1、,第3章 機械加工表面質(zhì)量及其控制,本章要點,表面質(zhì)量及對使用性能影響,影響表面粗糙度工藝因素,機械加工中的振動,影響表層物理性能工藝因素,第3章 機械加工表面質(zhì)量及其控制 Analysis and Control of Machining Surface Quality,3.1 加工表面質(zhì)量及其對使用性能的影響 Machining Surface Quality and its Influence to Use Performance,機械制造工藝學(xué),表面粗糙度 波度 紋理方向 傷痕（劃痕、裂紋、砂眼等）,表面質(zhì)量,加工質(zhì)量包含的內(nèi)容,3.1.1 加工表面質(zhì)量概念,3.1.1 加工表面質(zhì)量概

2、念,加工表面的幾何形貌,表面粗糙度 波長/波高50 波度 波長/波高=501000；且具有周期特性 宏觀幾何形狀誤差（平面度、圓度等）波長/波高1000 紋理方向表面刀紋形式 表面缺陷如劃痕、砂眼、氣孔、裂紋等 是加工表面?zhèn)€別位置出現(xiàn)的缺陷,3.1.1 加工表面質(zhì)量概念,無氧銅鏡面三維形貌及表面輪廓曲線,3.1.1 加工表面質(zhì)量概念,加工紋理方向及其符號標(biāo)注,3.1.1 加工表面質(zhì)量概念,表面層金屬力學(xué)物理性能和化學(xué)性能,表面層金屬冷作硬化 表面層金屬金相組織變化 表面層金屬殘余應(yīng)力,加工變質(zhì)層模型,3.1.2 表面質(zhì)量對零件使用性能的影響,表面質(zhì)量對零件耐磨性的影響,表面粗糙度對零件耐磨性的

3、影響,表面粗糙度太大和太小都不耐磨。 表面粗糙度太大，接觸表面的實際壓強增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、擠裂、切斷，故磨損加劇； 表面粗糙度太小，也會導(dǎo)致磨損加劇。因為表面太光滑，存不住潤滑油，接觸面間不易形成油膜，容易發(fā)生分子粘結(jié)而加劇磨損。 表面粗糙度的最佳值與機器零件的工作情況有關(guān),3.1.2 表面質(zhì)量對零件使用性能的影響,表面層的冷作硬化對零件耐磨性的影響,加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因為它使磨擦副表面層金屬的顯微硬度提高，塑性降低，減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和塑性變形。 并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。 這是因為過分的冷作硬化，將 引起金屬組織過分“疏松”，在

4、相對運動中可能會產(chǎn)生金屬剝 落，在接觸面間形成小顆粒， 使零件加速磨損。,3.1.2 表面質(zhì)量對零件使用性能的影響,表面紋理零件耐磨性的影響,表面紋理的形狀和刀紋方向?qū)δ湍バ砸灿杏绊懀蚴羌y理形狀和刀紋方向影響有效接觸面積和潤滑液的存留，一般，圓弧狀、凹坑狀表面紋理的耐磨性好，尖峰狀的耐磨性差。 在運動副中，兩相對運動零件的刀紋方向和運動方向相同時，耐磨性較好，兩者的刀紋方向和運動方向垂直時，耐磨性最差。,3.1.2 表面質(zhì)量對零件使用性能的影響,表面粗糙度對零件疲勞強度的影響,表面質(zhì)量對零件疲勞強度的影響,表面粗糙度越大，抗疲勞破壞的能力越差。 對承受交變載荷零件的疲勞強度影響很大。在交變

5、載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。 表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲勞性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的紋痕越深，紋底半徑越小，其抗疲勞破壞的能力越差。,3.1.2 表面質(zhì)量對零件使用性能的影響,表面層冷作硬化與殘余應(yīng)力對零件疲勞強度的影響,適度的表面層冷作硬化能阻止疲勞裂紋生長并產(chǎn)生表面壓應(yīng)力，提高零件的疲勞強度。 殘余應(yīng)力有拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之分，殘余拉應(yīng)力容易使已加工表面產(chǎn)生裂紋并使其擴展而降低疲勞強度 殘余壓應(yīng)力則能夠部分地抵消工作載荷施加的拉應(yīng)力，延緩疲勞裂紋的擴展，從而提高零件的疲勞強度。,3.1.2 表面質(zhì)量對零件使用性能的影響,表面質(zhì)量對零件

6、配合質(zhì)量的影響,表面粗糙度對配合質(zhì)量的影響,表面粗糙度對零件配合精度的影響 表面粗糙度較大，則降低了配合精度。,表面殘余應(yīng)力對零件工作精度的影響 表面層有較大的殘余應(yīng)力，就會影響零件精 度的穩(wěn)定性。,表面殘余應(yīng)力對配合質(zhì)量的影響,3.1.2 表面質(zhì)量對零件使用性能的影響,表面質(zhì)量對零件耐腐蝕性能的影響,表面粗糙度對零件耐腐蝕性能的影響,減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能。 因為零件表面越粗糙，越容易積聚腐蝕性物質(zhì)，凹谷越深，滲透與腐蝕作用越強烈。,表面殘余應(yīng)力對零件耐腐蝕性能的影響,零件表面殘余壓應(yīng)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； 表面殘余拉應(yīng)力則降低零

