机械加工表面质量的影响因素与控制途径

机械设计制造及其自动化第四章

机械加工表面质量4.14.24.34.44.5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。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耐磨性、抗腐蚀性、配合质量和疲劳强度等，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。4-1

加工表面质量的基本概念一、概述吸附层

<8nm基体材料纤维层压缩区

几十~几百微米热影响区显微硬度残余应力加工表面层沿深度变化示意图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/H1＜40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40＜L2/H2＜1000的范围，波距=1~10mm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

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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)H1L2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

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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耐磨性的影响因素：

摩擦副的材料；润滑条件；表面质量(接触面积)。4-1加工表面质量量的基本概念念二、表面质量量对零件使用用性能的影响响1、表面质量量对耐磨性的的影响零件磨损三个个阶段：初期磨损阶段段；正常磨损损阶段；剧烈烈磨损阶段磨损过程的基基本规律零件耐磨性的的影响因素：：摩擦副的材料料；润滑条件件；表面质量量(接触面积)。（1）表面粗糙度度对零件耐磨磨性的影响表面粗糙度太太大和太小都都不耐磨表面粗糙度太太大，接触表表面的实际压压强增大，粗粗糙不平的凸凸峰相互咬合合、挤裂、切切断，故磨损损加剧；表面粗糙度太太小，也会导导致磨损加剧剧。因为表面面太光滑，存存不住润滑油油，接触面间间不易形成油油膜，容易发发生分子粘结结而加剧磨损损。4-1加工表面质量量的基本概念念二、表面质量量对零件使用用性能的影响响1、表面质量量对耐磨性的的影响（1）表面粗糙度度对零件耐磨磨性的影响表面粗糙度的的最佳值与机机器零件的工工作情况有关关，载荷加大时时，磨损曲线线向上、向右右移动，最佳佳表面粗糙度度值也随之右右移。4-1加工表表面质质量的的基本本概念念二、表表面质质量对对零件件使用用性能能的影影响1、表表面质质量对对耐磨磨性的的影响响初期磨磨损量量与粗粗糙度度的关关系4-1加工表表面质质量的的基本本概念念二、表表面质质量对对零件件使用用性能能的影影响（2）表面面层的的冷作作硬化化对零零件耐耐磨性性的影影响加工表表面的的冷作作硬化化，一一般能能提高高零件件的耐耐磨性性。因为它它使磨磨擦副副表面面层金金属的的显微微硬度度提高高，塑塑性降降低，，减少少了摩摩擦副副接触触部分分的弹弹性变变形和和塑性性变形形。并非冷冷作硬硬化程程度越越高，，耐磨磨性就就越高高。这是因因为过过分的的冷作作硬化化，将将引起起金属属组织织过度度“疏疏松””，在在相对对运动动中可可能会会产生生金属属剥落落，在在接触触面间间形成成小颗颗粒，，使零零件加加速磨磨损。。1、表表面质质量对对耐磨磨性的的影响响T7A钢车削削后不不同冷冷硬度度与耐耐磨性性的关关系HB磨损量量(μm)4-1加工表表面质质量的的基本本概念念二、表表面质质量对对零件件使用用性能能的影影响（3）表面面层产产生的的金相相组织织变化化零件件耐磨磨性的的影响响金相组组织的的变化化引起起基体材材料硬硬度的的变化化，进而而影响响零件件的耐耐磨性性。1、表表面质质量对对耐磨磨性的的影响响（1）表面面粗糙糙度对对零件件疲劳劳强度度的影影响对承受受交变变载荷荷零件件的疲疲劳强强度影影响很很大。。在交交变载载荷作作用下下，表表面粗粗糙度度的凹凹谷部部位、、划痕痕和裂裂纹等等容易易引起起应力力集中中，产产生疲疲劳裂裂纹。。表面粗粗糙度度越大大，抗抗疲劳劳破坏坏的能能力越越差。。表面粗粗糙度度值越越小，，表面面缺陷陷越少少，工工件耐耐疲劳劳性越越好；；反之之，加加工表表面越越粗糙糙，表表面的的纹痕痕越深深，纹纹底半半径越越小，，其抗抗疲劳劳破坏坏的能能力越越差。。4-1加工表表面质质量的的基本本概念念二、表表面质质量对对零件件使用用性能能的影影响2、表表面质质量对对零件件疲劳劳强度度的影影响（2）表面面层冷冷作硬硬化与与残余余应力力对零零件疲疲劳强强度的的影响响适度的的表面面层冷冷作硬硬化能能提高高零件件的疲疲劳强强度。。