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机械与动力工程学院,第 四 章 机械加工表面质量,本章提要,机械加工表面质量决定了机器的使用性能和延长使用寿命。机械加工表面质量是以机械零件的加工表面和表面层作为分析和研究对象的。本章旨在研究零件表面层在加工中的变化和发生变化的机理，掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量的影响规律，运用这些规律来控制加工中的各种影响因素，以满足表面质量的要求。,5.1,5.2,5.3,5.4,5.4,机械加工表面质量的概念 表面粗糙度及其影响因素 机械加工后表面物理机械性能的变化 控制加工表面质量的途径 振动对表面质量的影响及其控制,内容提纲,4-1 加工表面质量的基本概念,一、概述,零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包括加工表面质量。 机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（几微米几十微米），但都错综复杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足够的重视。,零件表面质量,表面粗糙度,表面波度,表面物理力学性能的变化,表面微观几何形状特征,表面层冷作硬化,表面层残余应力,表面层金相组织的变化,表面质量的含义（内容）,4-1 加工表面质量的基本概念,一、概述,4-1 加工表面质量的基本概念,一、概述,表面粗糙度：是指表面微观几何形状误差，其波长与波高的比值在L1/H140的范围内，波距1mm。 表面波度：是介于加工精度（宏观几何形状误差L3/H3 = 1000）和表面粗糙度间的一种带有周期性的几何形状误差，其波长与波高的比值在40L2/H21000的范围，波距=110mm 纹理方向： 纹理方向是指表面刀纹的方向，它取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法。 伤痕：是加工表面上一些个别位置上出现的缺陷。例如：砂眼、气孔、裂痕等。,1、表面层的几何形状,4-1 加工表面质量的基本概念,一、概述,L1范围内的凹凸不平(表面粗糙度)H1 L2范围内的凹凸不平(波度)H2 平面度H3 表面粗糙度和波度,1、表面层的几何形状,1) 表面层冷作硬化(简称冷硬)：在机械加工中,零件表面层产生强烈的冷态塑性变形后,引起的强度和硬度都有所提高的现象。一般情况下表面硬化层的深度可达0.05 0.30mm。 2) 表面层金相组织的变化：机械加工过程中，由于切削热或磨削热的作用引起工件表面温升过高，表面层金属的金相组织发生变化的现象。 3) 表面层残余应力：是由于加工过程中切削变形和切削热的影响，工件表面层产生残余应力。,4-1 加工表面质量的基本概念,一、概述,2、表面层的物理机械性能,4-1 加工表面质量的基本概念,二、表面质量对零件使用性能的影响,1、 表面质量对耐磨性的影响,零件磨损三个阶段：初期磨损阶段；正常磨损阶段；剧烈磨损阶段,摩擦副的磨损过程,（1）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。,4-1 加工表面质量的基本概念,二、表面质量对零件使用性能的影响,1、 表面质量对耐磨性的影响,（1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响 表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。,4-1 加工表面质量的基本概念,二、表面质量对零件使用性能的影响,1、 表面质量对耐磨性的影响,4-1 加工表面质量的基本概念,二、表面质量对零件使用性能的影响,（2）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。这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“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。,1、 表面质量对耐磨性的影响,（1）表面粗糙度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。,4-1 加工表面质量的基本概念,二、表面质量对零件使用性能的影响,2、 表面质量对零件疲劳强度的影响,（2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响 适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。 残余应力有拉应力和压应力之分: 残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度 残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。