第十一章機械加工表面質量

第十一章

機械加工表面質量學習內容一、機械加工表面質量的含義

二、已加工表面形成機理三、影響加工表面質量的因素四、機械加工過程中的振動五、控制加工表面質量的途徑學習要求

了解機械加工表面質量的基本內容及對零件使用性能的影響。通過研究影響加工表面質量的因素,控制加工過程中的相應參數(shù)，以保征零件的機械加工表面質量。第十一章機械加工表面質量第一節(jié)機械加工表面質量的含義第二節(jié)已加工表面形成機理第三節(jié)影響加工表面質量的因素第四節(jié)機械加工過程中的振動第五節(jié)控制加工表面質量的途徑第一節(jié)機械加工表面質量的含義一、表面質量的含義二、機械加工表面質量對零件使用性能的影響三、表面的完整性

表面質量是零件機械加工質量的組成部分之一。加工表面質量是指機械加工后零件表面層的幾何結構和受加工過程的影響，表面層金屬材料與基體材料性質產生變化的情況。零件的磨損、腐蝕和疲勞破壞都是從零件表面開始的，所以零件的表面加工質量將直接影響零件的工作性質。特別是在高速、高應力和高溫情況下，表層的任何缺陷不僅直接影響零件的工作性能，而且還會引起應力集中、應力腐蝕等現(xiàn)象，加速零件的失敗。1、加工表面的幾何特征：一、表面質量的含義

機械加工后的表面，不可能是理想的光滑表面，總存在一定的微觀幾何形狀偏差，表面層的物理力學性能也發(fā)生變化。因此機械加工表面質量包括：加工表面的幾何特征和表面層物理力學性能的變化。2、表面層物理力學性能的變化加工表面的幾何特征是指其微觀幾何形狀，主要包括表面粗糙度、刀痕方向、和表面波度，一般情況下，當L/H（波距／波高）＜50為表面粗糙度，L/H＝50～1000時為表面波度，L/H＞1000時為宏觀的幾何形狀誤差。波度是介于幾何形狀誤差與表面粗糙度之間的表面偏差。

表面層金屬物理力學性能的變化主要受表面層加工硬化、殘余應力和表面層的金相組織變化的影響。機械零件在加工中由于受切削力和熱的綜合作用，表面層金屬的物理力學性能相對于基體金屬的物理力學性能發(fā)生了變化。圖示零件表面層沿深度方向的變化過程，表面層可分為吸附層和壓縮層。

最外層是吸附層，是由氧化膜或其他化合物吸收、滲進了氣體粒子而形成的一層組織。第二層是壓縮層，是由于切削力和基體金屬共同作用造成的塑性變形區(qū)域，在其上部存有纖維組織，是由于刀具摩擦擠壓而形成的。有時在切削熱的作用下，表面層的材料還會產生相變和晶粒大小的變化。

表面層殘余應力是在加工過程中，由于彈、塑性變形及溫度和金相組織的變化造成的不均勻體積變化而在表面層中產生的殘余應力。

表面層的物理力學性能隨表面層的加工硬化程度而變化；硬化程度越大，表面層的物理力學性能變化越大。

表面層的物理力學性能主要受壓縮層的組織結構的影響。

表面層金相組織的變化是由于加工過程中產生的切削熱使工件表層材料的溫度發(fā)生變化而造成的。這種變化包括相變、晶粒大小和形狀的變化、析出物的產生和再結晶等。金相組織的變化主要通過對顯微組織的觀察來確定。1、表面質量對耐磨性的影響

1）表面粗糙度對耐磨性的影響

2）表面加工硬化對耐磨性的影響2、表面質量對疲勞強度的影響

1）表面粗糙度對疲勞強度的影響

2）殘余應力、加工硬化對疲勞強度的影響3、表面質量對耐蝕性的影響4、表面質量對配合質量的影響5、表面質量對其他性能的影響二、機械加工表面質量對零件使用性能的影響

表面粗糙度對零件表面磨損的影響很大。一般說表面粗糙度值愈小，其磨損性愈好。但表面粗糙度值太小，潤滑油不易儲存，接觸面之間容易發(fā)生分子粘接，磨損反而增加。因此，接觸面的粗糙度有一個最佳值，其值與零件的工作情況有關，工作載荷加大時，初期磨損量增大，表面粗糙度最佳值也加大。

加工表面的冷作硬化使摩擦副表面層金屬的顯微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。但也不是冷作硬化程度愈高，耐磨性就愈高，這是因為過分的冷作硬化將引起金屬組織過度疏松，甚至出現(xiàn)裂紋和表層金屬的剝落，使耐磨性下降。

在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應力集中，產生疲勞裂紋。表面粗糙度值愈大，表面的紋痕愈深，紋底半徑愈小，抗疲勞破壞底能力就愈差。

殘余應力對零件疲勞強度的影響很大。表面層殘余拉應力將使疲勞裂紋擴大，加速疲勞破壞；而表面層殘余應力能夠阻止疲勞裂紋的擴展，延緩疲勞破壞的產生。

表面冷硬一般伴有殘余應力的產生，可以防止裂紋產生并阻止已有裂紋的擴展，對提高疲勞強度有利。

零件的耐蝕性在很大程度上取決于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，則凹谷中聚積腐蝕性物質就愈多。抗蝕性就愈差。表面層的殘余拉應力會產生應力腐蝕開裂，降低零件的耐磨性，而殘余壓應力則能防止應力腐蝕開裂。

表面粗糙度值的大小將影響配合表面的配合質量。對于間隙配合，粗糙度值大會使磨損加大，間隙增大，破壞了要求的配合性質。對于過盈配合，裝配過程中一部分表面凸峰被擠平，實際過盈量減小，降低了配合件間的連接強度。