残余应应力有有拉应应力和和压应应力之之分:残余拉拉应力力容易使使已加加工表表面产产生裂裂纹并并使其其扩展展而降低疲疲劳强强度残余压压应力力则能够够部分分地抵抵消工工作载载荷施施加的的拉应应力，，延缓缓疲劳劳裂纹纹的扩扩展，，从而而提高零零件的的疲劳劳强度度。4-1加工表表面质质量的的基本本概念念二、表表面质质量对对零件件使用用性能能的影影响2、表表面质质量对对零件件疲劳劳强度度的影影响（1）表表面面粗粗糙糙度度对对零零件件配配合合精精度度的的影影响响表面粗糙度较较大，则降低低了配合精度度。（2）表面残余应应力对零件配配合精度的影影响表面层有较大大的残余应力力，就会影响响它们精度的的稳定性。4-1加工表面质量量的基本概念念二、表面质量量对零件使用用性能的影响响3、表面质量量对零件配合合精度的影响响（1）表面粗糙度度对零件耐腐腐蚀性能的影影响零件表面越粗粗糙，越容易易积聚腐蚀性性物质，凹谷谷越深，渗透透与腐蚀作用用越强烈。因此减小零件表面面粗糙度，可可以提高零件件的耐腐蚀性性能。（2）表面残余应应力对零件耐耐腐蚀性能的的影响零件表面残余压应力使零件表面紧紧密，腐蚀性性物质不易进进入，可增强零件的的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则则降低零件耐耐腐蚀性。表面质量对零零件使用性能能还有其它方方面的影响：：如减小表面粗粗糙度可提高高零件的接触触刚度、密封封性和测量精精度；对滑动动零件，可降降低其摩擦系系数，从而减减少发热和功功率损失。4-1加工表面质量量的基本概念念二、表面质量量对零件使用用性能的影响响4、表面质量量对零件耐腐腐蚀性能的影影响减小表面粗糙糙度可提高零零件的接触刚刚度、密封性性和测量精度度；对滑动零零件，可降低低其摩擦系数数，从而减少少发热和功率率损失。表面层的残余余应力会使零零件在使用过过程中继续变变形，失去原原来的精度，，降低机器的的工作质量。。4-1加工表面质量量的基本概念念二、表面质量量对零件使用用性能的影响响5、表面质量量对零件其它它使用性能的的影响零件表面质量量粗糙度太大、、太小都不耐耐磨适度冷硬能提提高耐磨性对疲劳强度的的影响对耐磨性的影影响对耐腐蚀性能能的影响对工作精度的的影响粗糙度越大，，疲劳强度越越差适度冷硬、残残余压应力能能提高疲劳强强度粗糙度越大、、工作精度降降低残余应力越大大，工作精度度降低粗糙度越大，，耐腐蚀性越越差压应力提高耐耐腐蚀性，拉拉应力反之则则降低耐腐蚀蚀性4-1加工表面质量量的基本概念念二、表面质量量对零件使用用性能的影响响4-2机械加工表面面的粗糙度及及其影响因素素一、切削加工工后的表面粗粗糙度机械加工中，，表面粗糙度度形成的原因因大致可归纳纳为几何因素和物理力学因素两个方面面。粗糙度的测量量方法？参数及数值/um取样长度/mm评定长度/mmRaRz、Ry≥0.008~0.02≥0.025~0.100.080.4>0.02~0.1>0.10~0.500.251.25>0.1~2.0>0.50~10.00.84.0>2.0~10.0>10.0~50.02.512.5>10.0~80.0>50~3208.040.01、切削加工工表面粗糙度度的形成4-2机械加工表面面的粗糙度及及其影响因素素一、切削加工工后的表面粗粗糙度1、切削加工工表面粗糙度度的形成及影影响因素(1)几何因素刀尖圆弧半径径rε主偏角kr、副偏角kr′进给量f(2)物理力学因素素4-2机械加工表面面的粗糙度及及其影响因素素一、切削加工工后的表面粗粗糙度1、切削加工工表面粗糙度度的形成被加工材料的的性能——塑性变形的影响切削过程中刀刀具的刃口圆圆角及后刀面面对工件挤压压与摩擦而产产生塑性变形形。与切削机理有有关的物理因因素——刀瘤和鳞刺的影响4-2机械加工表面面的粗糙度及及其影响因素素一、切削加工工后的表面粗粗糙度1、切削加工工表面粗糙度度的形成(2)物理力学因素素刀瘤对工件表表面质量的影影响切削过程中切切屑底层和前前刀面发生冷冷焊的结果。。4-2机械加工表面面的粗糙度及及其影响因素素一、切削加工工后的表面粗粗糙度鳞刺的产生：：切屑在前刀面面上的摩擦和和冷焊作用造造成周期性的的停留，代替替刀具推挤切切削层，造成成切削层和工工件之间出现现撕裂现象。。1、切削加工工表面粗糙度度的形成(2)物理力学因素素鳞刺的形成：：抹试阶段、、导裂阶段、、层积阶段、、刮成阶段①工件材料的影响韧性材料：工件材料韧性性愈好，金属属塑性变形愈愈大，加工表表面愈粗糙。。故对中碳钢钢和低碳钢材材料的工件，，为改善切削削性能，减小小表面粗糙度度，常在粗加加工或精加工工前安排正火火或调质处理理。脆性材料：加工粗糙度接接近理论值。。加工脆性材料料时，其切削削呈碎粒状，，由于切屑的的崩碎而在加加工表面留下下许多麻点，，使表面粗糙糙。4-2机械加工表面面的粗糙度及及其影响因素素一、切削加工工后的表面粗粗糙度2、切削加工工表面粗糙度度的影响因素素②切削速度的影响加工塑性材料料时，切削速度对表面粗糙度度的影响如图图所示。积屑屑瘤和鳞刺仅仅在低速时产产生。切削速速度越高，塑塑性变形越不不充分，表面面粗糙度值越越小；选择低低速宽刀精切切和高速精切切，可以得到到较小的表面面粗糙度。