第四章 机械加工表面质量及其控制

1、123表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）表面质量表面几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工质量包含的内容 4划痕、划痕、 a）波度 b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度与波度RZHRZ5无氧铜镜面三维形貌及表面轮廓曲线6加工纹理方向及其符号标注7加工变质层模型 8l表面质量对零件耐磨性的影响表面质量对零件耐磨性的影响Ra（m）初始磨损量重载荷轻载荷表面粗糙度与初始磨损量关系p表面粗糙度对零件耐磨性的影响表面粗糙度对零件耐磨性的影响表面粗糙度太大和太小都不耐磨。表面粗糙度太大和太小都不耐磨。表面粗糙度太大，接触表面的实际表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增

2、大，粗糙不平的凸峰相互咬合、压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；挤裂、切断，故磨损加剧；表面粗糙度太小，也会导致磨损加表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。子粘结而加剧磨损。表面粗糙度的最佳值与机器零件的表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关工作情况有关9表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。性。因为它使磨擦副表面层

3、金属的显微硬度提高，塑性因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因为过分的冷作硬化，将这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过分引起金属组织过分“疏松疏松”，在，在相对运动中可能会产生金属剥相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。使零件加速磨损。冷硬程度磨损量T7A钢冷硬程度与耐磨性关系10 表面纹理的形状和刀纹方向对耐磨性也有影响，原因是纹理形状和刀纹方向影响有效接

4、触面积和润滑液的存留，一般，圆弧状、凹坑状表面纹理的耐磨性好，尖峰状的耐磨性差。在运动副中，两相对运动零件的刀纹方向和运动方向相同时，耐磨性较好，两者的刀纹方向和运动方向垂直时，耐磨性最差。11q表面粗糙度对零件疲劳强度的影响表面粗糙度对零件疲劳强度的影响l表面质量对零件疲劳强度的影响表面质量对零件疲劳强度的影响表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。容易引起应力集中，产生疲劳

5、裂纹。 表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差坏的能力越差。12q表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响影响 适度的表面层冷作硬化能适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。提高零件的疲劳强度。残余应力有拉应力和压应力之分，残余应力有拉应力和压应力之分，残余拉应力残余拉应力容易使已容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强

6、度降低疲劳强度残余压应力残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度提高零件的疲劳强度。13l表面质量对零件配合质量的影响表面质量对零件配合质量的影响p表面粗糙度对表面粗糙度对配合质量的影响配合质量的影响表面粗糙度对零件配合精度的影响表面粗糙度对零件配合精度的影响 表面粗糙度较大，则降低了配合精度。表面粗糙度较大，则降低了配合精度。表面残余应力对零件工作精度的影响表面残余应力对零件工作精度的影响 表面层有较大的残余应力，就会影响零件精表面层有较大的残余应力，就会影响零件精度的稳定性。度的

7、稳定性。p表表面残余应力面残余应力对对配合质量配合质量的影响的影响14l表面质量对零件耐腐蚀性能的影响表面质量对零件耐腐蚀性能的影响p表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响 减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。因为因为零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。越深，渗透与腐蚀作用越强烈。 q表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响 零件表面残余压应力零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不使零件表面紧密，腐蚀性

8、物质不易进入，易进入，可增强零件的耐腐蚀性可增强零件的耐腐蚀性；表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。15如如减小表面粗糙度减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。功率损失。l表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响16表面残余应力表面残余应力精度的稳定性精度的稳定性1718rrfHctgctg28fHr车削时残留面积的高度frRmaxvfrb）Rmaxfa）vfrr 19q

9、工件材料的性质工件材料的性质韧性韧性 表面粗糙度表面粗糙度 工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。脆性脆性表面粗糙度表面粗糙度 加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。表面留下许多麻点，使表面粗糙。塑性塑性表面粗糙度表面粗糙度 工件材料塑性越好，塑性变形越大，易产生积屑瘤和鳞刺，加工件材料塑性越好，塑性变形越大，易产生积屑瘤和鳞刺，加工表面粗糙。工表面粗糙。l物理因素的影响物理因素的影响 同一材料金相组织越粗大同一材料金相组织越粗大