7、件耐腐蝕性。,3.1.2 表面質(zhì)量對零件使用性能的影響,如減小表面粗糙度 可提高零件的接觸剛度、密封性和測量精度； 對滑動零件，可降低其摩擦系數(shù)，從而減少發(fā)熱和功率損失。,表面質(zhì)量對零件使用性能還有其它方面的影響,3.1.2 表面質(zhì)量對零件使用性能的影響,對耐磨性影響,表面粗糙度值 耐疲勞性 適當(dāng)硬化（阻止疲勞裂紋生長并產(chǎn)生表面壓應(yīng)力）可提高耐疲勞性,表面粗糙度值耐蝕性 表面壓應(yīng)力：有利于提高耐蝕性,表面粗糙度值 配合質(zhì)量 表面殘余應(yīng)力 精度的穩(wěn)定性 配合質(zhì)量,表面粗糙度值耐磨性，但有限度,對耐疲勞性影響,對耐蝕性影響,對配合質(zhì)量影響,紋理形式與方向：圓弧狀、凹坑狀較好；紋理方向相同較好 適當(dāng)

8、硬化可提高耐磨性,第3章 機械加工表面質(zhì)量及其控制 Analysis and Control of Machining Surface Quality,3.2 影響加工表面質(zhì)量工藝因素及其改進措施 Technology Factors Influencing Machining Surface Quality and its Improving,機械制造工藝學(xué),3.2.1 切削加工表面粗糙度,幾何因素的影響,影響因素：刀尖圓弧半徑 r、主偏角r、副偏角r 、進給量 f,切削加工后表面粗糙度的值主要取決于切削殘留面積的高度,3.2.1 切削加工表面粗糙度,工件材料的性質(zhì),韌性 表面粗糙度 工件材

9、料韌性愈好，金屬塑性變形愈大，加工表面愈粗糙。 脆性表面粗糙度 加工脆性材料時，其切削呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工 表面留下許多麻點，使表面粗糙。,塑性表面粗糙度,工件材料塑性越好，塑性變形越大，易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，加工表面粗糙。,物理因素的影響,同一材料金相組織越粗大 表面粗糙度,故對中碳鋼和低碳鋼材料的工件，為改善切削性能，常在粗加工或精加工前安排正火或調(diào)質(zhì)處理。,3.2.1 切削加工表面粗糙度,切削速度的影響,加工塑性材料時，切削速度對表面粗糙度的影響隨切削速度的變化而變化（對積屑瘤和鱗刺的影響）； 切削速度越高，塑性變形越不充分，表面粗糙度值越??； 選擇低速寬刀精切和高速精切，可以

10、得到較小的表面粗糙度； 切削速度對脆性材料的影響不大。,3.2.1 切削加工表面粗糙度,切削表面塑性變形和積屑瘤,切削速度影響最大：v = 2050m/min范圍，易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，表面粗糙度最差； v 100m/min時減小，并趨于穩(wěn)定 。,積屑瘤的影響：,3.2.1 切削加工表面粗糙度,鱗刺的影響,鱗刺的形成：抹試階段、導(dǎo)裂階段、層積階段、刮成階段,3.2.1 切削加工表面粗糙度,3.2.1 切削加工表面粗糙度,進給量的影響,其他影響因素 刀具幾何角度、刃磨質(zhì)量，切削液等,減小進給量f固然可以減小表面粗糙度值，但進給量過小，表面粗糙度會有增大的趨勢，效率降低。,適當(dāng)增大刀具前角，提高刃磨

11、質(zhì)量，合理選擇切削液，抑制積屑瘤和鱗刺。,精鏜(車)后的表面輪廓圖(橫向粗糙度),3.2.2 磨削加工表面粗糙度,磨削中影響粗糙度的幾何因素,從幾何因素和塑性變形兩方面影響,工件的磨削表面是由砂輪上大量磨?？虅澇鰺o數(shù)極細的刻痕形成的，工件單位面積上通過的磨粒數(shù)越多，則刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。,磨削時切削力大速度高溫度高，且磨粒大多數(shù)是負前角，切削刃又不銳利，大多數(shù)磨粒在磨削過程中只是對被加工表面擠壓，沒有切削作用。加工表面在多次擠壓下出現(xiàn)溝槽與隆起，又由于磨削時的高溫更加劇了塑性變形，故表面粗糙度值增大。,磨削中影響粗糙度的物理因素（通常是決定因素）,3.2.2 磨削加工

12、表面粗糙度,磨削用量,砂輪速度v，Ra 工件速度vw，Ra 砂輪縱向進給f，Ra 磨削深度ap，Ra ,光磨次數(shù)，Ra,3.2.2 磨削加工表面粗糙度,砂輪及其修整,砂輪粒度，Ra;但要適量(4660) 砂輪硬度適中， Ra ；常取中軟 砂輪組織適中，Ra ；常取中等組織 砂輪材料：與工件材料相適應(yīng)（如氧 化鋁適于磨鋼，碳化物(硅硼)適于磨鑄鐵 ，金剛石砂輪適于磨陶瓷材料等）,工件材料 冷卻潤滑液等,其他影響因素,金剛石砂輪磨削工程陶瓷零件,采用超硬砂輪材料，Ra 但成本高； 砂輪精細修整， f Ra ,太硬易使磨粒磨鈍 Ra 太軟容易堵塞砂輪Ra 韌性太大，熱導(dǎo)率差會使磨 粒早期崩落Ra 。