4-2机械加工表面面的粗糙度及及其影响因素素一、切削加工工后的表面粗粗糙度2、切削加工工表面粗糙度度的影响因素素加工塑性材料料时切削速度度对表面粗糙糙度的影响实线——只考虑塑性变变形的影响虚线——考虑刀瘤和鳞鳞刺的影响④其它因素的影响合理使用冷却润滑液，适当增大刀具的前角，提高刀具的刃磨质质量等，均能有效效地减小表面面粗糙度值。。③进给量的影响减小进给量f固然可以减小小表面粗糙度度值，但进给给量过小，表表面粗糙度会会有增大的趋趋势。4-2机械加工表面面的粗糙度及及其影响因素素一、切削加工工后的表面粗粗糙度2、切削加工工表面粗糙度度的影响因素素影响切削加工表面粗糙度的因素刀具几何形状刀具材料、刃磨质量切削用量工件材料残留面积↓→Ra↓前角↑→Ra↓后角↑→摩擦↓→Ra↓刃倾角会影响实际工作前角v↑→Ra↓f↑→Ra↑ap对Ra影响不大，太小会打滑，划伤已加工表面材料塑性↑→Ra↑同样材料晶粒组织大↑→Ra↑，常用正火、调质处理刀具材料强度↑→Ra↓刃磨质量↑→Ra↓冷却、润滑↑→Ra↓4-2机械加工表面面的粗糙度及及其影响因素素一、切削加工工后的表面粗粗糙度工件的磨削表表面是由砂轮轮上大量磨粒粒刻划出无数数极细的刻痕痕形成的，工工件单位面积积上通过的砂砂粒数越多，，则刻痕越多多，刻痕的等等高性越好，，表面粗糙度度值越小。4-2机械加工表面面的粗糙度及及其影响因素素二、磨削加工工后的表面粗粗糙度1、磨削加工工后表面粗糙糙度磨削速度比比一般切削削速度高得得多，且磨磨粒大多数数是负前角角，切削刃刃又不锐利利，大多数数磨粒在磨磨削过程中中只是对被被加工表面面挤压，没没有切削作作用。加工工表面在多多次挤压下下出现沟槽槽与隆起，，又由于磨磨削时的高高温更加剧剧了塑性变变形，故表表面粗糙度度值增大。。4-2机械加工表表面的粗糙糙度及其影影响因素二、磨削加加工后的表表面粗糙度度1、磨削加加工后表面面粗糙度磨粒在工件件上的刻痕痕(1)砂轮的磨粒粒4-2机械加工表表面的粗糙糙度及其影影响因素二、磨削加加工后的表表面粗糙度度磨粒在砂轮上的的分布越均均匀、磨粒粒越细，刃刃口的等高高性越好。。则砂轮单单位面积上上参加磨削削的磨粒越越多，磨削削表面上的的刻痕就越越细密均匀匀，表面粗粗糙度值就就越小。2、磨削中中影响粗糙糙度的因素素(2)砂轮修整砂轮修整除了使砂轮轮具有正确确的几何形形状外，更更重要的是是使砂轮工工作表面形形成排列整整齐而又锐锐利的微刃刃。因此，，砂轮修整整的质量对对磨削表面面的粗糙度度影响很大大。砂轮转速越高，单位位时间内通通过被磨表表面的磨粒粒数越多，，表面粗糙糙度值就越越小。工件速度对表面粗糙糙度值的影影响刚好与与砂轮转速速的影响相相反。工件件的速度增增大，通过过加工表面面的磨粒数数减少，因因此表面粗粗糙度值增增大。砂轮的纵向向进给量小于砂轮的的宽度时，，工件表面面将被重叠叠切削，而而被磨次数数越多，工工件表面粗粗糙度值就就越小。为提高磨削削效率，通通常在开始始磨削时采采用较大的的径向进给给量，而在在磨削后期期采用较小小的径向进进给量或无无进给量磨磨削，以减减小表面粗粗糙度值。。(3)磨削用量4-2机械加工表表面的粗糙糙度及其影影响因素二、磨削加加工后的表表面粗糙度度2、磨削中中影响粗糙糙度的因素素(4)工件材料太硬易使磨磨粒磨钝→→Ra↑；太软容易堵堵塞砂轮→→Ra↑；韧性太大，，热导率差差会使磨粒粒早期崩落落→Ra↑。4-2机械加工表表面的粗糙糙度及其影影响因素二、磨削加加工后的表表面粗糙度度2、磨削中中影响粗糙糙度的因素素影响磨削加工表面粗糙度的因素

粒度↓→Ra↓

金刚石笔锋利↑，修正导程、径向进给量↓→Ra↓磨粒等高性↑→Ra↓硬度↑→钝化磨粒脱落↓→Ra↑硬度↓→磨粒脱落↑→Ra↑硬度合适、自励性好↑→Ra↓太硬、太软、韧性、导热性差↑→Ra↓砂轮粒度工件材料性质砂轮修正磨削用量砂轮硬度砂轮V↑→Ra↓ap、工件V↑→塑变↑→Ra↑粗磨ap↑→生产率↑精磨ap↓→Ra↓(ap=0光磨)4-2机械加工表表面的粗糙糙度及其影影响因素二、磨削加加工后的表表面粗糙度度在切削加工工中，工件件由于受到到切削力和和切削热的的作用，使使表面层金金属的物理理机械性能能产生变化化，最主要要的变化是是表面层冷作作硬化、金相组织的的变化和残余应力的的产生。由于磨削削加工时所所产生的塑塑性变形和和切削热比比刀刃切削削时更严重重，因而磨磨削加工后后加工表面面层上述三三项物理机机械性能的的变化会很很大。4-3机械加工后后表面物理理机械性能能的变化影响表面层层物理力学学性能的主主要因素表面物理力力学性能影响金相组织变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的冷硬金相组织变变化引起的的硬度变化化冷塑性变形形热塑性变形形金相组织变变化切削热4-3机械加工后后表面物理理机械性能能的变化冷作硬化金相组织变变化残余应力表现形式切削或磨削削加工中，，表面层金金属由于塑塑性变形使使晶格扭曲曲、畸变，，晶粒间产产生剪切滑滑移,晶粒被拉长长和纤维化化，甚至破破碎，引起起材料的强强化（使表表面层金属属的硬度和和强度提高高），这种种现象称为为加工硬化，又称冷作硬化或强化。