹具连接部分松动，影响运动副的工作性能，并导致机床丧失精度；v 产生噪声污染，危害操作者健康v 影响生产效率 机械加工过程中振动的类型机械加工过程中振动的类型自由振动强迫振动自激振动613.4.1 概述 v 工艺系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，系统
42、仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。v 由于系统中存在阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。自由振动自由振动623.4.2 机械加工过程中强迫振动强迫振动产生原因强迫振动产生原因v 由稳定的外界周期性的干扰力（激振力）作用引起；v除了力之外,凡是随时间变化的位移、速度和加速度，也可以激起系统的振动。v强迫振动振源：机外机内。机外：机外：其他机床、锻锤、火车、卡车等通过地基把振动传给机床 通过地基把振动传给机床 机内：机内：1 1）回转零部件质量的不平衡（）回转零部件质量的不平衡（旋转零件的质量偏心）2 2）机床传动件的制造误差和缺陷）机床传动件的制造误差和缺陷（如 如齿轮啮合时的冲击、
43、皮带 轮圆度误差及皮带厚度不均引起的张力变化，滚动轴承的套圈和滚 子尺寸及形状误差）3 3）切削过程中的冲击（）切削过程中的冲击（如 如往复部件的冲击；液压传动系统的压力 脉动；断续切削时的冲击振动）633.4.2 机械加工过程中强迫振动 频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数 幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振 相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关强迫振动的特征强迫振动的特征64 图1 内圆磨削振动系统 a)模型示意图 b）动力学模型 c）受力图p强迫振动的运动
44、方程3.4.2 机械加工过程中强迫振动653.4.2 机械加工中的自激振动自自激激振振动动(颤颤振振)的的概概念念 在 在没 没有 有周 周期 期性 性外 外力 力(相 相对 对于 于切 切削 削过 过程 程)作 作用 用下 下，由 由系 系统 统内 内部 部激 激发反馈产生的周期性振动 发反馈产生的周期性振动 自 自激 激振 振动 动过 过程 程可 可用 用传 传递 递函 函数 数概念说明 概念说明电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)自激振动闭环系统机床振动系统（弹性环节）调节系统（切削过程）u 切削过程本身能引起某种交变切削力，而振动系统能通过这种力的变化，从不具备交变特性的能
45、源中周期性的获得补充能量，从而维持住这个振动。当运动一停止，则这种外力的周期性变化和能量的补充过程也都立即停止。工艺系统中维持自激振动的能量来自机床电动机，电动机除了供给切除切屑的能量外，还通过切削过程把能量输给振动系统，使工艺系统产生振动运动。663.4.2 机械加工中的自激振动 自 自激 激振 振动 动能 能否 否产 产生 生及 及振 振幅 幅的 的大 大小 小取 取决 决于 于振 振动 动系 系统 统在 在每 每一 一个 个周 周期 期内 内获 获得 得和 和消 消耗 耗的能量对比情况 的能量对比情况自激振动系统能量关系A B C能量EQEE0振幅自激振动的特征自激振动的特征 机械加工中
46、的自激振动是在没有周期性外力(相对于切削过程而言)干扰下所产生的振动运动，这一点与强迫振动有原则区别。自激振动的频率接近于系统的某一固有频率，或者说，颤振频率取决于振动系统的固有特性。这一点与强迫振动根本不同，强迫振动的频率取决于外界干扰力的频率。自激振动是一种不衰减的振动。振动过程本身能引起某种不衰减的周期性变化，而振动系统能通过这种力的变化，从不具备交变特性的能源中周期性的获得补充能量，从而维持住这个振动。自激振动由振动系统本身参数决定，与强迫振动显著不同。自由振动受阻尼作用将迅速衰减，而自激振动不会因阻尼存在而衰减。67l 产生自激振动的条件3.4.2 机械加工中的自激振动68图3-33
47、 单自由度机械加工振动模型 a）振动模型 b）力与位移的关系图3.4.2 机械加工中的自激振动69 当W振出W振入时，刀架振动系统将有持续的自激振动产生。3.4.2 机械加工中的自激振动70p三种情况：W振出=W振入+W摩阻（振入）时，系统有稳幅的自激振动；W振出W振入+W摩阻（振入）时，系统为振幅递增的自激 振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动；W振出 W振入+W摩阻（振入）时，系统为振幅递减的自激 振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动；故振动系统产生自激振动的基本条件是：W振出W振入或 FP振出FP振入3.4.2 机械加工中的自激振动713.4.2 机械加工中的自激振动q q 再生原理
48、自激振动机理自激振动机理如图所示，车刀只做横向进给。在稳定的切削过程中，刀架系统因材料的硬点，加工余量不均匀，或其它原因的冲击等，受到偶然的扰动。刀架系统因此产生了一次自由振动，并在被加工表面留下相应的振纹。当工件转过一转后，刀具要在留有振纹的表面上切削，因切削厚度发生了变化，所以引起了切削力周期性的变化。产生动态切削力。将这种由于切削厚度的变化而引起的自激振动，称为“再生颤振”。图 自由正交切削时再生颤振的产生723.4.2 机械加工中的自激振动q q产生条件 产生条件再生自激振动原理图f切入 切出y0ya）b）y0y切入 切出fc）fy0y切入 切出d）切入 切出fy0y 图 图中 中 a
49、）b）c）系统无能量获得；d）此时切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出时切削力所作正功（获得能量）大于切入时所作负功，系统有能量获得，产生自激振动。图中绿线表示前一转切削的工件表面振纹，红线表示后一转切削的表面。a）前后两转的振纹没有相位差（=0）图a b）前后两转的振纹相位差为=图b c）后一转的振纹相位超前图c d）后一转的振纹相位滞后图du 结论：在再生颤振中，只有当后一转的振纹的相位滞后于前一转振纹时才有可能产生再生颤振。73apfaB振动方向XDfbbda）切削 b）磨削r r，重 迭 系 数 前一次走刀工件表面形成的波纹面宽度在相继的后一次走刀的有效宽度中所占的比例，用表示。p
50、重迭系数对再生颤振的影响 在纵向切削或磨削工件表面时，后一次走刀(进给)和前一次走刀（进给）总会有部分重叠，有重迭切削，则可能发生再生颤振。3.4.2 机械加工中的自激振动743.4.2 机械加工中的自激振动u在金属切削过程中，除极少数情况外，刀具总是部分地或完全地在带有波纹的表面上进行切削的。式中 bd 等效切削宽度，即本次切削实际切到上次切削残留振纹 在垂直于振动方向投影宽度；b 本次切削在垂直于振动方向上的切削宽度；B,fa 砂轮宽度与轴向进给量。753.4.2 机械加工中的自激振动q q 振型耦合原理 振动系统实际上都是多自由度的，如图是一个二自由度振动系统示意图。不考虑再生效应，当刀