,4-1 加工表面质量的基本概念,二、表面质量对零件使用性能的影响,2、 表面质量对零件疲劳强度的影响,（1）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。 （2）表面残余应力对零件工作精度的影响 表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。,4-1 加工表面质量的基本概念,二、表面质量对零件使用性能的影响,3、 表面质量对零件工作精度的影响,（1）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响 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。因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。 （2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响 零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。 表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：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。,4-1 加工表面质量的基本概念,二、表面质量对零件使用性能的影响,4、 表面质量对零件耐腐蚀性能的影响,零件表面质量,粗糙度太大、太小都不耐磨,适度冷硬能提高耐磨性,对疲劳强度的影响,对耐磨性的影响,对耐腐蚀性能的影响,对工作精度的影响,粗糙度越大，疲劳强度越差,适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度,粗糙度越大、工作精度降低,残余应力越大，工作精度降低,粗糙度越大，耐腐蚀性越差,压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性,4-1 加工表面质量的基本概念,二、表面质量对零件使用性能的影响,4-2 机械加工表面的粗糙度及其影响因素,一、切削加工后的表面粗糙度,机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面。,1、 切削加工表面粗糙度的形成,4-2 机械加工表面的粗糙度及其影响因素,一、切削加工后的表面粗糙度,1、 切削加工表面粗糙度的形成及影响因素,刀尖圆弧半径r 主偏角kr、副偏角kr 进给量f,(2)物理力学因素,4-2 机械加工表面的粗糙度及其影响因素,一、切削加工后的表面粗糙度,1、 切削加工表面粗糙度的形成,塑性变形，刀瘤和鳞刺。,物理因素 切削加工后表面的实际粗糙度与理论粗糙度有比较大的差别。这主要是与被加工材料的性能及切削机理有关的物理因素的影响。切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工件挤压与摩擦而产生塑性变形。韧性越好的材料塑性变形就越大，且容易出现积屑瘤与鳞刺，使粗糙度严重恶化。,(3) 、 工艺系统振动 低频振动表面波度；高频振动表面粗糙度,韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。 脆性材料：加工脆性材料时，其切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。,4-2 机械加工表面的粗糙度及其影响因素,一、切削加工后的表面粗糙度,2、 切削加工表面粗糙度的影响因素,加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞刺的影响）如图所示。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。,合理使用冷却润滑液，适当增大刀具的前角，提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。,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。,4-2 机械加工表面的粗糙度及其影响因素,一、切削加工后的表面粗糙度,2、 切削加工表面粗糙度的影响因素,4-2 机械加工表面的粗糙度及其影响因素,一、切削加工后的表面粗糙度,加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响,4-2 机械加工表面的粗糙度及其影响因素,一、切削加工后的表面粗糙度,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砂粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。,4-2 机械加工表面的粗糙度及其影响因素,二、磨削加工后的表面粗糙度,1、 磨削加工后表面粗糙度的形成,磨削速度比一般切削速度高得多，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，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。