10、 表面粗糙度表面粗糙度 故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，常在粗加故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。工或精加工前安排正火或调质处理。20q切削速度的影响 加工塑性材料加工塑性材料时，切削速度对时，切削速度对表面粗糙度表面粗糙度的影响随的影响随切切削速度的变化而变化削速度的变化而变化（对积屑瘤和鳞刺的影响）；（对积屑瘤和鳞刺的影响）；切削速度越高切削速度越高，塑性变形越不充分，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越表面粗糙度值越小；小；选择选择低速宽刀精切和高速精切低速宽刀精切和高速精切，可以得到，可以得到较小的表面较小的表面粗糙度；粗糙

11、度；切削速度对脆性材料的影响不大。切削速度对脆性材料的影响不大。21切削表面塑性变形和积屑瘤 切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（m）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度 h（m） 0200400600hKsRz22p积屑瘤的影响：积屑瘤的影响： 23p鳞刺的影响鳞刺的形成：抹试阶段、导裂阶段、层积阶段、刮成阶段鳞刺的形成：抹试阶段、导裂阶段、层积阶段、刮成阶段 24q进给量的影响进给量的影响 减小进给量减小进给量f f固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表

12、面粗糙度会有增大的趋势，效率降低。小，表面粗糙度会有增大的趋势，效率降低。 适当增大刀具前角，提高刃磨质量，合理选择切削适当增大刀具前角，提高刃磨质量，合理选择切削液，抑制积屑瘤和鳞刺。液，抑制积屑瘤和鳞刺。精镗(车)后的表面轮廓图(横向粗糙度)25q磨削中影响粗糙度的几何因素磨削中影响粗糙度的几何因素从几何因素和塑性变形两方面影响工件的工件的磨削表面磨削表面是由砂轮上是由砂轮上大量磨粒刻划大量磨粒刻划出无数极细出无数极细的的刻痕形成刻痕形成的，工件的，工件单位面积上通过的磨粒数越多单位面积上通过的磨粒数越多，则刻痕越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小表面粗糙度

13、值越小。磨削时磨削时切削力大切削力大速度高温度高速度高温度高，且磨粒大多数是负前角，且磨粒大多数是负前角，切削刃又不锐利，切削刃又不锐利，大多数磨粒大多数磨粒在磨削过程中在磨削过程中只是对被加只是对被加工表面挤压工表面挤压，没有切削作用。加工表面在多次挤压下出，没有切削作用。加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起，又由于磨削时的现沟槽与隆起，又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。故表面粗糙度值增大。p磨削中影响粗糙度的物理因素磨削中影响粗糙度的物理因素（通常是决定因素）（通常是决定因素）26磨削用量对表面粗糙度的影响vw = 40(m/min)f = 2.36

14、(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(m)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(m)00.20.60.020.030.04b）光磨次数-Ra关系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)27 金刚石砂轮磨削工程陶瓷零件 太硬易使磨粒磨钝 Ra 太软容易堵塞砂轮Ra 韧性太大，热导率差会使磨粒早期崩落Ra 。28工件驱动箱放大器处理器记录器显示器触针传感器触针法工作

15、原理29双管显微镜测量原理1光源 2聚光镜 3窄缝 4工件表面 5目镜透镜 6分划板 7目镜30干涉显微镜测量原理1光源 2、10、15聚光镜 3滤色片 4光阑 5透镜 6、9物镜 7分光镜 8补偿镜 10、14、16反射镜 12目镜 13透光窗31表面三维形貌测量与处理系统原理图1驱动 2撞块 3电触点 4触针 5工作台 6工件 7步进电机 8控制电路 9驱动电路 10放大电路 11A/D变换器 12微机 13显示器 14打印机32TOPO移相干涉显微镜光学原理图1光源 2、4、12透镜 3视场光阑 6干涉滤光片 7CCD面阵探测器 8输出信号 9目镜 10分光镜 11压电陶瓷 13反射镜

16、14参考基准板 15分光板 16被测工件33表面微观形貌a）表面形貌干涉条纹 b）表面三维形貌a）b）),(4),(22/),(),(),(),(),(tan),(31241yxyxyxZyxIyxIyxIyxIyx相位值：轮廓高度：3435机械加工时，工件机械加工时，工件表面层金属表面层金属受到受到切削力切削力的作用产的作用产生强烈的生强烈的塑性变形塑性变形，使，使晶格扭曲晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加表面层的强度和硬度增加，这种现象称为，这种现象称为加工硬化加工硬化，又称，又称冷

