機械制造工藝學

機電工程學院

第四章4機械加工表面質(zhì)量4.1概述

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

實踐表明，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。研究機械加工表面質(zhì)量的目的機械產(chǎn)品的失效形式因設計不周而導致強度不夠；磨損、腐蝕和疲勞破壞。少數(shù)多數(shù)4.1概述4.4.1加工表面質(zhì)量的含義1．表面的幾何形狀特征(1)表面粗糙度：加工表面微觀幾何形狀誤差，波長/波高＜50。(2)波度：波長/波高=50～1000；且具有周期性，是由機械加工中的振動引起的；

波長/波高＞1000稱為宏觀幾何形狀誤差(如平面度、圓度、圓柱度等)，屬于加工精度范疇，不在本章討論之列；(3)紋理方向：表面刀紋的方向，它取決于表面形成過程中所采用的機械加工方法。(4)傷痕：指在加工表面?zhèn)€別位置出現(xiàn)的缺陷，如沙眼、氣孔、裂痕等加工表面幾何形狀誤差表面層的物理力學性能4.1概述

a）波度b）表面粗糙度

加工表面的粗糙度與波度RZλHλRZ波度寬波度高圖4-2加工紋理方向及其符號標注車、刨銑、鉆孔磨削、超精加工端銑、磨非正規(guī)研磨立銑、端銑、端磨4.1概述2．表面層物理力學性能(1)表面層金屬的冷作硬化；(2)表面層金屬的金相組織變化；(3)表面層金屬的殘余應力。(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)生強烈的塑性變形，使工件加工表面層的強度和硬度都有所提高的現(xiàn)象。(2)表面金屬層的金相組織變化

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。如磨削時常發(fā)生的磨削燒傷，大大降低表面層的物理機械性能。(3)表面層的殘余應力

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力的現(xiàn)象。4.1概述4.1.2加工表面質(zhì)量對使用性能的影響1．表面質(zhì)量對耐磨性的影響（1）表面粗糙度對耐磨性的影響第Ⅰ階段起始磨損階段第Ⅱ階段正常磨損階段第Ⅲ階段快速磨損階段零件的磨損可分為三個階段

不是表面粗糙度值越小越耐磨，在一定工作條件下，摩擦副表面總是存在一個最佳表面粗糙度值，表面粗糙度Ra值約為0.32～0.25μm較好。表面粗糙度對摩擦副的影響4.1概述（2）表面紋理對耐磨性的影響

重載情況下，由于壓強、分子親和力和潤滑液的儲存等因素的變化，其規(guī)律與上述有所不同。

表面紋理方向影響零件表面的實際接觸面積和潤滑液的存留。

圓弧狀、凹坑狀表面紋理的耐磨性好；尖峰狀的表面紋理由于摩擦副接觸面壓強大，耐磨性差。

輕載時，兩表面的紋理方向與相對運動方向一致時，磨損最??；當兩表面紋理方向與相對運動方向垂直時，磨損最大。

運動副中，兩相對運動零件表面刀紋方向均與運動方向相同時，耐磨性好；刀紋方向均與運動方向垂直時，耐磨性差。

4.1概述（3）冷作硬化對耐磨性的影響

由于加工硬化提高了表面層金屬的顯微強度，降低了塑性，減少了摩擦副接觸表面的塑性變形和彈性變形而減少了磨損。一般能提高耐磨性0.5～1倍。

過度的加工硬化會使金屬組織疏松，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。見圖4-5圖4-5T7A鋼車削后，冷作硬化與耐磨性的關系4.1概述2．表面質(zhì)量對耐疲勞性的影響（1）表面粗糙度對耐疲勞性的影響

在交變載荷作用下，零件表面粗糙度、劃痕、裂紋等缺陷易于在凹谷部位形成應力集中，并發(fā)展成疲勞裂紋，導致工件疲勞破壞?？傊?，表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件的耐疲勞性越好；反之，加工表面越粗糙，紋底半徑越小，其抵抗疲勞破壞的能力越差。因此，對于重要零件表面如連桿、曲軸等，應進行光整加工，減小表面粗糙度值，提高其疲勞強度。（2）表面層的物理力學性能對耐疲勞性的影響

表面層金屬的冷作硬化能阻礙已有裂紋的生長和新裂紋的產(chǎn)生，有助于提高耐疲勞強度。但冷作硬化的同時，必然伴隨產(chǎn)生殘余應力，殘余應力存在拉應力和壓應力之分，殘余拉應力將使耐疲勞強度降低；殘余壓應力將使耐疲勞強度提高。4.1概述3．表面質(zhì)量對耐蝕性的影響殘余壓應力使零件表面緊密，腐蝕性物質(zhì)不易進入，可增強零件的耐腐蝕性；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力對零件耐腐蝕性影響殘余拉應力則降低耐腐蝕性4.1概述加工表面腐蝕過程示意圖4.1概述4．表面質(zhì)量對零件配合質(zhì)量的影響

表面殘余應力會引起零件變形，使零件形狀和尺寸發(fā)生變化，因此對配合性質(zhì)有一定的影響。相配零件間的配合關系是用過盈量或間隙值來表示的。表面粗糙度的影響