,二、磨削加工后的表面粗糙度的影响因素,(1)砂轮的磨粒,4-2 机械加工表面的粗糙度及其影响因素,二、磨削加工后的表面粗糙度,磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨粒越细，刃口的等高性越好。则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越细密均匀，表面粗糙度值就越小。,2、 磨削中影响粗糙度的因素,(2)砂轮修整,砂轮修整除了使砂轮具有正确的几何形状外，更重要的是使砂轮工作表面形成排列整齐而又锐利的微刃。因此，砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大。,砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多，表面粗糙度值就越小。 工件速度对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影响相反。工件的速度增大，通过加工表面的磨粒数减少，因此表面粗糙度值增大。 砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被重叠切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小。 为提高磨削效率，通常在开始磨削时采用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表面粗糙度值。,(3)磨削用量,4-2 机械加工表面的粗糙度及其影响因素,二、磨削加工后的表面粗糙度,2、 磨削中影响粗糙度的因素,(4)工件材料,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 。,4-2 机械加工表面的粗糙度及其影响因素,二、磨削加工后的表面粗糙度,2、 磨削中影响粗糙度的因素,4-2 机械加工表面的粗糙度及其影响因素,二、磨削加工后的表面粗糙度,在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理机械性能产生变化，最主要的变化是表面层冷作硬化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重，因而磨削加工后加工表面层上述三项物理机械性能的变化会很大。,4-3 机械加工后表面物理机械性能的变化,影响表面层物理力学性能的主要因素,表面物理力学性能,影响金相组织变化因素,影响显微硬度因素,影响残余应力因素,塑变引起的冷硬 金相组织变化引起的硬度变化,冷塑性变形 热塑性变形 金相组织变化,切削热,4-3 机械加工后表面物理机械性能的变化,冷作硬化 金相组织变化 残余应力,表 现 形 式,切削或磨削加工中，表面层金属由于塑性变形使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移,晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，引起材料的强化（使表面层金属的硬度和强度提高），这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化或强化。,4-3 机械加工后表面物理机械性能的变化,一、加工表面的冷作硬化,1、 冷作硬化的概念,衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项： 1）表面层的显微硬度H； 2）硬化层深度h； 3）硬化程度N N=(H-H0)/H0100 式中 H0工件原表面层的显微硬度。,4-3 机械加工后表面物理机械性能的变化,一、加工表面的冷作硬化,2、 衡量表面层加工硬化的指标,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。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。,4-3 机械加工后表面物理机械性能的变化,一、加工表面的冷作硬化,3、 影响冷作硬化的主要因素,刀具几何形状的影响,切削刃 r、前角、后面磨损量VB 表层金属的塑变加剧冷硬,切削用量的影响,切削速度v温度升高，冷硬恢复； 刀具、工件接触时间短，塑变冷硬 f切削力塑变冷硬 f 较小刀具刃口圆角在加工表面单位长度 上的挤压次数增多冷硬,工件材料性能的影响,材料塑性冷硬,4-3 机械加工后表面物理机械性能的变化,一、加工表面的冷作硬化,3、 影响冷作硬化的主要因素,4-3 机械加工后表面物理机械性能的变化,二、机械加工后表面层金相组织的变化热变质层,1. 表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生,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。