13、,3.2.3 表面粗糙度和表面微觀形貌測量,比較法 觸針法： Ra 0.025m,表面粗糙度測量,光切法： Rz 0.560m 干涉法： Rz 0.050.8m,3.2.3 表面粗糙度和表面微觀形貌測量,3.2.3 表面粗糙度和表面微觀形貌測量,干涉顯微鏡測量原理 1光源 2、10、15聚光鏡 3濾色片 4光闌 5透鏡 6、9物鏡 7分光鏡 8補償鏡 10、14、16反射鏡 12目鏡 13透光窗,3.2.3 表面粗糙度和表面微觀形貌測量,表面三維形貌測量與處理系統(tǒng)原理圖 1驅(qū)動 2撞塊 3電觸點 4觸針 5工作臺 6工件 7步進電機 8控制電路 9驅(qū)動電路 10放大電路 11A/D變換器 12

14、微機 13顯示器 14打印機,3.2.3 表面粗糙度和表面微觀形貌測量,TOPO移相干涉顯微鏡光學(xué)原理圖 1光源 2、4、12透鏡 3視場光闌 6干涉濾光片 7CCD面陣探測器 8輸出信號 9目鏡 10分光鏡 11壓電陶瓷 13反射鏡 14參考基準(zhǔn)板 15分光板 16被測工件,3.2.3 表面粗糙度和表面微觀形貌測量,第3章 機械加工表面質(zhì)量及其控制 Analysis and Control of Machining Surface Quality,3.3 影響表層物理性能的工藝因素及其改進措施 Technology Factors Influencing Surface Physics Pe

15、rformance and its Improving,機械制造工藝學(xué),3.3.1 加工表面層冷作硬化,概述,加工硬化 機械加工時，工件表面層金屬受到切削力的作用產(chǎn)生強烈的塑性變形，使晶格扭曲，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，晶粒被拉長、纖維化甚至碎化，從而使表面層的強度和硬度增加，這種現(xiàn)象稱為加工硬化，又稱冷作硬化和強化。 加工硬化度量,表層金屬顯微硬度 HV 硬化層深度 h（m） 硬化程度 N,式中 HV 硬化層顯微硬度（HV）； HV0 基體層顯微硬度（HV）。,表面層冷作硬化的程度決定于產(chǎn)生塑性變形的力、變形速度及變形時的溫度。,冷作硬化產(chǎn)生的原因,3.3.1 加工表面層冷作硬化,力越大，塑性變形

16、越大，則硬化程度越大； 速度越大，塑性變形越不充分，則硬化程度越??； 變形時的溫度不僅影響塑性變形程度，還會影響變形后金相組織的恢復(fù)程度。,切削加工時表面層的硬化是不穩(wěn)定的，一有條件，就會產(chǎn)生弱化現(xiàn)象： 若溫度超過（0.250.30）T熔（熔化絕對溫度），則除了強化現(xiàn)象外，同時還有回復(fù)現(xiàn)象，此時歪扭的晶格局部得到恢復(fù)，減低了冷硬作用；,結(jié)論： 機械加工時表面層的冷作硬化就是強化作用和回復(fù)作用的綜合結(jié)果。,3.3.1 加工表面層冷作硬化,切削溫度越高、高溫持續(xù)時間越長、強化程度越大，則回復(fù)作用也就越強。 因此對高溫下工作的零件，能保證疲勞強度的最佳表面層是沒有冷硬層或者只有極?。?020m）冷作

17、硬化的表面層。,如果溫度超過0.30T熔就會發(fā)生金屬再結(jié)晶，此時由于強化而改變了的表面層物理機械性能幾乎可以完全恢復(fù)。,3.3.1 加工表面層冷作硬化,影響切削加工表面冷作硬化因素,f切削力塑變冷硬,切削用量影響,刀具影響,r塑變冷硬 其他幾何參數(shù)影響不明顯 后刀面磨損影響顯著（綜合作用）,工件材料,材料塑性，冷硬傾向,切削速度影響復(fù)雜（力與熱綜合作用結(jié)果） 切削深度影響不大,3.3.1 加工表面層冷作硬化,影響磨削加工表面冷作硬化因素,磨削用量,砂輪,工件材料,磨削速度 塑變 溫度 冷硬程度（弱化作用加強） 工件轉(zhuǎn)速溫度 冷硬程度 （弱化作用減弱） 縱向進給量影響復(fù)雜（綜合作用）,磨削深度磨