對間隙配合而言，表面粗糙度值太大，會使配合表面很快磨損而增大配合間隙，改變配合性質(zhì)，降低配合精度。

對過盈配合而言，裝配時配合表面的波峰被擠平，減小實際過盈量，降低了連接強度，影響了配合的可靠性。表面殘余應力的影響4.2加工表面粗糙度及其改善措施影響加工表面粗糙度的工藝因素幾何因素物理因素兩方面共同作用4.2.1切削加工后的表面影響因素：刀尖圓弧半徑、主偏角、副偏角、進給量切削加工表面粗糙度值取決于切削殘留面積的高度H。HⅠⅡfa）vffκrHvfⅠⅡrεb）圖4-6車削、刨削時殘留面積的高度尖刀切削圓弧刀刃切削切削加工改善措施：刀尖圓弧半徑↑、主偏角↓、副偏角↓、進給量↓4.2加工表面粗糙度及其改善措施

塑性變形會造成切削加工后表面粗糙度的實際輪廓形狀與純幾何因素所形成的理論輪廓有較大的差別。切削速度影響最大：v=10～50m/min范圍，易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，表面粗糙度值最大（圖4-7）。481216202428圖4-7加工塑性材料時切削速度對表面粗糙度的影響100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（μm）收縮系數(shù)Ks1.52.02.53.0積屑瘤高度

h（μm）0200400600hKsRz可見，在實際加工中采用低速寬刀精切和高速精切可以獲得較小的表面粗糙度值。4.2加工表面粗糙度及其改善措施工件材料的因素：加工脆性材料時，切削速度對表面粗糙度的影響不大。加工脆性材料比塑性材料容易達到表面粗糙度值要求。金相組織：對同樣材料來說，金相組織越粗大，切削后的表面粗糙度值也越大。精加工前進行調(diào)質(zhì)熱處理可以得到均勻細密的晶粒組織和較高的硬度。合理選擇切削液，適當增大刀具前角，提高刀具刃磨質(zhì)量等，均能有效地減小表面粗糙度值。4.2加工表面粗糙度及其改善措施4.2.2磨削加工后的表面

磨削加工后的表面粗糙度的形成過程與切削過程一樣，也是由幾何因素和物理因素（塑性變形）決定的，但過程更加復雜。1.幾何因素的影響

磨削表面是由磨粒在工件表面上刻劃出的無數(shù)細微的溝槽形成的。單位面積上刻痕越多，刻痕等高性越好，則磨削表面的粗糙度值越小。（1）切削用量對表面粗糙度的影響砂輪的速度↑，單位時間內(nèi)的磨削量↑，表面粗糙度↓；工件的速度↑，單位時間內(nèi)的磨削量↓，表面粗糙度↑；砂輪縱向進給速度↑，每部位重復磨削次數(shù)↓

，表面粗糙度

↑

。4.2加工表面粗糙度及其改善措施（2）砂輪的粒度和砂輪的修整對表面粗糙度的影響砂輪的粒度磨粒的大小磨粒間的距離砂輪的粒度號↑，參與磨削的磨?！?，表面粗糙度↓

；砂輪的粒度號越大，磨粒和磨粒間離越小修整砂輪時，縱向進給量對表面粗糙度的影響甚大；縱向進給量↓

，砂輪表面的等高性越好，表面粗糙度

↓；修正后的磨粒微刃4.2加工表面粗糙度及其改善措施

2.金屬表面層的塑性變形——物理因素的影響

在磨削過程中，磨削速度高，且磨粒大多為負前角，磨削比壓大，對加工表面產(chǎn)生擠壓作用強烈而使表面出現(xiàn)塑性變形，磨削區(qū)的高溫更加劇了塑性變形，增大了表面粗糙度值。

砂輪轉(zhuǎn)速↑，切削速度↑，工件材料來不及變形，塑性變形↓，表面粗糙度↓

工件轉(zhuǎn)速↑，工件材料塑性變形↑，表面粗糙度↑；vw

=40(m/min)f=2.36(m/min)ap

=0.01(mm)v=50(m/s)f=2.36(m/min)ap

=0.01(mm)v(m/s),vw(m/min)Ra(μm)0304050600.51.0（1）磨削用量圖4-8砂輪速度、工件速度對粗糙度的影響

4.2加工表面粗糙度及其改善措施ap(mm)磨削深度↑，工件材料塑性變形↑，表面粗糙度↑；另外：光磨次數(shù)↑，Ra↓00.010.40.8Ra(μm)00.20.60.020.030.04v=50(m/s)vw

=40(m/min)f

=2.36(m/min)圖4-8背吃刀量對粗糙度的影響

光磨次數(shù)-Ra關系Ra(μm)01020300.020.040.06光磨次數(shù)粗粒度砂輪細粒度砂輪4.2加工表面粗糙度及其改善措施

砂輪的粒度、硬度、組織和材料的選擇不同，對磨削表面層金屬的金屬塑性變形產(chǎn)生影響，進而影響表面粗糙度。

砂輪的粒度越細（號數(shù)大），則砂輪單位面積上的磨粒數(shù)越多，磨削表面的刻痕越細，表面粗糙度值越小；但粒度過細，砂輪易堵塞，使表面組糙度值增大，同時還易產(chǎn)生波紋和引起燒傷。（2）砂輪的選擇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。

砂輪太硬，磨粒磨損后不易脫落，使工件表面受到強烈的摩擦和擠壓，增加了塑性變形，表面粗糙度值增大，同時還容易引起燒傷；砂輪太軟，磨粒易脫落，磨削作用減弱，也會增大表面粗糙度值。通常選用中軟硬度砂輪。4.2加工表面粗糙度及其改善措施

