机械加工表面质量5

1、第八章 机械加工表面质量保证机器器的使用用性能和和延长使使用寿命命，需提提高机器器零件的的耐磨性性、疲劳劳强度、抗蚀性性、密封封性、接接触刚度度等性能能，主要要取决于于零件的的表面质质量。机机械加工工表面质质量是机机械零件件加工质质量的一一个重要要指标。是以机机械零件件的加工工表面和和表面层层作为分分析和研研究对象象的。旨在研究究零件表表面层在在加工中中的变化化和机理理，掌握握机械加加工中各各种工艺艺因素对对表面质质量的影影响规律律，控制制加工中中的各种种影响因因素，以以满足表表面质量量的要求求。主要讨论论机械加加工表面面质量的的含义、表面质质量对使使用性能能的影响响、表面面质量产产生的机机理

2、等。对生产产现场中中发生的的表面质质量问题题从理论论上作出出解释，提出提提高机械械加工表表面质量量的途径径。本章提要要表面质量量的含义义表面质量量是指机机器零件件加工后后表面层层的状态态。有两两部分：表面层的的几何形形状表面粗糙糙度：是指表面面微观几几何形状状误差，其波高高与波长长的比值值在L1/H140的范围内内。表面波度度：是介于加加工精度度（宏观观几何形形状误差差L3/H31000）和表面粗粗糙度之之间的一一种带有有周期性性的几何何形状误误差，其其波高与与波长的的比值在在40L2/H21000的范围。机械加工工后的表表面质量量图8.1表面几何何形状表面层的的物理机机械性能能表面层冷冷作硬

3、化化（简称称冷硬）：零件在机机械加工工中表面面层金属属产生强强烈的冷冷态塑性性变形后后，引起起的强度度和硬度度都有所所提高的的现象。表面层金金相组织织的变化化：由于切削削热引起起工件表表面温升升过高，表面层层金属发发生金相相组织变变化的现现象。表面层残残余应力力：由于加工工过程中中切削变变形和切切削热的的影响，工件表表面层产产生残余余应力。机械加工工后的表表面质量量表面质量量对零件件使用性性能的影影响对零件耐耐磨性的的影响在摩擦副副的材料料、热处处理情况况和润滑滑条件已已经确定定的情况况下，零件的表表面质量量对耐磨磨性能起起决定性性的作用用。两个表面面粗糙度度值很大大的零件件接触，最初接接触的

4、只只是一些些凸峰顶顶部，实实际接触触面积比比名义接接触面积积小得多多，这样样单位接接触面积积上的压压力就很很大，当当压力超超过材料料的屈服服极限时时，凸峰峰部分产产生塑性性变形；当两个个零件作作相对运运动时，就会产产生剪切切、凸峰峰断裂或或塑性滑滑移，初初期磨损损速度很很快。机械加工工后的表表面质量量图8.2表面粗糙糙度与初初期磨损量关关系曲线存在在最佳点，对应零零件最耐耐磨的粗粗糙度，此时零零件的初初期磨损损量最小小。若载载荷加重重或润滑滑条件恶恶化，磨磨损曲线线将向上上向右移移动，最最佳粗糙糙度值也也随之右右移。在表面粗粗糙度大大于最佳佳值时，减小表表面粗糙糙度值可可减少初初期磨损损量。但

5、当表面面粗糙度度小于最最佳值时时，零件件实际接接触面积积就增大大，接触触面积之之间的润润滑油被被挤出，金属表表面直接接接触，因金属属分子间间的亲和和力而发发生粘结结（称为为冷焊），随着着相对运运动的进进行，粘粘结处在在剪切力力的作用用下发生生撕裂破破坏。有有时还由由于摩擦擦产生的的高温，使摩擦擦面局部部熔化（称为热热焊）等等原因，使接触触表面遭遭到破坏坏，初期期磨损量量反而急急剧增加加。一对摩擦擦副在一一定的工工作条件件下通常常有一最最佳粗糙糙度值，在确定定机器零零件的技技术条件件时应该该根据零零件工作作的情况况及有关关经验，规定合合理的粗粗糙度。机械加工工后的表表面质量量图8.3表示两个个不

6、同零零件的表表面，粗粗糙度值值相同，但轮廓廓形状不不同，其其耐磨性性相差可可达34倍。试验验表明，耐磨性性决定于于轮廓峰峰顶形状状和凹谷谷形状。前者决决定干摩摩擦时的的实际接接触面积积，后者者决定润润滑摩擦擦时的容容油情况况。图8.4为两摩擦擦表面粗粗糙度纹纹路方向向对零件件耐磨性性的影响响。表面粗糙糙度对耐耐磨性能能的影响响，还与与粗糙度的的轮廓形形状及纹纹路方向向有关。机械加工工后的表表面质量量表面层的的冷硬可可显著地地减少零零件的磨磨损。原因：冷硬提高高了表面面接触点点处的屈屈服强度度，减少少了进一一步塑性性变形的的可能性性，并减减少了摩摩擦表面面金属的的冷焊现现象。但如果表表面硬化化过

7、度，零件心心部和表表面层硬硬度差过过大，会会发生表表面层剥剥落现象象，使磨磨损加剧剧。表面层产产生金相相组织变变化时，由于改改变了基基体材料料原来的的硬度，因而也也直接影影响其耐耐磨性。机械加工工后的表表面质量量对零件疲疲劳强度度的影响响在周期性性的交变变载荷作作用下，零件表表面微观观不平与与表面的的缺陷一一样都会会产生应力集中中现象，而而且表面面粗糙度度值越大大，即凹凹陷越深深和越尖尖，应力力集中越越严重，越容易易形成和和扩展疲疲劳裂纹纹而造成成零件的的疲劳损损坏。钢件对应应力集中中敏感，钢材的的强度越越高，表表面粗糙糙度对疲疲劳强度度的影响响越大。含有石石墨的铸铸铁件相相当于存存在许多多微