4-3机械加工后后表面物理理机械性能能的变化一、加工表表面的冷作作硬化1、冷作硬硬化的概念念衡量表面层层加工硬化程程度的指标有下下列三项：：1）表面层的的显微硬度度H；2）硬化层深深度h；3）硬化程度度NN=(H-H0)/H0×100％式中H0——工件原表面面层的显微微硬度。4-3机械加工后后表面物理理机械性能能的变化一、加工表表面的冷作作硬化2、衡量表表面层加工工硬化的指指标表面层冷作作硬化的程程度决定于于产生塑性变变形的力、变形速度及变形时的温温度。力越大，，塑性变形形越大，则则硬化程度度越大；速速度越大，，塑性变形形越不充分分，则硬化化程度越小小；变形时时的温度不不仅影响塑塑性变形程程度，还会会影响变形形后金相组组织的恢复复程度。4-3机械加工后后表面物理理机械性能能的变化一、加工表表面的冷作作硬化3、影响冷冷作硬化的的主要因素素⑴刀具几何形形状的影响响切削刃rε↑、前角↓、、后面磨损损量VB↑→表层金属的的塑变加剧剧→冷硬↑↑⑵切削用量的的影响切削速度v↑→温度升高，，冷硬恢复复；刀具、工件件接触时间间短，塑变变↓→冷硬硬↓f↑→切削力↑→→塑变↑→→冷硬↑f较小→刀具刃口口圆角在加加工表面单单位长度上的挤压次次数增多↑↑→冷硬↑↑⑶工件材料性性能的影响响材料塑性↑↑→冷硬↑↑4-3机械加工后后表面物理理机械性能能的变化一、加工表表面的冷作作硬化3、影响冷冷作硬化的的主要因素素4-3机械加工后后表面物理理机械性能能的变化二、机械加加工后表面面层金相组组织的变化化——热变质层切削加工中中，由于切切削热的作作用，在工工件的加工工区及其邻邻近区域产产生了一定定的温升。。定义：磨削加工时时，表面层层有很高的的温度，当当温度达到到相变临界界点时，表表层金属就就发生金相相组织变化化，强度和和硬度降低低、产生残残余应力、、甚至出现现微观裂纹纹，这种现现象称为磨削烧伤。淬火钢在磨磨削时，由由于磨削条条件不同，，产生的磨磨削烧伤有有三种形式式。1.表面层金相相组织变化化与磨削烧烧伤的产生生淬火烧伤回火烧伤退火烧伤4-3机械加工后后表面物理理机械性能能的变化二、机械加加工后表面面层金相组组织的变化化——热变质层2.磨削烧伤的的三种形式式磨削时，当当工件表面面层温度超超过相变临临界温度Ac3时，则马氏氏体转变为为奥氏体。。若此时无无冷却液，，表层金属属空冷冷却却比较缓慢慢而形成退退火组织。。硬度和强强度均大幅幅度下降。。这种现象象称为退火烧伤。磨削时，如如果工件表表面层温度度只是超过过原来的回回火温度，，则表层原原来的回火火马氏体组组织将产生生回火现象象而转变为为硬度较低低的回火组组织（索氏氏体或屈氏氏体），这这种现象称称为回火烧伤。磨削时工件件表面温度度超过相变变临界温度度Ac3时，则马氏氏体转变为为奥氏体。。在冷却液液作用下，，工件最外外层金属会会出现二次次淬火马氏氏体组织。。其硬度比比原来的回回火马氏体体高，但很很薄，其下下为硬度较较低的回火火索氏体和和屈氏体。。由于二次次淬火层极极薄，表面面层总的硬硬度是降低低的，这种种现象称为为淬火烧伤。4-3机械加工后后表面物理理机械性能能的变化二、、机机械械加加工工后后表表面面层层金金相相组组织织的的变变化化———热变变质质层层距表层距离Ⅰ：二次淬火层Ⅱ：高温回火层Ⅲ：低温回火层Ⅳ：正常组织2.磨削削烧烧伤伤的的三三种种形形式式1)砂轮轮转转速速↑↑→→磨削削烧烧伤伤↑↑2)径向向进进给给量量fp↑→→磨削削烧烧伤伤↑↑3)轴向向进进给给量量fa↑→→磨削削烧烧伤伤↓↓4)工件件速速度度vw↑→→磨磨削削烧烧伤伤↓↓1)磨削削时时，，砂砂轮轮表表面面上上磨磨粒粒的的切切削削刃刃口口锋锋利利↑↑→→磨磨削削力力↓↓→→磨磨削削区区的的温温度度↓↓2)磨削削导导热热性性差差的的材材料料(耐热热钢钢、、轴轴承承钢钢、、不不锈锈钢钢)↓↓→→磨削削烧烧伤伤↑↑3)应合合理理选选择择砂砂轮轮的的硬硬度度、、结结合合剂剂和和组组织织→→磨磨削削烧烧伤伤↓↓磨削削用用量量砂轮轮与与工件件材材料料4-3机械械加加工工后后表表面面物物理理机机械械性性能能的的变变化化二、、机机械械加加工工后后表表面面层层金金相相组组织织的的变变化化———热变变质质层层3.影响响磨磨削削烧烧伤伤的的因因素素及及改改善善途途径径———降温温、、散散热热采用用内内冷冷却却法法→→磨磨削削烧烧伤伤↓↓改善善冷冷却却条条件件4-3机械械加加工工后后表表面面物物理理机机械械性性能能的的变变化化二、、机机械械加加工工后后表表面面层层金金相相组组织织的的变变化化———热变变质质层层3.影响响磨磨削削烧烧伤伤的的因因素素及及改改善善途途径径内冷冷却却装装置置1－锥锥形形盖盖2－通通道道孔孔3－砂砂轮轮中中心心孔孔4－有有径径向向小小孔孔的的薄薄壁壁套套间断断磨磨削削→→受受热热↓↓→→磨磨削削烧烧伤伤↓↓采用用开开槽槽砂砂轮轮4-3机械械加加工工后后表表面面物物理理机机械械性性能能的的变变化化二、、机机械械加加工工后后表表面面层层金金相相组组织织的的变变化化———热变变质质层层3.影响响磨磨削削烧烧伤伤的的因因素素及及改改善善途途径径开槽槽砂砂轮轮a）等等距距开开槽槽b）变变距距开开槽槽4-3机械械加加工工后后表表面面物物理理机机械械性性能能的的变变化化三、、机机械械加加工工后后表表面面层层的的残残余余应应力力1.