機(jī)加工工藝第三章-機(jī)械加工表面質(zhì)量

第三章機(jī)械加工表面質(zhì)量概述

掌握機(jī)械加工中各種工藝因素對(duì)表面質(zhì)量影響的規(guī)律，并應(yīng)用這些規(guī)律控制加工過程，以達(dá)到提高加工表面質(zhì)量、提高產(chǎn)品性能的目的。

實(shí)踐表明，零件的破壞一般總是從表面層開始的。產(chǎn)品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取決于其主要零件的表面質(zhì)量。研究機(jī)械加工表面質(zhì)量的目的機(jī)械產(chǎn)品的失效形式因設(shè)計(jì)不周而導(dǎo)致強(qiáng)度不夠；磨損、腐蝕和疲勞破壞。少數(shù)多數(shù)§3.1機(jī)械加工表面質(zhì)量及其對(duì)零件使用性能的影響一、加工表面質(zhì)量的含義1．加工表面的幾何形狀誤差2．表面層金屬的物理力學(xué)性能和化學(xué)性能(1)表面粗糙度：微觀幾何形狀誤差，波長(zhǎng)與波高比小于50(2)表面波度：波長(zhǎng)與波高比50-1000(3)紋理方向：表面刀紋方向（與加工方法有關(guān)）(4)傷痕：砂眼、氣孔、裂痕等(1)塑性變形：表面層的冷作硬化。(2)切削熱：表面層金相組織變化。(3)表層金屬的殘余應(yīng)力（壓、拉）：切削力和切削熱綜合作用的結(jié)果。1、加工表面的幾何形狀誤差

加工后表面形狀，總是以“峰”、“谷”的形式偏離其理想光滑表面。按偏離程度有宏觀和微觀之分。波距：峰與峰或谷與谷間的距離，以L表示；波高：峰與谷間的高度，以H表示。波距與波高L/H>1000時(shí)，屬于宏觀幾何形狀誤差；L/H<50時(shí)，屬于微觀形狀誤差，稱作表面粗糙度；L/H=50～1000時(shí)，稱作表面波度；主要是由機(jī)械加工過程中工藝系統(tǒng)低頻振動(dòng)所引起。

紋理方向是指表面刀紋的方向，取決于表面形成所采用的機(jī)械加工方法。一般運(yùn)動(dòng)副或密封件對(duì)紋理方向有要求。

傷痕是指在加工表面?zhèn)€別位置出現(xiàn)的缺陷，如沙眼、氣孔、裂痕等。2、表面層物理力學(xué)、化學(xué)性能表示方法(1)表面金屬層的冷作硬化指工件在加工過程中，表面層金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，使工件加工表面層的強(qiáng)度和硬度都有所提高的現(xiàn)象。冷硬層深度h硬化程度N硬化程度：其中：H——加工后表面層的顯微硬度H0——材料原有的顯微硬度(2)表面層金相組織變化(3)表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力

指的是加工中，由于切削熱的作用引起表層金屬金相組織發(fā)生變化的現(xiàn)象。如磨削時(shí)常發(fā)生的磨削燒傷，大大降低表面層的物理機(jī)械性能。

指的是加工中，由于切削變形和切削熱的作用，工件表層及其基體材料的交界處產(chǎn)生相互平衡的彈性應(yīng)力的現(xiàn)象。殘余應(yīng)力超過材料強(qiáng)度極限就會(huì)產(chǎn)生表面裂紋。二、加工表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影晌（一）表面質(zhì)量對(duì)零件耐磨性的影響第一階段初期磨損階段第二階段正常磨損階段第三階段急劇磨損階段零件的磨損可分為三個(gè)階段粗糙度↗初期磨損↗；粗糙度↘→耐磨性↗。糙度值不能無限量下降→表面潤(rùn)滑油被擠出→分子親和力↗→產(chǎn)生咬合→磨損速度↗。在一定工作條件下，存在一個(gè)最佳表面粗糙度值，Ra值約為0.32～0.25μm較好。1、表面粗糙度大小的影響

重裁情況下，由于壓強(qiáng)、分子親和力和潤(rùn)滑液的儲(chǔ)存等因素的變化，其規(guī)律與上述有所不同。2、粗糙度輪廓形狀和紋路方向的影響表面紋理方向影響金屬表面的實(shí)際接觸面積和潤(rùn)滑液的存留情況。

輕載時(shí)，兩表面的紋理方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向一致時(shí)，磨損量?。划?dāng)兩表面紋理方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向垂直時(shí)，磨損量大。在相同Ra，平整輪廓比尖峰耐磨3-4倍。干摩擦：紋路平行和垂直磨損均大，垂直更大。邊界摩擦：Ra↘，平行易產(chǎn)生咬合→磨損量大。Ra↗平行不易產(chǎn)生咬合，又不受另一峰阻礙于→磨損量小。

過度的加工硬化會(huì)使金屬組織疏松，甚至出現(xiàn)疲勞裂紋和產(chǎn)生剝落現(xiàn)象，從而使耐磨性下降。3、表面冷硬層和殘余應(yīng)力的影響

加工硬化提高了表面層的強(qiáng)度，減少了表面進(jìn)一步塑性變形和咬焊的可能。一般能提高耐磨性0.5～1倍。

殘余應(yīng)力（主要通過表層硬度體現(xiàn)）壓應(yīng)力→硬度↗→耐磨性↗；拉應(yīng)力→硬度↘→耐磨性↘。一般地，加工精度要求↑，加工成本↑，生產(chǎn)效率↓。（二）對(duì)零件配合精度的影響

粗糙度↗→初期磨損↗→配合間隙↗→配合精度↘粗糙度↗→凸峰被壓平→過盈量↘→零件表面接合強(qiáng)度↘過盈配合影響極大間隙配合（三）對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響

