機械制造技術基礎第4章

1、4.1 概述 4.2 影響加工表面粗糙度的工藝因素 4.3 影響加工表面物理力學性能的因素 4.4 機械加工中的振動,第4章 機械加工表面質量,機械零件的加工質量，除了加工精度外，還有表面質量。機械加工的表面質量是指零件加工后的表面層狀態(tài)，它是判定零件質量優(yōu)劣的重要依據。機械零件的失效，大多是由于零件的磨損、腐蝕或疲勞破壞等所致。而磨損、腐蝕、疲勞等破壞都是從零件表面開始的，由此可見，零件表面質量將直接影響零件的工作性能，尤其是可靠性和壽命。 4.1.1表面質量的主要內容 產品的工作性能，尤其是它的可靠性和耐久性等在很大程度上取決于其主要零件的表面質量。表面質量主要有以下兩方面內容。 1.表面

2、的幾何特征 如圖42所示，表面的幾何特征，主要由以下幾部分組成： （1）表面粗糙度。加工表面上具有的較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀特性。它一般由所采用的加工方法或其他因素形成，其波高與波長的比值一般大于1：50。,4.1 概述,返回,下一頁,（2）表面波度。介于宏觀幾何形狀誤差與微觀表面粗糙度之間的中間幾何形狀誤差,它主要是由工藝系統(tǒng)的低頻振動造成的，其波高與波長的比值一般為1：50至1：1000。 （3）表面加工紋理。即表面微觀結構的主要方向,它取決于表面形成過程中所采用的機械加工方法及其主運動和進給運動的關系。 （4）傷痕。在加工表面的一些個別位置上出現(xiàn)的缺陷,它們大多是隨機分布的，如

3、砂眼、氣孔、裂痕和劃痕等。 2.表面層物理力學性能 表面層物理力學性能主要是指下列三個方面： （1）表面層的冷作硬化。工件在機械加工過程中，表面層金屬產生強烈的塑性變形，使表層的強度和硬度都有所提高，這種現(xiàn)象稱為表面冷作硬化。,4.1 概述,返回,下一頁,上一頁,（2）表面層殘余應力。切削（磨削）加工過程中由于切削變形和切削熱等的影響，工件表層及其與基體材料的交界處會產生相互平衡的彈性應力，稱為表面層的殘余應力。表面層殘余應力如超過材料的強度極限，就會產生表面裂紋，表面的微觀裂紋將給零件帶來嚴重的隱患。 （3）表面層金相組織的變化。磨削時的高溫，常會引起表層金屬的金相組織發(fā)生變化（通常稱之為磨

4、削燒傷），由此大大降低表面層的物理力學性能。 4.1.2表面質量對零件使用性能的影響 表面質量對零件使用性能如耐磨性、配合性質、疲勞強度、抗腐蝕性、接觸剛度等都有一定程度的影響。 1.表面質量對零件耐磨性的影響 表面粗糙度對耐磨性有較大的影響。零件的耐磨性主要與摩擦副的材料、熱處理狀況、表面質量和潤滑條件有關。,4.1 概述,返回,下一頁,上一頁,如果表面粗糙，當兩個零件的表面互相接觸時，只是表面的凸峰相接觸，實際接觸面積遠小于理論接觸面積，因此單位面積上壓力很大，破壞了潤滑油膜，凸峰處出現(xiàn)了干摩擦。如果一個表面的凸峰嵌入另一表面的凹谷中，摩擦阻力很大，且會產生彈性變形、塑性變形和剪切破壞，從

5、而引起嚴重的磨損。 一般來說，表面粗糙度值越小，其耐磨性越好。但并不是表面粗糙度數(shù)值越小越耐磨。過于光滑的表面會擠出接觸面間的潤滑油，使分子之間的親和力加強，從而產生表面冷焊、膠合，使得磨損加劇。從圖43實驗曲線可知，表面粗糙度值Ra與初期磨損量0之間存在著一個最佳值。此點所對應的是零件最耐磨的表面粗糙度值。這是因為在零件表面粗糙度值過小的情況下，緊密接觸的兩個光滑表面間貯油能力很差，致使?jié)櫥瑮l件惡化，兩表面金屬分子間產生較大親合力，因黏合現(xiàn)象而使表面產生“咬焊”，導致磨損加劇。因此零件摩擦表面粗糙度值偏離最佳值太大，無論是偏高還是偏低，都是不利的。,4.1 概述,返回,下一頁,上一頁,就零件

6、的耐磨性而言，最佳表面粗糙度Ra在0.80.2m之間為宜。 零件表面紋理形狀和紋理方向對表面耐磨性也有顯著影響，在輕載并充分潤滑的運動副中，兩配合面的刀紋方向相同時，耐磨性較好；與運動方向垂直時，耐磨性最差；其余的情況，介于上述的兩者之間。而在重載又無充分潤滑的情況下，兩結合表面的刀紋方向垂直時磨損較小。由此可見，重要的零件最終加工應規(guī)定最后工序的加工紋理方向。 加工硬化能提高耐磨性，但過度的硬化會使表面層產生裂紋和表面層剝落，磨損加劇，耐磨性下降。 表面層金屬的殘余應力和金相組織變化也會對耐磨性有影響。 2.表面質量對零件配合性質的影響 表面粗糙度大，磨合后會使間隙配合的間隙增大，降低配合精