残余余应应力力的的定定义义定义义：：机机械械加加工工中中工工件件表表面面层层组组织织发发生生变变化化时时，，在在表表面面层层及及其其与与基基体体材材料料的的交交界界处处会会产产生生互互相相平平衡衡的的弹弹性性力力，，这这种种应应力力即即为为表表面面层层的的残余应力。冷塑性变形工件表面受到到挤压与摩擦擦，表层产生生伸长塑变，，基体仍处于于弹性变变形状态态。切削削后，表表层产生生残余压压应力，而而在里层层产生残残余拉伸伸应力。。热塑性变变形表层产生生残余拉拉应力，，里层产产生产生生残余压压应力金相组织织变化切削过程程产生的的高温会会引起表表面层的的相变，，表面层层金相变化化的结果果会造成成体积的的变化。。表面层层体积膨膨胀时因受到到基体的的限制产产生拉应应力；反反之，产产生压应应力。4-3机械加工工后表面面物理机机械性能能的变化化三、机械械加工后后表面层层的残余余应力2.表面层残残余应力力产生的的原因切削热在在表层金金属产生生残余拉拉应力的的示意图图4-3机械加工工后表面面物理机机械性能能的变化化三、机械械加工后后表面层层的残余余应力磨削裂纹纹和残余余应力有有着十分分密切的的关系。。在磨削过过程中，，当工件件表面层层产生的的残余应应力超过过工件材材料的强强度极限限时，工工件表面面就会产产生裂纹纹。磨削裂纹纹常与烧烧伤同时时出现。。磨削裂纹纹的产生生与材料料性质及及热处理理工序有有很大关关系。磨磨削硬质质合金时时，由于于其脆性性大，抗抗拉强度度低以及及导热性性差，所所以特别别容易产产生磨削削裂纹。。磨削合合碳量高高的淬火火钢时，，由于其其晶界脆脆弱，也也容易产产生磨削削裂纹。。4-3机械加工工后表面面物理机机械性能能的变化化三、机械械加工后后表面层层的残余余应力3.磨削裂纹纹机械加工工后工件件表面层层的残余余应力是是冷态塑塑性变形形、热态态塑性变变形和金金相组织织变化的的综合结结果。切切削加工工时起主主要作用用的往往往是冷态态塑性变变形，表表面层常常产生残残余压缩缩应力。。磨削加加工时起起主要作作用的通通常是热热态塑性性变形或或金相组组织变化化引起的的体积变变化，表表面层常常产生残残余拉伸伸应力。。4-3机械加工工后表面面物理机机械性能能的变化化三、机械械加工后后表面层层的残余余应力4.影响表面面残余应应力的主主要因素素4-4控制加工工表面质质量的途途径对零件使使用性能能危害甚甚大的残残余拉应应力、磨磨削烧伤伤和磨削削裂纹均均起因于于磨削热热，所以以如何降降低磨削削热并减减少其影影响是生生产上的的一项重重要问题题。解决决的原则：一是减少少磨削热热的发生生，二是是加速磨磨削热的的传出。。提高表面面质量的的工艺途途径大致致可以分分为两类类：一类类是用低低效率、、高成本本的加工工方法，，寻求各各工艺参参数的优优化组合合，以减小表面面粗糙度度；另一类类是着重重改善工工件表面面的物理理力学性性能，以以提高其表表面质量量。4-4控制加工工表面质质量的途途径一、选择择合理的的磨削参参数生产中比比较可行行的办法法是通过过试验来来确定磨磨削参数数：先按按初步选选定的磨磨削参数数试磨，，检查工工件表面面热损伤伤情况，，据此调调整磨削削参数直直至最后后确定下下来。另另一种方方法是在在磨削过过程中连连续测量量磨削区区温度，，然后控控制磨削削参数。。光整加工工是用粒粒度很细细的磨料料对工件件表面进进行微量量切削和和挤压、、擦光的的过程。。光整加加工工艺艺所使用用的工具具都是浮浮动连接接，由加加工面自自身导向向，而相相对于工工件的定定位基准准没有确确定的位位置，所所使用的的机床也也不需要要具有非非常精确确的成形形运动。。这些加加工方法法的主要要作用是是降低表表面粗糙糙度，一一般不能能纠正形形状和位位置误差差，加工工精度主主要由前前面工序序保证。。光整加工工工艺方方法有珩珩磨、超超精加工工、研磨磨、抛光光等。4-4控制加工工表面质质量的途途径二、光整整加工工工艺4-4控制加工工表面质质量的途途径二、光整整加工工工艺超精加工工：用细粒度度油石，，在较低低的压力力和良好好的冷却却润滑条条件下，，以快而而短促的的往复运运动，对对低速旋旋转的工工件进行行振动研研磨的一一种微量量磨削加加工方法法。珩磨：利用珩磨磨工具对对工件表表面施加加一定的的压力，，同时珩珩磨工具具还要相相对工件件完成旋旋转和直直线往复复运动，，以去除除工件表表面的凸凸峰的一一种加工工方法。。珩磨后后工件圆圆度和圆圆柱度一一般可控控制在0.003~0.005mm，尺寸精精度可达达IT6~IT5，表面粗粗糙度在在Ra0.2~0.025μm之间。4-4控制加工工表面质质量的途途径二、光整整加工工工艺研磨：利用研研磨工工具和和工件件的相相对运运动，，在研研磨剂剂的作作用下下，对对工件件表面面进行行光整整加工工的一一种加加工方方法。。研磨磨可采采用专专用的的设备备进行行加工工，也也可采采用简简单的的工具具，如如研磨磨心棒棒、研研磨套套、研研磨平平板等等对工工件表表面进进行手手工研研磨。。研磨磨可提提高工工件的的形状状精度度及尺尺寸精精度，，但不不能提提高表表面位位置精精度，，研磨磨后工工件的的尺寸寸精度度可达达0.001mm，表面面粗糙糙度可可达Ra0.025~0.006μm。