8、观裂裂纹，与与有色金金属件一一样对应应力集中中不敏感感，表面面粗糙度度对疲劳劳强度的的影响就就不明显显。加工纹路路方向对疲劳强强度的影影响更大大，如果果刀痕与与受力方方向垂直直，则疲疲劳强度度将显著著降低。机械加工工后的表表面质量量对零件疲疲劳强度度的影响响零件表面面的冷硬硬层能够够阻碍裂裂纹的扩扩大和新新裂纹的的出现，因为由由摩擦学学可知疲疲劳源的的位置在在冷硬层层的中部部，因此此冷硬可可以提高高零件的的疲劳强强度。但但冷硬层层过深或或过硬则则容易产产生裂纹纹，反而而会降低低疲劳强强度。所所以冷硬硬要适当当。表面层的的内应力力对疲劳劳强度的的影响很很大。表面层残残余的压压应力能能够部分分地抵

9、消消工作载载荷施加加的拉压压力，延延缓疲劳劳裂纹扩扩展。而而残余拉拉应力容容易使已已加工表表面产生生裂纹而而降低疲疲劳强度度。带有有不同残残余应力力表面层层的零件件，其疲疲劳寿命命可相差差数倍至至数十倍倍。机械加工工后的表表面质量量对零件抗抗腐蚀性性能的影影响零件表面面粗糙度度值越大大，潮湿湿空气和和腐蚀介介质越容容易堆积积在零件件表面凹凹处而发发生化学腐蚀蚀，或在凸凸峰间产产生电化化学作用用而引起起电化学腐腐蚀，故抗腐腐蚀性能能越差。表面冷硬硬和金相相组织变变化都会会产生内内应力。零件在在应力状状态下工工作时，会产生生应力腐蚀蚀（材料在拉拉应力集集中和特特定的腐腐蚀环境境共同作作用下发发生腐

10、蚀蚀裂纹扩扩展的现现象），若有裂裂纹，则则更增加加了应力力腐蚀的的敏感性性。因此此表面内内应力会会降低零零件的抗抗腐蚀性性能。机械加工工后的表表面质量量对零件的的其它影影响表面质量量对零件件的配合质量量、密封封性能及及摩擦系系数都有很大大的影响响。表面面粗糙度度值越大大，初期期磨损量量越大，对动配配合来说说，使用用不久就就会使配配合性质质发生变变化；对对静配合合来说，压装时时会减少少过盈量量，降低低配合强强度。零件表面面层状态态对其使使用性能能有如此此大的影影响是因因为：承承受载荷荷应力最最大的表表面层是是金属的的边界，机械加加工后破破坏了晶晶粒的完完整性，从而降降低了表表面的某某些机械械性能

11、。表面层层有裂纹纹、加工工痕迹等等各种缺缺陷，在在动载荷荷的作用用下，可可能引起起应力集集中而导导致破坏坏。零件件表面经经过加工工后，表表面层的的物理、机械、冶金和和化学性性能都变变得和基基体材料料不同了了。机械加工工后的表表面质量量切削加工工后的表表面粗糙糙度切削加工工时表面面粗糙度度的形成成，大致致可归纳纳为三方方面的原原因：几何因素素物理因素素工艺系统统的振动动机械加工工后的表表面粗糙糙度几何因素素由刀具相相对于工工件作进进给运动动时在加加工表面面上遗留留下来的的切削层层残留面面积（图8.5）。理论论上的最最大粗糙糙度Rmax可由刀具具形状、进给量量f，按几何关关系求得得。当不不考虑刀刀

12、尖圆弧弧半径时时：当背吃刀刀量和进进给量很很小时，粗糙度度主要由由刀尖圆圆弧构成成：机械加工工后的表表面粗糙糙度图8.5切削层残残留面积积机械加工工后的表表面粗糙糙度物理因素素由图知，实际粗粗糙度与与理论粗粗糙度差差别较大大。主要是与与被加工工材料的的性能及及切削机机理有关关的物理理因素的的影响。切削过过程中刀刀具的刃刃口圆角角及后刀刀面对工工件挤压压与摩擦擦而产生生塑性变变形。韧韧性越好好的材料料塑性变变形越大大，且容容易出现现积屑瘤瘤与鳞刺刺，使粗粗糙度严严重恶化化。还有切削削用量、冷却润润滑液和和刀具材材料等因因素影响响。图8.6塑性材料料加工后后表面的的实际轮轮廓和理理论轮廓廓机械加工

13、工后的表表面粗糙糙度磨削加工工后的表表面粗糙糙度影响因素素可归纳纳为三方方面：与磨削过过程和砂砂轮结构构有关的的几何因因素与磨削过过程和被被加工材材料塑性性变形有有关的物物理因素素工艺系统统的振动动因素机械加工工后的表表面粗糙糙度磨削加工工后的表表面粗糙糙度从几何因因素看，砂轮上上磨粒的的微刃形形状和分分布对于于磨削后后的表面面粗糙度度是有影影响的。磨削表表面是由由砂轮上上大量的的磨粒刻刻划出无无数极细细的构槽槽形成的的，每单单位面积积上刻痕痕越多，即通过过每单位位面积的的磨粒数数越多，以及刻刻痕的等等高性能能好，粗粗糙度也也就越低低。从物理因因素看，大多数数磨粒只只有滑擦擦、耕犁犁作用。在滑

14、擦擦作用下下，被加加工表面面只有弹弹性变形形，不产产生切屑屑；在耕耕犁作用用下，磨磨粒在工工件表面面上刻划划出一条条沟痕，工件材材料被挤挤向两边边产生隆隆起，此此时产生生塑性变变形但仍仍不产生生切屑。磨削量量是经过过很多后后继磨粒粒的多次次挤压因因疲劳而而断裂、脱落，所以加加工表面面的塑性性变形很很大，表表面粗糙糙度值越越大。机械加工工后的表表面粗糙糙度磨削加工工后的表表面粗糙糙度为了降低低表面粗粗糙度值值，应考考虑以下下主要影影响因素素：砂轮的粒粒度砂轮的粒粒度愈细细，则砂砂轮单位位面积上上的磨粒粒数愈多多，在工工件上的的刻痕也也愈密而而细，所所以粗糙糙度值愈愈低。砂轮的修修整砂轮的修修整质