表面質量對零件的接觸剛度、結合面的導熱性、導電性、導磁性、密封性、光的反射與吸收、氣體和液體的流動阻力均有一定程度的影響。表面的完整性主要是反映表面層的性能，包括：1、表面形貌：主要包括表面粗糙度、表面波度和紋理。4、表面層物理力學性能：主要包括表面層硬化深度和程度、表面層殘余應力的大小、分布。5、表面層的其他工程技術特征：主要包括摩擦特性、光的反射率、導電性和導磁性。3、微觀組織和表面層的冶金化學性能主要包括微觀裂紋、微觀組織變化及晶間腐蝕等。2、表面缺陷：主要是指加工表面上出現(xiàn)的宏觀裂紋、傷痕和腐蝕。三、表面的完整性二、、已已加加工工表表面面形形成成機機理理金屬屬切切削削過過程程中中，，加加工工表表面面經經過過第第三三變變形形區(qū)區(qū)后后，，形形成成已已加加工工表表面面。。第第三三變變形形區(qū)區(qū)的的刀刀具具與與加加工工表表面面的的相相互互作作用用將將直直接接影影響響已已加加工工表表面面質質量量。。O點以以下下，，厚厚度度為為Δa的一一層層金金屬屬在在圓圓弧弧刃刃的的作作用用下下，，被被擠擠壓壓留留在在已已加加工工表表面面上上，，在在BC段，，這這層層金金屬屬又又受受到到后后刀刀面面上上被被磨磨損損的的一一段段小小棱棱面面VB的擠擠壓壓與與摩摩擦擦，，使使該該層層金金屬屬又又發(fā)發(fā)生生塑塑性性變變形形，，表表層層下下面面的的基基體體金金屬屬則則受受到到彈彈性性變變形形。。當當?shù)兜毒呔吲c與之之脫脫離離接接觸觸后后，，該該層層金金屬屬又又彈彈性性恢恢復復Δh，最最后后形形成成已已加加工工表表面面。。由由此此可可見見，，圓圓弧弧部部分分OB、磨磨損損小小棱棱面面BC(VB)及CD三部部分分構構成成后后刀刀面面上上的的總總接接觸觸長長度度，，其其接接觸觸情情況況直直接接影影響響已已加加工工表表面面質質量量。。已已加加工工表表面面形形成成機機理理是是分分析析已已加加工工表表面面質質量量的的重重要要物物理理基基礎礎。。在實實際際生生產產中中使使用用的的刀刀具具，，為為提提高高刃刃口口的的承承載載能能力力，，刀刀具具刃刃口口都都具具有有一一個個半半徑徑為為γβ的鈍鈍圓圓，，其其大大小小決決定定于于刀刀具具的的刃刃磨磨質質量量、、刀刀具具材材料料。。由由圖圖可可知知，，當當切切削削層層金金屬屬以以V的速速度度趨趨近近于于刀刀刃刃時時，，由由于于γβ的作作用用切切削削層層金金屬屬O點以以上上的的部部分分通通過過剪剪切切滑滑移移，，沿沿前前刀刀面面流流出出成成為為切切屑屑；；第三三節(jié)節(jié)影影響響加加工工表表面面質質量量的的因因素素加工工表表面面質質量量主主要要受受到到表表面面粗粗糙糙度度的的大大小小、、加加工工硬硬化化程程度度、、殘殘余余應應力力和和金金相相組組織織變變化化的的影影響響。。因因而而分分析析影影響響加加工工表表面面質質量量的的因因素素，，就就需需要要分分析析加加工工過過程程中中的的諸諸因因素素對對表表面面粗粗糙糙度度、、加加工工硬硬化化程程度度、、殘殘余余應應力力狀狀態(tài)態(tài)和和金金相相組組織織變變化化的的影影響響。。一、、影影響響表表面面粗粗糙糙度度的的因因素素二、、影影響響加加工工表表面面層層物物理理力力學學性性能能的的因因素素在切切削削過過程程中中，，當當?shù)兜毒呔咔扒暗兜睹婷嫔仙洗娲嬖谠诜e積屑屑瘤瘤時時，，由由于于積積屑屑瘤瘤的的頂頂部部很很不不穩(wěn)穩(wěn)定定，，容容易易破破裂裂，，一一部部分分連連附附于于切切屑屑底底部部而而排排出出，，一一部部分分則則殘殘留留在在加加工工表表面面上上，，使使表表面面粗粗糙糙度度增增大大。。積積屑屑瘤瘤突突出出刀刀刃刃部部分分的的尺尺寸寸變變化化，，會會引引起起切切削削層層厚厚度度的的變變化化，，從從而而使使加加工工表表面面的的粗粗糙糙度度值值增增大大。。因因此此，，在在精精加加工工時時必必須須避避免免或或減減小小積積屑屑瘤瘤。。與工工件件材材質質相相關關的的因因素素包包括括材材料料的的塑塑性性、、金金相相組組織織等等。。一一般般地地講講，，韌韌性性較較大大的的塑塑性性材材料料，，易易于于產產生生塑塑性性變變形形．．與與刀刀具具的的粘粘結結作作用用也也較較大大．．加加工工后后粗粗糙糙度度大大。。相相反反．．脆脆性性材材料料則則易易于于得得到到較較小小的的表表面面粗粗糙糙度度值值。。對于同同樣的的材料料，晶晶粒組組織愈愈是粗粗大、、加工工后的的表面面粗糙糙度值值也愈愈大，，利用用調質質或正正火等等熱處處理方方法、、可以以提高高材料料的力力學性性能．．細化化晶粒粒，改改善切切削性性能，，減小小表面面粗糙糙度值值。