对于承承受高高应力力、交交变载载荷的的零件件可以以采用用喷丸丸、液液压、、挤压压等表表面强强化工工艺使使表面面层产产生残残余压压应力力和冷冷硬层层并降降低表表面粗粗糙度度值，，从而而提高高耐疲疲劳强强度及及抗应应力腐腐蚀性性能。。但是是采用用强化化工艺艺时应应很好好控制制工艺艺参数数，不不要造造成过过度硬硬化，，否则则会使使表面面完全全失去去塑性性性质质，甚甚至引引起显显微裂裂纹和和材料料剥落落，带带来不不良的的后果果。4-4控制加加工表表面质质量的的途径径三、采采用冷冷压强强化工工艺4-4控制加加工表表面质质量的的途径径三、采采用冷冷压强强化工工艺1.喷丸喷丸强强化是利用用压缩缩空气气或离离心力力将大大量直直径为为0.4~4mm的珠丸丸高速速打击击零件件表面面，使使其产产生冷冷硬层层和残残余压压应力力，可可显著著提高高零件件的疲疲劳强强度。。珠丸丸可以以采用用铸铁铁、砂砂石以以及钢钢铁制制造。。所用用设备备是压压缩空空气喷喷丸装装置或或机械械离心心式喷喷丸装装置，，这些些装置置使珠珠丸能能以35~50mm/s的速度度喷出出。喷喷丸强强化工工艺可可用来来加工工各种种形状状的零零件，，加工工后零零件表表面的的硬化化层深深度可可达0.7mm，表面面粗糙糙度值值Ra可由3.2μm减小到到0.4μm，使用用寿命命可提提高几几倍甚甚至几几十倍倍。4-4控制加加工表表面质质量的的途径径三、采采用冷冷压强强化工工艺2.滚压加加工滚压加加工是是在常常温下下通过过淬硬硬的滚滚压工工具（（滚轮轮或滚滚珠））对工工件表表面施施加压压力，，使其其产生生塑性性变形形，将将工件件表面面上原原有的的波峰峰填充充到相相邻的的波谷谷中，，从而而以减减小了了表面面粗糙糙度值值，并并在其其表面面产生生了冷冷硬层层和残残余压压应力力，使使零件件的承承载能能力和和疲劳劳强度度得以以提高高。滚滚压加加工可可使表表面粗粗糙度度Ra值从1.25~5μμm减小到到0.8~0.63μμm，表面面层硬硬度一一般可可提高高20%～40%，表面面层金金属的的耐疲疲劳强强度可可提高高30%～50%。滚压压用的的滚轮轮常用用碳素素工具具钢T12A或者合合金工工具钢钢CrWMn、Cr12、CrNiMn等材料料制造造，淬淬火硬硬度在在62~64HRC；或用用硬质质合金金YG6、YT15等制成成。4-4控制加加工表表面质质量的的途径径三、采采用冷冷压强强化工工艺3.金刚石石压光光金刚石石压光光是一一种用用金刚刚石挤挤压加加工表表面的的新工工艺，，国外外已在在精密密仪器器制造造业中中得到到较广广泛的的应用用。压压光后后的零零件表表面粗粗糙度度可达达Ra0.4~0.02μμm，耐磨磨性比比磨削削后的的提高高1.5~3倍，但但比研研磨后后的低低20~40%，而生生产率率却比比研磨磨高得得多。。金刚刚石压压光用用的机机床必必须是是高精精度机机床，，它要要求机机床刚刚性好好、抗抗振性性好，，以免免损坏坏金刚刚石。。此外外，它它还要要求机机床主主轴精精度高高，径径向跳跳动和和轴向向窜动动在0.01mm以内，，主轴轴转速速能在在2500~6000r/min的范围围内无无级调调速。。机床床主轴轴运动动与进进给运运动应应分离离，以以保证证压光光的表表面质质量。。4-4控制加加工表表面质质量的的途径径三、采采用冷冷压强强化工工艺4.液体磨磨料强强化液体磨磨料强强化是是利用用液体体和磨磨料的的混合合物高高速喷喷射到到已加加工表表面，，以强强化工工件表表面，，提高高工件件的耐耐磨性性、抗抗蚀性性和疲疲劳强强度的的一种种工艺艺方法法。液体和和磨料料在400~800Pa压力下下，经经过喷喷嘴高高速喷喷出，，射向向工件件表面面，借借磨粒粒的冲冲击作作用，，碾压压加工工表面面，工工件表表面产产生塑塑性变变形，，变形形层仅仅为几几十微微米。。加工工后的的工件件表面面具有有残余余压应应力，，提高高了工工件的的耐磨磨性、、抗蚀蚀性和和疲劳劳强度度。4-4控制加加工表表面质质量的的途径径四、表表面质质量的的检查查1.表面粗粗糙度度的测测定2.冷作硬硬化的的测定定1）金相相法将试件件的侧侧面制制成金金相磨磨片，，腐蚀蚀后放放大200—1000倍，即即可从从其金金相组组织判判断硬硬化深深度及及程度度。2）X光法将一束束X光线照照射在在金属属上,射线将将在晶晶胞中中反射射出来来，在在光谱谱上得得出许许多成成虚线线的干干涉圈圈。如如果晶晶粒破破碎或或晶格格扭曲曲变形形时，，则干干涉圈圈变成成实线线；如如果晶晶格参参数有有变化化，则则干干涉圈圈将产产生位位移，，同时时强度度减弱弱，可可用胶胶片记记录其其结果果。利利用这这一原原理，，先照照出试试件基基体X光谱，，与加加工层层的X光谱比比较，，用机机械抛抛光或或电抛抛光逐逐次去去掉加加工层层，将将所照照X光谱比比较之之，直直至与与基体体一致致，即即可从从机械械抛光光等去去掉的的厚度度得到到硬化化深度度。4-4控制加工表表面质量的的途径四、表面质质量的检查查2.冷作硬化的的测定3）测量显微微硬度法a、HV值法：用机机械抛光或或电抛光逐逐层去除冷冷硬层，测测量其显微微硬度，直直至与基体体相同为止止，从去除除的厚度可可得到硬化化深度。b、