7、度。對于過盈配合而言，裝配時配合表面的凸峰被擠平，減小了實際過盈量；降低連接強度，影響了配合的可靠性。,4.1 概述,返回,下一頁,上一頁,表面加工硬化嚴重，將可能造成表層金屬與內部金屬脫離的現(xiàn)象，也將影響配合精度和配合質量。 殘余應力過大，將引起零件變形，使零件的幾何尺寸和形狀改變，而破壞配合性質和配合精度。 3.表面質量對零件疲勞強度的影響 表面粗糙度值大，在交變載荷作用下，零件容易引起應力集中并擴展疲勞裂紋，造成疲勞損壞。例如，表面粗糙度Ra由0.4m降低到0.04m時，對于承受交變載荷的零件，其疲勞強度可提高30%40%。表面粗糙度值越大，疲勞強度也降低得越厲害。 合理地安排加工紋理方

8、向及零件的受力方向有利于疲勞強度的提高。 殘余應力與疲勞強度有極大關系。殘余壓應力提高零件的疲勞強度，殘余拉應力使疲勞裂紋加劇，降低疲勞強度。帶有不同殘余應力表面層的零件，其疲勞壽命可相差數(shù)倍至數(shù)十倍。 適當加工硬化有助于提高零件的疲勞強度。,4.1 概述,返回,下一頁,上一頁,4.表面質量對零件抗腐蝕性的影響 零件在介質中工作時，腐蝕性介質會對金屬表層產生腐蝕作用，表面粗糙的凹谷，容易沉積腐蝕性介質而產生化學腐蝕和電化學腐蝕，如圖44所示。腐蝕性介質按箭頭方向產生侵蝕作用，逐漸滲透到金屬的內部，使金屬層剝落、斷裂形成新的凹凸表面。然后，腐蝕又由新的凹谷向內擴展，這樣重復下去會使工件的表面遭到

9、嚴重的破壞。表面光潔的零件，凹谷較淺，沉積腐蝕介質的條件差，不太容易腐蝕。 凡零件表面存在有殘余拉應力，都將降低零件的耐腐蝕性；零件表層殘余壓應力和一定程度的強化都有利于提高零件的抗腐蝕能力。 5.表面質量對接觸剛度的影響 表面粗糙度值大，零件之間接觸面積減小，接觸剛度減小，表面粗糙度值小，零件的配合表面的實際接觸面積大，接觸剛度大。 加工硬化，能提高表層的硬度，增加表層的接觸剛度。,4.1 概述,返回,下一頁,上一頁,機床導軌副的刮研、精密軸類零件加工時、頂尖孔的修研等，都是生產中提高配合精度和接觸剛度行之有效的方法。 另外，表面質量好能提高密封性能，降低相對運動零件的摩擦系數(shù)，減少發(fā)熱和功

10、率消耗，減少設備的噪聲等。,4.1 概述,返回,上一頁,影響表面粗糙度的因素很多，本書僅就切削加工和磨削加工兩方面作介紹。 4.2.1切削加工影響表面粗糙度的因素 機械加工中，產生表面粗糙度的主要原因可歸納為刀具在工件表面留下的殘留面積、切削過程的物理方面的原因以及切削時的振動三方面。 1.刀具在工件表面留下的殘留面積 對車削加工在理想條件下，刀具相對工件做進給運動時，加工表面上遺留下來的切削層殘留表面，形成理論表面粗糙度，如圖45所示。在被加工表面上殘留的面積越大，獲得的表面將越粗糙。 刀尖圓弧半徑為r時（圖45（a） (41),4.2 影響加工表面粗糙度的工藝因素,返回,下一頁,刀具圓弧半

11、徑為零時（圖45（b） (42) 由式(41)、式（42）可知：用單刃刀切削時，殘留面積只與進給量f、刀尖圓角半徑r0及刀具的主偏角kr、副偏角kr有關。減小進給量f，減小主、副偏角，增大刀尖圓角半徑，都能減小殘留面積的高度H，也就降低了零件的表面粗糙度值。 進給量f對表面粗糙度影響較大，當f值較低時，有利于表面粗糙度值的降低。減小主、副偏角，均有利于表面粗糙度值的降低。一般在精加工時，主、副偏角對表面粗糙度值的影響較小。 2.切削過程的物理方面的原因 （1）工件材料的性質。塑性材料與脆性材料對表面粗糙度都有較大的影響。,4.2 影響加工表面粗糙度的工藝因素,返回,下一頁,上一頁,積屑瘤的影響