刀具相對于工件作進給運動時，在加工表面留下了切削層殘留面積，其形狀是刀具幾何形狀的復映。減小進給量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圓弧半徑，均可減小殘留面積的高度。此外適當增大刀具的前角以減小切削時的塑性變形程度，合理選擇潤滑液和提高刀具刃磨質量以減小切削時的塑性變形和抑制刀瘤、鱗刺的生成，也是減小表面粗糙度值的有效措施。背吃刀刀量對對表面面粗糙糙度影影響不不明顯顯，一一般可可忽略略。但但當aｐ＜0.02～0.03以下時時，由由于刀刀刃有有一定定的圓圓弧半半徑，，使正正常切切削不不能維維持，，刀刃刃僅與與工件件發(fā)生生擠壓壓與摩摩擦從從而使使表面面惡化化。因因此加加工時時，不不能選選用過過小的的背吃吃刀量量。減小進進給量量f可以減減小切切削殘殘留面面積高高度，，使表表面粗粗糙度度值減減小。。但進進給量量f太小刀刀刃不不能切切削而而形成成擠壓壓，增增大了了工件件的塑塑性變變形，，反而而使表表面粗粗糙度度值增增大。。(1)刀具幾幾何形形狀及及切削削運動動的影影響(2)工件材材料性性質的的影響響(3)積屑瘤瘤的影影響(4)切削用用量的的影響響磨削徑徑向進進給量量增大大使磨磨削時時的切切削深深度增增大，，使塑塑性變變形加加劇，，因而而表面面粗糙糙度增增大。。適當當增加加光磨磨次數(shù)數(shù)，可可以有有效減減小表表面粗粗糙度度。提高磨磨削速速度，，增加加了工工件單單位面面積上上的磨磨削磨磨粒數(shù)數(shù)量，，使刻刻痕數(shù)數(shù)量增增大，，同時時塑性性變形形減小小，因因而表表面粗粗糙度度減小小。高高速切切削時時塑性性變形形減小小是因因為高高速下下塑性性變形形的傳傳播速速度小小于磨磨削速速度，，材料料來不不及變變形所所致。。工件圓圓周進進給和和軸向向進給給量增增大，，均會會減小小工件件單位位面積積上的的磨削削磨粒粒數(shù)量量，使使刻痕痕數(shù)量量減少少，表表面粗粗糙度度增大大砂輪的修整是用金剛石筆尖在砂輪的工作表面上車出一道螺紋，修整導程和修正深度愈小，修出的磨粒的微刃數(shù)量越多，修出的微刃等高性也愈好，因而磨出的工件表面粗糙度值也就愈小。修整用的金剛石筆尖是否鋒利對砂輪的修正質量有很大影響。圖示為經過精細修正后砂輪磨粒上的微刃。太硬的的材料料使磨磨粒易易鈍，，磨削削時的的塑性性變形形和摩摩擦加加劇，，使表表面粗粗糙度度增大大，且且表面面易燒燒傷甚甚至產產生裂裂紋而而使零零件報報廢。。太軟軟的材材料塑塑性大大，在在磨削削時磨磨屑易易堵塞塞砂輪輪，使使表面面粗糙糙度增增大。。韌性性大導導熱性性差的的耐熱熱合金金易使使砂粒粒早期期崩落落，使使砂輪輪表面面不平平，導導致磨磨削表表面粗粗糙度度值增增大。。采用切切削液液可以以降低低磨削削區(qū)溫溫度，，減少少燒傷傷，沖沖去脫脫落的的磨粒粒和磨磨屑，，可以以避免免劃傷傷工件件，從從而降降低表表面粗粗糙度度。但但必須須合理理選擇擇冷卻卻方法法和切切削液液。１．切切削加加工對對表面面粗糙糙度的的影響響因素素一、影影響表表面粗粗糙度度的因因素2．磨削削加工工對表表面粗粗糙度度的影影響因因素(1)砂輪的的粒度度(2)砂輪的的硬度度(3)砂輪的的修整整(4)磨削速速度(5)磨削徑徑向進進給量量與光光磨次次數(shù)(6)工件圓圓周進進給速速度與與軸向向進給給量(7)工件材材料(8)切削液液砂輪的的粒度度愈細細，則則砂輪輪工作作表面面單位位面積積上的的磨粒粒數(shù)越越多，，因而而在工工件上上的刀刀痕也也越密密而細細，所所以粗粗糙度度值愈愈小。。但是是粗粒粒度的的砂輪輪如果果經過過精細細修整整，在在磨粒粒上車車出微微刃后后，也也能加加工出出粗糙糙度值值小的的表面面。砂輪的的硬度度太大大，磨磨粒鈍鈍化后后不容容易脫脫落，，工件件表面面受到到強烈烈的摩摩擦和和擠壓壓，加加劇了了塑性性變形形，使使表面面粗糙糙度值值增大大甚至至產生生表面面燒傷傷。砂砂輪太太軟則則磨粒粒易脫脫落，，會產產生不不均勻勻磨損損現(xiàn)象象，影影響表表面粗粗糙度度。因因此，，砂輪輪的硬硬度應應適中中。