,定义：磨削加工时，表面层有很高的温度，当温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组织变化，强度和硬度降低、产生残余应力、甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。 淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的磨削烧伤有三种形式。,淬火烧伤,回火烧伤,退火烧伤,4-3 机械加工后表面物理机械性能的变化,二、机械加工后表面层金相组织的变化热变质层,2. 磨削烧伤的三种形式,磨削时，当工件表面层温度超过相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。若此时无冷却液，表层金属空冷,冷却比较缓慢而形成退火组织。硬度和强度均大幅度下降。这种现象称为退火烧伤。,磨削时，如果工件表面层温度只是超过原来的回火温度，则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象而转变为硬度较低的回火组织（索氏体或屈氏体），这种现象称为回火烧伤。,磨削时工件表面温度超过相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。在冷却液作用下，工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极薄，表面层总的硬度是降低的，这种现象称为淬火烧伤。,磨 削 烧 伤 色,4-3 机械加工后表面物理机械性能的变化,二、机械加工后表面层金相组织的变化热变质层,2. 磨削烧伤的三种形式,1) 砂轮转速 磨削烧伤 2) 径向进给量fp 磨削烧伤 3) 轴向进给量fa磨削烧伤 4) 工件速度vw 磨削烧伤,1)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 2)磨削导热性差的材料(耐热钢、轴承钢、不锈钢)磨削烧伤 3)应合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织磨削烧伤,磨削用量,砂轮与 工件材料,4-3 机械加工后表面物理机械性能的变化,二、机械加工后表面层金相组织的变化热变质层,3. 影响磨削烧伤的因素及改善途径降温、散热,合理选择磨削参数 磨削深度 纵向进给量 工件速度 砂轮速度,改进冷却方法,（1）高压大流量冷却 （2）采用特殊喷嘴 （3）采用内冷却,采用内冷却法 磨削烧伤,改善冷却条件,4-3 机械加工后表面物理机械性能的变化,二、机械加工后表面层金相组织的变化热变质层,3. 影响磨削烧伤的因素及改善途径,内冷却装置 1锥形盖 2通道孔 3砂轮中心孔 4有径向小孔的薄壁套,间断磨削受热磨削烧伤,采用开槽砂轮,4-3 机械加工后表面物理机械性能的变化,二、机械加工后表面层金相组织的变化热变质层,3. 影响磨削烧伤的因素及改善途径,开槽砂轮 a） 等距开槽 b）变距开槽,4-3 机械加工后表面物理机械性能的变化,三、机械加工后表面层的残余应力,1. 残余应力的定义,定义： 机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层与其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。,冷塑性变形,工件表面受到挤压与摩擦，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,切削过程产生的高温会引起表面层的相变，表面层 金相变化的结果会造成体积的变化。表面层体积膨胀 时因受到基体的限制产生拉应力；反之，产生压应力。,4-3 机械加工后表面物理机械性能的变化,三、机械加工后表面层的残余应力,2. 表面层残余应力产生的原因,（1）冷态塑性变形 机械加工时，表层金属产生强烈的塑性变形。沿切削速度方向表面产生拉伸变形，晶粒被拉长，金属密度会下降，即比容增大，而里层材料则阻碍这种变形，因而在表面层产生残余压应力，在里层则产生残余拉应力。,（2） 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 ,使得工件在冷却后从内到外分别产生压应力、和拉应力。,切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图,4-3 机械加工后表面物理机械性能的变化,三、机械加工后表面层的残余应力,磨削裂纹和残余应力有着十分密切的关系。在磨削过程中，当工件表面层产生的残余应力超过工件材料的强度极限时，工件表面就会产生裂纹。磨削裂纹常与烧伤同时出现。 磨削裂纹的产生与材料性质及热处理工序有很大关系。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。,4-3 机械加工后表面物理机械性能的变化,三、机械加工后表面层的残余应力,3. 磨削裂纹,机械加工后工件表面层的残余应力是冷态塑性变形、热 态塑性变形和金相组织变化的综合结果。切削加工时起主要作用的往往是冷态塑性变形，表面层常产生残余压缩应力。