18、削力塑變冷硬程度,砂輪粒度冷硬程度 砂輪硬度、組織影響不顯著,材料塑性塑變 冷硬傾向 材料導(dǎo)熱性溫度 冷硬傾向,3.3.1 加工表面層冷作硬化,冷作硬化測量方法,表層顯微硬度HV,硬化層深度測量,斜截面測量可同時測出硬化層深度 h,顯微硬度計采用頂角為136金剛石壓頭，載荷2N,斜截面測量顯微硬度,3.3.2 表面金屬金相組織變化,磨削加工時切削力大（功率消耗遠遠大于其它切削方法），切削速度高（通常4050m/s，高達80200m/s） ，磨削區(qū)溫度高（短時間內(nèi)可上升到4001000C，甚至更高）。 這樣大的加熱速度，促使加工表面局部形成瞬時熱聚集現(xiàn)象，有很高溫升和很大的溫度梯度，出現(xiàn)金相組織

19、的變化，強度和硬度下降，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，甚至引起裂紋，這就是磨削燒傷現(xiàn)象。,切削加工中，由于切削熱的作用，在工件的加工區(qū)及其鄰近區(qū)域產(chǎn)生了一定的溫升，當(dāng)工件表層溫度達到或超過金屬材料相變溫度時，表層金相組織、顯微硬度發(fā)生變化，并伴隨殘余應(yīng)力產(chǎn)生，同時出現(xiàn)彩色氧化膜。,表面層金相組織變化,一般的切削加工方法不太嚴(yán)重，磨削時易產(chǎn)生磨削燒傷現(xiàn)象。,表面顏色與燒傷之間的關(guān)系： 黑 青 淡青 米黃 淡黃,3.3.2 表面金屬金相組織變化,磨削淬火鋼時，由于磨削燒傷，工件表面產(chǎn)生氧化膜并呈現(xiàn)出不同顏色，相當(dāng)于鋼的回火色。 不同的燒傷色表示受到不同溫度的作用與產(chǎn)生不同的燒傷深度。有時表面雖看不出變色，但并不等

20、于表面未受熱損傷。 例如在磨削過程中由于采用過大的磨削用量，造成了很深的燒傷層，以后的無進給磨削中磨去了表面的燒傷色，而未能除去燒傷層，則留在工件上的燒傷層就會成為使用中的隱患。,回火燒傷 磨削區(qū)溫度超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度(350)而未超過相變溫度(Ac3) ，則工件表面原來的馬氏體組織將產(chǎn)生回火現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化成硬度降低的回火組織索氏體或屈氏體； 淬火燒傷 磨削區(qū)溫度超過相變溫度，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，由于冷卻液的急冷作用，表層會出現(xiàn)二次淬火馬氏體，硬度較原來的回火馬氏體高，而它的下層則因為冷卻緩慢成為硬度降低的回火組織。 退火燒傷(最為嚴(yán)重) 不用冷卻液進行干磨削時，磨削區(qū)溫度超過相變溫度，馬氏體轉(zhuǎn)變

21、為奧氏體，因工件冷卻緩慢，則表層硬度急劇下降，這時工件表層被退火。,磨削淬火鋼時表面層產(chǎn)生的燒傷有以下三種：,3.3.2 表面金屬金相組織變化,磨削溫度（組織變化) 溫度梯度（組織變化不同) 冷卻速度（得到組織不同),影響磨削加工時金相組織變化的因素,3.3.2 表面金屬金相組織變化,工件材料,低碳鋼時不會發(fā)生相變； 高合金鋼如軸承鋼、高速鋼、鎳鉻鋼等傳熱性特別差，在冷卻不充分時易出現(xiàn)磨削燒傷。 未淬火鋼為擴散度低的珠光體，磨削時間短時不會發(fā)生金相組織的變化； 淬火鋼極易相變。,3.3.2 表面金屬金相組織變化,改善冷卻條件（冷卻液進入磨削區(qū)）,合理選擇砂輪,磨削時，砂輪表面上磨粒的切削刃口

22、鋒利磨削力磨削區(qū)的溫度 應(yīng)根據(jù)工件材料合理選擇砂輪的硬度、 結(jié)合劑和組織磨削燒傷,合理選擇磨削用量,砂輪轉(zhuǎn)速 磨削燒傷 徑向進給量fp 磨削燒傷 軸向進給量fa磨削燒傷 工件速度vw磨削燒傷,采用內(nèi)冷卻法 磨削燒傷,內(nèi)冷卻裝置 1錐形蓋 2通道孔 3中心腔 4有徑向小孔薄壁套,采用開槽砂輪（冷卻條件好）,間斷磨削 受熱磨削燒傷,3.3.2 表面金屬金相組織變化,圖3-24 開槽砂輪 a） 槽均勻分布 b）槽不均勻分布,3.3.3 表面金屬殘余應(yīng)力,表面層殘余應(yīng)力,定義： 機械加工中工件表面層組織發(fā)生變化時，在表面層及其與基體材料的交界處會產(chǎn)生互相平衡的彈性力。這種應(yīng)力即為表面層的殘余應(yīng)力。,殘