12、（塑性材料）。在一定的切削速度范圍內加工塑性材料時，由于前刀面的擠壓和摩擦作用，使切屑的底層金屬流動緩慢而形成滯流層，此時切屑上的一些小顆粒就會黏附在前刀面上的刀尖處，形成硬度很高的楔狀物，稱為積屑瘤，如圖46所示。 積屑瘤的硬度可達工件硬度的23.5倍，它可代替切削刃進行切削，由于積屑瘤的存在，使刀具上的幾何角度發(fā)生了變化，切削厚度也隨之增大，因此將會在已加工表面上切出溝槽。積屑瘤生成以后，當切屑與積屑瘤的摩擦大于積屑瘤與刀面的冷焊強度或受到振動、沖擊時，積屑瘤會脫落，又會逐漸形成新的積屑瘤。由此可見，積屑瘤的生成、長大和脫落，使切削發(fā)生波動，并嚴重影響工件的表面質量。脫落的積屑瘤碎片，還會

13、在工件的已加工表面上形成硬點，因此，積屑瘤是增大表面粗糙度數(shù)值的不可忽視的因素。 鱗刺的影響。在已加工表面產生鱗片狀毛刺,稱做鱗刺，如圖47所示,鱗刺也是增大表面粗糙度數(shù)值的一個重要因素。,4.2 影響加工表面粗糙度的工藝因素,返回,下一頁,上一頁,形成鱗刺的原因： a.機械加工系統(tǒng)的振動所引起的。 b.由于切屑在前刀面上的摩擦和冷焊作用,使切屑在前刀面上產生周期性停留，從而擠拉已加工表面。這種擠拉作用，嚴重時會使表面出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象。 脆性材料。在加工脆性材料時，切屑呈不規(guī)則的碎粒狀，加工表面往往出現(xiàn)微粒崩碎痕跡，留下許多麻點，加大表面粗糙度值。 （2）切削用量。在切削用量的三個要素當中，進給量

14、和切削速度對表面粗糙度的影響比較顯著，背吃刀量對表面粗糙度的影響比較輕微，它不是主要的影響因素。 由式（41）、式（42）可看出，進給量f會顯著影響加工后切削層殘留面積的高度，從而對表面粗糙度有明顯影響。另外也要注意，減小進給量f固然可以降低殘留面積的高度而減小表面粗糙度值，但隨著f的減小，切削過程的塑性變形程度卻會增加，,4.2 影響加工表面粗糙度的工藝因素,返回,下一頁,上一頁,當f小到一定程度(一般為0.020.05mm/r)時，塑性變形的影響上升到主導地位，再進一步減小，不僅不能使表面粗糙度值減小，相反還有增大的趨勢，同時，過小的f還會因刃口鈍圓圓弧無法切下切屑而引起附加的塑性變形使表

15、面粗糙度值增大。過小的背吃刀量也是如此。 切削速度vc對表面粗糙度的影響因工件材料而異。對于塑性材料，一般情況下，低速或高速切削時，不會產生積屑瘤，故加工表面粗糙度值都較小，但在中等切削速度下，塑性材料的工件容易產生積屑瘤或鱗刺，且塑性變形較大，因此加工表面粗糙度值會變大。如圖48所示；對于脆性材料，加工表面粗糙度主要是由于脆性擠裂碎裂而成，與切削速度關系較小。所以精加工塑性材料時往往選擇高速或低速精切，以獲得較小的表面粗糙度值。 (3)刀具材料和幾何參數(shù)。刀具材料與被加工材料金屬分子的親和力大時，切削過程中容易生成積屑瘤。例如，加工鋼材時，在其他條件相同的情況下，用硬質合金刀具加工時，其表面

16、粗糙度值比用高速鋼刀具時小。,4.2 影響加工表面粗糙度的工藝因素,返回,下一頁,上一頁,刀具幾何參數(shù)方面，增大前角可減少切削過程中的塑性變形，有利于抑制積屑瘤的產生，在中、低速切削中對表面粗糙度有一定的影響。過小的后角會增加后面與已加工表面的摩擦，刃傾角的大小會影響刀具的實際前角，因此都會對表面粗糙度產生影響。 刀具經過仔細刃磨，減小其刃口鈍圓半徑，減小前、后面的表面粗糙度值，能有效地減小切削過程中塑性變形，抑制積屑瘤的產生，因而也對減小表面粗糙度值有不容忽視的影響。 （4）切削液。切削液在加工過程中具有冷卻、潤滑和清洗作用，能降低切削溫度和減輕前、后刀面與工件的摩擦，從而減少切削過程中的塑

17、性變形并抑制積屑瘤和鱗刺的生長，對降低表面粗糙度值有很大作用。 （5）工藝系統(tǒng)的高頻振動。工藝系統(tǒng)的高頻振動，使工件和刀尖的相對位置發(fā)生微幅振動，使表面粗糙度加大。,4.2 影響加工表面粗糙度的工藝因素,返回,下一頁,上一頁,4.2.2磨削加工影響表面粗糙度的工藝因素 磨削時，磨削速度很高，砂輪表面有無數(shù)顆磨粒，每顆磨粒相當于一個刀刃，磨粒大多為負前角，單位切削力比較大，故切削溫度很高，磨削點附近的瞬時溫度可高達8001000。這樣高的溫度常引起被磨削表面燒傷，使工件變形和產生裂紋。同時，由于磨粒大多數(shù)為負前角，且磨削厚度很小，所以加工時大多數(shù)磨粒只在工件表面擠壓而過，工件材料受到多次擠壓，反