在交變載荷作用下，零件表面粗糙度、劃痕、裂紋等缺陷員易形成應(yīng)力集中，并發(fā)展成疲勞裂紋，導(dǎo)致零件疲勞破壞。因此，對(duì)于重要零件表面如連桿、曲軸等，應(yīng)進(jìn)行光整加工，減小表面粗糙度值，提高其疲勞強(qiáng)度。

適當(dāng)?shù)募庸び不茏璧K已有裂紋的繼續(xù)擴(kuò)大和新裂紋的產(chǎn)生，有助于提高疲勞強(qiáng)度。但加工硬化程度過大，反而易產(chǎn)生裂紋，故加工硬化程度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。拉應(yīng)力加劇疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展；殘余壓應(yīng)力，能延緩疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展，而使零件疲勞強(qiáng)度提高。表面殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響影響極大表面粗糙度的影響表面層的加工硬化對(duì)疲勞強(qiáng)度影響材料不同對(duì)應(yīng)力集中的敏感程度不同，材料極限強(qiáng)度大，應(yīng)力集中敏感度大（四）對(duì)零件耐腐蝕性的影響殘余壓應(yīng)力使零件表面緊密，腐蝕性物質(zhì)不易進(jìn)入，可增強(qiáng)零件的耐腐蝕性；表面粗糙度的影響表面粗糙度值越大，越容易積聚腐蝕性物質(zhì)；波谷越深，滲透與腐蝕作用越強(qiáng)烈。零件的耐腐蝕性在很大程度上取決于表面粗糙度表面殘余應(yīng)力對(duì)零件耐腐蝕性影響拉應(yīng)力則降低耐腐蝕性

（五）表面質(zhì)量對(duì)配合性質(zhì)的影響

粗糙度值↘→密封性↗粗糙度值↘→接觸剛度↗

（六）表面質(zhì)量對(duì)密封性的影響刀尖圓弧半徑主偏角副偏角進(jìn)給量

§3.2影響表面粗糙度的工藝因素及其改善措施（二）物理因素的影響一、切削加工表面粗糙度切削殘留面積的高度（高度大，粗糙度高）1、刀具幾何參數(shù)：前角（切削區(qū)變形程度、切屑形態(tài)和斷屑效果、切屑和刀面的摩擦情況）2、切削用量：切削速度v、切削深度ap、進(jìn)給量f（一）幾何因素的影響（一）幾何因素的影響殘留痕跡的高度↗→粗糙度值↗措施：進(jìn)給量↘、主、副偏角↘、刀尖圓角半徑↗

→殘留高度↘（二）物理因素的影響1、刀具幾何參數(shù)2、切削用量前角γ：切削區(qū)變形程度、切屑形態(tài)和斷屑效果、切屑與刀面摩擦情況γ↗→塑性變形↘→粗糙度值↘積屑瘤速度范圍內(nèi)前角影響不大，但γ↗

有抑制積屑瘤作用2、切削用量（1）切削速度V：塑性材料V=20-30m/min→易產(chǎn)生積屑瘤→粗糙度值↗

鉸、拉：v<10m/min精車、精鏜：v>60m/min（2）切削深度ap：ap↘↘(ap<0.02-0.03)→刀具打滑，工藝系統(tǒng)振動(dòng)→粗糙度值↗（正常ap↘→粗糙度值↘

）（3）進(jìn)給量s：是s↘→H↘

3、刀具材料刀具材料與工件材料→

親合力↗→易生積屑瘤→粗糙度值↗沾在刀刃上的金屬材料與加工面分離時(shí)產(chǎn)生鱗刺→粗糙度值↗金剛石、硬質(zhì)合金、高速鋼→形成的表面粗糙度值逐漸增大4、工件材料塑性↗

→Ra↗

（需要熱處理提高硬度）；v>140m/min切削溫度>780-840o→材料機(jī)械性能相近，材料影響不大5、冷卻潤(rùn)滑效果好→粗糙度值（Ra）↘二、磨削加工的表面粗糙度1、磨削用量V砂輪↑，單位時(shí)間參與磨削的粒數(shù)↑，單位面積的刻痕↑，粗糙度值（Ra）↓；V工件↓，工件單位面積的切削磨粒數(shù)↑，粗糙度值Ra↓；ap↑

，塑性變形↑，粗糙度值（Ra）↑

。2、砂輪粒度磨粒愈細(xì)→Ra↘，過細(xì)→切屑堵塞砂輪→塑性變形程度↗→Ra↗粗粒度→細(xì)修整的辦法砂輪的粒度號(hào)↑，參與磨削的磨?！?，粗糙度值↓

；砂輪的粒度號(hào)越大，粒和磨粒間離越小修整砂輪時(shí)，用金剛石修整（車出細(xì)螺紋）→存在導(dǎo)程和切深，導(dǎo)程和切深↘→Ra↘；太軟→

易脫落→Ra↘

；太硬→磨損不易脫落→產(chǎn)生摩擦和擠壓狀態(tài)→塑性變形↗→Ra↗要求：良好的“自礪性”3、砂輪的修整4、砂輪的硬度度材料硬度↗導(dǎo)熱性好→塑性變形↘→Ra↘；因此，淬火后磨削材料Ra↘，有色金屬磨削Ra↗5、工件材質(zhì)6、砂輪材料氧化物（剛玉）→磨削鋼類；碳化物（碳化硅、碳化硼）→磨削鑄鐵、硬質(zhì)合金；高硬材料（人造金剛石、立方氮化硼）→獲得Ra↘↘磨削加工溫度很高，熱影響因素占主導(dǎo)地位→將磨削液送入磨削區(qū)→降低溫度→塑性變形↘