砂輪磨削時溫度高，熱的作用占主導地位。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?shù)睦鋮s方法和切削液。砂輪的組織是指磨粒、結合劑、和氣孔的比例關系。緊密組織——磨粒比例大、氣孔小，能獲得高精度和較小的表面粗糙度值。適于精密磨削。疏松組織的砂輪不易堵塞，適于磨削軟金屬、非金屬軟材料和熱敏性材料（磁鋼、不銹鋼、耐熱鋼等），可獲得較小的表面粗糙度值。一般選中等組織的砂輪。砂輪的材料：氧化物（剛玉）——鋼類；碳化物（碳化硅、碳化硼）——鑄鐵、硬質(zhì)合金；高硬度材料（人造金剛石、六方碳化硼）——精密磨削，成本高。4.2加工表面粗糙度及其改善措施鋁、銅合金等軟材料易堵塞砂輪，比較難磨。塑性大、導熱性差的耐熱合金易使砂粒早期崩落，導致磨削表面粗糙度值增大。

粗糙度與工件材質(zhì)有關的因素

包括材料的硬度、塑性、導熱性等。對表面粗糙度有顯著影響4.2加工表面粗糙度及其改善措施1、不選擇切削用量，只限定壓強和加工時間；2、無需精密機床；3、降低表面粗糙度效果明顯，提高精度不明顯；4、加工余量小超精加工方法介紹——超精研、研磨、珩磨、拋光超精加工的共同特點是：4.2加工表面粗糙度及其改善措施（一）超精研1、工作原理：采用細粒度的磨條在一定壓力和切削速度下往復運動，對表面進行光整加工。

加工運動：A、工件低速回轉(zhuǎn)運動；B、磨條軸向進給運動;C、磨條高速往復振動。4.2加工表面粗糙度及其改善措施2、切削過程：可分為四個階段（1）強烈切削階段：少數(shù)波峰上壓強很大，切削作用劇烈。（2）正常切削階段：接觸面積增大，接觸壓強減小，切削作用減弱。（3）微弱切削階段：接觸面積進一步增大，接觸壓強進一步減小，磨條起拋光作用。（4）停止切削階段：工件被研平，接觸壓強很小，磨條與工件之間形成油膜，切削停止。4.2加工表面粗糙度及其改善措施（二）研磨研磨可以達到很高的精度和表面質(zhì)量。基本原理：通過介于工件和硬質(zhì)研具之間的磨料或研磨液的流動產(chǎn)生機械摩擦和化學作用去除微小加工余量。研磨加工原理示意圖4.2加工表面粗糙度及其改善措施1、研磨特點：（1）研具較軟，以鑄鐵、塑料、硬木制成。（2）磨料中混有化學物質(zhì)，機械與化學作用同時進行，磨粒運動軌跡復雜，保證均勻性。（3）加工表面質(zhì)量高。2、研具：磨具應軟硬適當,組織均勻。粗研采用銅、鋁，精研采用鑄鐵。3、研磨劑：研磨劑為磨料與油脂的混合劑。

磨料種類：金剛石微粉,碳化硅,氧化鋁等。油脂起調(diào)和磨料，防化學腐蝕作用。

油脂種類：油酸,凡士林,變壓汽油。4.2加工表面粗糙度及其改善措施4、研磨參數(shù)（1）磨料粒度：粒度↑，則粗糙度↓，效率↓

。（2）研磨速度：一般研磨速度<0.5m/s，精研速度<0.16m/s。（3）研磨余量：手工研磨余量<10μm，機械研磨余量<15μm。（4）研磨壓強：粗研0.1~0.3MPa，精研0.01~0.1MPa。4.2加工表面粗糙度及其改善措施（三）珩磨：

采用精密油石相對于工件作螺旋線運動，油石彈性壓在工件表面上。珩磨后表面粗糙度可達Rz0.4~Rz3.2，有時可達Rz0.1以下。（四）拋光：

原理與研磨相似，只是研具采用無紡布、棉布、絲綢等軟質(zhì)材料。拋光可用于自由曲面加工。4.3表面物理力學性能變化及其改善措施

由于受切削力和切削熱的作用，表面金屬層的物理力學性能會產(chǎn)生很大的變化：顯微硬度變化、金相組織變化和在表層金屬中產(chǎn)生殘余應力。4.3表面物理力學性能變化及其改善措施4.3.1表面層的冷作硬化

機械加工過程中，切削力使表層金屬產(chǎn)生的塑性變形、使金屬的晶格扭曲、畸變，晶格間產(chǎn)生滑移，晶粒被拉長，而引起的表面層的硬度增加，這種現(xiàn)象稱作冷作硬化或強化。導致金屬變形阻力增加，塑性降低，物理性能（如密度、導電性、導熱性等）也有所變化。

表層的冷作硬化使金屬處于高能位不穩(wěn)定狀態(tài)，外部條件的改變會使冷硬結構向比較穩(wěn)定的結構轉(zhuǎn)化，這種現(xiàn)象稱為軟化。機械加工中產(chǎn)生的切削熱會使金屬的冷硬現(xiàn)象回復。4.3表面物理力學性能變化及其改善措施切削力——硬化；切削熱——軟化

金屬在機械加工過程中同時受到切削力和切削熱的作用，加工后的表面金屬的最后性質(zhì)取決于硬化和弱化兩個過程的綜合。1)表面層的顯微硬度HV；2)硬化層深度h；3)硬化程度N冷作硬化的衡量指標

HV0

——金屬原來的顯微硬度4.3表面物理力學性能變化及其改善措施2．影響切削加工表面冷作硬化的因素圖4-9f和v對冷硬的影響硬度(HV)0f(mm/r)0.20.40.60.8v=170(m/min)135(m/min)100(m/min)50(m/min)100200300400工件材料：45（1）切削用量的影響切削時進給量↑