18、復出現(xiàn)塑性變形。磨削時高溫，更加劇了表面塑性的變形，使表面粗糙值增大。 影響磨削表面粗糙度的因素很多，主要有砂輪的線速度vs，工件的線速度vn，縱向、橫向進給量f（圖49），砂輪的性質及工件材料等。 1.砂輪的線速度 如圖410所示，隨著砂輪線速度vs的增加，在同一時間里參與切削的磨粒數(shù)也增加，每顆磨粒切去的金屬厚度減少，殘留面積也減小，而且高速磨削可減少材料的塑性變形，使表面粗糙度值Ra降低。,4.2 影響加工表面粗糙度的工藝因素,返回,下一頁,上一頁,2.工件的線速度 如圖411所示，在其他磨削條件不變的情況下，隨工件線速度vn的降低，每顆磨粒每次接觸工件時切削厚度減少，殘留面積也減小，因

19、而表面粗糙度值低。但工件線速度過低時，工件與砂輪接觸的時間長，傳到工件上的熱量增多，甚至會造成工件表面金屬微熔，反而使表面粗糙度值增加，而且還增加表面燒傷的可能性。因此，通常取工件線速度等于砂輪線速度的1/60。 3.進給量 采用縱磨法磨削時，隨縱向進給量的增加，表面粗糙度值也增加，橫向磨削時增加橫向進給量（即切削深度）會增大表面粗糙度。 光磨是無進給量磨削，是提高磨削表面質量的重要手段之一。光磨次數(shù)越多，表面粗糙度值越低。砂輪的粒度越細，光磨的效果就越好。,4.2 影響加工表面粗糙度的工藝因素,返回,下一頁,上一頁,4.砂輪的性質 砂輪的粒度、硬度及修整等對表面粗糙度影響較大。 （1）砂輪的

20、粒度。粒度越細，則砂輪單位面積上的磨粒越多，每顆磨粒切去的金屬厚度越小，刻痕也細，表面粗糙度值就越低。 （2）砂輪的硬度。砂輪太軟，則磨粒容易脫落，有利于保持砂輪的鋒利，但很難保證砂輪表面微刃的等高性。砂輪如果太硬，磨鈍了的磨粒不容易脫落，會加劇與工件表面的擠壓和摩擦作用，造成工件表面溫度升高，塑性變形加大，并且還容易使工件產生表面燒傷。所以砂輪的硬度以適宜為好，主要根據工件的材料和硬度進行選擇。 （3）砂輪的修整。砂輪使用一段時間后就必須進行修整，及時修整砂輪有利于獲得鋒利和等高的微刃，較小的修整進給量和修整深度，還能大大增加砂輪的切削刃個數(shù)，這些均有利于提高表面加工質量。,4.2 影響加工

21、表面粗糙度的工藝因素,返回,下一頁,上一頁,5.工件材料 工件材料的性質對表面粗糙度影響較大，太硬、太軟、太韌的材料都不容易磨光。這是因為材料太硬時，磨粒很快鈍化，從而失去切削能力；材料太軟時砂輪又很容易被堵塞；而韌性太大且導熱性差的材料又容易使磨粒早期崩落，這些都不利于獲得低的表面粗糙度值。 此外，切削液的選擇與凈化、磨床的性能、操作工的技能水平等對磨削表面粗糙度均有不同程度的影響，是不可忽視的因素。,4.2 影響加工表面粗糙度的工藝因素,返回,上一頁,機械加工中工件由于受到切削力和切削熱的作用，其表面層的物理力學性能將產生很大的變化，造成與基體材料性能的差異。這些差異主要為表面層的金相組織

22、和硬度的變化及表面層出現(xiàn)殘余應力。 4.3.1表面層的加工硬化 表面層的加工硬化是在機械加工過程中，工件表面金屬受到切削力的作用，產生強烈的塑性變形，使工件表面硬度提高，塑性降低。同時，切削熱在一定條件下會使工件表面的冷硬產生回復現(xiàn)象（已加工硬化的金屬回復到正常狀態(tài)），這一現(xiàn)象也稱為軟化；更高的溫度還將引起相變。因此，受切削力和切削溫度影響，金屬已加工表面的加工硬化是硬化、軟化和相變綜合作用的結果。 影響表面層加工硬化的主要因素如下： （1）切削力。在切削溫度低于金屬再結晶溫度條件下，切削力越大，塑性變形越大，硬化程度也越大，硬化層深度也越大。增大進給量、切削深度和減小刀具前角，都會增大切削力