→Ra↘

對(duì)磨削表面粗糙度來說，振動(dòng)是主要影響因素。振動(dòng)產(chǎn)生的原因很多，將在后面講述。7．加工時(shí)的振動(dòng)二、影響表面粗糙度的因素及其改進(jìn)措施第一類是與磨削砂輪有關(guān)的因素第二類是與工件材質(zhì)有關(guān)的因素第三類是與加工條件有關(guān)的因素影響表面粗糙度的因素

砂輪太硬，磨粒磨損后不易脫落，使工件表面受到強(qiáng)烈的摩擦和擠壓，增加了塑性變形，表面粗糙度值增大，同時(shí)還容易引起燒傷；砂輪太軟，磨粒易脫落，磨削作用減弱，也會(huì)增大表面粗糙度值。(1)與磨削砂輪有關(guān)的因素主要是砂輪的粒度、硬度以及對(duì)砂輪的修整等。

砂輪的粒度越細(xì)，則砂輪單位面積上的磨粒數(shù)越多，磨削表面的刻痕越細(xì)，表面粗糙度值越?。坏^度過細(xì)，砂輪易堵塞，使表面組糙度值增大，同時(shí)還易產(chǎn)生波紋和引起燒傷。砂輪的粒度要適度砂輪硬度要合適砂輪的硬度是指磨粒受磨削力后從砂輪上脫落的難易程度。越小，修出的微刃越多，等高性越好，粗糙度值低。砂輪的修整質(zhì)量修整工具修整砂輪的縱向進(jìn)給量砂輪的修整質(zhì)量

砂輪的修整是用金剛石除去砂輪外層己鈍化的磨粒，使磨粒切削刃鋒利，降低磨削表面的表面粗糙度值。與這兩者有密切關(guān)系鋁、銅合金等軟材料易堵塞砂輪，比較難磨。塑性大、導(dǎo)熱性差的耐熱合金易使砂粒早期崩落，導(dǎo)致磨削表面粗糙度值增大。(2)與工件材質(zhì)有關(guān)的因素

包括材料的硬度、塑性、導(dǎo)熱性等。對(duì)表面粗糙度有顯著影響(3)與加工條件有關(guān)的因素包括磨削用量、冷卻條件及工藝系統(tǒng)的精度與抗振性等。

除了從上述幾個(gè)方面考慮采取措施外，還可從加工方法上著手改善，如用研磨、珩磨、超精加工、拋光等。切削液

砂輪磨削時(shí)溫度高，熱的作用占主導(dǎo)地位。采用切削液可以降低磨削區(qū)溫度，減少燒傷，沖去脫落的砂粒和切屑，以免劃傷工件，從而降低表面粗糙度度值。但必須選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s方法和切削液。減少加工表面的表面粗糙度的其它方法

§3.3影響零件表面層物理力學(xué)性能的因素及其改善措施力↗→塑性變形↗→硬化↗熱↗→溫度↗→軟化↗（弱化）。切削熱在一定條件下會(huì)使金屬在塑性變形中產(chǎn)生回復(fù)現(xiàn)象，使金屬失去加工硬化中所得到的物理力學(xué)性能，這種現(xiàn)象稱為軟化。一、加工表面層的冷作硬化（一）概述加工過程中，工件表面層金屬受切削力作用，產(chǎn)生塑性變形，使晶格剪切、滑移并產(chǎn)生扭曲（晶粒被拉長(zhǎng)、纖維化甚至破碎），使表面層的強(qiáng)度和硬度增加，塑性降低，物理性能（如密度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等）也有所變化。這種現(xiàn)象稱為加工硬化，又稱作冷作硬化或強(qiáng)化。

綜合作用結(jié)果：塑變↗溫度↘→冷作硬化↗。冷作硬化，取決于硬化與軟化的比率。

磨削時(shí)，磨削深度和縱向進(jìn)給速度↑，磨削力↑，塑性變形加劇，表面冷硬趨向↑。（二）影響切削加工表面冷作硬化的因素1)切削力↑，塑性變形↑，硬化程度和硬化層深度↑。如：切削時(shí)進(jìn)給量↑

，切削力↑

，塑性變形程度↑

，硬化程度↑；

刀具的刃口圓角和后刀面的磨損量增大，塑性變形↑，冷硬層深度和硬化程度隨之↑。

各種機(jī)械加工方法在加工鋼件時(shí)表面加工硬化的情況如下表所示。2)切削溫度↑，軟化作用↑，冷硬作用↓。如：切削速度增大，會(huì)使切削溫度升高，有利于軟化；

磨削時(shí)提高磨削速度和縱向進(jìn)給速度，有時(shí)會(huì)使磨削區(qū)產(chǎn)生較大熱量而使冷硬減弱。3)被加工材料的硬度低、塑性好，則切削時(shí)塑性變形越大，冷硬現(xiàn)象就越嚴(yán)重。1)表面層的顯微硬度HV2)硬化層深度h03)硬化程度N（三）加工硬化的衡量指標(biāo)HV0——金屬內(nèi)部的顯微硬度顯微硬度計(jì)測(cè)量（用136o的金剛石壓頭）斜截面法：斜角0o30’-2o30’，測(cè)硬度、深度h0（表面冷硬很薄時(shí)）二、表面層金相組織變化與磨削燒傷

在磨削時(shí)，磨削區(qū)溫度達(dá)到相變溫度以上或足以熔化金屬，使工件表面層金相組織發(fā)生變化、表層的硬度和強(qiáng)度下降、產(chǎn)生殘余應(yīng)力，甚至引起顯微裂紋。這種現(xiàn)象稱為表面層的磨削燒傷（有氧化膜）。