切削用量中，切削速度對表面粗糙度的影響比較復雜。在切削塑性材料時，一般情況下低速或高速切削時因不會產生積屑瘤，加工表面粗糙度值較小。但在中等速度下，塑性材料由于容易產生積屑瘤與鱗刺，且塑性變形較大，因此表面粗糙度值會變大。切削加工過程中的切削變形愈大，加工表面就愈粗糙。在高速切削時，由于變形的傳播速度低于切削速度，表面層金屬的塑性變形較小，因而高速切削時表面粗糙度較低。加工脆性材料時，由于塑性變形很小，主要形成崩碎切屑，切削速度的變化，對脆性材料的表面粗糙度影響較小。二、影影響加加工表表面層層物理理力學學性能能的因因素在切削削加工工中，，工件件由于于受到到切削削力和和切削削熱的的作用用，使使表面面層金金屬的的物理理機械械性能能產生生變化化，最最主要要的變變化是是表面面層金金屬顯顯微硬硬度的的變化化、金金相組組織的的變化化和殘殘余應應力的的產生生。由由于磨磨削加加工時時所產產生的的塑性性變形形和切切削熱熱比刀刀刃切切削時時更嚴嚴重，，因而而磨削削加工工后加加工表表面層層上述述三項項物理理機械械性能能的變變化會會很大大。1、表面面層加加工硬硬化2、表面面層金金相組組織的的變化化3、表面面層殘殘余應應力1、表面面層加加工硬硬化1)冷作硬硬化及及其評評定參參數(shù)機械加加工過過程中中因切切削力力作用用產生生的塑塑性變變形，，使晶晶格扭扭曲、、畸變變，晶晶粒間間產生生剪切切滑移移,晶粒被被拉長長和纖纖維化化，甚甚至破破碎，，這些些都會會使表表面層層金屬屬的硬硬度和和強度度提高高，這這種現(xiàn)現(xiàn)象稱稱為冷冷作硬硬化（（或稱稱為強強化））。表表面層層金屬屬強化化的結結果，，會增增大金金屬變變形的的阻力力，減減小金金屬的的塑性性，金金屬的的物理理性質質也會會發(fā)生生變化化。被冷作硬硬化的金金屬處于于高能位位的不穩(wěn)穩(wěn)定狀態(tài)態(tài)，只有有一種可可能，金金屬的不不穩(wěn)定狀狀態(tài)就要要向比較較穩(wěn)定的的狀態(tài)轉轉化，這這種現(xiàn)象象稱為弱弱化。弱弱化作用用的大小小取決于于溫度的的高低、、溫度持持續(xù)時間間的長短短和強化化程度的的大小。。由于金金屬在機機械加工工過程中中同時受受到力和和熱的作作用，因因此，加加工后表表層金屬屬的最后后性質取取決于強強化和弱弱化綜合合作用的的結果。。評定冷作作硬化的的指標：：表層金金屬的顯顯微硬度度HV、硬化層層深度h和硬化程程度N。N＝((Hv－Hv0)/Hv0)××100％Hv—加工后表表面層的的顯微硬硬度；Hv0——原材料的的顯微硬硬度。2)影響冷作作硬化的的主要因因素①切削用量量切削速度度增大，，刀具與與工件的的作用時時間縮短短，使塑塑性變形形擴展深深度減小小，冷硬硬層深度度減小。。切削速速度增大大后，切切削熱在在工件表表面層上上的作用用時間也也縮短樂樂，將使使冷硬程程度增加加。進給給量增大大，切削削力也增增大，表表層金屬屬的塑性性變形加加劇，冷冷硬作用用加強。。②切削溫度度切削刃鈍鈍圓半徑徑增大，，對表層層金屬的的擠壓作作用增強強，塑性性變形加加劇，導導致冷硬硬增強。。刀具后后刀面磨磨損增大大，后刀刀面與被被加工表表面的摩摩擦加劇劇，塑性性變形增增大，導導致冷硬硬增強。。③工件材料料工件材料料的塑性性愈大，，冷硬現(xiàn)現(xiàn)象就愈愈嚴重。。2、表面層層金相組組織的變變化金相組織織的變化化主要受受溫度的的影響。。當被磨磨工件表表面層溫溫度達到到相變溫溫度以上上時，表表層金屬屬發(fā)生金金相組織織的變化化，使表表層金屬屬強度和和硬度降降低，并并伴有殘殘余應力力產生，，甚至出出現(xiàn)微觀觀裂紋時時稱為磨磨削燒傷傷。在磨削淬淬火鋼時時，可能能產生以以下三種種燒傷：：①回火燒傷傷②淬火燒傷傷③退火燒傷傷如果磨削削區(qū)溫度度超過了了相變溫溫度，而而磨削區(qū)區(qū)域又無無冷卻液液進入，，表層金金屬將產產生退火火組織，，表面硬硬度將急急劇下降降。如果磨削削區(qū)溫度度超過了了相變溫溫度，再再加上冷冷卻液的的急冷作作用，表表層金屬屬發(fā)生二二次淬火火，使表表層金屬屬出現(xiàn)二二次淬火火馬氏體體組織，，其硬度度比原來來的回火火馬氏體體的高，，在它的的下層，，因冷卻卻較慢，，出現(xiàn)了了硬度比比原先的的回火馬馬氏體低低的回火火組織（（索氏體體或托氏氏體）。。如果磨削削區(qū)的溫溫度未超超過淬火火鋼的相相變溫度度，但已已超過馬馬氏體的的轉變溫溫度，工工件表層層金屬的的回火馬馬氏體組組織將轉轉變成硬硬度較低低的回火火組織（（索氏體體或托氏氏體）。。1）磨削燒傷傷2）防止磨削燒傷傷的途徑徑磨削熱是是造成磨磨削燒傷傷的根源源，故改改善磨削削燒傷由由兩個途途徑：一是盡可可能地減減少磨削削熱地產產生；二二是改善善冷卻條條件，盡盡量使產產生地熱熱量少傳傳入工件件。具體體工藝措措施如下下：(1)正確選擇擇砂輪(2)合理選擇擇磨削用用量(3)改善冷卻卻條件a)采用高壓大流量冷卻b)為了減輕高速旋轉的砂輪表面的高壓附著氣流的作用，可以加裝空氣檔板,使冷卻液能順利地噴注到磨削區(qū)，這對于高速磨削更為必要。c)采用內冷卻法應在保證證表面質質量的前前提下盡盡量不影影響生產產率和表表面粗糙糙度。磨磨削深度度不能選選得太大大,磨削深度度增加，，溫度隨隨之升高高、燒傷傷增加．．工件的縱縱向進給給量越大大．砂輪輪與工件件的表面面接觸時時間相對對減少，，因而熱熱的作用用時間減減少，散散熱條件件得到改改善、磨磨削燒傷傷越少。。工件件線速度度增大時時磨削區(qū)區(qū)溫度會會上升。。但熱的的作用時時間卻減減少了。。一般在在提高工工件速度度的同時時提高砂砂輪的速速度。一般選擇擇的砂輪輪應使在在磨削過過程中具具有自銳銳能力(即砂粒磨磨鈍后自自動破碎碎產生新新的鋒利利的新磨磨?；蜃宰詣訌纳吧拜喺辰Y結劑處脫脫落的能能力)。同時磨磨削時砂砂輪應不不致產生生粘屑堵堵塞現(xiàn)象象。3、表面層層殘余應應力表面層殘殘余應力力主要是是因為在在切削加加工過程程中工件件受到切切削力和和切削熱熱的作用用，在表表面層金金屬和基基體金屬屬之間發(fā)發(fā)生了不不均勻的的體積變變化而引引起的。。