15、量量越高，砂轮工工作表面面上的等等高微刃刃（图8.7）就越多，因而磨磨出的工工件表面面粗糙度度值也就就愈低。图8.7磨粒上的的微刃机械加工工后的表表面粗糙糙度磨削加工工后的表表面粗糙糙度砂轮速度度提高砂轮轮速度可可以增加加单位时时间内工工件单位位面积上上的刻痕痕数，同同时塑性性变形造造成的隆隆起量随随着砂轮轮速度的的增大而而下降，原因是是高速下下塑性变变形的传传播速度度小于磨磨削速度度，材料料来不及及变形，因而粗粗糙度可可以显著著降低。工件速度度工件速度度越大，单个磨磨粒的磨磨削厚度度就越大大，单位位时间内内磨削工工件表面面的磨粒粒数减少少，表面面粗糙度度值增大大。机械加工工后的表表面粗糙糙度

16、磨削加工工后的表表面粗糙糙度径向进给给量增大磨削削径向进进给量将将增加塑塑性变形形的程度度从而增增大粗糙糙度。通通常在磨磨削过程程开始时时采用较较大的径径向进给给量，以以提高生生产率，而在最最后采用用小径向向进给量量或无径径向进给给量磨削削，以降降低粗糙糙度值。轴向进给给量磨削时采采用较小小的轴向向进给量量，则磨磨削后表表面粗糙糙度较低低。机械加工工后的表表面粗糙糙度磨削加工工后的表表面粗糙糙度另外，引引起磨削削表面粗粗糙度增增大的主主要原因因还往往往是工艺系统统的振动动所致。增加工艺艺系统刚刚度和阻阻尼，做做好砂轮轮的动平平衡以及及合理地地修整砂砂轮可显著降降低粗糙糙度。机械加工工后的表表面

17、粗糙糙度机械加工工后表面面层的冷冷作硬化化切削或磨磨削加工工时，表表面层金金属由于于塑性变变形使晶晶体间产产生剪切切滑移，晶格发发生拉长长、扭曲曲和破碎碎而得到到强化。冷作硬化化的特点点：变形抵抗抗力提高高（屈服服点提高高），塑塑性降低低（相对对延伸率率降低）。冷硬的指指标:通常用冷冷硬层的的深度h、表面层的的显微硬硬度H以及硬化化程度N来表示（图8.8），其中中N=H/H0，H0为原来的的显微硬硬度。冷作硬化化产生的的原因机械加工工后的表表面层物物理机械械性能图8.8切削加工工后表面面层的冷冷硬机械加工工后的表表面层物物理机械械性能表面层冷冷作硬化化的程度度决定于于产生塑塑性变形形的力、变形

18、速速度及变变形时的的温度。力越大，塑性变变形越大大，则硬硬化程度度越大；速度越大大，塑性性变形越越不充分分，则硬硬化程度度越小；变形时的的温度不不仅影响响塑性变变形程度度，还会会影响变变形后金金相组织织的恢复复程度。冷作硬化化产生的的原因机械加工工后的表表面层物物理机械械性能切削加工工时表面面层的硬硬化可能能有两种种情况：完全强化化此时出现现晶格歪歪扭以及及纤维结结构和变变形层物物理机械械性质的的改变；不完全强强化若温度超超过（0.250.30）T熔（熔化绝绝对温度度），则则除了强强化现象象外，同同时还有有回复现现象，此此时歪扭扭的晶格格局部得得到恢复复，减低低了冷硬硬作用；如果温温度超过过0

19、.30T熔就会发发生金属属再结晶晶，此时时由于强强化而改改变了的的表面层层物理机机械性能能几乎可可以完全全恢复。冷作硬化化产生的的原因机械加工工后的表表面层物物理机械械性能机械加工工时表面面层的冷冷作硬化化就是强化作用用和回复复作用的的综合结结果。切削温度度越高、高温持持续时间间越长、强化程程度越大大，则回回复作用用也就越越强。因此对高高温下工工作的零零件，能能保证疲疲劳强度度的最佳佳表面层层是没有有冷硬层层或者只只有极小小（1020m）冷作硬化化的表面面层。冷作硬化化产生的的原因机械加工工后的表表面层物物理机械械性能刀具刀具的切切削刃口口圆角和和后刀面面的磨损损量对于于冷硬层层有很大大的影响

20、响，此两两值增大大时，冷冷硬层深深度和硬硬度也随随之增大大。前角角减少时时，冷硬硬也增大大。被加工材材料被加工材材料硬度度愈低、塑性愈愈大，切切削后的的冷硬现现象愈严严重。影响冷作作硬化的的主要因因素机械加工工后的表表面层物物理机械械性能切削用量量切削速度度增大时时，刀具具与工件件接触时时间短，塑性变变形程度度减少，同时会会使温度度增高，有助于于冷硬的的回复，所以硬硬化层深深度和硬硬度都有有所减少少。进给量增增大时，切削力力增大，塑性变变形程度度也增大大，因此此硬化现现象增大大。但在在进给量量较小时时，由于于刀具的的刃口圆圆角在加加工表面面单位长长度上的的挤压次次数增多多，因此此硬化倾倾向也会

21、会增大。径向进进给量增增大时，冷硬层层深度也也有所增增大，但但其影响响程度不不显著。影响冷作作硬化的的主要因因素机械加工工后的表表面层物物理机械械性能机械加工工后表面面层金相相组织的的变化磨削加工工时切削削力比其其它加工工方法大大数十倍倍，切削削速度也也非常高高，所以以功率消消耗远远远大于其其它切削削方法。由于砂轮轮导热性性差、切切屑数量量少，磨磨削过程程中能量量转化的的热大部部分都传传给了工工件。磨磨削时，在很短短的时间间内磨削削区温度度可上升升到4001000C，甚至更高高。这样大的的加热速速度，促促使加工工表面局局部形成成瞬时热热聚集现现象，有有很高温温升和很很大的温温度梯度度，出现现金