硬化化层深度h：在试件的的侧面磨出出金相磨片片，从外向向内打显微微硬度，从从其硬度变变化得知硬硬化深度，，如果硬化化层很薄，，则这种方方法不行。。c、

当硬硬化层很薄薄时，可在在斜切面上上测量显微微硬度。一一般斜切角角ε=0o30’～2o30’，h=Isinε，要注意斜斜切方向应应在纵向粗粗糙度上，，即与主运运动方向平平行，斜切切加工要用用研磨、电电加工等方方法，避免免在斜切面面上产生加加工硬化而而影响测量量效果。4-4控制加工表表面质量的的途径四、表面质质量的检查查2.冷作硬化的的测定4）脆性涂料料法5）激光全息息法6）再结晶法法4-4控制加工表表面质量的的途径四、表面质质量的检查查3.金相组织变变化的测定定(1)氧化膜法磨削烧伤时时，表面形形成氧化膜膜，随着烧烧伤时的温温不同，呈呈现不同颜颜色，从而而可看出其其烧程度。。(2)显微硬度法法由于磨削烧烧伤时表层层的显微硬硬度有变化化，故可从从显微硬度度来测定烧烧伤的程度度和深度。。具体方法法同上。(3)金相组织法法同上(4)酸洗法将工件加工工面浸泡在在硝酸溶液液（3～5%HNO3）中30～45s后，如表面面呈黑色则则有烧伤，，呈暗灰色色则无烧伤伤。4-4控制加工表表面质量的的途径四、表面质质量的检查查4.残余应力的的测定（1）物理化学学法将有残余应应力的试件件放人相应应的腐蚀剂剂中，表面面就会产生生裂纹。从从裂纹的方方向可以判判断残余应应力的性质质，纵向裂裂纹是由切切向应力引引起的，横横向裂纹是是由轴向拉拉应力引起起的。从裂裂纹出现的的时间，可可定性的估估计残余应应力的大小小。裂纹出出现愈快，，残余应力力愈大。所用腐蚀剂剂，对钢来来说是弱碱碱溶液，对对黄铜、锡锡青铜来说说是铵、汞汞盐。4-4控制加工表表面质量的的途径四、表面质质量的检查查4.残余余应应力力的的测测定定（2）光光谱谱法法在试试件件上上放放一一张张银银箔箔并并照照下下X光谱谱图图，，得得到到一一系系列列虚虚线线的的干干涉涉圈圈，，并并将将它它作作为为比比较较干干涉涉线线位位移移、、亮亮度度、、粗粗细细的的标标准准。。在在试试件件上上照照下下光光谱谱图图，，与与银银箔箔X光谱谱图图进进行行比比较较：：1）干干涉涉线线由由虚虚线线变变为为实实线线；；工工件件由由于于受受力力、、热热作作用用产产生生塑塑性性变变形形的的整整体体内内应应力力。。2）干干涉涉线线冲冲散散，，线线条条好好象象变变粗粗；；由由于于多多晶晶体体金金属属晶晶粒粒变变形形产产生生的的残残余余应应力力。。3）干干涉涉线线变变暗暗；；由由于于工工件件冷冷作作硬硬化化产产生生的的残残余余应应力力。。4）干干涉涉线线变变暗暗变变宽宽而而旁旁有有麻麻点点，，上上述述三三种种应应力力都都存存在在。。4-4控制制加加工工表表面面质质量量的的途途径径四、、表表面面质质量量的的检检查查4.残余余应应力力的的测测定定（3）机机械械法法这种种方方法法的的原原理理是是根根据据变变形形量量来来计计算算残残余余应应力力的的大大小小，，只只能能测测量量第第一一类类残残余余应应力力，，是是实实验验室室常常用用的的定定量量测测试试方方法法。。具具体体实实验验原原理理见见材材料料力力学学有有关关知知识识。。4-4控制制加加工工表表面面质质量量的的途途径径四、、表表面面质质量量的的检检查查5.裂纹纹的的测测定定如果果表表面面经经过过精精加加工工，，可可能能用用肉肉眼眼就就能能发发现现，，也也可可用用渗渗透透法法看看出出。。内内在在的的裂裂纹纹可可以以用用磁磁力力探探伤伤、、超超声声波波探探伤伤或或发发声声装装置置等等来来检检查查。。（1）磷磷粉粉探探伤伤（2）超超声声波波探探伤伤（3）涡流探伤法法（4）声发射检测测（5）显微分析法法机械加工过程程中产生的振振动，也和其其它的机械振振动一样，按按其产生的原原因可分为自由振动、强迫振动和自激振动三大类。4-5机械加工中振振动的基本概概念一、振动对机机械加工的影影响振动会在工件件加工表面出出现振纹，降降低了工件的的加工精度和和表面质量；；振动会引起刀刀具崩刃打刀刀现象并加速速刀具或砂轮轮的磨损；振动使机床连连接部分松动动，影响运动动副的工作性性能，并导致致机床丧失精精度；强烈的振动及及伴随而来的的噪声，还会会污染环境，，危害操作者者的身心健康康。为减小加加工过程中的的振动，有时时不得不降低低切削用量，，使机械加工工生产率降低低。机械加工振动动自激振动自由振动强迫振动当系统受到初初始干扰力激激励破坏了其其平衡状态后，，系统仅靠弹弹性恢复力来来维持的振动称称为自由振动动。由于总存存在阻尼，自由由振动将逐渐渐衰减。(占5%)系统在周期性性激振力(干扰力)持续作用下产生的振动动，称为强迫迫振动。强迫迫振动的稳态过过程是谐振动动，只要有激激振力存在振动动系统就不会会被阻尼衰减减掉。(占30%)在没有周期性性干扰力作用用的情况下，，由振动系统本本身产生的交交变力所激发发和维持的振动动，称为自激激振动。切削削过程中产生的的自激振动也也称为颤振。。(占65%)4-5机械加工中振振动的基本概概念二、机械加工工中振动的种种类及其主要要特点按工艺系统的的自由度数量量分：单自由度系统统振动：用一一个独立坐标标就可以确定定的振动；多自由度系统统振动：用多多个独立坐标标才能确定的的振动；4-5机械加工中振振动的基本概概念二、机械加工工中振动的种种类及其主要要特点强迫振动的振振源有来自机机床内部的机内振源和来自机床外外部的机外振源两大类。