23、余應(yīng)力產(chǎn)生的原因,冷態(tài)塑性變形 機械加工時，工件表面受到擠壓與摩擦，表層產(chǎn)生伸長塑變，基體仍處于彈性變形狀態(tài)。切削后，表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而在里層產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力。 熱態(tài)塑性變形 機械加工時，切削或磨削熱使工件表面局部溫升過高，引起高溫塑性變形。表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力； 金相組織變化 切削時產(chǎn)生的高溫會引起表面的相變。比容大的組織比容小的組織體積收縮，產(chǎn)生拉應(yīng)力，反之，產(chǎn)生壓應(yīng)力。,3.3.3 表面金屬殘余應(yīng)力,實際機械加工后的表面層殘余應(yīng)力及其分布，是上述三方面因素綜合作用的結(jié)果，在一定條件下，其中某一或二種因素可能起主導(dǎo)作用。,切削時切削熱不多（一般切削加工）時則以冷態(tài)

24、塑性變形為主，表面層常產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力。若切削熱多則以熱態(tài)塑性變形為主，表面層常產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力。 磨削時表面層殘余應(yīng)力歲磨削條件不同而不同： 輕磨削條件產(chǎn)生淺而小的殘余壓應(yīng)力，因為此時沒有金相組織變化，溫度影響也很小，主要是塑性變形的影響在起作用。 中等磨削條件產(chǎn)生淺而大的拉應(yīng)力。 淬火鋼重磨削條件則產(chǎn)生深而大的拉應(yīng)力（最外表面可能出現(xiàn)小而淺的壓應(yīng)力），這里顯然是由于熱態(tài)塑性變形和金相組織變化的影響在起主導(dǎo)作用的緣故。,3.3.3 表面金屬殘余應(yīng)力,v殘余應(yīng)力（熱應(yīng)力起主導(dǎo)作用）,切削用量,材料塑性殘余應(yīng)力 鑄鐵等脆性材料易產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力 不同材料差異明顯,f殘余應(yīng)力,切削深度影響不顯著,工

25、件材料,3.3.3 表面金屬殘余應(yīng)力,低速（620m/min）殘余拉伸應(yīng)力（熱應(yīng)力起主導(dǎo)作用） 中速（200250m/min）殘余壓縮應(yīng)力 高速（500850m/min）殘余壓縮應(yīng)力（金相組織變化起主導(dǎo)作用）,18CrNiMoA車削殘余應(yīng)力,切削速度對殘余應(yīng)力的影響,3.3.3 表面金屬殘余應(yīng)力,刀具影響,前角+，殘余拉應(yīng)力 刀具磨損殘余應(yīng)力,3.3.3 表面金屬殘余應(yīng)力,磨削過程中殘余應(yīng)力的影響,總的來說，磨削加工中熱態(tài)塑性變形和金相組織變化的影響較大，故大多數(shù)磨削零件的表面層往往有殘余拉應(yīng)力。 當(dāng)殘余拉應(yīng)力超過材料的強度極限時，零件表面就會出現(xiàn)裂紋，即磨削裂紋。,磨削裂紋,磨削裂紋一般很淺

26、（0.25.050mm），大多數(shù)垂直于磨削方向或成網(wǎng)狀（磨螺紋時有時也有平行于磨削方向的裂紋），裂紋總是拉應(yīng)力引起的，且常與燒傷同時出現(xiàn)。 有的磨削裂紋也可能不在工件的外表面，而是在表面層下成為肉眼難以發(fā)現(xiàn)的缺陷。,圖8.12 磨削裂紋,3.3.3 表面金屬殘余應(yīng)力,3.3.3 表面金屬殘余應(yīng)力,v 溫度 拉應(yīng)力傾向,磨削用量,f工件轉(zhuǎn)速塑變拉應(yīng)力,背吃刀量：影響很大 ap很小壓應(yīng)力（塑性變形起主要作用）； 增大拉應(yīng)力（熱變形起主要作用）； 再增大壓應(yīng)力（塑性變形起主要作用）；,磨削工業(yè)鐵背吃刀量殘余應(yīng)力,磨削T8鋼背吃刀量殘余應(yīng)力,3.3.3 表面金屬殘余應(yīng)力,材料強度導(dǎo)熱性塑性 拉應(yīng)力傾向

27、,工件材料,磨削硬質(zhì)合金時，由于其脆性大，抗拉強度低以及導(dǎo)熱性差，所以特別容易產(chǎn)生磨削裂紋。 磨削含碳量高的淬火鋼時，由于其晶界脆弱，也容易產(chǎn)生磨削裂紋。 工件在淬火后如果存在殘余應(yīng)力，則即使在正常的磨削條件下也可能出現(xiàn)裂紋。,工件材料的熱處理,工件淬火后在磨削前進行去除應(yīng)力的工序能收到很好的效果。 滲碳、滲氮時如果工藝不當(dāng)，就會在表面層晶界面上析出脆性的碳化物、氮化物，當(dāng)磨削時在熱應(yīng)力作用下，就容易沿著這些組織發(fā)生脆性破壞，而出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋。,冷卻方法,選擇適宜的磨削液和有效的冷卻方法。 采用高壓大流量冷卻 內(nèi)冷卻,加裝空氣擋板，減輕旋轉(zhuǎn)的砂輪表面的高壓附著氣流的作用，以使冷卻液能順利地噴注到