17、作硬化和强化冷作硬化和强化。式中 HV 硬化层显微硬度（HV）； HV0 基体层显微硬度（HV）。%10000HVHVHVN 表面层冷作硬化的程度决定于表面层冷作硬化的程度决定于产生产生塑性变形塑性变形的力、的力、变形速度及变形时的温度。变形速度及变形时的温度。 p冷作硬化产生的原因冷作硬化产生的原因 力越大，塑性变形越大，则硬化程度越大；力越大，塑性变形越大，则硬化程度越大； 速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度越小；速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度越小； 变形时的温度不仅影响变形时的温度不仅影响塑性变形程度塑性变形程度，还会影响变，还会影响变形后金相组织的形后金相组织的恢复程度恢复

18、程度。 切削加工时表面层的硬化是不稳定的，一有条件，切削加工时表面层的硬化是不稳定的，一有条件，就会产生弱化现象：就会产生弱化现象： 若温度若温度超过（超过（0.250.30）T熔熔（熔化绝对温度），（熔化绝对温度），则除了强化现象外，同时还有则除了强化现象外，同时还有回复现象回复现象，此时歪扭的，此时歪扭的晶格局部得到恢复，晶格局部得到恢复，减低了冷硬作用减低了冷硬作用；u 结论：结论： 机械加工时表面层的冷作硬化就是机械加工时表面层的冷作硬化就是强化作用和回复作用的综合结果。强化作用和回复作用的综合结果。 切削温度越高、高温持续时间越长、强化程度越切削温度越高、高温持续时间越长、强化程度越

19、大，则回复作用也就越强。大，则回复作用也就越强。因此对高温下工作的零件，能保证疲劳强度的最因此对高温下工作的零件，能保证疲劳强度的最佳表面层是没有冷硬层或者只有极小（佳表面层是没有冷硬层或者只有极小（1020m）冷作硬化的表面层。冷作硬化的表面层。 如果温度如果温度超过超过0.30T熔熔就会发生就会发生金属再结晶金属再结晶，此时，此时由于强化而改变了的表面层物理机械性能几乎可以由于强化而改变了的表面层物理机械性能几乎可以完全恢复。完全恢复。38切削力切削力塑变塑变冷硬冷硬切削用量影响刀具影响塑变塑变 冷硬冷硬00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV

20、)50钢，v = 40(m/min) f = 0.120.2(mm/z)后刀面磨损对冷硬影响工件材料f 和 v 对冷硬的影响硬度(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：4539磨削用量砂轮工件材料塑变 温度 温度 磨削力塑变塑变温度磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削40表层显微硬度HV硬化层深度测量41磨削加工时切削力大（功率消耗远远大于其它切削方法），切削速度高（通常（通常4050

21、m/s，高达，高达80200m/s） ，磨削区温度高（短时间内可上升到4001000C，甚至更高）。 这样大的加热速度，促使加工表面局部形成瞬时热聚集现象，有很高温升和很大的温度梯度，出现金相组织的变化，强度和硬度下降，产生残余应力，甚至引起裂纹，这就是。 切削加工中，由于切削热的作用，在工件的加工区及其邻近区域产生了一定的温升，当工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜。 一般的切削加工方法不太严重，磨削时易产生磨削烧伤现象。42u表面颜色与烧伤之间的关系表面颜色与烧伤之间的关系： 黑 青 淡青 米黄 淡黄 磨削淬火钢时

22、，由于磨削烧伤，工磨削淬火钢时，由于磨削烧伤，工件表面产生氧化膜并呈现出不同颜色，件表面产生氧化膜并呈现出不同颜色，相当于钢的回火色。相当于钢的回火色。 不同的烧伤色不同的烧伤色表示受到不同温度的表示受到不同温度的作用与产生作用与产生不同的烧伤深度不同的烧伤深度。有时表。有时表面虽看不出变色，但并不等于表面未面虽看不出变色，但并不等于表面未受热损伤。受热损伤。 例如在磨削过程中由于采用过大的例如在磨削过程中由于采用过大的磨削用量，造成了很深的烧伤层，以磨削用量，造成了很深的烧伤层，以后的无进给磨削中磨去了表面的烧伤后的无进给磨削中磨去了表面的烧伤色，而未能除去烧伤层，则留在工件色，而未能除去烧