22、相组组织的变变化，强强度和硬硬度下降降，产生生残余应应力，甚甚至引起起裂纹，这就是是磨削烧伤伤现象。金相组织织变化的的原因机械加工工后的表表面层物物理机械械性能磨削淬火火钢时，由于磨磨削烧伤伤，工件件表面产产生氧化化膜并呈呈现出黄黄、褐、紫、青青、灰等等不同颜颜色，相相当于钢钢的回火火色。不同的烧烧伤色表表示受到到不同温温度的作作用与产产生不同同的烧伤伤深度。有时表表面虽看看不出变变色，但但并不等等于表面面未受热热损伤。例如在磨磨削过程程中由于于采用过过大的磨磨削用量量，造成成了很深深的烧伤伤层，以以后的无无进给磨磨削中磨磨去了表表面的烧烧伤色，而未能能除去烧烧伤层，则留在在工件上上的烧伤伤层

23、就会会成为使使用中的的隐患。金相组织织变化的的原因机械加工工后的表表面层物物理机械械性能磨削淬火火钢时表表面层产产生的烧烧伤有以以下三种种：回火烧伤伤磨削区温温度超过过马氏体体转变温温度而未未超过相相变温度度，则工工件表面面原来的的马氏体体组织将将产生回回火现象象，转化化成硬度度降低的的回火组组织索氏体或或屈氏体体；淬火烧伤伤磨削区温温度超过过相变温温度，马马氏体转转变为奥奥氏体，由于冷冷却液的的急冷作作用，表表层会出出现二次次淬火马马氏体，硬度较较原来的的回火马马氏体高高，而它它的下层层则因为为冷却缓缓慢成为为硬度降降低的回回火组织织。退火烧伤伤不同冷却却液进行行干磨削削时，磨磨削区温温度超

24、过过相变温温度，马马氏体转转变为奥奥氏体，因工件件冷却缓缓慢，则则表层硬硬度急剧剧下降，这时工工件表层层被退火火。金相组织织变化的的原因机械加工工后的表表面层物物理机械械性能影响磨削削加工时时金相组组织变化化的因素素有:工件材料料磨削温度度温度梯度度冷却速度度等。影响磨削削加工时时金相组组织变化化的因素素机械加工工后的表表面层物物理机械械性能工件材料料为低碳钢时不会发发生相变变；高合金钢钢如轴承钢钢、高速速钢、镍镍铬钢等等传热性性特别差差，在冷冷却不充充分时易易出现磨磨削烧伤伤。未淬火钢钢为扩散度度低的珠珠光体，磨削时时间短时时不会发发生金相相组织的的变化；淬火钢极易相变变。影响磨削削加工时时

25、金相组组织变化化的因素素机械加工工后的表表面层物物理机械械性能图8.9磨削高碳碳淬火钢钢时表面面的硬度度分布机械加工工后的表表面层物物理机械械性能当磨削深深度小于于10m时，由于于温度的的影响使使表面层层的回火火马氏体体产生弱弱化，并并与塑性性变形产产生的冷冷作硬化化现象综综合而产产生了比比基体硬硬度低的的部分，而表面面的里层层由于磨磨削加工工中的冷冷作硬化化起了主主导作用用而又产产生了比比基体硬硬度高的的部分。当磨削深深度为2030m时，冷作作硬化的的影响减减少，磨磨削温度度起了主主导作用用。由于于磨削区区温度高于马氏氏体转变变温度，低于相相变温度度而使表表面层马马氏体回回火产生生回火烧烧伤

26、。当磨削深深度增大大至50m时，磨削削区最高高温度超过了相变临界界温度，急冷时时产生淬淬火烧伤伤，而再再往里层层则硬度度又逐渐渐升高直直至未受受热影响响的基体体组织。影响磨削削加工时时金相组组织变化化的因素素机械加工工后的表表面层物物理机械械性能机械加工工后表面面层的残残余应力力在机械加加工中，工件表表面层金金属相对对基体金金属发生生形状、体积的的变化或或金相组组织变化化时，工工件表面面层中将将残留相相互平衡衡的残余余应力。产生表表面层残残余应力力的原因因：冷态塑性性变形机械加工工时，表表层金属属产生强强烈的塑塑性变形形。沿切切削速度度方向表表面产生生拉伸变变形，晶晶粒被拉拉长，金金属密度度会

27、下降降，即比比容增大大，而里里层材料料则阻碍碍这种变变形，因因而在表表面层产产生残余余压应力力，在里里层则产产生残余余拉应力力。残余应力力产生的的原因机械加工工后的表表面层物物理机械械性能热态塑塑性变形形机械加工工时，切切削或磨磨削热使使工件表表面局部部温升过过高，引引起高温塑性性变形。图8.10为因加工工温度而而引起残残余应力力的示意意图。第1层温度在在塑性温温度以上上，产生生热塑变变形，故故没有应应力；第第2层温度在在塑性温温度与室室温之间间，只产产生弹性性热膨胀胀，膨胀胀受到第第3层的阻碍碍，产生生压应力力；第3层处在室室温的冷冷态层不不产生热热变形，产生拉拉应力。开始冷却却时，当当第1

28、层冷到塑塑性温度度以下，体积收收缩，但但第2层阻碍其其收缩，第1层中产生生拉应力力，第2层中的压压应力增增加。而而由于第第2层的冷却却收缩，第3层中的拉拉应力有有所减小小。最后冷却却时，第第1层继续收收缩，拉拉应力进进一步增增大，而而第2层热膨胀胀全部消消失，完完全由第第1层的收缩缩而形成成一个不不大的压压应力，第3层拉应力力消失，而与第第2层一起受受第1层的影响响，也形形成一个个不大的的压应力力。残余应力力产生的的原因机械加工工后的表表面层物物理机械械性能机械加工工后的表表面层物物理机械械性能金相组织织变化切削时产产生的高高温会引引起表面面的相变变。由于不同同的金相相组织有有不同的的比容，表