（１）冷冷態(tài)塑性性變形引引起的殘殘余應力力在切切削加工工過程中中，由于于切削力力的作用用，工件件表面層層產生塑塑性變形形，使表表面金屬屬比容增增大，體體積膨脹脹，由于于塑性變變形只在在表層金金屬中產產生，表表層金屬屬的比容容增大，，體積膨膨脹，不不可避免免地要受受到與它它相連的的里層金金屬的限限制，在在表面金金屬層產產生了殘殘余壓應應力，而而在里層層金屬中中產生殘殘余拉應應力。右右圖所示示為加工工后由冷冷塑態(tài)變變形產生生的殘余余應力的的分布情情況。（２）熱態(tài)塑塑性變形引起起的殘余應力力切削加工中，，切削區(qū)會有有大量的切削削熱產生，使使工件產生不不均勻的溫度度變化，從從而導致不均均勻的熱膨脹脹。切削加工工進行時，當當表面溫度度升高到使表表層金屬進入入到塑性狀態(tài)態(tài)時，其體積積膨脹受到到溫度較低的的基體金屬的的限制而產生生熱塑性變形形。切削加工工結束后，表表面溫度下降降，由于表面面已產生熱熱塑性變形要要收縮，此時時又會受到基基體金屬的限限制，在表面面產生殘余拉拉應力。熱塑塑性變形主要要在磨削時產產生，磨削削溫度越高，，熱塑性變形形越大，殘余余拉應力越大大，有時甚至至會產生裂紋紋。右圖所示示為磨削時由由熱塑性變形形產生的殘余余應力的分布布情況。(3)金相組織變化化引起的殘余余應力不同同金相組織具具有不同的密密度，金相組組織的轉變會會引起金屬材材料的體積變變化。加工過過程中，當切切削溫度的變變化使表面層層金屬產生了了金相組織的的變化時，表表層金屬的體體積變化（增增大或減?。┍厝灰艿降脚c之相連的的基體金屬的的阻礙，因而而就有殘余應應力產生。不同磨削方式式下殘余應力力的分布情況況。一、機械加工工中的振動現(xiàn)現(xiàn)象二、受迫振動動三、減小受迫迫振動的途徑徑四、機械加工工過程中受迫迫振源的查找找方法第四節(jié)機機械加工過程程中的振動加工過程中的的振動，使刀刀具與工件之之間產生相對對位移，使加加工表面產生生振痕、將嚴嚴重影響零件件的表面質量量和使用性能能。動態(tài)交變變載荷使刀具具極易磨損(甚至崩刃)，機床連接特特性受到破壞壞，縮短了刀刀具和機床的的使用壽命、、而且振動嚴嚴重時，使加加工無法進行行，為了減少少振動，有時時不得不降低低切削用量，，從而降低了了生產率。振動的分類按按工藝系統(tǒng)可可分為三類：：1、自由振動2、受迫振動3、自激振動。。一、機械加工工中的振動現(xiàn)現(xiàn)象機械加工中，，由于刀具與與工件之間常常常產生周期期性往復運動動，既機械加加工振動。一一般說它是一一種破壞正常常切削過程的的有害觀象。。各種切削和和磨削過程都都可能發(fā)生振振動，當速度度高、切削金金屬量大時會會產生較強烈烈振動。當系統(tǒng)受到初初步始干擾力力而破壞了其其平衡狀態(tài)后后，僅靠彈性性恢復力來維維持的振動稱稱為自由振動動。在切削過過程中，由于于材料硬度不不均或工件表表面有缺陷，，工藝系統(tǒng)就就會發(fā)生振動動，但由于阻阻尼作用、振振動將迅速減減弱，因而對對機械加工的的影響不大。。在外界周期性性干擾力，(激振力)持續(xù)作用下，，系統(tǒng)被迫產產生的振動。。系統(tǒng)在沒有受受到外界周期期性干擾力(激振力)作用下產生的的持續(xù)振動。。維持這種振振動的交變力力是由振動系系統(tǒng)在自身運運動中激發(fā)出出來的、稱為為自激振動。。機械加工中的的強迫振動與與一般機械中中的強迫振動動沒有什么區(qū)區(qū)別，強迫振振動的頻率與與干擾力的頻頻率相同或是是它的倍數(shù)。。1、強迫振動的的振源即來自機床內內部的機內振振源和來自機機床外部的機機外振源兩大大類。1）、機外振源源：甚多，但它們們都是通過地地基傳給機床床的，可通過過加設隔振地地基來隔離。。2）、機內振源源主要又：a）機床高速旋旋轉件不平衡衡引起的振動動b）機床傳動機機構缺陷引起起的振動c）切削過程中中的沖擊引起起的振動d）往復運動部部件的慣性力力引起的振動動二、受迫振動動受迫振動的振振動頻率與外外界激振力的的頻率相同或或是它的倍數(shù)數(shù)，而與系統(tǒng)統(tǒng)的固有頻率率無關。2、受迫振動的的特點：受迫振動是由由周期性激振振力引起的，，不會被阻尼尼衰掉，振動動本身也不能能使激振力發(fā)發(fā)生變化。受迫振動的幅幅值即與激振振力的幅值有有關，又與工工藝系統(tǒng)的動動態(tài)特性有關關。3、減小受迫振振動的途徑１）減小激振振力可通過過提高機床的的制造和裝配配精度，以消消除工藝系統(tǒng)統(tǒng)內部的振動動源。如機床中高速速回轉的零件件要進行靜平平衡和動平衡衡（如磨床的的砂輪、電動動機的轉子等等）；提高齒齒輪的制造和和裝配精度，，或采用對振振動和動平衡衡不敏感的高高阻尼材料制制造齒輪，以以減少齒輪嚙嚙合所造成的的振動。２）調整振源源頻率調整整刀具或工件件的轉速，使使激振力頻率率偏離工藝系系統(tǒng)的固有頻頻率。３）增強工藝藝系統(tǒng)的剛性性和阻尼以提提高其抗振能能力如采用用刮研各零部部件之間的接接觸表面，以以增加各種部部件間的連接接剛度；利用用跟刀架，縮縮短工件或刀刀具裝夾時的的懸伸長度等等方法以增加加工藝系統(tǒng)的的剛度。４））采取隔振措措施隔離外部部或內部振源源對于某些些動力源（如如電動機、油油泵等），最最好與機床分分開，以達到到隔振的目的的。５）采用各種種減振措施如如果不能從從根本上消除除產生振動的的條件，又不不能有效的提提高工藝系統(tǒng)統(tǒng)的動態(tài)特性性，可采用消消振減振裝置置。4、機械加工過過程中受迫振振源的查找方方法如果已經確認認機械加工過過程中發(fā)生了了受迫振動，，就要設法查查找振源，以以便去除振源源或減小振源源對加工過程程的影響。由由受迫振動的的特征可知，，受迫振動的的頻率總是與與干擾力的頻頻率相等或是是它的倍數(shù)，，我們可以根根據受迫振動動的這個規(guī)律律去查找受迫迫振動的振源源。