23、伤层，则留在工件上的烧伤层就会成为使用中的隐患。上的烧伤层就会成为使用中的隐患。 回火烧伤回火烧伤 磨削区温度磨削区温度超过马氏体转变温度超过马氏体转变温度(350(350) )而未超过相变温度而未超过相变温度(Ac3) ，则工件表面原来的马氏体组织将，则工件表面原来的马氏体组织将产生回火现象产生回火现象，转化成，转化成硬度降低硬度降低的的回火组织回火组织索氏体或屈氏体索氏体或屈氏体；淬火烧伤淬火烧伤 磨削区温度磨削区温度超过相变温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，由于冷却，马氏体转变为奥氏体，由于冷却液的液的急冷急冷作用，作用，表层表层会出现二次淬火马氏体，会出现二次淬火马氏体，硬度较硬度

24、较原来的回火原来的回火马氏体马氏体高高，而它的，而它的下层下层则因为冷却缓慢成则因为冷却缓慢成为硬度降低的回火组织为硬度降低的回火组织。退火烧伤退火烧伤( (最为严重最为严重) ) 不用冷却液进行不用冷却液进行干磨削干磨削时，磨削区温度时，磨削区温度超过相变温度超过相变温度，马氏，马氏体转变为奥氏体，因工件体转变为奥氏体，因工件冷却缓慢冷却缓慢，则，则表层硬度急剧下降表层硬度急剧下降，这时，这时工件工件表层被退火表层被退火。p磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下三种：磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下三种：p影响磨削加工时金相组织变化的因素影响磨削加工时金相组织变化的因素 低碳钢时不会发生相变；

25、低碳钢时不会发生相变； 高合金钢如轴承钢、高速钢、镍铬钢等传热性特别差，在高合金钢如轴承钢、高速钢、镍铬钢等传热性特别差，在冷却不充分时易出现磨削烧伤。冷却不充分时易出现磨削烧伤。 未淬火钢为扩散度低的珠光体，磨削时间短时不会发生金未淬火钢为扩散度低的珠光体，磨削时间短时不会发生金相组织的变化；相组织的变化； 淬火钢极易相变。淬火钢极易相变。45改善改善途径途径 磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃口磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃口锋利锋利磨削力磨削力磨削区的温度磨削区的温度应根据工件材料合理选择砂轮的硬度、应根据工件材料合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织结合剂和组织磨削烧伤磨削烧伤砂轮转速砂轮转速

26、磨削烧伤磨削烧伤径向进给量径向进给量fp 磨削烧伤磨削烧伤轴向进给量轴向进给量fa磨削烧伤磨削烧伤工件速度工件速度vw磨削烧伤磨削烧伤采用内冷却法 磨削烧伤采用开槽砂轮（采用开槽砂轮（）间断磨削间断磨削 受热受热磨削烧伤磨削烧伤46图图3-24 开槽砂轮开槽砂轮 a） 槽均匀分布槽均匀分布 b）槽不均匀分布）槽不均匀分布47 表面层残余应力表面层残余应力 定义：定义： 机械加工中工件表面层组织发生变化时，机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层的残余应力。的弹性力。这种应力即为表面层

27、的残余应力。p残余应力产生的原因残余应力产生的原因 冷态塑性变形冷态塑性变形 机械加工时，工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑变，机械加工时，工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑变，基体仍处于弹性变形状态。基体仍处于弹性变形状态。切削后，表层产生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力。热态塑性变形热态塑性变形机械加工时，切削或磨削热使工件表面局部温升过高，引起高温机械加工时，切削或磨削热使工件表面局部温升过高，引起高温塑性变形。塑性变形。表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力；金相组织变化金相组织变化切削时产生的高温会引起表面的相变。切削时产生的高温会引起表面的相变。比容大的组织比容小的