28、磨削區(qū)。,3.3.3 表面金屬殘余應(yīng)力,最終工序加工方法選擇,交變載荷易產(chǎn)生局部微觀裂紋，選壓應(yīng)力 滑動摩擦拉應(yīng)力抗機械磨損（擠壓壓潰） 滾動摩擦表面層下h深處產(chǎn)生壓應(yīng)力有利,表面殘余應(yīng)力將直接影響零件的使用性能，一般工件表面殘余應(yīng)力的數(shù)值和性質(zhì)主要取決于工件最終加工工序的加工方法。,零件的具體工作條件,3.3.4 表面強化工藝,是一種用壓縮空氣或離心力將大量直徑細小（0.24mm）的丸粒（鋼丸、玻璃丸）以3050m/s的速度向零件表面噴射的方法。,可使工件表面產(chǎn)生冷硬層和壓應(yīng)力,提高疲勞強度和使用壽命；,噴丸強化,用于強化形狀復(fù)雜或不宜用其它方法強化的工件，例如板彈簧、螺旋彈簧、齒輪、焊縫等

29、,表面硬度提高1040，耐疲勞強度提高3050，使用壽命可提高數(shù)倍至數(shù)十倍。如齒輪可提高倍，螺旋彈簧可提高倍以上。,硬化深度可達.mm,表面粗糙度可自.降到.。,3.3.4 表面強化工藝,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，使表層材料產(chǎn)生塑性流動，將凸起部分下壓下，凹下部分上凸，形成新的光潔表面。 修正工件表面的微觀幾何形狀,形成壓縮殘余應(yīng)力，提高耐疲勞強度。,滾壓加工原理圖,表面粗糙度可自.降至.，表面硬度提高1040，表面硬化深度達.mm，耐疲勞強度提高3050。,第3章 機械加工表面質(zhì)量及其控制 Analysis and Control of Machining S

30、urface Quality,3.4 機械加工過程中的振動 Vibrations in machining Process,機械制造工藝學(xué),3.4.1 概述,機械加工過程中振動的危害,振動會在工件加工表面出現(xiàn)振紋，降低了工件的加工精度和表面質(zhì)量，低頻振動時會產(chǎn)生波度； 振動會引起刀具崩刃打刀現(xiàn)象并加速刀具或砂輪的磨損； 振動使機床夾具連接部分松動，影響運動副的工作性能，并導(dǎo)致機床喪失精度； 產(chǎn)生噪聲污染，危害操作者健康 影響生產(chǎn)效率,3.4.1 概述,工藝系統(tǒng)受到初始干擾力而破壞了其平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)僅靠彈性恢復(fù)力來維持的振動稱為自由振動。 由于系統(tǒng)中存在阻尼，自由振動將逐漸衰弱，對加工影響不大

31、。,3.4.2 機械加工過程中強迫振動,強迫振動產(chǎn)生原因,由穩(wěn)定的外界周期性的干擾力（激振力）作用引起； 除了力之外,凡是隨時間變化的位移、速度和加速度，也可以激起系統(tǒng)的振動。 強迫振動振源：機外機內(nèi)。,機外：其他機床、鍛錘、火車、卡車等通過地基把振動傳給機床 機內(nèi)：1）回轉(zhuǎn)零部件質(zhì)量的不平衡（旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量偏心） 2）機床傳動件的制造誤差和缺陷（如齒輪嚙合時的沖擊、皮帶 輪圓度誤差及皮帶厚度不均引起的張力變化，滾動軸承的套圈和滾 子尺寸及形狀誤差） 3）切削過程中的沖擊（如往復(fù)部件的沖擊；液壓傳動系統(tǒng)的壓力 脈動；斷續(xù)切削時的沖擊振動）,3.4.2 機械加工過程中強迫振動,頻率特征：與干擾力

32、的頻率相同，或是干擾力頻率整倍數(shù) 幅值特征：與干擾力幅值、工藝系統(tǒng)動態(tài)特性有關(guān)。當(dāng)干擾力頻率接近或等于工藝系統(tǒng)某一固有頻率時，產(chǎn)生共振 相角特征：強迫振動位移的變化在相位上滯后干擾力一個角，其值與系統(tǒng)的動態(tài)特性及干擾力頻率有關(guān),圖1 內(nèi)圓磨削振動系統(tǒng) a) 模型示意圖 b）動力學(xué)模型 c）受力圖,強迫振動的運動方程,3.4.2 機械加工過程中強迫振動,3.4.2 機械加工中的自激振動,自激振動(顫振)的概念,在沒有周期性外力(相對于切削過程)作用下，由系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)反饋產(chǎn)生的周期性振動 自激振動過程可用傳遞函數(shù)概念說明,切削過程本身能引起某種交變切削力，而振動系統(tǒng)能通過這種力的變化，從不具備交變