23、，因此都會使加工硬化嚴重。,4.3 影響加工表面物理力學性能的因素,返回,下一頁,（2）切削溫度。切削時產生的熱量會對工件的表面層硬化產生軟化作用，因此切削溫度越高，表面層的加工硬化回復程度就越大。 （3）刀具。刀具的前角0增大，可減少塑性變形。刀具刃口半徑增大，刀具對表面層的擠壓作用加大，硬化加劇。刀具后刀面的磨損量增大，加大了后刀面與已加工面之間的摩擦，硬化加劇。 （4）切削用量。切削速度增大，硬化層深度和硬度都有所減小。因為，一方面切削速度增大使溫度升高，有助于冷硬的回復；另一方面切削速度增大，刀具與工件接觸時間短，塑性變形程度減小。進給量增大，切削力增大，塑性變形程度加劇，硬化現(xiàn)象增大

24、。背吃刀量增大，切削力增大，塑性變形增大，硬化程度增加。 （5）工件材料。工件材料塑性越好、硬度越低、塑性變形越大，切削加工的表面層硬化現(xiàn)象嚴重。,4.3 影響加工表面物理力學性能的因素,返回,下一頁,上一頁,4.3.2表面層金相組織的變化 1.表面層金相組織的變化與磨削燒傷 機械加工過程中，在工件的加工區(qū)由于切削熱會使加工表面溫度升高。當溫度超過金相組織變化的臨界點時，就會產生金相組織變化。對于一般切削加工，切削熱大部分被切屑帶走，影響不嚴重。但對磨削加工而言，用于其產生的單位面積上的切削熱要比一般切削加工大數(shù)十倍，故工件表面溫度可高達1000左右，必然會引起表面層金相組織的變化，使表面硬度

25、下降，伴隨產生殘余拉應力及裂紋，從而使工件的使用壽命大幅降低，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。磨削燒傷產生時，工件表面層常會出現(xiàn)黃、褐、紫、青等燒傷色，它們是工件表面由于瞬間高溫引起的氧化膜顏色。 2.影響磨削燒傷的因素及改善措施 （1）磨削用量。磨削用量主要包括磨削深度、工件縱向進給量及工件速度。當磨削深度增加時，磨削燒傷也增加。,4.3 影響加工表面物理力學性能的因素,返回,下一頁,上一頁,工件縱向進給量的增加使磨削燒傷減輕。增大工件速度，金相組織來不及變化，總的來說，可以減輕磨削燒傷。 對于增加進給量、工件速度而導致的表面粗糙度增大，一般采用提高砂輪轉速及較寬砂輪來補償。 （2）冷卻方法。采用切削

26、液帶走磨削區(qū)的熱量可以避免燒傷，但目前通用的冷卻方法冷卻效果較差，原因是切削液未能進入磨削區(qū)。 （3）工件材料。工件材料硬度越高，磨削發(fā)熱量越多，但材料過軟，易堵塞砂輪，反而使加工表面溫度急劇上升。 工件的強度可分為高溫強度與常溫強度。高溫強度越高，磨削時所消耗的功率越多。例如，在室溫時，45#鋼的強度比20CrMo合金鋼的強度高65N/mm2，但在600時，后者的強度卻比前者高180N/mm2，因此20CrMo鋼的磨削加發(fā)熱量比45#鋼大。 工件的韌性越大，所需的磨削力也越大，發(fā)熱也越多。導熱性差的材料，如軸承鋼、高速鋼等在磨削加工中更易產生金相組織的變化。,4.3 影響加工表面物理力學性能

27、的因素,返回,下一頁,上一頁,（4）砂輪。不同特性的砂輪對磨削燒傷的影響不同。砂輪的特性包括以下幾個方面：磨料、粒度、結合劑、硬度、組織、強度等。其中磨料、粒度、結合劑、硬度對磨削加工的磨削燒傷影響較大。防止磨削燒傷必須選用合適的砂輪。 剛玉類磨料韌性較好，適用于磨削抗拉強度較好的材料，如各種鋼材；碳化硅類磨料硬度比剛玉高，磨粒鋒利，導熱性好，但韌性較差，不宜磨削鋼料等韌性金屬，適用磨削脆性材料，如鑄鐵、硬質合金等；超硬類磨料金剛石是目前已知物質中最硬的一種材料，其刃口非常鋒利，導熱性和切削性能極好，主要用于加工其他磨料難以加工的高硬度材料，如硬質合金、光學玻璃等，但不宜加工鐵族金屬；立方氮化

28、硼是磨削高硬度、高韌性、難加工鋼材的一種新磨料。 砂輪的粒度對磨削的粗糙度和磨削效率有很大影響，磨削時要合理選擇砂輪的粒度。粒度要根據工件材料性質、磨削的內容、砂輪的種類及表面粗糙度要求等進行選擇。,4.3 影響加工表面物理力學性能的因素,返回,下一頁,上一頁,例如，粒度過細切屑容易堵塞砂輪，使工件表面溫度增高，塑性變形加大，表面粗糙度值增加及引起燒傷，選用粗粒度砂輪磨削時，既可以減少發(fā)熱量，又可以在磨削塑性較大材料時，避免砂輪的堵塞。 結合劑的種類及其性質對表面粗糙度和磨削溫度也有一定的影響。砂輪結合劑應選用具有一定彈性的材料，在受力時產生一定的退讓性，不易形成磨削燒傷。 砂輪的硬度是指結合