切削力↑

塑性變形↑

硬化程度↑；切削速度↑

切削熱作用時間↓

硬化程度↑。圖4-10切削厚度對冷硬的影響切削層厚度大↑切削力↑

塑性變形↑

硬化程度↑

切削層厚度小↓擠壓↑

塑性變形↑

硬化程度↑

硬度(HV)4.3表面物理力學性能變化及其改善措施

刀具的切削刃鈍圓半徑的大小影響很大，半徑↑

徑向分力↑

塑性變形↑

冷硬程度↑

。（2）刀具幾何形狀的影響

后刀面的磨損量↑

塑性變形↑

冷硬層深度和硬化程度↑。如圖4-1100.20.40.60.81.0磨損寬度VB(mm)100180260340硬度(HV)50鋼，v

=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)圖4-11刀具后刀面磨損寬度對冷硬影響（3）工件材料性能的影響材料塑性↑冷硬傾向↑

冷作硬化↑材料導熱性↑冷硬傾向↓

冷作硬化↓

分析：碳鋼與有色金屬的冷硬傾向有色金屬的溶點低，易弱化VB4.3表面物理力學性能變化及其改善措施3．影響磨削加工表面冷作硬化的因素（1）工件材料性能影響

塑性好

硬化程度大導熱性好弱化程度小分析：磨削高碳工具鋼T8、工業(yè)純鐵（2）磨削用量的影響磨削深度↑

磨削力↑硬化程度↑縱向進給↑切削厚度↑磨削力↑硬化程度↑

切削熱↑

弱化傾向↑

V砂輪↑切削厚度↓塑性變形↓

溫度↑弱化程度↑V工件↑

切削熱作用時間↓冷硬程度↑（3）砂輪粒度影響粒度↑

磨粒載荷↓冷硬程度↓綜合考慮圖4-12磨削深度對冷硬的影響ap(mm)硬度(HV)00.0253003504505004000.0500.075普通磨削高速磨削4.3表面物理力學性能變化及其改善措施4.3表面物理力學性能變化及其改善措施4.3.2表面層的金相組織變化——磨削燒傷

1．機械加工表面金相組織的變化

機械加工過程中，在工件的加工區(qū)及其鄰近的區(qū)域，溫度會急劇升高，當溫度超過工件材料金相組織變化的臨界點，就會發(fā)生金相組織變化。對于一般切削加工而言，溫度不會上升到如此程度。對于磨削加工來說，由于磨削比壓大，磨削速度高，消耗功率大，即磨削熱大，且80%傳給加工表面。單位面積上產(chǎn)生的切削熱比一般切削方法要大幾十倍。

很高的磨削溫度往往會使已淬火工件的加工表面層金屬的金相組織發(fā)生變化，從而使表層金屬的硬度和強度下降，產(chǎn)生殘余應力甚至引起顯微裂紋。工件表面呈氧化膜顏色。這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。1)如果磨削區(qū)溫度未超過淬火鋼相變溫度。(一般中碳鋼為720℃，但超過馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度(一般中碳鋼為300℃)，這時馬氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕容^低的回火組織（托氏體或索氏體），這叫回火燒傷。2)當工件表面層溫度超過相變溫度，如果這時有充分的切削液，則表面層將急冷形成二次淬火馬氏體，硬度比回火馬氏體高，但很薄，只有幾微米厚。其下層為硬度較低的回火索氏體和屈氏體，導致表面層總體的硬度降低，這稱為淬火燒傷。4.3表面物理力學性能變化及其改善措施

磨削淬火鋼時，在工件表面層上形成的瞬時高溫將使表面金屬產(chǎn)生以下三種金相組織變化：3)當工件表面層溫度超過相變溫度，如果這時無切削液，表層金屬將產(chǎn)生退火組織，表面硬度急劇下降，這種現(xiàn)象稱為退火燒傷。磨削時很容易產(chǎn)生這種現(xiàn)象。表面顏色與燒傷程度：淡黃米黃淡青青黑低高4.3表面物理力學性能變化及其改善措施

2．改善磨削燒傷的工藝途徑

磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷可有兩個途徑：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。(1)正確選擇砂輪

硬度：軟砂輪較好，對于硬度太高的砂輪，鈍化砂粒不易脫落，容易產(chǎn)生燒傷；

結合劑：最好采用具有一定彈性的材料，如樹脂、橡膠等；組織：砂輪孔隙中浸入石蠟——潤滑、降溫。一般來說，選用粗粒度砂輪磨削，不容易產(chǎn)生燒傷。4.3表面物理力學性能變化及其改善措施(2)合理選擇磨削用量

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

。造成：磨削深度↓，生產(chǎn)率↓；工件縱向進給量和工件速度↑，表面粗糙度值↑。

為減輕燒傷而同時又保持高的生產(chǎn)率、一般選用較大的工件速度和較小的磨削深度。同時，為了彌補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。實踐證明，同時提高砂輪速度和工件速度，可以避免燒傷。解決辦法：t/℃4.3表面物理力學性能變化及其改善措施(3)改善冷卻條件磨削時，通用的冷卻效果較差，由于高速旋轉(zhuǎn)的砂輪表面上產(chǎn)生強大氣流層，實際上沒有多少切削液能進入磨削區(qū)。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。采用磨削液帶走磨削區(qū)的熱量可以避免燒傷。比較有效的冷卻方法增加切削液的流量和壓力采用特殊噴嘴采用多孔性砂輪(內(nèi)冷)圖4-16內(nèi)冷裝置4.3表面物理力學性能變化及其改善措施(4)開槽砂輪