33、特性的能源中周期性的獲得補充能量，從而維持住這個振動。當(dāng)運動一停止，則這種外力的周期性變化和能量的補充過程也都立即停止。工藝系統(tǒng)中維持自激振動的能量來自機床電動機，電動機除了供給切除切屑的能量外，還通過切削過程把能量輸給振動系統(tǒng)，使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動運動。,3.4.2 機械加工中的自激振動,自激振動能否產(chǎn)生及振幅的大小取決于振動系統(tǒng)在每一個周期內(nèi)獲得和消耗的能量對比情況,機械加工中的自激振動是在沒有周期性外力(相對于切削過程而言)干擾下所產(chǎn)生的振動運動，這一點與強迫振動有原則區(qū)別。 自激振動的頻率接近于系統(tǒng)的某一固有頻率，或者說，顫振頻率取決于振動系統(tǒng)的固有特性。這一點與強迫振動根本不同，強迫振

34、動的頻率取決于外界干擾力的頻率。 自激振動是一種不衰減的振動。振動過程本身能引起某種不衰減的周期性變化，而振動系統(tǒng)能通過這種力的變化，從不具備交變特性的能源中周期性的獲得補充能量，從而維持住這個振動。,自激振動由振動系統(tǒng)本身參數(shù)決定，與強迫振動顯著不同。自由振動受阻尼作用將迅速衰減，而自激振動不會因阻尼存在而衰減。,如圖3-33a所示為單自由度機械加工振動模型。設(shè)工件系統(tǒng)為絕對剛體，振動系統(tǒng)與刀架相連，且只在y方向作單自由度振動。 在背向力Fp作用下，刀具作切入、切出運動（振動）。 刀架振動系統(tǒng)同時還有F彈作用在它上面。y越大，F(xiàn)彈也越大，當(dāng)Fp=F彈時，刀架的振動停止。 對上述振動系統(tǒng)而言，

35、背向力Fp是外力，F(xiàn)p對振動系統(tǒng)作功如圖3-33b所示。 刀具切入，其運動方向與背向力方向相反，作負功；即振動系統(tǒng)要消耗能量W振入； 刀具切出，其運動方向與背向力方向相同，作正功；即振動系統(tǒng)要吸收能量W振出；,產(chǎn)生自激振動的條件,3.4.2 機械加工中的自激振動,圖3-33 單自由度機械加工振動模型 a） 振動模型 b） 力與位移的關(guān)系圖,3.4.2 機械加工中的自激振動,當(dāng)W振出W振入時，刀架振動系統(tǒng)將有持續(xù)的自激振動產(chǎn)生。,3.4.2 機械加工中的自激振動,三種情況：,W振出=W振入+ W摩阻（振入）時，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動； W振出W振入+ W摩阻（振入）時，系統(tǒng)為振幅遞增的自激 振動，

36、至一定程度，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動； W振出 W振入+ W摩阻（振入）時，系統(tǒng)為振幅遞減的自激 振動，至一定程度，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動；,故振動系統(tǒng)產(chǎn)生自激振動的基本條件是：,W振出W振入,或 FP振出FP振入,3.4.2 機械加工中的自激振動,3.4.2 機械加工中的自激振動,再生原理,自激振動機理,如圖所示，車刀只做橫向進給。 在穩(wěn)定的切削過程中，刀架系統(tǒng)因材料的硬點，加工余量不均勻，或其它原因的沖擊等，受到偶然的擾動。刀架系統(tǒng)因此產(chǎn)生了一次自由振動，并在被加工表面留下相應(yīng)的振紋。,當(dāng)工件轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，刀具要在留有振紋的表面上切削，因切削厚度發(fā)生了變化，所以引起了切削力周期性的變化。產(chǎn)生動態(tài)切

37、削力。 將這種由于切削厚度的變化而引起的自激振動，稱為 “再生顫振”。,圖 自由正交切削時再生顫振的產(chǎn)生,3.4.2 機械加工中的自激振動,產(chǎn)生條件,圖中 a）b）c）系統(tǒng)無能量獲得；d）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。,圖中綠線表示前一轉(zhuǎn)切削的工件表面振紋，紅線表示后一轉(zhuǎn)切削的表面。,a）前后兩轉(zhuǎn)的振紋沒有相位差（=0）圖a b）前后兩轉(zhuǎn)的振紋相位差為=圖b c）后一轉(zhuǎn)的振紋相位超前圖c,d）后一轉(zhuǎn)的振紋相位滯后圖d,結(jié)論：在再生顫振中，只有當(dāng)后一轉(zhuǎn)的振紋的相位滯后于前一轉(zhuǎn)振紋時才有可能產(chǎn)生再生顫振。,

38、重 迭 系 數(shù),前一次走刀工件表面形成的波紋面寬度在相繼的后一次走刀的有效寬度中所占的比例，用表示。,重迭系數(shù)對再生顫振的影響,在縱向切削或磨削工件表面時，后一次走刀(進給)和前一次走刀（進給）總會有部分重疊，有重迭切削，則可能發(fā)生再生顫振。,3.4.2 機械加工中的自激振動,一般 01， 軸向切削時，01 徑向切入（前后兩次走刀完全重疊時）， =1（如切槽、鉆、端銑等） 車方牙螺紋，=0，無重迭切削，不可能 發(fā)生再生顫振。,3.4.2 機械加工中的自激振動,在金屬切削過程中，除極少數(shù)情況外，刀具總是部分地或完全地在帶有波紋的表面上進行切削的。,式中 bd 等效切削寬度，即本次切削實際切到上次