磨削加工时起主要作用的通常是热态塑性变形或金相组织变化引起的体积变化，表面层常产生残余拉伸应力。,4-3 机械加工后表面物理机械性能的变化,三、机械加工后表面层的残余应力,4. 影响表面残余应力的主要因素,4-4 控制加工表面质量的途径,对零件使用性能危害甚大的残余拉应力、磨削烧伤和磨削裂纹均起因于磨削热，所以如何降低磨削热并减少其影响是生产上的一项重要问题。解决的原则：一是减少磨削热的发生，二是加速磨削热的传出。,提高表面质量的工艺途径大致可以分为两类：一类是用低效率、高成本的加工方法，寻求各工艺参数的优化组合，以减小表面粗糙度；另一类是着重改善工件表面的物理力学性能，以提高其表面质量。,4-4 控制加工表面质量的途径,一、选择合理的磨削参数,生产中比较可行的办法是通过试验来确定磨削参数：先按初步选定的磨削参数试磨，检查工件表面热损伤情况，据此调整磨削参数直至最后确定下来。另一种方法是在磨削过程中连续测量磨削区温度，然后控制磨削参数。,光整加工是用粒度很细的磨料对工件表面进行微量切削和挤压、擦光的过程。光整加工工艺所使用的工具都是浮动连接，由加工面自身导向，而相对于工件的定位基准没有确定的位置，所使用的机床也不需要具有非常精确的成形运动。这些加工方法的主要作用是降低表面粗糙度，一般不能纠正形状和位置误差，加工精度主要由前面工序保证。光整加工工艺方法有珩磨、超精加工、研磨、抛光等。,4-4 控制加工表面质量的途径,二、光整加工工艺,4-4 控制加工表面质量的途径,二、光整加工工艺,超精加工：用细粒度油石，在较低的压力和良好的冷却润滑条件下，以快而短促的往复运动，对低速旋转的工件进行振动研磨的一种微量磨削加工方法。 珩磨：利用珩磨工具对工件表面施加一定的压力，同时珩磨工具还要相对工件完成旋转和直线往复运动，以去除工件表面的凸峰的一种加工方法。珩磨后工件圆度和圆柱度一般可控制在0.0030.005mm，尺寸精度可达IT6IT5，表面粗糙度在Ra0.20.025m之间。,4-4 控制加工表面质量的途径,二、光整加工工艺,研磨：利用研磨工具和工件的相对运动，在研磨剂的作用下，对工件表面进行光整加工的一种加工方法。研磨可采用专用的设备进行加工，也可采用简单的工具，如研磨心棒、研磨套、研磨平板等对工件表面进行手工研磨。研磨可提高工件的形状精度及尺寸精度，但不能提高表面位置精度，研磨后工件的尺寸精度可达0.001mm，表面粗糙度可达Ra0.025 0.006m。,超精加工,珩磨加工 研磨,对于承受高应力、交变载荷的零件可以采用喷丸、液压、挤压等表面强化工艺使表面层产生残余压应力和冷硬层并降低表面粗糙度值，从而提高耐疲劳强度及抗应力腐蚀性能。但是采用强化工艺时应很好控制工艺参数，不要造成过度硬化，否则会使表面完全失去塑性性质，甚至引起显微裂纹和材料剥落，带来不良的后果。,4-4 控制加工表面质量的途径,三、采用冷压强化工艺,4-4 控制加工表面质量的途径,三、采用冷压强化工艺,1. 喷丸,喷丸强化是利用压缩空气或离心力将大量直径为0.44mm的珠丸高速打击零件表面，使其产生冷硬层和残余压应力，可显著提高零件的疲劳强度。珠丸可以采用铸铁、砂石以及钢铁制造。所用设备是压缩空气喷丸装置或机械离心式喷丸装置，这些装置使珠丸能以3550mm/s的速度喷出。喷丸强化工艺可用来加工各种形状的零件，加工后零件表面的硬化层深度可达0.7 mm，表面粗糙度值Ra可由3.2m减小到0.4m，使用寿命可提高几倍甚至几十倍。,4-4 控制加工表面质量的途径,三、采用冷压强化工艺,2. 滚压加工,滚压加工是在常温下通过淬硬的滚压工具（滚轮或滚珠）对工件表面施加压力，使其产生塑性变形，将工件表面上原有的波峰填充到相邻的波谷中，从而以减小了表面粗糙度值，并在其表面产生了冷硬层和残余压应力，使零件的承载能力和疲劳强度得以提高。滚压加工可使表面粗糙度Ra值从1.255m减小到0.80.63m，表面层硬度一般可提高20%40%，表面层金属的耐疲劳强度可提高30%50%。滚压用的滚轮常用碳素工具钢T12A或者合金工具钢CrWMn、Cr12、CrNiMn等材料制造，淬火硬度在6264HRC；或用硬质合金YG6、YT15等制成。,4-4 控制加工表面质量的途径,三、采用冷压强化工艺,3. 金刚石压光,金刚石压光是一种用金刚石挤压加工表面的新工艺，国外已在精密仪器制造业中得到较广泛的应用。压光后的零件表面粗糙度可达Ra0.40.02m，耐磨性比磨削后的提高1.53倍，但比研磨后的低2040%，而生产率却比研磨高得多。金刚石压光用的机床必须是高精度机床，它要求机床刚性好、抗振性好，以免损坏金刚石。此外，它还要求机床主轴精度高，径向跳动和轴向窜动在0.01mm以内，主轴转速能在25006000 r/min的范围内无级调速。机床主轴运动与进给运动应分离，以保证压光的表面质量。,4-4 控制加工表面质量的途径,三、采用冷压强化工艺,4. 液体磨料强化,液体磨料强化是利用液体和磨料的混合物高速喷射到已加工表面，以强化工件表面，提高工件的耐磨性、抗蚀性和疲劳强度的一种工艺方法。 液体和磨料在400800Pa压力下，经过喷嘴高速喷出，射向工件表面，借磨粒的冲击作用，碾压加工表面，工件表面产生塑性变形，变形层仅为几十微米。