29、面层层金相变变化的结结果将造造成体积积的变化化。表面层体体积膨胀胀时，因因为受到到基体的的限制，产生了了压应力力；反之之产生拉拉应力。残余应力力产生的的原因机械加工工后的表表面层物物理机械械性能实际机械械加工后后的表面面层残余余应力及及其分布布，是上上述三方面因因素综合合作用的的结果，在一定定条件下下，其中中某一或或二种因因素可能能起主导导作用。例如：切切削时切切削热不不多则以以冷态塑塑性变形形为主，若切削削热多则则以热态态塑性变变形为主主。磨削削时表面面层残余余应力岁岁磨削条条件不同同而不同同，图8.11所示为三三类磨削削条件下下产生的的表面层层残余应应力。轻轻磨削条条件产生生浅而小小的残余

30、余压应力力，因为为此时没没有金相相组织变变化，温温度影响响也很小小，主要要是塑性性变形的的影响在在起作用用。中等等磨削条条件产生生浅而大大的拉应应力。淬淬火钢重重磨削条条件则产产生深而而大的拉拉应力（最外表表面可能能出现小小而浅的的压应力力），这这里显然然是由于于热态塑塑性变形形和金相相组织变变化的影影响在起起主导作作用的缘缘故。残余应力力产生的的原因机械加工工后的表表面层物物理机械械性能影响残余余应力的的主要工工艺因素素：刀具的前前角切削速度度工件材料料的性质质和冷却却润滑液液。具体的情情况则看看其对切切削时的的塑性变变形、切切削温度度和金相相组织变变化的影影响程度度而定。影响残余余应力的的

31、工艺因因素机械加工工后的表表面层物物理机械械性能总的来说说，磨削削加工中中热态塑塑性变形形和金相相组织变变化的影影响较大大，故大大多数磨磨削零件件的表面面层往往往有残余余拉应力力。当残余拉拉应力超超过材料料的强度度极限时时，零件件表面就就会出现现裂纹。有的磨磨削裂纹纹也可能能不在工工件的外外表面，而是在在表面层层下成为为肉眼难难以发现现的缺陷陷。磨削裂纹纹一般很很浅（0.25.050mm），大多数垂垂直于磨磨削方向向或成网网状（磨磨螺纹时时有时也也有平行行于磨削削方向的的裂纹），如图图8.12所示。裂裂纹总是是拉应力力引起的的，且常常与烧伤伤同时出出现。磨削裂纹纹的产生生机械加工工后的表表面层

32、物物理机械械性能图8.12磨削裂纹纹机械加工工后的表表面层物物理机械械性能磨削裂纹纹的产生生与材料料性质及及热处理理工序有有很大关关系。磨削硬质质合金时时，由于于其脆性性大，抗抗拉强度度低以及及导热性性差，所所以特别别容易产产生磨削削裂纹。磨削含含碳量高高的淬火火钢时，由于其其晶界脆脆弱，也也容易产产生磨削削裂纹。工件在在淬火后后如果存存在残余余应力，则即使使在正常常的磨削削条件下下也可能能出现裂裂纹，故故在磨削削前进行行去除应应力的工工序能收收到很好好的效果果。渗碳碳、渗氮氮时如果果工艺不不当，就就会在表表面层晶晶界面上上析出脆脆性的碳碳化物、氮化物物，当磨磨削时在在热应力力作用下下，就容容

33、易沿着着这些组组织发生生脆性破破坏，而而出现网网状裂纹纹。磨削裂纹纹的产生生机械加工工后的表表面层物物理机械械性能例题8.1在外圆磨磨床上磨磨削一根根淬火钢钢轴，其其强度极极限b=2000MPa，工件表面面温度升升至8000C，因使用冷冷却液而而产生回回火。表表面层金金属由马马氏体转转变为珠珠光体，其密度度从7.75103kg/m3增至7.78103kg/m3。问工件表表面层将将产生多多大的残残余应力力？是压压应力还还是拉应应力？是是否会产产生磨削削裂纹？由于表表面层热热作用引引起高温温塑性变变形，冷冷却后表表面层产产生拉应应力。已知：T1=8000C，T0=200C，=1210-6/0C，E

34、=21011N/mm，由式（7.16）得表面面层的热热伸长量量：所以线膨膨胀系数数残1由于表表层金相相组织的的变化引引起的应应力：表表面层回回火，表表层组织织由马氏氏体转变变为珠光光体，其其密度增增加，由由马增大到珠，比容积积由V减小到V-V，因此表面面层产生生的收缩缩受到基基体组织织的阻碍碍，就产产生了残残余拉应应力。已知：马=7.75103kg/m3，珠=7.78103kg/m3，由容积与与密度的的关系得得：V-V/V=马/珠即：1-V/V=马/珠=7.75/7.78=1-0.03/7.78得体膨胀胀系数：V/V=0.03/7.78由于体膨膨胀系数数是线膨膨胀系数数的三倍倍,故残2综合上面

35、面两个情情况,工件表面面总的残残余拉应应力为：残=残1+残2=1872+257=2129Mpa因为残余余拉应力力残=2129Mpa工件强度度极限b=2000MPa，所以加工工中产生生磨削裂裂纹，裂裂纹方向向与磨削削方向垂垂直。8.4.1减小残余余拉应力力、防止止磨削烧烧伤和磨磨削裂纹纹的工艺艺途径8.4控控制加加工表面面质量的的工艺途途径对零件使使用性能能危害甚甚大的残残余拉应应力、磨磨削烧伤伤和磨削削裂纹均均起因于于磨削热热，所以以如何降降低磨削削热并减减少其影影响是生生产上的的一项重重要问题题。解决决的原则则：一是是减少磨磨削热的的发生，二是加加速磨削削热的传传出。8.4.1.1选择合理理