（一）機(jī)械加工表面層金相組織變化與磨削燒傷

機(jī)械加工過積中，在工件的加工區(qū)及其鄰近的區(qū)域，溫度會(huì)急劇升高，當(dāng)溫度超過工件材料金相組織變化的臨界點(diǎn)，就會(huì)發(fā)生金相組織變化。對(duì)于一般切削加工而言，溫度還不會(huì)上升到如此程度。磨削燒傷將嚴(yán)重地影響零件的使用性能。

1)磨削區(qū)溫度<720℃（相變溫度），大于300℃

(馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度)，馬氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕容^低的回火屈氏體或索氏體，這叫回火燒傷。

2)表面層溫度超過相變溫度，有充分的切削液，表面層將急冷形成二次淬火馬氏體，硬度比原回火馬氏體高，但很薄，只有幾微米厚。其下為硬度較低的回火索氏體和屈氏體，表面層總的硬度降低，這稱為淬火燒傷。

3)表面層溫度超過相變溫度，則馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，無冷卻液，表面硬度急劇下降，工件表層被退火，這種現(xiàn)象稱為退火燒傷。磨削時(shí)很容易產(chǎn)生這種現(xiàn)象。

磨淬火鋼時(shí)，在工件表面層上形成的瞬時(shí)高溫將使表面金屬產(chǎn)生以下三種金相組織變化：（二）影響磨削燒傷的因素及其改善措施盡可能減少磨削熱的產(chǎn)生；改善冷卻條件，盡量使產(chǎn)生的熱量少傳入工件。磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷可有兩個(gè)途徑：(1)控制磨削用量(2)工件材料(3)正確選擇砂輪(4)改善冷卻條件改善措施

磨削深度↓，工件縱向進(jìn)給量和工件速度↑，砂輪與工件表面接觸時(shí)間相對(duì)↓，因而熱的作用時(shí)間↓，磨削燒傷↓

。

為減輕燒傷而同時(shí)又保持高的生產(chǎn)率、一般選用較大的工件速度和較小的磨削深度。同時(shí)，為了彌補(bǔ)因增大工件速度而造成表面粗糙度值增大的缺陷，可以提高砂輪速度。(1)控制磨削用量但：磨削深度↓，生產(chǎn)率↓；工件縱向進(jìn)給量和工件速度↑，表面粗糙度值↑。實(shí)踐證明，同時(shí)提高砂輪速度和工件速度，可以避免燒傷。解決辦法：(2)工件材料

工件材料對(duì)磨削區(qū)溫度的影響主要取決于它的硬度、強(qiáng)度、韌性和熱導(dǎo)性。硬度、強(qiáng)度越高，韌性越大，磨削熱量越多；導(dǎo)熱性差的材料，如耐熱鋼、軸承鋼、不銹鋼等。在磨削時(shí)易產(chǎn)生燒傷

軟硬適中的砂輪，好的自礪性。有時(shí)在砂輪的孔隙內(nèi)滲入石蠟之類的潤(rùn)滑物質(zhì)。砂輪結(jié)合劑最好采用具有一定彈性的材料，如樹脂、橡膠等，選用粗粒度砂輪磨削，不容易產(chǎn)生燒傷。(3)正確選擇砂輪選開槽砂輪:熱作用時(shí)間短、起風(fēng)扇作用、改善冷卻條件充分冷卻帶走磨削區(qū)的熱量可以避免燒傷。(4)冷卻條件磨削時(shí)，一般冷卻效果較差，由于高速旋轉(zhuǎn)的砂輪表面上產(chǎn)生強(qiáng)大氣流層，實(shí)際上沒有多少切削液能進(jìn)入磨削區(qū)。增加切削液的流量和壓力采用特殊噴嘴采用多孔性砂輪比較有效的冷卻方法將切削液大量地噴注在已經(jīng)離開磨削區(qū)的工件表面上。

三、表面層的殘余應(yīng)力(1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力(2)熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力(3)金相組織變化引起的殘余應(yīng)力（一）表面層殘余應(yīng)力及其產(chǎn)生的原因

表面層殘余應(yīng)力

外部載荷去除后，工件表面層及其與基體材料的交界處仍殘存的互相平衡的應(yīng)力。表面層殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因(4)冷態(tài)塑性變形后比容積增大引起的殘余應(yīng)力(1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力

表層的冷態(tài)塑性變形主要發(fā)生在Py的方向(刀具是副前角),表層金屬被壓薄的,按一般變形的規(guī)律,壓薄后的金屬,其另外兩個(gè)角度(長(zhǎng)度、寬度）比如要增大，由于基體金屬的限制，結(jié)果產(chǎn)生壓應(yīng)力—磨削

表層金屬塑性變形→比容增大受內(nèi)層金屬阻礙→殘余壓應(yīng)力；表層在切削時(shí)纖維拉長(zhǎng)→受里層金屬阻礙→殘余壓應(yīng)力里層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力結(jié)果：(2)熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力

磨削溫度越高，熱塑性變形越大，殘余拉應(yīng)力也越大，有時(shí)甚至產(chǎn)生裂紋。在切削熱作用下產(chǎn)生熱膨脹金屬基體溫度較低工件加工表面表層產(chǎn)生熱壓應(yīng)力切削時(shí)切削過程結(jié)束時(shí)溫度下降，已產(chǎn)生熱塑性變形的表層收縮基體表層收縮結(jié)果表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力(3)金相組織變化引起的殘余應(yīng)力