加工后的工件表面具有残余压应力，提高了工件的耐磨性、抗蚀性和疲劳强度。,4-4 控制加工表面质量的途径,四、表面质量的检查,1. 表面粗糙度的测定,2. 冷作硬化的测定,1）金相法 将试件的侧面制成金相磨片，腐蚀后放大2001000倍，即可从其金相组织判断硬化深度及程度。 2）X光法 将一束X光线照射在金属上, 射线将在晶胞中反射出来，在光谱上得出许多成虚线的干涉圈。如果晶粒破碎或晶格扭曲变形时，则干涉圈变成实线；如果晶格参数有变化， 则干涉圈将产生位移，同时强度减弱，可用胶片记录其结果。利用这一原理，先照出试件基体X光谱，与加工层的X光谱比较，用机械抛光或电抛光逐次去掉加工层，将所照X光谱比较之，直至与基体一致，即可从机械抛光等去掉的厚度得到硬化深度。,4-4 控制加工表面质量的途径,四、表面质量的检查,2. 冷作硬化的测定,3）测量显微硬度法 a、 HV值法：用机械抛光或电抛光逐层去除冷硬层，测量其显微硬度，直至与基体相同为止，从去除的厚度可得到硬化深度。 b、 硬化层深度h：在试件的侧面磨出金相磨片，从外向内打显微硬度，从其硬度变化得知硬化深度，如果硬化层很薄，则这种方法不行。 c、 当硬化层很薄时，可在斜切面上测量显微硬度。一般斜切角=0o30 2o30，h=Isin，要注意斜切方向应在纵向粗糙度上，即与主运动方向平行，斜切加工要用研磨、电加工等方法，避免在斜切面上产生加工硬化而影响测量效果。,4-4 控制加工表面质量的途径,四、表面质量的检查,2. 冷作硬化的测定,4）脆性涂料法 5）激光全息法 6）再结晶法,4-4 控制加工表面质量的途径,四、表面质量的检查,3. 金相组织变化的测定,(1)氧化膜法 磨削烧伤时，表面形成氧化膜，随着烧伤时的温不同，呈现不同颜色，从而可看出其烧伤程度。 (2)显微硬度法 由于磨削烧伤时表层的显微硬度有变化，故可从显微硬度来测定烧伤的程度和深度。具体方法同上。 (3) 金相组织法 同上 (4)酸洗法 将工件加工面浸泡在硝酸溶液（35%HNO3）中3045s后，如表面呈黑色则有烧伤，呈暗灰色则无烧伤。,4-4 控制加工表面质量的途径,四、表面质量的检查,4. 残余应力的测定,（1）物理化学法 将有残余应力的试件放入相应的腐蚀剂中，表面就会产生裂纹。从裂纹的方向可以判断残余应力的性质，纵向裂纹是由切向应力引起的，横向裂纹是由轴向拉应力引起的。从裂纹出现的时间，可定性的估计残余应力的大小。裂纹出现愈快，残余应力愈大。 所用腐蚀剂，对钢来说是弱碱溶液，对黄铜、锡青铜来说是铵、汞盐。,4-4 控制加工表面质量的途径,四、表面质量的检查,4. 残余应力的测定,（2）光谱法 在试件上放一张银箔并照下X 光谱图，得到一系列虚线的干涉圈，并将它作为比较干涉线位移、亮度、粗细的标准。在试件上照下光谱图，与银箔X光谱图进行比较： 1）干涉线由虚线变为实线；工件由于受力、热作用产生塑性变形的整体内应力。 2）干涉线冲散，线条好象变粗；由于多晶体金属晶粒变形产生的残余应力。 3）干涉线变暗；由于工件冷作硬化产生的残余应力。 4）干涉线变暗变宽而旁有麻点，上述三种应力都存在。,4-4 控制加工表面质量的途径,四、表面质量的检查,4. 残余应力的测定,（3）机械法 这种方法的原理是根据变形量来计算残余应力的大小，只能测量第一类残余应力，是实验室常用的定量测试方法。具体实验原理见材料力学有关知识。,4-4 控制加工表面质量的途径,四、表面质量的检查,5. 裂纹的测定,如果表面经过精加工，可能用肉眼就能发现，也可用渗透法看出。内在的裂纹可以用磁力探伤、超声波探伤或发声装置等来检查。 （1） 磷粉探伤 （2）超声波探伤 （3）涡流探伤法 （4）声发射检测 （5）显微分析法,机械加工过程中产生的振动，也和其它的机械振动一样，按其产生的原因可分为自由振动、强迫振动和自激振动三大类。,4-5 机械加工中振动的基本概念,一、振动对机械加工的影响,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； 振动会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨损； 振动使机床连接部分松动，影响运动副的工作性能，并导致机床丧失精度； 强烈的振动及伴随而来的噪声，还会污染环境，危害操作者的身心健康。为减小加工过程中的振动，有时不得不降低切削用量，使机械加工生产率降低。,机械加工振动,自激振动,自由振动,强迫振动,当系统受到初始干扰力激励破坏了其 平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来 维持的振动称为自由振动。由于总存 在阻尼，自由振动将逐渐衰减。(占5%),系统在周期性激振力(干扰力)持续作用 下产生的振动，称为强迫振动。强迫 振动的稳态过程是谐振动，只要有激 振力存在振动系统就不会被阻尼衰减 掉。(占30%),在没有周期性干扰力作用的情况下， 由振动系统本身产生的交变力所激发 和维持的振动，称为自激振动。切削 过程中产生的自激振动也称为颤振。 (占65%),4-5 机械加工中振动的基本概念,二、机械加工中振动的种类及其主要特点,按工艺系统的自由度数量分：,单自由度系统振动：用一个独立坐标就可以确定的振动； 多自由度系统振动：用多个独立坐标才能确定的振动；,4-5 机械加工中振动的基本概念,二、机械加工中振动的种类及其主要特点,强迫振动的振源有来自机床内部的机内振源和来自机床外部的机外振源两大类。机外振源甚多，但它们都是通过地基传给机床的，可通过加设隔振地基来隔离。,4-6 机械加工中的强迫振动与抑制,一、强迫振动产生的原因,系统外部的周期性干扰力 旋转零件的质量偏心 传动机构的缺陷 切削过程的间隙特性,机床电机的振动 机床高速旋转件不平衡引起的振动 机床传动机构缺陷引起的振动，如齿轮的侧隙、皮带张紧力的变化等 切削过程中的冲击引起的振动 往复运动部件的惯性力引起的振动,内圆磨削振动系统 a) 模型示意图 b）动力学模型 c）受力图,1、动力学模型的建立,4-6 机械加工中的强迫振动与抑制,二、强迫振动的数学描述及特定,1、动力学模型的建立,几点假设： 1）（a）只有质量、没有弹性的集中质量，（b）只有弹性、没有质量的集中弹簧； 2）阻尼力在线性范围内，即：,3）系统在平衡位置附近作微小的振动。,4-6 机械加工中的强迫振动与抑制,二、强迫振动的数学描述及特定,根据牛顿运动规律建立微分方程：,式中 衰减系数，,0系统无阻尼振动时的固有频率，,激振力频率,该式是一个二阶常系数线性非齐次微分方程。根据微分 方程理论，当系统为小阻尼时，它的解由令,而得到的,齐次方程的通解和非齐次方程的一个特解组成：,1、动力学模型的建立,4-6 机械加工中的强迫振动与抑制,二、强迫振动的数学描述及特定,等式右边第一项表示具有粘性阻尼的自由振动，如(a)所示；第二项表示有阻尼的强迫振动，如(b)所示；二者叠加后的振动过程如图(c)所示。经过一段时间后，衰减振动会很快衰减掉了，而强迫振动则持续下去，形成振动的稳态过程。,4-5 机械加工中振动的基本概念,二、强迫振动的数学描述及特定,进入稳态后的振动方程(即特解)为：,式中 A强迫振动的幅值； 振动体位移相对于激振力的相位角； t 时间 其中强迫振动的振幅为：,相位角为：,1、动力学模型的建立,4-6 机械加工中的强迫振动与抑制,二、强迫振动的数学描述及特定,式中 q： q =F0/m； A0： 系统在静力F0作用下的静位移(m),k系统的静刚度(N/m)；,频率比，/0 D阻尼比，,cc临界阻尼系数，,1、动力学模型的建立,4-6 机械加工中的强迫振动与抑制,二、强迫振动的数学描述及特定,1）强迫振动是由周期性激振力引起的，不会被阻尼衰减掉，振动本身也不能使激振力变化。 2）强迫振动的振动频率与外界激振力的频率相同，而与系统的固有频率无关。 3）强迫振动的幅值既与激振力的幅值有关，又与工艺系统的特性有关。 激振力的影响：A0=F0/k,2、强迫振动的特征,4-6 机械加工中的强迫振动与抑制,二、强迫振动的数学描述及特定,）当0时，1， 1时， 0， 1.4区域称为惯性区，在该区增加振动体的质量，可减小振动振幅。, 频率比的影响,2、强迫振动的特征,4-6 机械加工中的强迫振动与抑制,二、强迫振动的数学描述及特定,动态放大系数：,2、强迫振动的特征,4-6 机械加工中的强迫振动与抑制,二、强迫振动的数学描述及特定,幅频曲线,静刚度k=F0/A0是工艺系统本身的属性，在线性范围内，可以认为它与外载荷无关，动刚度kd除与k成正比外，还与系统阻尼、频率比和阻尼比D有关。静刚度影响工件的几何形状及尺寸精度，动刚度影响工件的表面粗糙度。,3、振动系统的动刚度,4-6 机械加工中的强迫振动与抑制,二、强迫振动的数学描述及特定,当系统在周期性动载荷作用下，交变力的幅值与振幅（动态位移）之比称为系统的动刚度。即：,（4）强迫振动的角相位 相频特性曲线 1.相位角总为正值; 2.阻尼比等于零时, 3.共振时的相位角为90度: 4阻尼增大,曲线变缓.,减小激振力 调整振源频率 提高工艺系统的刚度和阻尼 采取隔振措施 采用减振装置。,4-6 机械加工中的强迫振动与抑制,三、减小强迫振动的措施,如果已经确认机械加工过程中发生了强迫振动，就要设法查找振源，以便去除振源或减小振源对加工过程的影响。由强迫振动的特征可知，强迫振动的频率总是与干扰力的频率相等或是它的倍数，我们可以根据强迫振动的这个规律去查找强迫振动的振源。,4-6 机械加工中的强迫振动与抑制,四、机械加工过程中强迫振动振源的查找方法,在实际加工过程中，由于偶然的外界干扰（如工件材料硬度不均、加工余量有变化等），会使切削力发生变化，从而使工艺系统产生自由振动。系统的振动必然会引起工件、刀具间的相对位置发生周期性变化，这一变化若又引起切削力的波动，则使工艺系统产生振动。因此通常将自激振动看成是由振动系统（工艺系统）和调节系统（切削过程）两个环节组成的一个闭环系统。 激励工艺系统产生振动运动的交变力是由切削过程本身产生的，而切削过程同时又受工艺系统的振动的控制，工艺系统的振动一旦停止，动态切削力也就随之消失。,4-7 机械加工中的自激振动与抑制,一、自激振动的产生及其特征,自激振动： 系统在没有周期性外力作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动，称为自激振动，简称颤振。