在砂輪的圓周上開一些橫槽，對防止工件燒傷十分有效。圖4-17開槽砂輪（a）槽均勻分布（b）槽不均勻分布

帶入冷卻液

間斷磨削

風扇散熱4.3表面物理力學性能變化及其改善措施4.3.3表面層的殘余應力

在機械加工過程中，在表層金屬組織發(fā)生冷態(tài)塑性變形、熱態(tài)塑性變形或金相組織變化，這些外部載荷去除后，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殘余應力。l.表面層產(chǎn)生殘余應力的原因(1)冷態(tài)塑性變形引起殘余應力

在切削力作用下，已加工表面產(chǎn)生強烈的塑性變形。表面層金屬比容增大，體積膨脹，與它相連的里層金屬的阻止其體積膨脹；當?shù)毒邚谋患庸け砻嫔先コ饘贂r，由于后刀面的擠壓和摩擦作用，加大了表面層伸長的塑性變形，表面層的伸長變形受到基體金屬的限制，也在表面層產(chǎn)生了殘余壓應力。里層產(chǎn)生殘余拉應力表面層產(chǎn)生殘余壓應力塑變彈變4.3表面物理力學性能變化及其改善措施溫度應力4.3表面物理力學性能變化及其改善措施(2)熱態(tài)塑性變形引起殘余應力圖4-18由于切削熱在表層金屬產(chǎn)生拉伸殘余應力示意圖tmtptn+σ+σ+σMPa℃在機械加工中，切削區(qū)會產(chǎn)生大量的切削熱，工作表面的溫度往往很高。tm—金屬熔化溫度；tp—金屬具有高塑性的溫度，該溫度以上金屬不會有殘余應力；tn—標準室溫。CDBA完全塑性無應力熱膨脹拉應力壓應力4.3表面物理力學性能變化及其改善措施(3)金相組織變化引起殘余應力

切削時產(chǎn)生的高溫會引起表面層金相組織變化。因為不同的金屬組織，它們的密度不同，因而引起的殘余應力。

如：馬氏體密度為7.75g/cm3，奧氏體密度為7.96g/cm3，珠光體密度為7.78g/cm3，鐵索體密度為7.88g/cm3；如果金相組織變化引起表層金屬的比容增大，則表層金屬將產(chǎn)生壓縮殘余應力，而里層金屬產(chǎn)生拉伸殘余應力；如果金相組織變化引起表層金屬的比容減小，則表層金屬將產(chǎn)生拉伸殘余應力，而里層金屬產(chǎn)生壓縮殘余應力；4.3表面物理力學性能變化及其改善措施2.影響車削表層殘余應力的工藝因素（1）切削速度和被加工材料的影響45號鋼：車刀正前角；所有切削速度。熱因素主導殘余拉應力

18CrNiMoA：切削條件同上，見圖4-19

V低速=20~50m/min

殘余拉應力V中速=200~250m/min

殘余壓應力V高速=500~850m/min

殘余壓應力圖4-19切削速度對殘余應力的影響（2）進給量的影響

進給量↑

塑性變性↑,產(chǎn)生的熱量↑殘余拉應力進給量↑殘余應力值、擴展深度↑

4.3表面物理力學性能變化及其改善措施（3）車刀前角影響

刀具前角對表面層金屬的殘余應力的數(shù)值、性質(zhì)及擴展深度影響極大。圖4-20車刀前角對表層金屬殘余應力的影響45號鋼：V=150m/min

，前角由正負或增大負前角拉伸殘余應力↓；

V=750m/min，前角變化將引起殘余應力性質(zhì)的變化。刀具負前角很大（-30°和-50°）時，表層淬火壓縮殘余應力。見圖4-20（a）、（b）18CrNiMoA合金鋼容易發(fā)生淬火反應：V=150m/min

，前角-30°就會產(chǎn)生壓縮殘余應力；V=750m/min，負前角刀具加工都會產(chǎn)生壓縮殘余應力。較大的正前角刀具加工，才會產(chǎn)生拉伸殘余應力。見圖4-20（c）、（d）

4.3表面物理力學性能變化及其改善措施3.影響磨削殘余應力的工藝原因

磨削加工中，塑性變形嚴重、熱量多、工件表面溫度高，熱因素和塑性變形對磨削表面殘余應力的影響非常大。

熱因素起主導作用表面產(chǎn)生拉伸殘余應力；

塑性變形起主導作用表面產(chǎn)生壓縮殘余應力；

表面溫度超過相變溫度且冷卻充分出現(xiàn)淬火燒傷

金相組織變化起主導作用表面產(chǎn)生壓縮殘余應力；

精細磨削

塑性變形起主導作用表面產(chǎn)生壓縮殘余應力。磨削深度：很小，塑性變形為主，產(chǎn)生壓縮殘余應力；

↑，

塑性變形↑

，磨削熱

↑

熱因素逐漸占據(jù)主導地位，產(chǎn)生拉伸殘余應力；隨著磨削深度的增加，拉伸殘余應力數(shù)值逐步增大。

當時，盡管磨削溫度很高，但由于工業(yè)純鐵含碳量極低，不可能出現(xiàn)淬火現(xiàn)象塑性變形逐漸起主導作用，表層金屬的拉伸殘余應力數(shù)值逐漸減?。?/p>

當

很大時，表層金屬呈壓縮殘余應力狀態(tài)。

4.3表面物理力學性能變化及其改善措施（1）磨削用量的影響工業(yè)純鐵的磨削

4.3表面物理力學性能變化及其改善措施砂輪轉(zhuǎn)速：V砂輪

↑，

每顆磨粒所切削的金屬厚度↓塑性變形↓，

磨削區(qū)溫度↑，熱因素作用↑產(chǎn)生拉伸殘余應力傾向↑。一般來說，材料的強度高,導熱性差,塑性低磨削時產(chǎn)生拉伸殘余應力的傾向就越大。其它：V工件↑和V進給↑，熱作用時間↓