如：馬氏體密度為7.75g/cm3>

珠光體密度為7.78g/cm3>

鐵素體密度為7.88g/cm3>奧氏體密度為7.96g/cm3；

切削時(shí)產(chǎn)生的高溫會(huì)引起表面層金相組織變化。因?yàn)椴煌慕饘俳M織，它們的密度不同，因而引起的殘余應(yīng)力。以淬火鋼磨削為例淬火鋼原來的組織是馬氏體7.75g/cm3磨削加工后表層可能產(chǎn)生回火，馬氏體變?yōu)榍象w或索氏體密度增大而體積減小表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)果（接近珠光體）計(jì)算？（4）冷態(tài)塑性變形后比容積增大引起的表面層壓應(yīng)力金屬密度下降，比容積增大。金屬經(jīng)過冷態(tài)塑性變形后冷態(tài)塑性變形后結(jié)晶格子被扭曲熱加工中的鍛壓，其塑性變形有助于消除晶格組織間的缺陷，而使密度提高；機(jī)械加工表面必然產(chǎn)生壓應(yīng)力；（二）、影響表面層殘余應(yīng)力及磨削裂紋的因素

機(jī)械加上后表面層的殘余應(yīng)力，是由冷態(tài)塑性變形、熱態(tài)塑性變形、冷態(tài)塑性變形比容積增大和金相組織變化這三方面原因引起的綜合結(jié)果。在一定條件下，其中某種或兩種因素可能起主導(dǎo)作用。車削表面的殘余應(yīng)力：200-300MPa，使用鈍刀：1000MPa殘余應(yīng)力1、切削速度和被加工材料的影響低速→熱主導(dǎo)→殘余拉應(yīng)力；高速→表層比容增大→金相組織變化占主導(dǎo)→殘壓V切削>200殘余壓應(yīng)力2、進(jìn)給量的影響

f↗→塑變↗→熱↗→殘余拉應(yīng)力↗、深度↗3、前角

γ從正→負(fù)→塑變↗→熱↘→殘余拉應(yīng)力↘殘余壓應(yīng)力↗

（三）影響磨削殘余應(yīng)力的因素

2、工件材料強(qiáng)度↗、導(dǎo)熱↘塑性↘↗→殘拉↗比如T8熱導(dǎo)比工業(yè)鐵差，T8易產(chǎn)生殘拉。

1、磨削用量的影響

ap：小→塑變占主導(dǎo)→殘壓大→熱占主導(dǎo)→殘拉當(dāng)ap>0.025mm→塑變占主導(dǎo)→殘壓V砂：↗→溫度↗熱主導(dǎo)→殘拉傾向↗V工件：↗→熱作用時(shí)間短，塑變作用↗→從殘拉→殘壓徑向fp↗→燒傷↗；軸向fa↗→燒傷↘

（四）工件最終加工方法的選擇

各種加工方法在工件表面上殘留的內(nèi)應(yīng)力見表3-3。

交變載荷的工作條件：選能產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的加工方法對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)件：選殘余應(yīng)力小的加工方法，使表面處于低能態(tài)滾動(dòng)：選擇能在表層Fh深處產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的加工方法各種加工方法在工件表面殘留的內(nèi)應(yīng)力情況。磨削碳鋼時(shí)，含碳量越高，越容易產(chǎn)生裂紋；當(dāng)碳的質(zhì)量小于0.6％至0.7％時(shí)，幾乎不產(chǎn)生裂紋；淬火鋼晶界脆弱，滲碳、滲氮鋼受溫度影響大，磨削時(shí)易產(chǎn)生裂紋。

粗磨時(shí)，表面產(chǎn)生極淺的殘余壓應(yīng)力，接著就是較深且較大的殘余拉應(yīng)力，這說明表面產(chǎn)生了一薄層一次淬火層，下層是回火組織。

精細(xì)磨削時(shí)，溫度影響很小、更沒有金相組織變化，主要是冷態(tài)塑性變形的影響，故表面產(chǎn)生淺而小的殘余壓應(yīng)力；

精磨時(shí)，熱塑性變形起了主導(dǎo)作用，表面產(chǎn)生很淺的殘余拉應(yīng)力；磨削裂紋與工件材料及熱處理規(guī)范的關(guān)系

補(bǔ)充說明：四、提高和改善零件表面層的物理力學(xué)性能的措施(一)零件破壞形式

一般來說，零件表面殘余應(yīng)力的數(shù)值及性質(zhì)主要取決于零件最終工序加工方法的選擇。1．疲勞破壞2．滑動(dòng)磨損3．滾動(dòng)磨損零件破壞形式零件表面層金屬的殘余應(yīng)力將直接影響機(jī)器零件的使用性能。

從提高零件抵抗疲勞破壞的角度考慮，最終工序應(yīng)選擇能在加工表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的加工方法。1.疲勞破壞機(jī)器零件表面上局部產(chǎn)生微觀裂紋在交變載荷的作用下拉應(yīng)力作用下原生裂紋擴(kuò)大導(dǎo)致零件破壞滑動(dòng)摩擦的機(jī)械作用物理化學(xué)方面的綜合作用2．滑動(dòng)磨損指的是兩個(gè)零件作相對(duì)滑動(dòng)，滑動(dòng)面逐漸磨損的現(xiàn)象。滑動(dòng)磨損機(jī)理粘接磨損擴(kuò)散磨損化學(xué)磨損

從提高零件抵抗滑動(dòng)摩擦引起的磨損考慮，最終工序應(yīng)選擇能在加工表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的加工方法。從抵抗粘接磨損、擴(kuò)散磨損、化學(xué)磨損考慮對(duì)殘余應(yīng)力的性質(zhì)無特殊要求時(shí)，應(yīng)盡量減小表面殘余應(yīng)力值?；瑒?dòng)摩擦工作應(yīng)力分布如圖所示。