机外外振源甚多，，但它们都是是通过地基传传给机床的，，可通过加设设隔振地基来来隔离。4-6机械加工中的的强迫振动与与抑制一、强迫振动动产生的原因因强迫振动的振源系统外部的周周期性干扰力力旋转零件的质质量偏心传动机构的缺缺陷切削过程的间间隙特性机床电机的振振动机床高速旋转转件不平衡引引起的振动机床传动机构构缺陷引起的的振动，如齿齿轮的侧隙、、皮带张紧力力的变化等切削过程中的的冲击引起的的振动往复运动部件件的惯性力引引起的振动内圆磨削振动动系统a)模型示意图b）动力学模型型c）受力图1、动力学模型型的建立4-6机械加工中的的强迫振动与与抑制二、强迫振动动的数学描述述及特定1、动力学模型型的建立几点假设：1）（a）只有质量、、没有弹性的的集中质量，，（b）只有弹性、、没有质量的的集中弹簧；；2）阻尼力在线线性范围内，，即：3）系统统在平平衡位位置附附近作作微小小的振振动。。4-6机械加加工中中的强强迫振振动与与抑制制二、强强迫振振动的的数学学描述述及特特定根据牛牛顿运运动规规律建建立微微分方方程：：式中α—衰减系系数，，ω0—系统无无阻尼尼振动动时的的固有有频率率，ω—激振力力频率率该式是是一个个二阶阶常系系数线线性非非齐次次微分分方程程。根根据微微分方程理理论，，当系系统为为小阻阻尼时时，它它的解解由令令而得到到的齐次方方程的的通解解和非非齐次次方程程的一一个特特解组组成：：1、动力力学模模型的的建立立4-6机械加加工中中的强强迫振振动与与抑制制二、强强迫振振动的的数学学描述述及特特定等式右右边第第一项项表示示具有有粘性性阻尼尼的自自由振振动，，如(a)所示；；第二二项表表示有有阻尼尼的强强迫振振动，，如(b)所示；；二者者叠加加后的的振动动过程程如图图(c)所示。。经过过一段段时间间后，，衰减减振动动会很很快衰衰减掉掉了，，而强强迫振振动则则持续续下去去，形形成振振动的的稳态态过程程。4-6机械加加工中中振动动的基基本概概念二、强强迫振振动的的数学学描述述及特特定(a)(b)(c)进入稳稳态后后的振振动方方程(即特解解)为：式中A—强迫振振动的的幅值值；φ—振动体体位移移相对对于激激振力力的相相位角角；t—时间其中强强迫振振动的的振幅幅为：：相位角角为：：1、动力力学模模型的的建立立4-6机械加加工中中的强强迫振振动与与抑制制二、强强迫振振动的的数学学描述述及特特定式中f—f=F0/m；A0—系统在在静力力F0作用下下的静静位移移(m)k—系统的的静刚刚度(N/m)；λ—频率比比，λ＝ω/ωω0ζ—阻尼比比，δc—临界阻阻尼系系数，，1、动力力学模模型的的建立立4-6机械加加工中中的强强迫振振动与与抑制制二、强强迫振振动的的数学学描述述及特特定1）强迫迫振动动是由由周期期性激激振力力引起起的，，不会会被阻阻尼衰衰减掉掉，振振动本本身也也不能能使激激振力力变化化。2）强迫迫振动动的振振动频频率与与外界界激振振力的的频率率相同同，而而与系系统的的固有有频率率无关关。3）强迫迫振动动的幅幅值既既与激激振力力的幅幅值有有关，，又与与工艺艺系统统的特特性有有关。。①激激振力力的影影响：：A0=F0/k2、强迫迫振动动的特特征4-6机械加加工中中的强强迫振振动与与抑制制二、强强迫振振动的的数学学描述述及特特定Ⅰ）当当λ→→0时，，η→1，λ<0.6~0.7，准准静静态态区区，，在在该该区区增增加加系系统统静静刚刚度度，，可可减减小小振振动动。。Ⅱ）当当λ→→1时，，η会急急剧剧增增大大，，此此现现象象称称为为共共振振，，0.7<λλ<1.4的区区域域称称为为共共振振区区，，在在该该区区增增大大阻阻尼尼→→共共振振↓↓Ⅲ）当当λ>>1时，，η→0，λ>1.4区域域称称为为惯惯性性区区，，在在该该区区增增加加振振动动体体的的质质量量，，可可减减小小振振动动振振幅幅。。②频率率比比λ的影影响响2、强强迫迫振振动动的的特特征征4-6机械械加加工工中中的的强强迫迫振振动动与与抑抑制制二、、强强迫迫振振动动的的数数学学描描述述及及特特定定动态态放放大大系系数数：：2、强强迫迫振振动动的的特特征征4-6机械加工工中的强强迫振动动与抑制制二、强迫迫振动的的数学描描述及特特定幅—频曲线静刚度k=F0/A0是工艺系系统本身身的属性性，在线线性范围围内，可可以认为为它与外外载荷无无关，动动刚度kd除与k成正比外外，还与与系统阻阻尼、频频率比λ和阻尼比比ζ有关。静静刚度影影响工件件的几何何形状及及尺寸精精度，动动刚度影影响工件件的表面面粗糙度度。3、振动系系统的动动刚度4-6机械加工工中的强强迫振动动与抑制制二、强迫迫振动的的数学描描述及特特定当系统在在周期性性动载荷荷作用下下，交变变力的幅幅值与振振幅（动动态位移移）之比比称为系系统的动动刚度。。即：减小强迫振动的措施减小激振振力调整振源源频率提高工艺艺系统的的刚度和和阻尼采取隔振振措施采用减振振装置。。4-6机械加工工中的强强迫振动动与抑制制三、减小小强迫振振动的措措施如果已经经确认机机械加工工过程中中发生了了强迫振振动，就就要设法法查找振振源，以以便去除