三、機械加工工過程中的自自激振動機械加工中在在沒有周期性性外力（相對對于切削過程程而言）作用用下，由系統(tǒng)統(tǒng)內部激發(fā)反反饋產生的周周期性振動，，稱為自激振振動。其振動動頻率與系統(tǒng)統(tǒng)的國有頻率率相近。既然沒有周期期性外力的作作用，那么激激發(fā)自激振動動的交變力是是怎樣產生的的呢？用傳遞遞函數(shù)的概念念來分析，機機床加工系統(tǒng)統(tǒng)是一個由振振動系統(tǒng)和調調節(jié)系統(tǒng)組成成的閉環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)（如圖所示示）。激勵機床系統(tǒng)統(tǒng)產生振動運運動的交變力力是由切削過過程產生的，，而切削過程程同時又受機機床系統(tǒng)振動動運動的控制制，機床系統(tǒng)統(tǒng)的振動運動動一旦停止，，動態(tài)切削力力也就隨之消消失。自激振振動系統(tǒng)維持持穩(wěn)定振動的的條件為在一一個振動周期期內，從能源源機構經調節(jié)節(jié)系統(tǒng)輸入到到振動系統(tǒng)的的能量，等于于系統(tǒng)阻尼所所消耗的能量量。如果切削過程程很平穩(wěn)，即即使系統(tǒng)存在在產生自激振振動的條件，，也因切削過過程沒有交變變的動態(tài)切削削力，使自激激振動不可能能產生。但是是，在實際加加工過程中，，偶然的外界界干擾（如工工件材料硬度度不均、加工工余量有變化化等）總是存存在的，這種種偶然性外界界干擾所產生生的切削力的的變化，作用用在機床系統(tǒng)統(tǒng)上，會使系系統(tǒng)產生振動動運動。系統(tǒng)統(tǒng)的振動運動動將引起工件件與刀具間的的相對位置發(fā)發(fā)生周期性變變化，使切削削過程產生維維持振動的動動態(tài)切削力。。如果工藝系系統(tǒng)不存在自自激振動的條條件，這種偶偶然性的外界界干擾，將因因工藝系統(tǒng)存存在阻尼而使使振動運動逐逐漸衰減。如如果工藝系統(tǒng)統(tǒng)存在產生自自激振動的條條件，就會使使機床加工系系統(tǒng)產生持續(xù)續(xù)的振動運動動。（１）負摩摩擦自振原原理在切削塑性性材料時，，由切削原原理可知，，徑向切削削分力Fy開始隨切削削速度Vc的增加而增增大，自某某一速度開開始，又隨隨切削速度度的增加而而下降。在在力－速度度曲線下降降區(qū)，極易易引起自激激振動。徑徑向切削分分力主要取取決于切屑屑與刀具相相對運動所所產生的摩摩擦力。1、自激振動動的形成機機理經過對自激激振動的研研究，人們們從不同側側面出發(fā)，，形成多種種關于自激激振動機理理的理論。。圖所示為車削削加工的簡簡化振動模模型。將加工系統(tǒng)統(tǒng)簡化為單單自由度系系統(tǒng)，刀具具簡化為等等效質量ｍｍ，僅能做做徑向運動動。在穩(wěn)定切削削時，工件件表面的線線速度為Vc，則刀具和和切屑的相相對滑動速速度為V1＝Vc／ζ，為切屑屑收縮系數(shù)數(shù)。當?shù)毒呔甙l(fā)生振動動時，前刀刀面與切屑屑的相對滑滑動速度便便要ζ附加一個振振動速度V2，刀具切入入工件時相相對滑動速速度為V1＋V2，刀具退出出工件時，，相對滑動動速度為V1－V2，它們分別別對應于徑徑向切削力力Fy1和Fy2。所以，刀刀具切入工工件的半個個周期中，，切削力所所做的負功功小于刀具具切出工件件的半個周周期中所做做的正功，，在一個振振動周期中中，便有多多余的能量量輸入振動動系統(tǒng)，從從而激起振振動。圖為徑向切切削力Fy與切屑和前前刀面相對對滑動速度度ｖ的關系系曲線。外圓磨削時時，設砂輪寬度度為Ｂ，工工件每轉進進給量為ｆｆ，砂輪輪前一轉的的磨削區(qū)和和后一轉磨磨削區(qū)有重重疊部分，，其大小用用重疊系數(shù)數(shù)μ表示：（２）再生生效應自振振原理切削或磨削削加工時，，后一次走走刀和前一一次走刀總總會有部分分重疊。圖為外圓磨磨削簡圖。。Ｂ－ｆμ＝——Ｂ前后兩次走走刀完全重重疊時，μ＝１；無重重疊時，μ＝０；一般般情況μ在０～１之之間。在穩(wěn)定的切切削過程中中，由于偶偶然的擾動動（如刀具具碰到工件件材料上的的硬質點、、余量不均均勻等），，引起工件件與刀具發(fā)發(fā)生相對的的自由振動動，從而在在切削表面面上留下振振紋，當?shù)诘诙巫叩兜稌r，刀具具將在有波波紋的表面面上進行切切削。設第ｉ次切切削時刀具具與工件間間的振紋為為y0，第ｉ＋１１次（振紋紋為ｙ））就要從已已有振紋的的表面上切切除切屑。。圖ａ中表表示在一個個周期中切切削厚度處處處相等，，切入時切切削力Ｆ所所做的負功功（因為切切入時刀具具的速度方方向與切削削力Ｆ的方方向相反））與切出時時所做的正正功相等，，振紋保持持原有的狀狀態(tài)；圖ｂｂ中表示振振幅ｙ比比ｙ００滯后φ角，刀具切切入半周期期中平均切切削厚度比比切出時的的平均厚度度小，因此此，切入時時的平均切切削力比切切出時的小小，所以，，在一個振振動周期中中，切削力力做的正功功大于負功功，系統(tǒng)得得到了能量量的輸入，，振動加強強。圖ｃ中中ｙ中ｙｙ比ｙｙ０超前前φ角，刀具切切入的半周周期，平均均切削厚度度比切出時時的大，因因此，切削削力所做的的負功大于于正功，振振動逐漸衰衰減。振動的發(fā)生生與維持可可用下圖所所示的三種種切削過程程的能量關關系說明。。綜上所述，，振動ｙｙ滯后于于ｙ０是是產生再生生顫振的必必要條件。。橢圓形曲線線的旋向是是順時針的的，則刀具具沿ABC的軌跡是切切入工件，，它的運動動方向與切切削力Ｆ的的方向相反反，F(xiàn)做負功。沿沿著BDA軌跡退出時時，Ｆ力做做正功。由由于切出時時平均切削削厚度大于于切入時平平均切削厚厚度，故切切削力做的的正功大于于負功，在在一個振動動周期中便便有多余的的能量輸入入振動系統(tǒng)統(tǒng)，維持系系統(tǒng)的振動動。（３）振型型藕合自振振原理振動系統(tǒng)實實際上都是是多自由度度的，圖是是一個二自自由度振動動系統(tǒng)示意意圖。