29、劑黏結磨粒的牢固程度，也指磨粒在磨削力作用下，從砂輪表面上脫落的難易程度。砂輪的硬度對磨削生產率和加工的表面質量影響極大。砂輪硬度過高，自銳性差，將使磨削力增大，易產生磨削燒傷，如果選得太軟，也會使表面粗糙度值增大。因此選擇要適當。為了適應不同的工件材料和磨削質量的要求，砂輪有軟、中、硬等不同的硬度等級。 金剛石磨料其硬度、強度都比較高，在無切削液的情況下，摩擦系數(shù)也很小，不易產生磨削燒傷，是一種理想磨料。,4.3 影響加工表面物理力學性能的因素,返回,下一頁,上一頁,4.3.3表面層的殘余應力 切削過程中金屬材料的表層組織發(fā)生形狀變化和組織變化時，在表層金屬與基體材料交界處將會產生相互平衡的

30、彈性應力，該應力就是表面殘余應力。零件表面若存在殘余壓應力，可提高工件的疲勞強度和耐磨性；若存在殘余拉應力，就會使疲勞強度和耐磨性下降。如果殘余拉應力值超過了材料的疲勞強度極限時，還會使工件表面層產生裂紋，加速工件的破損。 1.表面殘余應力產生的原因 （1）冷態(tài)塑性變形引起殘余應力。在機械加工過程中，由于切削力的作用使工件表面受到擠壓、摩擦，產生強烈的塑性變形，而使基體金屬發(fā)生了彈性變形。當切削力消除后，工件表面層的塑性變形不能恢復，而基體金屬的彈性變形要恢復原狀，但受到表層金屬的限制，從而形成殘余壓應力。,4.3 影響加工表面物理力學性能的因素,返回,下一頁,上一頁,（2）熱態(tài)塑性變形引起的

31、殘余應力。工件在切削熱作用下，表面產生熱膨脹，體積變化較大，而基體金屬溫度較低，體積變化小。當切削加工結束后，表面溫度下降，體積收縮，而基體溫度低，體積收縮不如表面大。因此，表面層受到基體金屬的牽制，從而產生殘余拉應力。磨削加工溫度越高，殘余拉應力就越大，有時甚至產生裂紋。 （3）金相組織變化引起的殘余應力。切削溫度過高會引起表面層的金相組織變化。不同的金相組織有不同的體積。金相組織變化會引起體積的變化。當表面層金屬體積膨脹變大時壓制基體，產生殘余壓應力。當表面層金屬體積收縮時受到基體金屬的牽制，則產生拉應力。 機械加工后，金屬表面層的殘余應力是上述三者的綜合結果。在不同的條件下，其中某一種或

32、兩種因素起主導作用。一般切削加工中，當切削溫度不高時，起主導作用的是冷態(tài)塑性變形，產生殘余壓應力。磨削加工中熱態(tài)塑性變形和相變起主導作用，產生殘余拉應力。,4.3 影響加工表面物理力學性能的因素,返回,下一頁,上一頁,2.影響殘余應力的因素 （1）刀具幾何參數(shù)。刀具的前角越大，表面層拉應力越大，隨著前角的減少，拉應力也逐漸減小，當前角為負值時，在一定的切削用量下表面層可產生殘余壓應力。刀具的后刀面的磨損增加，摩擦增大，溫度升高，引起的拉應力增大。 （2）切削速度。切削速度增大，表面層塑性變形程度減小，表面殘余拉應力值也隨之減小。 （3）工件材料。塑性大的材料，切削加工后一般產生殘余拉應力，脆性

33、材料由于后刀面的擠壓和摩擦，表面層產生殘余壓應力。 （4）磨削用量。砂輪速度對殘余應力的影響如圖412（a）所示，砂輪速度減小，可減少切削熱，減少表面層拉應力。工件速度對殘余應力的影響如圖412（b）所示，工件速度提高，可以減少表面的殘余拉應力。磨削深度對殘余應力的影響如圖412（c）所示，減少磨削深度，可使表面殘余拉應力減小。,4.3 影響加工表面物理力學性能的因素,返回,上一頁,4.4.1機械振動現(xiàn)象及其分類 在機械加工過程中，工藝系統(tǒng)經常會發(fā)生振動。產生振動時，工藝系統(tǒng)的正常運動方式將受到干擾，破壞了機床、工件、刀具間的正確位置關系，使加工表面出現(xiàn)振紋（表面波度），降低零件的加工精度、表

34、面質量以及刀具耐用度和機床使用壽命，惡化加工條件，甚至使刀具“崩刃”，切削無法進行下去。生產中為了減少振動，常被迫降低切削用量，致使機床、刀具的工作性能得不到充分發(fā)揮，使生產率降低。振動還往往帶來噪聲，污染環(huán)境，對工人健康也有一定的影響。隨著科學技術和生產的不斷發(fā)展，對零件表面質量的要求越來越高，振動往往成為提高產品質量的主要障礙。 機械加工過程中的振動有自由振動、受迫振動和自激振動三種。自由振動是由切削力突變或受外部沖擊力引起，是一種迅速衰減的振動，對加工的影響較小。受迫振動是在外界周期性干擾力持續(xù)作用下，系統(tǒng)受迫產生的振動。,4.4 機械加工中的振動,返回,下一頁,自激振動是依靠振動系統(tǒng)在