熱因素的影響↓，塑性變形的影響↑拉伸殘余應力趨勢↓

壓縮殘余應力趨勢↑。（2）工件材料的影響圖4-22為磨削T8鋼，圖4-21為磨削工業(yè)純鐵，通過對比，我們可以得出上述結論。由上圖可見：高速磨削容易在工件表面形成拉伸殘余應力

4.3表面物理力學性能變化及其改善措施

工件表面殘余應力的數(shù)值及性質(zhì)主要取決于工件最終工序的加工方法——工件最終工序加工方法的選擇非常重要4.工件最終工序加工方法的選擇

選擇工件最終工序的加工方法需考慮該零件的具體工作條件及零件可能產(chǎn)生的破壞形式。

從提高零件抵抗疲勞破壞的角度考慮，最終工序應選擇能在加工表面產(chǎn)生壓縮殘余應力的加工方法。(1)疲勞破壞零件表面上局部產(chǎn)生微觀裂紋在交變載荷的作用下拉應力作用下原生裂紋擴大導致零件破壞2．滑動磨損

4.3表面物理力學性能變化及其改善措施是兩個零件作相對滑動，滑動面逐漸磨損的現(xiàn)象。滑動摩擦的機械作用物理化學方面的綜合作用滑動磨損機理粘接磨損擴散磨損化學磨損（2）滑動磨損滑動摩擦應力分布圖

當表面層的壓縮工作應力超過材料的許用應力時，將使表面層金屬磨損。工藝措施：從提高零件抵抗滑動摩擦引起的磨損考慮，最終工序應選擇能在加工表面產(chǎn)生殘余拉應力的加工方法。從抵抗粘接磨損、擴散磨損、化學磨損考慮對殘余應力的性質(zhì)無特殊要求時，應盡量減小表面殘余應力值。

4.3表面物理力學性能變化及其改善措施（3）滾動磨損是兩個零件之間作相對滾動，滾動面將逐漸磨損的現(xiàn)象。滾動磨損來自滾動摩擦的機械作用物理化學方面綜合作用

從提高零件抵抗?jié)L動摩擦引起的磨損考慮，最終工序應選擇能在表面層下深h處產(chǎn)生壓縮殘余應力的加工方法。

滾動磨損的決定性因素是表面層下深h

處的最大拉應力。滾動摩擦應力分布圖工藝措施：

4.3表面物理力學性能變化及其改善措施各種加工方法在工件表面殘留的內(nèi)應力情況對上表的總結：1、車削：普通車削——正前角，塑變小，熱因素占主導高速車削——表層淬火，金相組織變化占主導2、磨削——塑性變形占主導地位3、淬火及強化處理——表面受壓，里層受拉4、電鍍——表面受拉，里層受壓

4.3表面物理力學性能變化及其改善措施4.3.4表面強化工藝

由前述可知，零件的表面質(zhì)量尤其是表面層的物理力學性能，對其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期的表面質(zhì)量要求，則可在工藝過程中增設表面強化工序，以改善表面性能。

表面強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)生殘余壓應力。這種方法工藝簡單、成本低廉，應用廣泛。噴丸強化滾壓加工表面強化常用工藝方法

4.3表面物理力學性能變化及其改善措施

1．噴丸強化

利用大量的高速運動的珠丸打擊被加工零件表面，使表面產(chǎn)生冷硬層和壓縮殘余應力，可以顯著提高零件的疲勞強度和使用壽命。珠丸可以是鑄鐵、砂石、鋼丸或鋼絲段；對于鋁制件，為避免電化學腐蝕，要采用鋁丸或玻璃丸。球丸直徑0.2～4mm（工件尺寸小，選小直徑）噴丸所用設備是壓縮空氣噴丸裝置或機械離心式噴丸裝置，這些裝置使珠丸能以35～50m／s的速度噴出。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力

噴丸加工主要用于強化形狀復雜的零件，如齒輪、連桿、曲軸、焊縫等。零件經(jīng)噴丸強化后，硬化層深度可達0.7mm，表面粗糙度Ra值可由3.2μm減少到0.4μm，使用壽命可提高幾倍到幾十倍。

4.3表面物理力學性能變化及其改善措施圖4-24滾壓加工原理圖

珠丸擠壓引起殘余應力

壓縮拉伸塑性變形區(qū)域

2．滾壓加工

利用淬硬和精細研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)擠壓金屬表面，使凸起部分下壓，凹下部分上擠，修正工件表面的微觀幾何形狀，形成壓縮殘余應力，提高耐疲勞強度。

滾壓加工可以降低表面粗糙度3~5級，表面硬度一般可提高10%~40%，表面金屬的耐疲勞強度一般可提高30%~50%。

4.3表面物理力學性能變化及其改善措施常用的強化工藝方法

4.3表面物理力學性能變化及其改善措施典型的滾輪滾壓加工應力集中，易疲勞破壞部位

4.3表面物理力學性能變化及其改善措施

液體磨料強化

液體和磨料在400～800kPa下，經(jīng)過噴嘴高速噴出，射向工件表面，借助磨粒的沖擊作用，磨平工件表面的表面粗糙度并碾壓金屬表面。

液體磨料強化是利用液體和磨料的混合物強化工件表面的方法。

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力，提高了工件的耐磨性、抗蝕性和抗疲勞強度。

液體磨料強化工藝最宜于加工復雜形面，如鍛摸、汽輪機葉片、螺旋槳、儀表零件和切削刀具等。4.4機械加工中的振動

影響加工表面粗糙度，振動頻率較低時會產(chǎn)生波度；刀具與工件間的相對位移會使加工表面產(chǎn)生振痕，嚴重影響零件的表面質(zhì)量和使用性能；工藝系統(tǒng)承受交變載荷，加速刀具磨損，易引起崩刃。影響機床、夾具的使用壽命；產(chǎn)生噪聲污染，危害操作者身心健康；影響生產(chǎn)效率，為避免或減小振動而減小切削量。4.4.1機械加工中的振動及分類1．自由振動2．受迫振動3．自激振動