28、组织体积收缩，产生拉应力，反之，产生压应力。48 实际机械加工后的表面层残余应力及其分布，是上述实际机械加工后的表面层残余应力及其分布，是上述三方面因素综合作用的结果，在一定条件下，其中某一三方面因素综合作用的结果，在一定条件下，其中某一或二种因素可能起主导作用。或二种因素可能起主导作用。切削时切削热不多（切削时切削热不多（一般切削加工一般切削加工）时则以冷态塑性变形为）时则以冷态塑性变形为主，主，表面层常产生残余压缩应力。表面层常产生残余压缩应力。若切削热多则以热态塑性变若切削热多则以热态塑性变形为主，形为主，表面层常产生残余拉伸应力。表面层常产生残余拉伸应力。 磨削时表面层残余应力岁磨削条

29、件不同而不同：磨削时表面层残余应力岁磨削条件不同而不同：轻磨削条件产生浅而小的残余压应力轻磨削条件产生浅而小的残余压应力，因为此时没有金相组，因为此时没有金相组织变化，温度影响也很小，主要是织变化，温度影响也很小，主要是塑性变形的影响塑性变形的影响在起作用。在起作用。中等磨削条件产生浅而大的拉应力。中等磨削条件产生浅而大的拉应力。淬火钢重磨削条件则产生深而大的拉应力淬火钢重磨削条件则产生深而大的拉应力（最外表面可能出（最外表面可能出现小而浅的压应力），这里显然是由于现小而浅的压应力），这里显然是由于热态塑性变形和金相组热态塑性变形和金相组织变化的影响织变化的影响在起主导作用的缘故。在起主导作用

30、的缘故。49f 对残余应力的影响工件：45，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液 残余应力(Gpa)0.2000.2001 00200300400距离表面深度(m) f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/rvc 对残余应力的影响0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件：45切削条件：ap=0.3mm, f=0.05mm/r, 不加切削液050100150200距离表面深度(m)残余应力(Gpa)-0.2000.20vc =213m/minvc =86m/minvc =7.7m/min影响残余应力的工艺因素影响残余应力的工艺因素u切削加工切

31、削加工 5051 52q磨削过程中残余应力的影响磨削过程中残余应力的影响时表面层的残余应力时表面层的残余应力总的来说，磨削加工中热态塑性变形和金相组织变总的来说，磨削加工中热态塑性变形和金相组织变化的影响较大，故大多数磨削零件的化的影响较大，故大多数磨削零件的表面层往往有残表面层往往有残余拉应力。余拉应力。当残余拉应力超过材料的强度极限时，零件表面就当残余拉应力超过材料的强度极限时，零件表面就会出现会出现裂纹，裂纹，即即磨削裂纹磨削裂纹。p磨削裂纹磨削裂纹磨削裂纹一般很浅（磨削裂纹一般很浅（0.25.050mm），大多数垂直），大多数垂直于磨削方向或成网状（磨螺纹时有时也有平行于磨削于磨削方向

32、或成网状（磨螺纹时有时也有平行于磨削方向的裂纹），方向的裂纹），裂纹总是拉应力引起的，且常与烧伤裂纹总是拉应力引起的，且常与烧伤同时出现。同时出现。有的磨削裂纹也可能不在工件的外表面，而是有的磨削裂纹也可能不在工件的外表面，而是在表在表面层下面层下成为肉眼难以发现的缺陷。成为肉眼难以发现的缺陷。53图图8.12 8.12 磨削裂纹磨削裂纹54 55磨削硬质合金时，由于其脆性大，抗拉强度低以及导热性磨削硬质合金时，由于其脆性大，抗拉强度低以及导热性差，所以特别容易产生磨削裂纹。差，所以特别容易产生磨削裂纹。磨削含碳量高的淬火钢时，由于其晶界脆弱，也容易产生磨削含碳量高的淬火钢时，由于其晶界脆弱，