35、自身運動中激發(fā)出交變力維持的振動。切削過程中的自激振動一般稱為切削顫振，對零伴加工質量是極其有害的，必須加以重視。 4.4.2機械加工中的受迫振動與抑制措施 1.工藝系統(tǒng)受迫振動的振源 機械加工中的受迫振動是一種由工藝系統(tǒng)內部或外部周期交變的激振力（即振源）作用下引起的振動。機外振源主要是工藝系統(tǒng)外部的周期性干擾力，如在機床附近有振動源（鍛壓設備、空氣壓縮機、刨床等工作振動）產生強烈振動，經過地基傳入正在工作的機床，迫使工藝系統(tǒng)產生振動。機內振源可分為下列三種。 （1）工藝系統(tǒng)中高速旋轉零件的不平衡。工藝系統(tǒng)中高速旋轉的零件較多，如工件、卡盤、主軸、飛輪、聯(lián)軸器以及磨床上的砂輪等。在高速旋轉時

36、，由于質量偏心而產生周期性激振力（即離心慣性力），在它們的作用下，工藝系統(tǒng)就會產生受迫振動。,4.4 機械加工中的振動,返回,下一頁,上一頁,（2）機床傳動系統(tǒng)中的誤差。如齒輪的基節(jié)誤差使傳動時齒和齒發(fā)生沖擊而引起的受迫振動，又如皮帶傳動中，皮帶厚度不均勻和皮帶接縫，會引起皮帶張力的周期性變化，產生干擾力引起受迫振動。此外，軸承滾動體尺寸差和液壓傳動中的油液脈動等各種因素均可引起工藝系統(tǒng)的受迫振動。 （3）切削過程本身的不均勻性。如常見的銑削、拉削、滾齒等多刃多齒刀具的制造誤差和加工，由于切削不連續(xù)及工件材料的硬度不均、加工余量不均等均會引起切削力周期變化，從而引起受迫振動。 2.受迫振動的主

37、要特點 （1）受迫振動是由周期性激振力的作用而產生的一種不衰減的穩(wěn)定振動。振動本身并不能引起激振力的變化，激振力消除后，則工藝系統(tǒng)的振動也隨之停止。 （2）振動的頻率總是與外界干擾力的頻率相同，而與工藝系統(tǒng)的固有頻率無關。,4.4 機械加工中的振動,返回,下一頁,上一頁,（3）振動的振幅大小在很大程度上取決于激振力的頻率與系統(tǒng)固有頻率的比值。當比值等于或接近1時，振幅將達到最大值，這種現(xiàn)象通常稱為“共振”。 （4）振動的振幅大小還與激振力大小、系統(tǒng)剛度及其阻尼系數(shù)有關。 3.減少受迫振動的措施和途徑 一般來說，減小受迫振動可以從以下幾方面考慮： （1）消除或減小激振力。對轉速在600r/min

38、以上的回轉零件、部件，應進行平衡，以消除和減小激振力。對齒輪傳動，應減小齒輪的基節(jié)和齒輪誤差，減小裝配時的幾何偏心，這樣可減小傳動中的沖擊和慣性力，避免振動。對帶傳動，則可采用較完善的皮帶接頭，減小皮帶的厚度差。應盡量提高軸承的制造精度以及裝配和調試質量。 （2）調節(jié)振源頻率，防止激振力頻率與系統(tǒng)固有頻率相同或接近而產生共振。,4.4 機械加工中的振動,返回,下一頁,上一頁,（3）提高工藝系統(tǒng)本身的抗振性。工藝系統(tǒng)的抗振性主要決定于機床的抗振性。要提高機床的抗振性，主要應提高在振動中起主導作用的主軸、刀架、尾座、床身、立柱、橫梁等部件的動剛度。增大阻尼是增加機床剛度的有效措施，如適當調節(jié)零件間

39、的某些配合處的間隙等。 （4）提高傳動零件的制造精度，改變機床轉速、使用不等齒距刀具。 （5）隔振。應在振源與需要防振的機床或部件之間安放具有彈性性能的隔振裝置，使振源所產生的大部分振動由隔振裝置來吸收，以減小振源對加工過程的干擾，如將機床安裝在防振地基上。 （6）采用減振器和阻尼器，以吸收振動能量，減小振動。,4.4 機械加工中的振動,返回,下一頁,上一頁,4.4.3機械加工中的自激振動及其抑制措施 1.自激振動的概念 切削加工時，在沒有周期性外力作用的情況下，刀具與工件之間也可能產生強烈的相對振動，并在工件的加工表面上殘留下明顯的、有規(guī)律的振紋。這種由切削過程本身引起的切削力周期性變化而激