機械振動的分類本節(jié)主要討論機械加工過程中受迫振動和自激振動的規(guī)律。4.4機械加工中的振動受迫振動——由于外界周期性干擾力的作用而引起的振（這是影響精密加工質(zhì)量、生產(chǎn)率的關鍵問題）1.受迫振動產(chǎn)生的原因機內(nèi)振源——機床高速回轉(zhuǎn)件的質(zhì)量不平衡；機床傳動機構的缺陷；往復運動部件的慣性力；切削過程中的間歇性。機外振源——其它機床或機器的振動，通過地基傳給正加工的機床（隔振地基）。4.4.2機械加工中的受迫振動4.4機械加工中的振動2．強迫振動的數(shù)學描述及特性

工藝系統(tǒng)是多自由度的振動系統(tǒng)，振動形態(tài)非常復雜。要精確地描述和解決多自由度的振動系統(tǒng)是很困難的，但就其某一特定的自由度而言，其振動特性與相應頻率的單自由度振動可簡化為單自由度系統(tǒng)來分析。圖4-25內(nèi)圓磨削振動系統(tǒng)以內(nèi)圓磨削為例

在加工中磨頭受周期性變化的干擾力產(chǎn)生擾動，由于磨頭系統(tǒng)的剛度遠比工件的剛度低，故可把磨削系統(tǒng)簡化為一個單自由度系統(tǒng)。為此，把磨頭簡化為一個等效質(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相當于與等效彈簧并聯(lián)；作用在m上的交變力假設為簡諧激振力Fsinωt。4.4機械加工中的振動單自由度系統(tǒng)典型的動力學模型作用在m上的力有：與位移成正比的彈性恢復力kx，與運動速度成正比的粘性阻尼力δx’

，簡諧激振力Fsinωt

，則該系統(tǒng)的運動方程式為：

二階常系數(shù)線性非齊次微分方程，據(jù)微分理論，當系統(tǒng)為小阻尼時，它的解由令F/m=0，而得到的齊次方程的通解和非齊次方程的一個特解組成：式中4.4機械加工中的振動

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

第二項(特解)如圖b所示，是圓頻率等于激振圓頻率的受迫振動。

圖c為兩種解疊加后的振動過程。可以看到經(jīng)歷過渡過程以后，強迫振動是穩(wěn)定的振動過程。進入穩(wěn)態(tài)后的振動力程為：4.4機械加工中的振動受迫振動的特性：①強迫振動是由周期性激振力引起的，不會被阻尼衰減掉，振動本身也不能使激振力變化。②受迫振動的振動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。③受迫振動的幅值既與激振力的幅值有關，又與工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性有關。A區(qū)：激振力的頻率很?。é?0或λ=ω/ωο＜＜1）時，η≈1，此時的振幅相當于把激振力作為靜載荷加在系統(tǒng)上，使系統(tǒng)產(chǎn)生靜位移，這種現(xiàn)象發(fā)生在0≤λ≤0.7的范圍，故稱此范圍為準靜態(tài)區(qū)。ABC

圖4-27是以頻率比λ=ω/ωο

為橫坐標，以動態(tài)放大系數(shù)η=A/A0

(受迫振動的振幅與系統(tǒng)靜位移的比值)為縱坐標，以阻尼比ζ為參變量而做出的受迫振動的幅頻特性曲線。B區(qū)：當激振頻率增大，λ也逐漸增大，振幅迅速增大；當λ接近或等于1時，振幅急劇增加，這種現(xiàn)象稱為共振。故將范圍0.7≤λ≤1.3的區(qū)域稱為共振區(qū)。工程上常將系統(tǒng)的固有頻率定為共振頻率。固有頻率前后20~30%的區(qū)域作為禁區(qū)以免共振。

改變系統(tǒng)固有頻率、改變激振力頻率、提高阻尼比、增加靜剛度等，均有消振作用。C區(qū)：當激振頻率增大到λ﹥﹥1時，η→0，振幅迅速下降，甚至振動消失。這表明振動系統(tǒng)的慣性跟不上快速變化的激振力，這個區(qū)域稱為慣性區(qū)，其范圍為λ≥1.3。慣性區(qū)內(nèi)，阻尼的影響大大減小，系統(tǒng)的位移小于靜位移，且可以通過增加系統(tǒng)的質(zhì)量來增加抗振性。4.4機械加工中的振動

切削加工時，在沒有周期性外力作用的情況下，有時刀具與工件之間也可能產(chǎn)生強烈的相對振動，并在工件的加工表面上殘留嚴明顯的、有規(guī)律的振紋。這種由振動系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力激發(fā)和維持的振動稱為自激振動，通常也稱為顫振。4.4.3機械加工中的自激振動1.自激振動的產(chǎn)生條件和特性自激振動的產(chǎn)生作用干擾力處于切削過程中的工藝系統(tǒng)產(chǎn)生自由振動引起刀具和工件相對位置的變化切削力的波動工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動導致這變化又引起4.4機械加工中的振動非震蕩性能源交變切削力F(t)振動位移y(t)圖4-28自激振動閉環(huán)系統(tǒng)振動系統(tǒng)（彈性環(huán)節(jié)）調(diào)節(jié)系統(tǒng)（切削過程）組成的一個閉環(huán)系統(tǒng)。自激振動的組成振動系統(tǒng)(工藝系統(tǒng))調(diào)節(jié)系統(tǒng)(切削過程)