36、的磨削削参数8.4控控制加加工表面面质量的的工艺途途径为了直接接减少磨磨削热的的发生，降低磨磨削区的的温度，应合理理选择磨磨削参数数：减少少砂轮速速度和背背吃刀量量；适当当提高进进给量和和工件速速度。但但这会使使粗糙度度值增大大而造成成矛盾。生产中中比较可可行的办办法是通通过试验验来确定定磨削参参数：先先按初步步选定的的磨削参参数试磨磨，检查查工件表表面热损损伤情况况，根据据此调整整磨削参参数直至至最后确确定下来来。另一一种方法法是在磨磨削过程程中连续续测量磨磨削区温温度，然然后控制制磨削参参数。国国外研究究通过计计算机进进行过程程控制磨磨削和自自适应磨磨削等方方法来减减少磨削削热。8.4.1

37、.2选择有效效的冷却却方法8.4控控制加加工表面面质量的的工艺途途径选择适宜宜的磨削削液和有有效的冷冷却方法法。如采采用高压压达流量量冷却、内冷却却或减轻轻旋转的的砂轮表表面的高高压附着着气流的的作用，加装空空气挡板板，以使使冷却液液能顺利利地喷注注到磨削削区。8.4.2采用冷压压强化工工艺8.4控控制加加工表面面质量的的工艺途途径对于承受受高应力力、交变变载荷的的零件可可以采用用喷丸、液压、挤压、等表面面强化工工艺使表表面层产产生残余余压应力力和冷硬硬层并降降低表面面粗糙度度值，从从而提高高耐疲劳劳强度及及抗应力力腐蚀性性能。但但是采用用强化工工艺时应应很好控控制工艺艺参数，不要造造成过度度

38、硬化，否则会会使表面面完全失失去塑性性性质，甚至引引起显微微裂纹和和材料剥剥落，带带来不良良的后果果。8.4.2.1喷丸8.4控控制加加工表面面质量的的工艺途途径喷丸是一一种用压压缩空气气或离心心力将大大量直径径细小（.mm）的丸粒粒（钢丸丸、玻璃璃丸）以以m/s的速度向向零件表表面喷射射的方法法。可以以用于任任何复杂杂形状的的零件。喷丸的的结果在在表面层层产生很很大的塑塑性变形形，造成成表面的的冷作硬硬化和残残余压应应力。硬硬化深度度可达.mm,表面粗糙糙度可自自.降到.。喷丸丸后零件件的使用用寿命可可提高数数倍至数数十倍。例如，齿轮可可提高倍，螺螺旋弹簧簧可提高高倍倍以上。8.4.2.2滚

39、压8.4控控制加加工表面面质量的的工艺途途径用工具钢钢淬硬自自称的钢钢滚轮或或钢珠在在零件上上进行滚滚压，使使表层材材料产生生塑性流流动，形形成新的的光洁表表面。表表面粗糙糙度可自自.降至.，表面面硬化深深度达.mm硬化程度度。8.4.3采用精密密和光整整加工工工艺8.4控控制加加工表面面质量的的工艺途途径精密和光光整加工工工艺是是指经济济加工精精度在级以上上，表面面粗糙度度小于.，表表面物理理机械性性能也处处于十分分良好状状态的各各种加工工工艺方方法。采采用精密密加工工工艺能全全面地提提高加工工精度和和表面质质量，而而光整加加工工艺艺主要是是为了获获得较高高的表面面质量。8.4.3.1精密加

40、工工工艺8.4控控制加加工表面面质量的的工艺途途径精密加工工工艺的的加工精精度主要要由高精精度的机机床保证证。精密密加工的的切削深深度和进进给量一一般极小小，切削削速度则则很高或或极低，加工时时尽可能能进行充充分的冷冷却和润润滑，以以有利于于最大限限度地排排除切削削力，切切削热对对加工质质量的影影响，并并有利于于降低表表面粗糙糙度。精精密加工工切削效效率不高高，故加加工余量量不能太太大，所所以对前前道工序序有较高高的要求求。8.4.3.1精密加工工工艺8.4控控制加加工表面面质量的的工艺途途径精密加工工工艺方方法有高高速精膛膛、高速速精车、宽刃精精刨和细细密磨削削等。下下面介绍绍细密磨磨削。8

41、.4.3.1精密加工工工艺8.4控控制加加工表面面质量的的工艺途途径使工件表表面获得得粗糙度度小于.、圆圆度误差差小于.在、直直线度误误差小于于mm，同轴度度误差小小于的的磨削工工艺，通通常称为为细密磨磨削。一一般以能能获得的的称为精精密磨削削，能获获得的称称为超精精密磨削削，能获获得的称称为镜面面磨削。细密磨磨削是依依靠砂轮轮工作面面上修整整出大量量等高微微刃进行行精密加加工的，这些等等高微刃刃能从尚尚具有微微量缺陷陷和尺寸寸、形状状误差的的工件表表面切除除极微薄薄的余量量，故可可获得很很高的加加工精度度。又由由于大量量等高微微刃在加加工表面面留下极极微细的的切削痕痕迹，加加上无火火花磨削削

42、的滑擦擦、挤压压、抛光光作用，所以可可以得到到很低的的表面粗粗糙度。8.4.3.2光整加工工工艺8.4控控制加加工表面面质量的的工艺途途径光整加工工是用粒粒度很细细的磨料料对工件件表面进进行微量量切削和和挤压的的过程.光整加工工是按照照随机创创知成形形原理,加工中磨磨具与工工件的相相对运动动尽可能能复杂,尽可能使使磨料不不走重复复的轨迹迹,让工件加加工表面面各点都都受到具具有很大大随机性性的接触触条件,以突出它它们间的的高点,进行相互互修整,使误差逐逐步均化化而得到到消除,从而获得得极光的的表面和和高于磨磨具原始始精度的的加工精精度.8.4.3.2光整加工工工艺8.4控控制加加工表面面质量的的

43、工艺途途径光整加工工是用粒粒度很细细的磨料料对工件件表面进进行微量量切削和和挤压的的过程.光整加工工是按照照随机创创知成形形原理,加工中磨磨具与工工件的相相对运动动尽可能能复杂,尽可能使使磨料不不走重复复的轨迹迹,让工件加加工表面面各点都都受到具具有很大大随机性性的接触触条件,以突出它它们间的的高点,进行相互互修整,使误差逐逐步均化化而得到到消除,从而获得得极光的的表面和和高于磨磨具原始始精度的的加工精精度.8.4.3.2光整加工工工艺8.4控控制加加工表面面质量的的工艺途途径光整加工工工艺的的共同特特点是没没有与磨磨削深度度相对应应的磨削削用量参参数,一般只规规定加工工时的很很低的单单位切削