設切削前工工件表面是是光滑的，，即不考慮慮再生效應應，當?shù)都芗芟到y(tǒng)產生生了角頻率率為ω的振動，則則刀架將在在X1和X2兩個方向上上同時振動動，刀具振振動的軌跡跡一般為橢橢圓形的封封閉曲線。。２．自激振振動的特征征與其他類型型的振動相相比，自激激振動有以以下特征：：（１）機械械加工中的的自激振動動是在沒有有周期性外外力（相對對于切削過過程而言））干擾下所所產生的振振動運動，，這一點與與強迫振動動有原則區(qū)區(qū)別。（２）自激激振動的頻頻率接近于于系統(tǒng)的某某一固有頻頻率，或者者說，顫振振頻率取決決于振動系系統(tǒng)的固有有特性。這這一點與強強迫振動根根本不同，，強迫振動動的頻率取取決于外界界干擾力的的頻率。（３）自激激振動是一一種不衰減減的振動。。振動過程程本身能引引起某種不不衰減的周周期性變化化，而振動動系統(tǒng)能通通過這種力力的變化，，從不具備備交變特性性的能源中中周期性的的獲得補充充能量，從從而維持住住這個振動動。當運動動一停止，，則這種外外力的周期期性變化和和能量的補補充過程也也都立即停停止。工藝藝系統(tǒng)中維維持自激振振動的能量量來自機床床電動機，，電動機除除了供給切切除切屑的的能量外，，還通過切切削過程把把能量輸給給振動系統(tǒng)統(tǒng)，使工藝藝系統(tǒng)產生生振動運動動。３．自激振振動的控制制（１）盡量量減小重疊疊系數(shù)μ重疊疊系系數(shù)數(shù)μ直接接影影響響再再生生效效應應的的大大小小。。重重疊疊系系數(shù)數(shù)值值取取決決于于加加工工方方式式、、刀刀具具的的幾幾何何形形狀狀、、切切削削用用量量等等。。圖圖中中列列出出了了兩兩種種加加工工方方式式的的μ值。。車車螺螺紋紋（（圖圖ａａ））時時，，μ＝００，，工工藝藝系系統(tǒng)統(tǒng)不不會會有有再再生生型型自自激激振振動動產產生生。。切切斷斷工工件件（（圖圖ｂｂ））時時，，μ＝１１，，再再生生效效應應最最大大。。對對于于一一般般外外圓圓，，縱縱向向車車削削時時，，μ＝００～～１１，，此此時時應應通通過過改改變變切切削削用用量量和和刀刀具具幾幾何何形形狀狀，，使使μ盡量量減減小小，，以以提提高高切切削削的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性。。自激激振振動動主主要要受受切切削削過過程程中中的的工工藝藝系系統(tǒng)統(tǒng)內內部部因因素素的的影影響響。。主主要要影影響響因因素素有有切切削削用用量量、、刀刀具具幾幾何何參參數(shù)數(shù)和和切切削削過過程程中中的的阻阻尼尼等等。。通通過過合合理理控控制制這這些些因因素素，，就就能能減減小小或或消消除除自自激激振振動動。。（２２））合合理理選選擇擇刀刀具具幾幾何何參參數(shù)數(shù)從圖圖可可以以看看出出，，當當κｒ＝＝９９００°時，，振振幅幅最最小小。。前前角角越越大大，，切切削削力力越越小小，，振振幅幅也也越越小小。。前前角角對對振振幅幅的的影影響響。。適適當當?shù)氐卦鲈龃蟠笄扒敖墙?、、主主偏偏角角，，能能減減小小ＦＦｙｙ，，從從而而減減小小振振動動。。后后角角可可盡盡量量取取小小，，但但精精加加工工中中由由于于切切削削深深度度較較小小，，后后角角較較小小時時，，刀刀刃刃不不容容易易切切入入工工件件，，且且使使刀刀具具后后面面與與加加工工表表面面間間的的摩摩擦擦加加劇劇，，反反而而容容易易引引起起自自振振。。通通常常在在刀刀具具的的主主后后面面上上磨磨出出一一段段后后角角為為負負的的窄窄棱棱面面，，如如圖圖所所示示，，這這樣樣可可以以增增大大工工件件和和后后刀刀面面之之間間的的摩摩擦擦阻阻尼尼，，起起到到很很好好的的減減振振效效果果。。刀具具幾幾何何參參數(shù)數(shù)中中對對振振動動影影響響最最大大的的是是主主偏偏角角κｒ和和前前角角γ０。主偏角增增大，則垂直直于加工表面面方向的切削削分力減小，，故不易產生生自振。圖一是切削速速度與振幅的的關系曲線。。從圖一中可可見，在低速速或高速切削削時，振動較較小。圖二、、圖三是進給給量和切削深深度與振幅的的關系曲線。。（３）合理選選擇切削用量量它們表明，選選較大的進給給量和較小的的切削深度有有利于減小振振動。采用高高速切削或低低速切削可以以避免自激振振動。增大進進給量可使振振幅減小，在在加工表面粗粗糙度允許的的情況下，可可以選取較大大的進給量以以避免自激振振動。切削深深度增大，切切削寬度也增增大，振動增增強，選擇切切削深度時一一定要考慮切切削寬度對振振動的影響。。首先是提高機機床的抗振性性能。例如外外圓磨床的主主軸系統(tǒng)要適適當?shù)販p小軸軸承的間隙，，滾動軸承要要加適當?shù)念A預緊力，以增增強接觸剛度度。工件與刀刀具的抗振性性能成為系統(tǒng)統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)時時，應采取相相應的技術措措施，如加工工細長軸時，，用中心架或或跟刀架來提提高工件的抗抗振性能；當當用細長刀桿桿加工孔時，，要采用中間間導向支承來來提高刀具的的抗振性能，，等等。（４）提高工工藝系統(tǒng)的剛剛度（５）采用減減振裝置在在采用上述措措施后仍然不不能達到減振振目的時，可可考慮使用減減振裝置。常常用減振裝置置有阻尼減振振器和沖擊減減振器。①阻尼減振器器：它利用固固體和液體的的摩擦阻尼來來消耗振動動的能量。如如在機床主軸軸系統(tǒng)中附加加阻尼減振器器，它相當當于間隙很大大的滑動軸承承，通過阻尼尼套和阻尼間間隙中的粘粘性油的阻尼尼作用來減振振。②沖擊減振器器：如圖所示示，它是由一一個與振動系系統(tǒng)剛性相聯(lián)聯(lián)的殼體２和和一個在殼體體內自由沖擊擊的質量器塊塊１組成的。。當系統(tǒng)振動動時，自由質質量塊反復沖沖擊振動系統(tǒng)統(tǒng)，消耗振動動的能量，以以達到減振效效果。振紋再生原理理在金屬切削過過程中，除極極少數(shù)情況外外，刀具總是是部分地或完完全地在帶有有波紋的表面面上進行切削削的。