自激振動系統(tǒng)是一個閉環(huán)反饋自控系統(tǒng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)把持續(xù)工作用的能源能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔兞φ駝酉到y(tǒng)進行激振，振動系統(tǒng)的振動又控制切削過程產(chǎn)生激振力，以反饋制約進入振動系統(tǒng)的能量。輸出4.4機械加工中的振動自激振動的特性①自激振動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自激振動是由外部激振力的偶然觸發(fā)而產(chǎn)生的一種不衰減運動，維持振動所需的交變力是由振動過程本身產(chǎn)生的，在切削過程中，停止切削運動，交變力也隨之消失，自激振動也就停止。③自激振動能否產(chǎn)生和維持取決于每個振動周期內(nèi)攝入和消耗的能量。自激振動系統(tǒng)維持穩(wěn)定振動的條件是，在一個振動周期內(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，則振動會不斷加強；如果吸收能量小于消耗能量．則振動將不斷衰減而被抑制。4.4機械加工中的振動

切削過程中產(chǎn)生顫振的原因及機理很復雜，雖經(jīng)長期研究，目前尚無一種能闡明各種情況下產(chǎn)生顫振的理論。（1）再生原理（2）振型耦合原理（3）負摩擦原理下面扼要介紹幾種比較公認的學說2.自激振動的激振機理4.4機械加工中的振動類似于加工精度中毛坯誤差的復映

在穩(wěn)定切削過程中，由于偶然的擾動(如材料的硬疵點、加工余量不均勻或沖擊等)，工藝系統(tǒng)會產(chǎn)生一次自由振動，并在被加上表面上留下。（1）再生原理相應的振紋。當工件轉(zhuǎn)至下一轉(zhuǎn)時，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，在加工表面留下新的振紋；這個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。圖4-30再生型顫振的產(chǎn)生過程4.4機械加工中的振動再生型顫振產(chǎn)生條件圖4-31再生自激振動原理圖f切入切出y0ya）b）φy0y切入切出fc）φfy0y切入切出d）切入切出fy0yφa）、b）、c）系統(tǒng)無能量獲得；d）y滯后于y0，即0＞φ＞π

，此時切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出時切削力所作正功（獲得能量）大于切入時所作負功，系統(tǒng)有能量獲得，產(chǎn)生自激振動。

當本次（轉(zhuǎn)）加工與前次切削的的相位角φ=π/2時，能量輸入ΔE最大，再生型顫振最強烈。重疊系數(shù)μ：前轉(zhuǎn)（次）切削振紋對本轉(zhuǎn)（次）切削厚度變化量影響的等效程度。bd

—上轉(zhuǎn)（次）切削殘留振紋的寬度；bD—本轉(zhuǎn)（次）切削公稱厚度。一般加工中，0＜μ＜1。重疊系數(shù)反映了再生效應（切削厚度變化效應）的程度，

μ越小，就越不容易產(chǎn)生再生型顫振。4.4機械加工中的振動例如：一個二自由度振動系統(tǒng)，如因偶然干擾使刀架系統(tǒng)產(chǎn)生角頻率為ω的振動，刀架將沿兩X1、X2兩剛度軸同時振動。運動方程:y=Ay

sinωtz=Az

sin(ωt+φ)Φ不同，刀尖振動軌跡不同（圖4-33）如果：φ是某值時，刀尖振動軌跡為沿橢圓曲線順時針方向；刀具振入運動A→C→B，切削厚度較薄切削力?。?/p>

振出運動B→D→A，切削厚度較大，切削力大；

W振出>W振入

振動系統(tǒng)在各主振模態(tài)間互相耦合，互相關聯(lián)而產(chǎn)生的自激振動，稱振型耦合型顫振。yz（2）振型耦合原理實際的振動系統(tǒng)一般都是多自由度系統(tǒng)。式中

Ay—y向振幅

Az

—z向振幅

φ

—z向相對于向在主振頻率ω上的相位差。圖4-32振型耦合型顫振原理示意圖4.4機械加工中的振動4.4機械加工中的振動（3）負摩擦原理

圖4-34可知，在某些速度區(qū)段內(nèi)，切削力Fy隨切削速度v增加而減小，具有下降特性。圖4-35（a）所示的車床刀架在y方向上的振動運動：當?shù)都苡捎谕饨缗既桓蓴_在y方向上作振動運動時，切屑相對于刀具的相對運動速度（vo-y’）與振動位移y的關系，如圖4-35（b）。因而，振出階段的力總是大于振入階段的力，即F振出＞F振入，如圖4-35（c）。故加工系統(tǒng)有自己振動產(chǎn)生。這種由于切削過程中存在負摩擦特性而產(chǎn)生的自己振動，稱為摩擦型顫振。振出4.4機械加工中的振動4.4.4機械加工中振動的控制（1）受迫振動的診斷方法

消除或減弱產(chǎn)生機械振動的條件；

改善工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性，增強工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性；采取各種消振減振裝置。機械加工中控制振動的途徑基本途徑

測出振動的頻率，判斷性質(zhì)。受迫振動的頻率與激振力頻率相等或是它的整數(shù)倍。

a簡單方法：數(shù)出工件表面的波紋數(shù)，然后根據(jù)切削速度計算出振動頻率。

b較完善的方法：

對機床的振動信號進行