當(dāng)表面層的壓縮工作應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力時(shí)，將使表面層金屬磨損。改善措施3．滾動(dòng)磨損指的是兩個(gè)零件作相對(duì)滾動(dòng)，滾動(dòng)面將逐漸磨損的現(xiàn)象。滾動(dòng)磨損來自滾動(dòng)摩擦的機(jī)械作用物理化學(xué)方面綜合作用

從提高零件抵抗?jié)L動(dòng)摩擦引起的磨損考慮，最終工序應(yīng)選擇能在表面層下深h處產(chǎn)生壓應(yīng)力的加工方法。

滾動(dòng)磨損的決定性因素是表面層下深h處的最大拉應(yīng)力。最終工序加工方法的選擇可參考下表(二)表面強(qiáng)化工藝

由前述可知，表面質(zhì)量尤其是表面層的物理力學(xué)性能，對(duì)零件的使用性能及壽命影響很大，如果最終工序不能保證零件表面獲得預(yù)期的表面質(zhì)量要求，則可在工藝過程中增設(shè)表面強(qiáng)化工序，以改善表面性能。

表面強(qiáng)化工藝是指通過冷壓加工方法使表面層金屬發(fā)生冷態(tài)塑性變形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。這種方法工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，應(yīng)用廣泛。噴九強(qiáng)化滾壓加工液體磨料強(qiáng)化等表面強(qiáng)化常用工藝方法1．噴九強(qiáng)化利用壓縮空氣或離心力將大量的珠丸(0.4～4mm)高速打擊被加工零件表面，使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力，可顯著提高零件的疲勞強(qiáng)度。珠丸材料：鑄鐵或砂石、鋼丸。噴丸設(shè)備:壓縮空氣噴丸裝置或機(jī)械離心式噴丸裝置，噴丸速度：35～50m／s。珠丸(直徑為0.4～4mm)高速(35～50m/s)打擊被加工零件表面使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力應(yīng)用

噴九加工主要用于強(qiáng)化形狀復(fù)雜的零件，如齒輪、連桿、曲軸等。零件經(jīng)噴九強(qiáng)化后，硬化層深度可達(dá)0.7mm，表面租糙度Ra值可由3.2減少到0.4，使用壽命可提高幾倍到幾十倍。2．滾壓加工

用淬硬的滾壓工具(滾輪或滾珠)在常溫下對(duì)工件表面施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形，工件表面上原有的波峰被填充到相鄰的波谷中，減小表面粗糙度值，表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力，提高零件的承裁能力和疲勞強(qiáng)度。方法滾壓工具波峰被填充到相鄰的波谷中表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力

滾壓可以加工外圓、孔、平面及成形表面，通常在臥式車床、轉(zhuǎn)塔車床或自動(dòng)車床上進(jìn)行。功效表面層硬度一般可提高20％～40％；表面層金屬的耐疲勞強(qiáng)度可提高30％～50％。應(yīng)用滾壓加工應(yīng)用實(shí)例1.彈性外圓滾壓工具彈簧主要用于控制壓力的大小為了提高強(qiáng)化效率，可以采用雙排滾壓工具，第一排滾珠直徑較小，作粗加工用，第二排滾珠直徑較大，作精加工用。2.孔滾壓工具小滾珠作粗加工用大滾珠作精加工用3．液體磨料強(qiáng)化

如圖所示，液體和磨料在400～800kPa下，從噴嘴高速噴出，射向工件表面，磨粒的沖擊作用降低工件表面的表面粗糙度值并碾壓金屬表面。液體磨料強(qiáng)化是利用液體和磨料的混合物強(qiáng)化工件表面的方法。方法

由于磨粒的沖擊和微量切削作用，使工件表面產(chǎn)生幾十微米的塑性變形層。加工后的工件表面層具有殘余壓應(yīng)力，提高了工件的耐磨性、抗蝕性和疲勞強(qiáng)度。效果

液體磨料強(qiáng)化工藝最宜于加工復(fù)雜型面，如鍛摸、汽輪機(jī)葉片、螺旋槳、儀表零件和切削刀具等。應(yīng)用§3.4機(jī)械加工過程中的振動(dòng)振動(dòng)的危害（1）工件與刀具間的相對(duì)位移→加工表面產(chǎn)生振痕→表面質(zhì)量和使用性能受影響；（2）工藝系統(tǒng)受交變載荷→刀具、機(jī)床易磨損→影響切削加工的順利進(jìn)行；（3）振動(dòng)噪聲危害操作者的健康。自由振動(dòng)指的是當(dāng)系統(tǒng)受到初始干擾力作用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)?！?.4工藝系統(tǒng)的振動(dòng)1．強(qiáng)迫振動(dòng)（受迫振動(dòng)）2．自激振動(dòng)

機(jī)械加工振動(dòng)的分類1．強(qiáng)迫振動(dòng)強(qiáng)迫振動(dòng)

由外界周期性激振力引起和維持的振動(dòng)。外界既可指工藝系統(tǒng)以外也可指工藝系統(tǒng)內(nèi)部由刀具和工件組成的切削系統(tǒng)質(zhì)量、彈簧和阻尼以外2．自激振動(dòng)

在一定條件下，由振動(dòng)系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力激發(fā)和維持的一種穩(wěn)定的周期性振動(dòng)稱為自激振動(dòng)。