,1、 自激振动的原理,自激振动： 机械加工过程中，在没有周期性外力作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动，称为自激振动；在金属切削过程中的自激振动一般称为切削颤振，简称颤振。,4-7 机械加工中的自激振动与抑制,一、自激振动的产生及其特征,电动机,机床振动系统,调节系统 (切削过程),振动位移 y(t),交变切削力 F(t),自激振动系统的组成,它由振动过程本身引起切 削力周期性变化，从不具 备交变特性的能源中周期 获得能量，使振动得以维持。,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。,自激振动的频率接近于系统 的固有频率，即颤振频率取 决于振动系统的固有特性。 这与自由振动相似，而与强 迫振动根本不同,4-7 机械加工中的自激振动与抑制,一、自激振动的产生及其特征,如图2a所示为单自由度机械加工振动模型。设工件系统为绝对刚体，振动系统与刀架相连，且只在y方向作单自由度振动。 在背向力Fp作用下，刀具作切入、切出运动（振动）。 刀架振动系统同时还有F弹作用在它上面。y越大，F弹也越大。 对上述振动系统而言，背向力Fp是外力，Fp对振动系统作功如图2b所示。 刀具切入，其运动方向与背向力方向相反，作负功；即振动系统要消耗能量W振入； 刀具切出，其运动方向与背向力方向相同，作正功；即振动系统要吸收能量W振出；,产生自激振动的条件,4-7 机械加工中的自激振动与抑制,一、自激振动的产生及其特征,图2 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,4-7 机械加工中的自激振动与抑制,一、自激振动的产生及其特征,产生自激振动的条件,（1）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。,4-7 机械加工中的自激振动与抑制,一、自激振动的产生及其特征,产生自激振动的条件, 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,4-7 机械加工中的自激振动与抑制,一、自激振动的产生及其特征,产生自激振动的条件,4-7 机械加工中的自激振动与抑制,二、产生自激振动的学说再生颤振,1、再生颤振原理,如图3a)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3 自由正交切削时再生颤振的产生,4-7 机械加工中的自激振动与抑制,二、产生自激振动的学说再生颤振,1、再生颤振原理,切削模型： y0表示前次切削的表面 y表示后次切削的表面 刀具切出工件时，切削力做正功，切入工件时做负功。,4-7 机械加工中的自激振动与抑制,2、再生颤振产生的条件,二、产生自激振动的学说再生颤振,图a)：y比y0超前一个相位角，使刀具在切入工件的半个周期中平均切削厚度比切出时大，平均切削力也大，切削力对系统做的正功小于负功，正功负功，振动消失。 图b): y与y0同相位角，=0,正功=负功，不产生自激振动。 图c): y比y0滞后一个相位角，正功负功，有能量输入系统补偿阻尼对能量的消耗，产生自激振动。,4-7 机械加工中的自激振动与抑制,2、再生颤振产生的条件,二、产生自激振动的学说再生颤振,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。,一般 01，径向切入=1（切槽、钻等） 车螺纹， =0，无重迭切削 重迭系数越大，由前一次波纹激发的动态力影响越大。,重迭系数：前一次切削工件表面形成的波纹面宽度在相继的后一次切削的有效宽度中所占的比例，用表示。, =( B - f ) / B B切削宽度， f 进给量。,3、重迭系数对再生颤振的影响,二、产生自激振动的学说再生颤振,4-7 机械加工中的自激振动与抑制,当纵车方牙螺纹的外圆表面如图所示，刀具并未发生重叠切削，若按再生颤振原理，则不应该产生颤振。但在实际加工中，当切削深度达到一定值时，仍会发生颤振，这可以用振型耦合原理来解释。,4-7 机械加工中的自激振动与抑制,二、产生自激振动的学说振型耦合颤振,振型耦合颤振原理,纵车方牙螺纹外表面,图6 两个自由度的耦合振动模型 a）切削模型 b）动力学模型,图6是两个自由度振型耦合颤振动力学模型 刀具等效质量为 m，相互垂直的等效刚度系数分别为k1、k2（设k1 k2）刚度低的方向振型为x1，刚度高的方向振型为x2。,当刀架系统以的频率振动时，质量m在x1、x2两个方向上以不同的振幅和相位进行振动，其合成运动轨迹近似椭圆E。 若ABC切入；CDA切出，由于切出时的平均切削厚度大于切入时的平均切削厚度，正功大于负功，在一个振动周期内，有多余的能量输入振动系统。因此，振动得以维持。反之，则不能维持。 振型耦合模型至少要有两个自由度 的振动系统。,4-7 机械加工中的自激振动与抑制,二、产生自激振动的学说振型耦合颤振,振型耦合颤振原理,刀尖运动轨迹为椭圆,其方向如图A-B-C-D-A 在前半周期中，A-B-C，F与运动方向相反，做负功 在后半周期中，C-D-A，F与运动同向，做正功 正功大于负功，振动得以维持。 的必要条