40、發(fā)和維持的振動稱為自激振動，因切削過程中產生的這種振動頻率較高，故通常也稱之為顫振。它嚴重地影響機械加工表面質量和生產效率。 下面以圖413所示電鈴的工作原理來模擬說明切削過程中的自激振動現(xiàn)象。 當按下按鈕8時，電流通過652與電池構成回路，電磁鐵2就會產生磁力吸引銜鐵7，帶動小錘4敲擊銅鈴3。當銜鐵7被吸引時，觸點6處斷電，電磁鐵2因斷電而失去磁性，小錘靠彈簧片5的彈力復位，同時觸點6接通而恢復通電，電磁鐵再次吸引銜鐵使小錘敲擊銅鈴，如此循環(huán)而構成振動。,4.4 機械加工中的振動,返回,下一頁,上一頁,這個振動過程顯然不存在外來周期性干擾力，所以不是受迫振動。它是由彈簧片和小錘組成振動元件，

41、由銜鐵、電磁鐵及電路組成調節(jié)元件產生交變力，交變力使振動元件產生振動，振動元件又對調節(jié)元件產生反饋作用，以使其產生持續(xù)的交變力(圖414)。 小錘敲擊銅鈴的頻率由彈簧片、小錘、銜鐵本身的參數(shù)（剛度、質量、阻尼）所決定，阻尼及運動摩擦所消耗的能量由系統(tǒng)本身的電池所提供。這個振動過程就是區(qū)別于受迫振動的自激振動。大多數(shù)情況下，振動頻率與加工系統(tǒng)的固有頻率相近。由維持振動所需的交變切削力是由加工系統(tǒng)本身產生的，所以加工系統(tǒng)本身運動一停止，交變切削力也就隨之消失，自激振動也就停止。 自激振動與自由振動相比，雖然二者都是在沒有外界周期性干擾作用下產生的振動，但自由振動在系統(tǒng)阻尼作用下將逐漸衰減，而自激振

42、動則會從自身的振動運動中吸取能量以補償阻尼的消耗，使振動得以維持。,4.4 機械加工中的振動,返回,下一頁,上一頁,自激振動與受迫振動相比，二者都是持續(xù)的等幅振動，但受迫振動是從外界周期性干擾中吸取能量以維持振動的，而維持自激振動的交變力是自振系統(tǒng)在振動過程中自行產生的，因此振動運動一停止，這交變力也相應消失。由此可見，自振系統(tǒng)中必定有一個調節(jié)系統(tǒng)，它能從固定能源中吸取能量，把振動系統(tǒng)的振動運動轉換為交變力，再對振動系統(tǒng)激振，從而使振動系統(tǒng)做持續(xù)的等幅振動。從這個意義上講，自激振動可以看做是系統(tǒng)自行激勵的受迫振動。 根據上述情況，自振系統(tǒng)可用圖415所示方框圖來說明：自振系統(tǒng)是一個由固定能源、

43、振動系統(tǒng)和調節(jié)系統(tǒng)組成的閉環(huán)反饋自控系統(tǒng)。當振動系統(tǒng)由于某種偶然原因發(fā)生了自由振動，其交變的運動量反饋給調節(jié)系統(tǒng)，產生出交變力并作用于振動系統(tǒng)進行激勵，振動系統(tǒng)的振動又反饋給調節(jié)系統(tǒng)，如此循環(huán)，就形成持續(xù)的自激振動。對于切削加工，機床電機提供能源，工件與刀具由機床、夾具聯(lián)系起來的彈性系統(tǒng)就是振動系統(tǒng)。刀具相對于工件切入、切離的動態(tài)過程產生出交變的切削力，因此切削過程就是調節(jié)系統(tǒng)。,4.4 機械加工中的振動,返回,下一頁,上一頁,2.自激振動的主要特點 （1）自激振動是一種不衰減的振動，它不受系統(tǒng)阻尼耗能影響而減弱，而且振動所需能量由切削過程本身供給，所以切削運動一旦停止，自激振動也隨之消失。

44、（2）自激振動頻率接近或等于系統(tǒng)的固有頻率，完全由系統(tǒng)本身的參數(shù)決定。 （3）自激振動頻率是否產生及振幅大小，取決于在每一振動周期內所獲取的能量和消耗的能量的對比情況。當系統(tǒng)獲取的能量小于消耗的能量時，則振動會自然衰減，直到停止。 3.自激振動的抑制措施 切削過程中產生自激振動的原因，由于機理較復雜，目前尚無一種能闡明各種情況下產生自激振動的理論。但通過研究分析和各種振動實驗說明，自激振動與切削過程中有關參數(shù)密切相關，也與工藝系統(tǒng)的結構參數(shù)有關。下面從工藝角度出發(fā)，介紹一些減少自激振動的基本途徑。,4.4 機械加工中的振動,返回,下一頁,上一頁,（1）合理選擇切削用量。 切削速度v的選擇。如圖416所示為切削速度vc與振幅A的關系曲線。 當切削速度vc在2060m/min時，振幅A較大，最易產生振動。所以選擇高速或低速切削可避免自激振動，而且高速切削又能提高生產率和降低表面粗糙度值。 進給量f的選擇。圖417所示，增大進給量f可使振