通常，機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)機(jī)械加工來講是十分有害的。近來，對(duì)切削機(jī)理進(jìn)行研究得到這樣的觀點(diǎn)，即在切削過程中，切屑不是根據(jù)刀尖與工件間的靜力學(xué)關(guān)系形成，而是由連續(xù)地產(chǎn)生與一次沖擊破壞機(jī)理相類似的動(dòng)力學(xué)關(guān)系而形成的。因此，有人利用振動(dòng)來更好地切削，如振動(dòng)磨削、振動(dòng)研拋、超聲波加工等，都是利用振動(dòng)來提高表面質(zhì)量或生產(chǎn)率。振動(dòng)的利用一、機(jī)械加工過程中的強(qiáng)迫振動(dòng)如其它機(jī)床或機(jī)器的振動(dòng)通過地基傳給正在進(jìn)行加工的機(jī)床，引起工藝系統(tǒng)振動(dòng)。（一）強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生的原因強(qiáng)迫振動(dòng)是由于機(jī)床外部和內(nèi)部振源的激振力所引發(fā)的振動(dòng)。(1)系統(tǒng)外部的周期性激振力如齒輪嚙合時(shí)的沖擊、帶傳動(dòng)中的帶厚不均或接頭不良、滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體誤差、液壓系統(tǒng)中的沖擊現(xiàn)象以及往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件換向時(shí)的慣性力等，都會(huì)引起強(qiáng)迫振動(dòng)。(2)高速回轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)如砂輪、齒輪、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、帶輪、聯(lián)軸器等旋轉(zhuǎn)件不平衡產(chǎn)生離心力而引起強(qiáng)迫振動(dòng)。(3)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的缺陷和往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件的慣性力引起的振動(dòng)

有些加工方法如銑削、拉削及滾齒等，由于切削的不連續(xù)，導(dǎo)致切削力的周期性變化，引起強(qiáng)迫振動(dòng)。(4)切削過程的間歇性

2．強(qiáng)迫振動(dòng)的數(shù)學(xué)描述及特性

工藝系統(tǒng)是多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，振動(dòng)形態(tài)非常復(fù)雜。要精確地描述和解決多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)是很困難的，但就其某一特定的自由度而言，其振動(dòng)特性與相應(yīng)頻率的單自由度振動(dòng)可簡(jiǎn)化為單自由度系統(tǒng)來分析。

如圖，在加工中磨頭受周期性變化的干擾力產(chǎn)生擾動(dòng)，由于磨頭系統(tǒng)的剛度遠(yuǎn)比工件的剛度低，故可把磨削系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由度系統(tǒng)。以內(nèi)圓磨削為例

m的受力情況如圖c所示，作用在m上的力有：與位移成正比的彈性恢復(fù)力kx，與運(yùn)動(dòng)速度成正比的粘性阻尼力δx’，簡(jiǎn)諧激振力Fsinωt，則該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為：磨頭簡(jiǎn)化為一個(gè)等效質(zhì)量m；把質(zhì)量m支承在剛度為k的等效彈簧上；系統(tǒng)中存在的阻尼δ相當(dāng)于與等效彈簧并聯(lián)；作用在m上的交變力假設(shè)為簡(jiǎn)諧激振力Fsinωt。這樣就可以得到單自由度系統(tǒng)典型的動(dòng)力學(xué)模型，如圖b所示。

第一項(xiàng)(通解)為有阻尼的自由振動(dòng)過程，如圖a所示，經(jīng)過一段時(shí)間后，這部分振動(dòng)衰減為零。

第二項(xiàng)(特解)如圖b所示，是圓頻率等于激振圓頻率的強(qiáng)迫振動(dòng)。

圖c為兩種解疊加后的振動(dòng)過程?？梢钥吹浇?jīng)歷過渡過程以后，強(qiáng)迫振動(dòng)是穩(wěn)定的振動(dòng)過程。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的振動(dòng)方程為：振動(dòng)本身也不能使激振力變化。(2)強(qiáng)迫振動(dòng)的振動(dòng)頻率與外界激振力的頻率相同，而與系統(tǒng)的固有頻率無關(guān)。(3)強(qiáng)迫振動(dòng)的幅值既與激振力的幅值有關(guān)，又與工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有關(guān)（固有頻率）。3、強(qiáng)迫振動(dòng)的特性是：(1)強(qiáng)迫振動(dòng)是由周期性激振力引起的，不會(huì)被阻尼衰減掉，

二、機(jī)械加工中的自激振動(dòng)（顫振）

切削加工時(shí)，在沒有周期性外力作用的情況下，有時(shí)刀具與工件之間也可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的相對(duì)振動(dòng)，并在工件的加工表面上殘留下明顯的、有規(guī)律的振紋。這種由振動(dòng)系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力激發(fā)和維持的振動(dòng)稱為自激振動(dòng)，通常也稱為顫振。(一)自激振動(dòng)的產(chǎn)生條件和特性處于切削過程中的工藝系統(tǒng)作用干擾力產(chǎn)生自由振動(dòng)引起刀具和工件相對(duì)位置的變化切削力的波動(dòng)這變化又引起工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)導(dǎo)致1、自激振動(dòng)的產(chǎn)生

自激振動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)反饋?zhàn)钥叵到y(tǒng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)把持續(xù)作用的能源能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔兞?duì)振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行激振，振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)又控制切削過程產(chǎn)生激振力，以反饋制約進(jìn)入振動(dòng)系統(tǒng)的能量。組成的一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)2、自激振動(dòng)的組成振動(dòng)系統(tǒng)(工藝系統(tǒng))調(diào)節(jié)系統(tǒng)(切削過程)3、自激振動(dòng)的特性1)自激振動(dòng)的頻率等于或接近系統(tǒng)的固有頻率，即由系統(tǒng)本身的參數(shù)所決定。2)自激振動(dòng)是由外部激振力的偶然觸發(fā)而產(chǎn)生的一種不衰減運(yùn)動(dòng)，維持振動(dòng)所需的交變力是由振動(dòng)過程本身產(chǎn)生的，在切削過程中，停止切削運(yùn)動(dòng)，交變力也隨之消失，自激振動(dòng)也就停止。3)自激振動(dòng)能否產(chǎn)生和維持取決于每個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)攝入和消耗的能量。自激振動(dòng)系統(tǒng)維持穩(wěn)定振動(dòng)的條件是，在—個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，從能源輸入到系統(tǒng)的能量(E＋)等于系統(tǒng)阻尼所消耗的能量(E－)。如果吸收能量大于消耗能量，則振動(dòng)會(huì)不斷加強(qiáng)；如果吸收能量小于消耗能量．則振動(dòng)將不斷衰減而被抑制。(二)自激振動(dòng)的激振學(xué)說