44、削压力,因此加工工过程中中的切削削力和切切削热都都很小,从而能获获得很低低的表面面粗糙度度.表面层不不会产生生热损伤伤,并具有残残余压应应力.所使用的的工具都都是浮动动连接.由加工面面自身导导向,而相对于于工件的的定位基基准没有有确定的的位置,所使用的的机床也也不需要要具有非非常精确确的成形形运动.这些加工工方法的的主要作作用是降降低表面面粗糙度度,一般不能能纠正形形状和位位置误差差,加工精度度主要由由前面工工序保证证.对上道工工序的表表面粗糙糙度要求求高,一般要求求达到,表面不得得有较深深得加工工痕迹.加工余量量都很小小，一般般不超过过mm，以免使使加工时时间过长长，产生生切削热热，降低低生

45、产效效率，甚甚至破坏坏上一道道工序已已达到得得精度8.4.3.2光整加工工工艺8.4控控制加加工表面面质量的的工艺途途径珩磨珩珩磨是利利用珩磨磨头上得得细粒砂砂条对孔孔进行加加工得方方法，在在大批生生产中应应用很普普遍其其工作原原理如图图所示，珩珩磨头上上装有条条砂石，砂条由由张开机机构作用用沿径向向张开在在孔壁上上产生一一定得压压力对工工件进行行微量切切削挤压和擦擦光.珩磨时,珩磨头作作旋转运运动和往往复运动动,由于珩磨磨头的转转速与每每分钟往往复次数数不通约约,故被加工工表面上上呈现交交叉而互互不重复复的网状状痕迹,造成了储储存润滑滑油的良良好条件件.8.4.3.2光整加工工工艺8.4控控

46、制加加工表面面质量的的工艺途途径珩磨压力力低,切深小,故珩磨功功率小,工件表面面层的变变形小,切削能力力弱.而切削轨轨迹不重重复,切削过程程平稳,且使用大大量的切切削液冲冲走脱落落的砂粒粒并对工工件表面面进行充充分冷却却，使珩珩磨的表表面质量量很高，表面粗粗糙度达达珩磨磨还能对对前工序序遗留下下来的几几何形状状误差进进行一定定程度的的修正，因为表表面的突突出部分分总是先先与砂条条接触而而被磨去去，直至至砂条与与工件表表面完全全接触为了补补偿机床床珩磨磨头夹夹具间的的同轴度度误差，珩磨头头与机床床主轴之之间的连连接是浮浮动的，因此珩珩磨加工工不能修修正孔间间的相对对误差8.4.3.2光整加工工工

47、艺8.4控控制加加工表面面质量的的工艺途途径（2）超精加工工超精精加工是是用细粒粒度的砂砂条以一一定的压压力压在在作低速速旋转运运动的工工件表面面上，并并在轴向向作往复复运动，工件或或砂条还还作轴向向进给运运动以进进行微量量切削（图5）的加工工方法，超精加加工后的的表面粗粗超度低低（.00120.08），留有有网状的的痕迹,造成了良良好的储储油条件件，故表表面耐磨磨性好超精加加工常用用于加工工内外圆圆柱圆圆锥面和和滚动轴轴承套圈圈的沟道道8.4.3.2光整加工工工艺8.4控控制加加工表面面质量的的工艺途途径2超精加工工一般可可划分为为四个加加工阶段段：强烈切削削阶段：加工初初期砂条条主要起起切

48、削作作用，砂砂条同同比较粗粗糙的工工件表面面接触，实际的的接触面面积小，单位面面积压力力较大，工件与与砂条之之间不能能形成完完整的润润滑油膜膜，且砂砂条作往往复振动动，切削削力方向向经常变变化，磨磨粒破碎碎的机会会多，自自砺性好好，故切切削作用用强烈正常切削削阶段：工件表表面逐渐渐被磨平平后，接接触面积积逐步增增大，单单位面积积上的压压力减少少，切削削作用减减弱进入入正常切切削阶段段微弱切削削阶段：随着工工件表面面接触面面积进一一步增大大，单位位面积上上的压力力更小，切削作作用微弱弱，砂条条表面液液因有极极细的切切屑氧化化物嵌入入空隙而而变得光光滑，产产生抛光光作用自动停止止切削阶阶段：工工件

49、表面面被磨平平，单位位面积上上得压力力极低，工件和和砂条间间润滑油油膜逐渐渐形成，不再接接触，故故自动停停止切削削8.4.3.2光整加工工工艺8.4控控制加加工表面面质量的的工艺途途径研磨研磨是用用研具（图6）以一定定得相对对滑动速速度（粗粗研时m/s,精研时0.10.2m/s）再a压力下与与被加工工面作复复杂相对对运动的的一种光光整加工工方法研具与与工件之之间的磨磨粒能从从工件表表面上切切去极微微薄的一一层材料料，得到到尺寸误误差和表表面粗糙糙度极低低的表面面研磨磨后工件件的尺寸寸误差可可以在0.0010.003mm内，表面面粗糙度度8.4.3.2光整加工工工艺8.4控控制加加工表面面质量的

50、的工艺途途径4抛光抛光是在在布轮布盘或或砂带等等软的磨磨具上涂涂抛光膏膏来加工工工件的的抛光光器具高高速旋转转，由抛抛光膏的的机械刮刮擦和化化学作用用将粗糙糙表面的的峰顶去去掉，从从而使表表面获得得光泽镜镜面抛抛光时一一般不去去掉余量量，所以以不能提提高工件件的精度度甚至还还会损坏坏原有精精度，经经抛光的的表面能能减小残残余拉应应力851振动的概概念与类类型85机机械加加工过程程中的振振动问题题金属切削削过程中中，工件件和刀具具之间常常常会发发生强烈烈的振动动，这是是一种破破坏正常常切削过过程的极极其有害害的现象象。当切切削振动动发生时时，工件件表面质质量严重重恶化，粗糙度度增大。产生明明显的