33、也容易产生磨削裂纹。磨削裂纹。工件在淬火后如果存在残余应力，则即使在正常的磨削条工件在淬火后如果存在残余应力，则即使在正常的磨削条件下也可能出现裂纹。件下也可能出现裂纹。工件淬火后在磨削前进行工件淬火后在磨削前进行去除应力去除应力的工序能收到很好的效果。的工序能收到很好的效果。渗碳、渗氮时如果工艺不当，就会在表面层晶界面上渗碳、渗氮时如果工艺不当，就会在表面层晶界面上析出析出脆脆性的性的碳化物、氮化物碳化物、氮化物，当磨削时在，当磨削时在热应力作用热应力作用下，就容易沿着下，就容易沿着这些组织发生这些组织发生脆性破坏脆性破坏，而出现，而出现网状裂纹网状裂纹。p冷却方法冷却方法选择适宜的磨削液和

34、有效的冷却方法。选择适宜的磨削液和有效的冷却方法。采用高压大流量冷却采用高压大流量冷却内冷却内冷却加装空气挡板，减轻旋转的加装空气挡板，减轻旋转的砂轮表面的高压附着气流的作砂轮表面的高压附着气流的作用，以使冷却液能顺利地喷注用，以使冷却液能顺利地喷注到磨削区。到磨削区。57 表面残余应力将直接影响零件的使用性能，一般工件表面残表面残余应力将直接影响零件的使用性能，一般工件表面残余应力的数值和性质主要取决于工件最终加工工序的加工方法。余应力的数值和性质主要取决于工件最终加工工序的加工方法。零件的具体工作条件零件的具体工作条件58是一种用压缩空气或离心力将大量直径细小（0.24mm）的丸粒（钢丸、

35、玻璃丸）以3050m/s的速度向零件表面喷射的方法。 珠丸挤压引起残余应力 压缩拉伸塑性变形区域使用寿命可提高数倍至数十倍。如齿轮可提高倍，螺旋弹簧可提高倍以上。硬化深度可达.mm,表面粗糙度可自.降到.。59使表层材料产生塑性流动，形成新的光洁表面。滚压加工原理图表面粗糙度可自.降至.，表面硬化深度达.mm，6061v 振动会在工件加工表面出现振纹，降低了工件的加工精度和振动会在工件加工表面出现振纹，降低了工件的加工精度和表面质量，低频振动时会产生波度；表面质量，低频振动时会产生波度；v 振动会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨损；振动会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨损； v

36、 振动使机床夹具连接部分松动，影响运动副的工作性能，并振动使机床夹具连接部分松动，影响运动副的工作性能，并导致机床丧失精度；导致机床丧失精度；v 产生噪声污染，危害操作者健康产生噪声污染，危害操作者健康v 影响生产效率影响生产效率 自由振动强迫振动自激振动62v 工艺系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。v 由于系统中存在阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。63v 由稳定的外界周期性的干扰力（激振力）作用引起；v除了力之外,凡是随时间变化的位移、速度和加速度，也可以激起系统的振动。v强迫振动振源：机外机内。其他机床、锻锤、火车、卡车等旋转零件

37、的质量偏心旋转零件的质量偏心齿轮啮合时的冲击、皮带齿轮啮合时的冲击、皮带 轮圆度误差及皮带厚度不均引起的张力变化，滚动轴承的套圈和滚轮圆度误差及皮带厚度不均引起的张力变化，滚动轴承的套圈和滚 子尺寸及形状误差子尺寸及形状误差往复部件的冲击；液压传动系统的压力往复部件的冲击；液压传动系统的压力 脉动；断续切削时的冲击振动脉动；断续切削时的冲击振动）64 频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数 幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振 相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关6

38、5 图1 内圆磨削振动系统 a) 模型示意图 b）动力学模型 c）受力图)sin(tAxp强迫振动的运动方程强迫振动的运动方程66电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)自激振动闭环系统机床振动系统（弹性环节）调节系统（切削过程）u 切削过程本身能引起某种切削过程本身能引起某种交变切削力交变切削力，而振动系统能通过这种力，而振动系统能通过这种力的变化，从不具备交变特性的能源中周期性的获得补充能量，从而维的变化，从不具备交变特性的能源中周期性的获得补充能量，从而维持住这个振动。当运动一停止，则这种外力的周期性变化和能量的补持住这个振动。当运动一停止，则这种外力的周期性变化和能量的补充过程