切削過程中產(chǎn)生顫振的原因及機(jī)理很復(fù)雜，雖經(jīng)長(zhǎng)期研究，目前尚無一種能闡明各種情況下產(chǎn)生顫振的理論。1．負(fù)摩擦激振學(xué)說2．再生顫振學(xué)說3．坐標(biāo)聯(lián)系學(xué)說下面扼要介紹幾種比較公認(rèn)的學(xué)說。1．負(fù)摩擦激振學(xué)說

當(dāng)?shù)毒哂捎谂既辉虍a(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，它將在平衡位置y0附近作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，刀具與工件相對(duì)趨近時(shí)稱為切入（圖b中的ABC段)，相對(duì)脫離時(shí)稱為切出(圖b中的CDA段)。切人與切出時(shí)的最大和最小滑動(dòng)速度分別為、和，它們各自對(duì)應(yīng)的徑向切削分力分別為Fy1和Fy2。以車削加工為例將切削模型簡(jiǎn)化為單自由度振動(dòng)系統(tǒng)。刀具——等效質(zhì)量m、只作y方向運(yùn)動(dòng)。刀架等系統(tǒng)——?jiǎng)偠萲。建立模型依據(jù)：負(fù)摩擦特性負(fù)摩擦特性曲線切削力隨滑動(dòng)速度的增加而下降的特性。負(fù)摩擦特性用能量關(guān)系說明顫振的產(chǎn)生

穩(wěn)定切削時(shí)：刀尖處于y0位置，刀具和切屑的相對(duì)滑動(dòng)速度為v1。F出＞

F入刀具作往復(fù)運(yùn)動(dòng)

在切入的半個(gè)周期中，刀具運(yùn)動(dòng)方向與徑向切削分力Fy的方向(切屑流出方向)相反，故切屑對(duì)刀具做負(fù)功；

在切出的半個(gè)周期中，切屑對(duì)刀具做正功。

振動(dòng)的形成

由圖b右下角可知，正功大于負(fù)功，其差值即為橢圓的面積。此即為一個(gè)振動(dòng)周期中系統(tǒng)所獲得的能量補(bǔ)充，因而使振動(dòng)得以維持。2．再生顫振學(xué)說

在切削加工中，由于刀具的進(jìn)給量一般不大，而刀具的副偏角又較小，因此，刀具必然與已切過的上一轉(zhuǎn)表面接觸，即產(chǎn)生重疊切削。

設(shè)砂輪寬度為B，工件進(jìn)給量為f，工件前后相鄰兩轉(zhuǎn)的磨削區(qū)有重疊部分，其大小用重疊系數(shù)表示：正交切削時(shí)：

在穩(wěn)定切削過程中，由于偶然的擾動(dòng)(如材料的硬疵點(diǎn)、加工余量不均勻或沖擊等)，工藝系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一次自由振動(dòng)，并在被加上表面上留下相應(yīng)的振紋。當(dāng)工件轉(zhuǎn)至下一轉(zhuǎn)時(shí)，由于切削到重疊部分的振紋使切削厚度發(fā)生變化，從而引起切削力的周期改變，使刀具產(chǎn)生振動(dòng)，在加工表面留下新的振紋；這個(gè)振紋又影響到下一轉(zhuǎn)的切削，從而引起持續(xù)的再生顫振。再生顫振的產(chǎn)生過程類似于加工精度中毛坯誤差的復(fù)映四、機(jī)械加工中振動(dòng)的控制1、強(qiáng)迫振動(dòng)的診斷方法消除或減弱產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的條件；改善工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，增強(qiáng)工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性；采取各種消振減振裝置。機(jī)械加工中控制振動(dòng)的途徑:(一)消除或減弱產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的條件診斷依據(jù)強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率與激振力的頻率相等或是它的整數(shù)倍。基本途徑

測(cè)出振動(dòng)的頻率。

較完善的方法：

對(duì)機(jī)床的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行功率譜分析、功率譜中的尖峰點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率就是機(jī)床振動(dòng)的主要頻率。測(cè)定振動(dòng)頻率的方法

簡(jiǎn)單方法：數(shù)出工件表面的波紋數(shù)，然后根據(jù)切削速度計(jì)算出振動(dòng)頻率。

高轉(zhuǎn)速（600r／min以上）零件必須進(jìn)行平衡以減小和消除激振力；如砂輪、卡盤、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子及刀盤等。提高帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)及其他傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如采用完善的帶接頭、以斜齒輪或人字齒輪代替直齒輪等；使動(dòng)力源與機(jī)床本體放在兩個(gè)分離的基礎(chǔ)上。2．消除或減弱產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的條件1)減小激振力

在選擇轉(zhuǎn)速時(shí)，盡可能使引起強(qiáng)迫振動(dòng)的振源的頻率避開共振區(qū)。使工藝系統(tǒng)部件在準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)或慣性區(qū)運(yùn)行，以免發(fā)生共振。2)調(diào)整振源頻率

不論哪種方式，都是用彈性隔振裝置將需防振的機(jī)床或