首先先來研究車刀刀作徑向切削削的情況，此此時車刀只作作橫向進給，，車刀將完全全地在工件前前一轉切削時時留下的波波紋表面上進進行切削，如如右上圖示。。假定切削過過程受到一個個瞬時的偶然然擾動力Fd的作用，如右右下圖示，刀刀具與工件便便會發(fā)生相對對運動（自由由振動），它它的幅值將因因系統(tǒng)阻尼的的存在而逐漸漸衰減，但該該振動會在已已加工表面上上留下一段振振紋。此時切切削厚度將發(fā)發(fā)生波動，因因而產生了交交變的動態(tài)切切削力。如果果機床加工系系統(tǒng)滿足產生生自激振動的的條件，振動動便會進一步步發(fā)展到圖d示的持續(xù)的顫顫振狀態(tài)。我我們將這種由由于切削厚度度變化效應而而引起的自激激振動稱為再生型顫振?？刂茩C械加工工振動的途徑徑當機械加工過過程中出現(xiàn)影影響加工質量量的振動時，，首先應該判判別這種振動動是強迫振動動還是自激振振動，然后再再采取相應措措施來消除或或減小振動。。

消除振動動的途徑有三三：消除或減弱產產生振動的條條件；改善工藝系統(tǒng)統(tǒng)的動態(tài)特性性；采用消振減振振裝置。消除或減弱產產生振動的條條件1）減小機內內外干擾力機機床上高高速旋轉的零零部件必須進進行平衡，是是質量不平衡衡控制在允許許范圍內。（2）調整