39、也都立即停止。工艺系统中维持自激振动的能量来自机床电动充过程也都立即停止。工艺系统中维持自激振动的能量来自机床电动机，电动机除了供给切除切屑的能量外，还通过切削过程把能量输给机，电动机除了供给切除切屑的能量外，还通过切削过程把能量输给振动系统，使工艺系统产生振动运动。振动系统，使工艺系统产生振动运动。67自激振动系统能量关系A B C能量EQEE0振幅 机械加工中的自激振动是在没有周期性外力(相对于切削过程而言)干扰下所产生的振动运动，这一点与强迫振动有原则区别。 自激振动的频率接近于系统的某一固有频率，或者说，颤振频率取决于振动系统的固有特性。这一点与强迫振动根本不同，强迫振动的频率取决于外

40、界干扰力的频率。 自激振动是一种不衰减的振动。振动过程本身能引起某种不衰减的周期性变化，而振动系统能通过这种力的变化，从不具备交变特性的能源中周期性的获得补充能量，从而维持住这个振动。 自激振动由振动系统本身参数决定，自激振动由振动系统本身参数决定，与强迫振动显著不同。与强迫振动显著不同。自由振动受阻尼自由振动受阻尼作用将迅速衰减，而自激振动不会因阻作用将迅速衰减，而自激振动不会因阻尼存在而衰减。尼存在而衰减。68 如图3-33a所示为单自由度机械加工振动模型。设工件系统为绝对刚体，振动系统与刀架相连，且只在y方向作单自由度振动。 在背向力Fp作用下，刀具作切入、切出运动（振动）。刀架振动系统

41、同时还有F弹作用在它上面。y越大，F弹也越大，当Fp=F弹时，刀架的振动停止。 对上述振动系统而言，背向力Fp是外力，Fp对振动系统作功如图3-33b所示。 刀具切入，其运动方向与背向力方向相反，作负功；即振动系统要消耗能量W振入； 刀具切出，其运动方向与背向力方向相同，作正功；即振动系统要吸收能量W振出；l 产生自激振动的条件产生自激振动的条件69图图3-33 单自由度机械加工振动模型单自由度机械加工振动模型 a） 振动模型振动模型 b） 力与位移的关系图力与位移的关系图70 当当W振出振出W振入振入时，刀架振动系统将有持续的时，刀架振动系统将有持续的自激振动产生。自激振动产生。71p三种情

42、况：三种情况： W振出振出=W振入振入+ W摩阻（振入）摩阻（振入）时，系统有时，系统有稳幅稳幅的自激振动；的自激振动； W振出振出W振入振入+ W摩阻（振入）摩阻（振入）时，系统为时，系统为振幅递增振幅递增的自激的自激 振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动；振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动； W振出振出 W振入振入+ W摩阻（振入）摩阻（振入）时，系统为时，系统为振幅递减振幅递减的自激的自激 振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动；振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动；故振动系统产生自激振动的基本条件是：故振动系统产生自激振动的基本条件是：W振出振出W振入振入或或 FP振出振出FP

43、振入振入72再生原理 如图所示，车刀只做横向进给。 在稳定的切削过程中，刀架系统因材料的硬点，加工余量不均匀，或其它原因的冲击等，受到偶然的扰动。刀架系统因此产生了一次自由振动，并在被加工表面留下相应的振纹。 当工件转过一转后，刀具要在留有振纹的表面上切削，因切削厚度发生了变化，所以引起了切削力周期性的变化。产生动态切削力。 将这种由于切削厚度的变化而引起的自激振动，称为将这种由于切削厚度的变化而引起的自激振动，称为 “再生颤再生颤振振”。图图 自由正交切削自由正交切削时再生颤振的产生时再生颤振的产生73再生自激振动原理图f切入 切出y0ya）b）y0y切入 切出fc）fy0y切入 切出d）切

44、入 切出fy0ya）b）c）系统无能量获得；）系统无能量获得；d）此时切出比切入半周期中的）此时切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出时切削力所作正功（获得能量）大于切入时所平均切削厚度大，切出时切削力所作正功（获得能量）大于切入时所作负功，作负功，系统有能量获得系统有能量获得，产生自激振动。，产生自激振动。 图中图中绿线绿线表示前一转切表示前一转切削的工件表面振纹，削的工件表面振纹，红线红线表示后一转切削的表面。表示后一转切削的表面。 a）前后两转的振纹没有相前后两转的振纹没有相位差（位差（=0）图图a b）前后两转的振纹相位差为）前后两转的振纹相位差为=图图b c）后一转的振纹相位超前）