39、切削殘留振紋 在垂直于振動方向投影寬度； b 本次切削在垂直于振動方向上的切削寬度； B , fa 砂輪寬度與軸向進給量。,3.4.2 機械加工中的自激振動,振型耦合原理,振動系統(tǒng)實際上都是多自由度的，如圖是一個二自由度振動系統(tǒng)示意圖。不考慮再生效應(yīng)，當(dāng)?shù)都芟到y(tǒng)產(chǎn)生了角頻率為的振動，則刀架將在x1和x2兩個方向上同時振動，刀具振動的軌跡一般為橢圓形的封閉曲線ACBDA 。,自激振動的產(chǎn)生條件：, k1k2，x1超前x2 ，軌跡ADBCA為一橢圓，切入半周期內(nèi)的平均切削厚度比切出半周期內(nèi)的大，系統(tǒng)無能量輸入 k1k2，x1滯后于x2 ，軌跡為一順時針方向橢圓，即：ACBD A 。此時，切入半周期

40、內(nèi)的平均切削厚度比切出半周期內(nèi)的小，有能量獲得，振動能夠維持 。, k1=k2，x1與x2無相位差, 軌跡為直線，無能量輸入,3.4.2 機械加工中的自激振動,負摩擦原理,切削塑性材料時，吃刀抗力Fp自某一速度開始隨切削速度增加而下降。在此區(qū)域，極易引起自激振動。,Fp主要取決于切屑與刀具相對運動所產(chǎn)生的摩擦力。切削過程若有振動，切入半周期切削速度高 Fp小切入半周期切削力所作負功小于切出半周期切削力所作正功，系統(tǒng)有能量輸入，振動維持,Fp主要由摩擦引起，故將切削速度增高導(dǎo)致摩擦力下降的特性稱為負摩擦特性,負摩擦激振原理,3.4.2 機械加工中的自激振動,切削力滯后原理,由于存在慣性和阻尼，作

41、用在刀具上的切削力滯后主振動系統(tǒng)運動 振入過程實際切削厚度小于名義值 Fp小切入半周期切削力所作負功小于切出半周期切削力所作正功，系統(tǒng)有能量輸入，振動維持,由切削力滯后引起，故稱為滯后型顫振,3.4.3 機械加工振動診斷技術(shù),振動診斷的目的,明確振動類型，以便采取針對性的解決措施。,振動診斷,振動診斷內(nèi)容,首先判定振動類型，明確所測頻率屬于強迫振動和顫振的部分； 若有屬于自激振動的頻率成分，則需進一步判定其屬于哪一種顫振類型； 自激振動類型診斷的關(guān)鍵在于確定診斷參數(shù)； 所確定的診斷參數(shù)必須充分并只是反映該類振動最本質(zhì)、最核心的參數(shù)。,3.4.3 機械加工振動診斷技術(shù),強迫振動診斷依據(jù),強迫振動

42、頻率與干擾力頻率相同（或為其整倍數(shù)）,強迫振動診斷,強迫振動診斷步驟,采集現(xiàn)場加工振動信號加工部位振動敏感方向 頻譜分析處理自功率譜密度函數(shù)處理，各峰值點頻率即振動頻率，最大譜峰值頻率對應(yīng)主振頻率 環(huán)境試驗、查找機外振源機床停止?fàn)顟B(tài)，拾取信號進行頻譜分析，得到機外干擾力源頻率成分，并與加工時振動頻率比較。若相同，可確定為強迫振動 空運轉(zhuǎn)試驗、查找機內(nèi)振源機床按加工參數(shù)運轉(zhuǎn)（不加工），拾取信號進行頻譜分析，并與加工時振動頻率比較。若相同，可確定為強迫振動 查找干擾力源確定內(nèi)部干擾源具體位置,3.4.3 機械加工振動診斷技術(shù),診斷參數(shù)相位差，再生型顫振產(chǎn)生的根本原因,再生型顫振診斷,相位差測量與計

43、算,相位差可通過測量顫振頻率 f 及工件轉(zhuǎn)數(shù) n 間接求得 車削：工件每轉(zhuǎn)切削振痕數(shù) J,式中Jz、J分別為J 的整數(shù)和小數(shù)部分 相位差： 360（1 J ）,為控制測量誤差，需采用頻率細化技術(shù),診斷要領(lǐng),相位差位于、象限，即0 180，有再生型顫振 相位差位于、象限，即180 360，非再生型顫振,3.4.3 機械加工振動診斷技術(shù),診斷參數(shù)y 向振動相對于 x 向振動的相位差,耦合型顫振診斷,診斷要領(lǐng),根據(jù)理論推導(dǎo)： 相位差位于、象限，非耦合型顫振 相位差位于、象限，為耦合型顫振,相位差測量與計算,相位差可通過求取振動信號 x(t) 與 y(t) 的互功率譜密度函數(shù)Sxy()在主振頻率成分上的相位值獲得,3.4.3 機械加工振動診斷技術(shù),工作條件與測試裝置,診斷實例,工作條件C6140車床車電機軸，長度800mm，最大直徑50mm，YT15車刀，主偏角45，v84.4m/min，f0.12mm/r，ap0.4mm 測試裝置