45、后一转的振纹相位超前图图c d）后一转的振纹相位滞后）后一转的振纹相位滞后图图du 结论：在再生颤振中，只有当结论：在再生颤振中，只有当后一转的振纹的相位滞后于前一转后一转的振纹的相位滞后于前一转振纹时振纹时才有可能产生再生颤振。才有可能产生再生颤振。74apfaB振动方向XDfbbda）切削b）磨削rr，dabBfbB（切削）（磨削）重重 迭迭 系系 数数 前一次前一次走刀走刀工件表面形成的波纹面宽度在相继的后一次工件表面形成的波纹面宽度在相继的后一次走走刀刀的有效宽度中所占的比例，用的有效宽度中所占的比例，用表示。表示。p重迭系数对再生颤振的影响重迭系数对再生颤振的影响 在纵向切削在纵向切

46、削或磨削或磨削工件表面时，工件表面时，后一次走刀后一次走刀(进给进给)和前一次走和前一次走刀（进给）总会有部分重叠，刀（进给）总会有部分重叠，有有重迭切削重迭切削，则可能发生再生颤振。，则可能发生再生颤振。75 一般一般 01， 轴向切削时，轴向切削时，01 径向切入（径向切入（前后两次走刀完全重叠时），前后两次走刀完全重叠时）， =1（如切槽、钻、端铣等）（如切槽、钻、端铣等） 车方牙螺纹，车方牙螺纹，=0，无重迭切削，不可能，无重迭切削，不可能 发生再生颤振。发生再生颤振。u在金属切削过程中，除极少数情况外，刀具总是部在金属切削过程中，除极少数情况外，刀具总是部分地或完全地在带有波纹的表面

47、上进行切削的。分地或完全地在带有波纹的表面上进行切削的。式中 bd 等效切削宽度，即本次切削实际切到上次切削残留振纹 在垂直于振动方向投影宽度； b 本次切削在垂直于振动方向上的切削宽度； B , fa 砂轮宽度与轴向进给量。 762振型耦合原理 振动系统实际上都是振动系统实际上都是多自由度多自由度的，的，如图是一个二自由度振动系统示意图如图是一个二自由度振动系统示意图。不考虑再生效应，当刀架系统产生。不考虑再生效应，当刀架系统产生了角频率为了角频率为的振动，则刀架将在的振动，则刀架将在x1和和x2两个方向上同时振动，刀具振动两个方向上同时振动，刀具振动的 轨 迹 一 般 为 椭 圆 形 的

48、封 闭 曲 线的 轨 迹 一 般 为 椭 圆 形 的 封 闭 曲 线ACBDA 。 k1k2，x1超前x2 ， , 轨迹ADBCA为一椭圆，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的大,W0，有能量获得，振动能够维持 ，产生耦合型颤振耦合型颤振。 k1=k2，x1与x2无相位差, 轨迹为直线，无能量输入zy077负摩擦原理切削塑性材料时，切削塑性材料时，在此区域，极易引在此区域，极易引起自激振动。起自激振动。Fp /N主要主要取决于切屑与刀具相对取决于切屑与刀具相对运动所产生的摩擦力运动所产生的摩擦力。78切削力滞后原理vFpkc振出振入xFp79q振动诊断的目的明确振动类型，以便采取针对性的解决措施。q振动诊断内容强迫振动和颤振的部分； 若有属于自激振动的频率成分，则需进一步判定其属于哪一种颤振类型；自激振动类型诊断的关键在于确定诊断参数；所确定的诊断参数必须充分并只是反映该类振动最本质、最核心的参数。80强迫振动诊断依据强迫振动频率与干扰力频率相同（或为其整倍数）强迫振动诊断步骤81诊断参数前后两次切削振纹的相位差相位差测量与计算JJnfJz60 为控制 测量误差诊断要领82诊断参数z 向振动相对于 y 向振动的相位差诊断要领相位差测量与计算求取振动信号 z(t) 与 y(t) 的互功率谱密度