51、表表面痕迹迹，这时时不得不不降低切切学用量量，使生生产率的的提高受受到限制制。振动动严重时时，会产产生崩刃刃现象，使加工工过程无无法进行行下去。此外，振动将将加速刀刀具和机机床的磨磨损。从从而缩短短刀具和和机床的的使用寿寿命；振振动噪声声危害工工人的健健康。弄弄清机械械加工过过程中产产生震动动的原因因，掌握握它的发发生、发发展的规规律，使使机械加加工过程程既保持持高的生生产率，又保证证零件表表面的加加工质量量，是机机械加工工中应予予研究的的一个重重要内容容。机械加工工过程中中产生的的振动，也和其其他的机机械振动动一样，按其产产生的原原因可分分为自由由震动、强迫振振动和自自激振动动三大类类。其中

52、中自由振振动往往往是由于于切削力力的突然然变化或或其他外外界力的的冲击等等原因引引起，一一般可迅迅速衰减减，对加加工过程程影响较较小，这这里不予予讨论。8.5.2机械加工工中的强强迫振动动85机机械加加工过程程中的振振动问题题强迫振动动是工艺艺系统在在一个稳稳定的外外界周期期性干扰扰力(激振力)作用下引引起的振振动.除了力之之外,凡是随时时间变化化的位移移、速度度和加速速度，也也可以激激起系统统的振动动。8521强迫振动动产生的的原因85机机械加加工过程程中的振振动问题题强迫振动动产生的的原因分分工艺系系统内部部和外部部两方面面。内部振源源：各个个电动机机的振动动，包括括电动机机转子旋旋转不平

53、平衡引起起的振动动；机床床回转零零件的不不平衡，例如砂砂轮、皮皮带轮和和旋转轴轴的不平平衡引起起的振动动，运动动传递过过程中中引起的的振动，如齿轮轮啮合时时的冲击击、皮带带轮圆度度误差及及皮带厚厚度不均均引起的的张力变变化，滚滚动轴承承的套圈圈和滚子子尺寸及及形状误误差，使使运动在在传递过过程中产产生了振振动；往往复部件件的冲击击；液压压传动系系统的压压力脉动动；切削削时的冲冲击振动动，切削削负荷不不均引起起切削力力的变化化而导致致的振动动。外部振源源：其他他机床、锻锤、火车、卡车等等通过机机床地基基传给机机床的振振动。8522强迫振动动的运动动方程85机机械加加工过程程中的振振动问题题工艺系

54、统统是个多多自由度度的振动动系统，其振动动形态很很复杂，但就某某一特定定情况而而言，其其振动特特性与相相应频率率的单自自由度系系统有相相似之处处，因此此可以简简化为单单自由度度系统来来分析，例如，内圆磨磨削时工工件系统统的刚度度比磨头头系统刚刚度大很很多，此此时磨削削系统可可简化为为磨杆和和砂轮的的单自由由度振动动系统，将磨杆杆简化为为“无质质量“的的弹簧K，砂轮简简化为”无弹性性“的质质量m，组成一一个弹簧簧质量系系统模型型。由质量块块受力分分析得:8522强迫振动动的运动动方程85机机械加加工过程程中的振振动问题题这是一个个非齐次次线性微微分方程程,它的解由由该式齐齐次方程程的通解解和非齐

55、齐次方程程的一个个特解叠叠加而成成。齐次次方程的的通解为为有阻尼尼的自由由振动过过程。经经过一段段时间后后这部分分振动会会衰减为为零，特特解是园园频率等等于激振振力园频频率的强强迫振动动，它纯纯粹由激激振力引引起。响响应过程程如图，经过过过渡过程程以后，强迫振振动起主主要作用用，只要要交变激激振力存存在，强强迫振动动就不会会被阻尼尼衰减掉掉。根据据以上所所述，我我们就不不考虑很很快衰减减为零的的自由阻阻尼振动动部分，而只研研究经历历了过渡渡过程而而进入稳稳态后的的谐振运运动。8522强迫振动动的运动动方程85机机械加加工过程程中的振振动问题题即其特解解为（8.4）其中（8.5）（8.6）其中：

56、A强迫振动动的振幅幅，mm振幅相对对于力幅幅的相位位角，radK系统刚度度，N/mm系统在静静力作用用下产生生的静位位移，mm频率比振动频率率，rad/s振动系统统无阻尼尼时的固固有频率率，rad/sV动态放大大系数。8522强迫振动动的运动动方程85机机械加加工过程程中的振振动问题题式（8.5）表示了了单自由由度强迫迫振动振振幅与干干扰频率率的依从从关系，称为单单自由度度强迫振振动的幅幅频特性性。式（8.6）表示了了强迫振振动中位位移与干干扰力之之间的相相位与干干扰频率率的依从从关系，称为单单自由度度强迫振振动相频频特性。8523强迫振动动的特性性85机机械加加工过程程中的振振动问题题幅频特

57、性性曲线和和相频特特性曲线线依据式（8.5）和（8.6）并以阻阻尼比为为参数画画成曲线线图，从从图可以以看出当当时，这时激激振力的的频率极极低，近近似于静静载荷，振幅接接近于静静位移，这种现现象发生生在区域域内，称称此范围围为准静静态范围围。当且阻尼尼比较小小时，激激振力使使系统的的振幅形形成了一一个凸峰峰，其峰峰值比静静态响应应大许多多倍，这这种现象象称为“共振”。工程上把把系统的的固有频频率作为为共振频频率，把把固有频频率前后后20%30%区域作为为共振区区，为避避免系统统共振，应避免免进入这这个区域域，由图图还可看看出，阻阻尼在共共振区对对降低振振幅的作作用很大大，在其其他区域域作用较较

58、小。当时，这这是由于于激振力力的变化化频率太太高，而而振动系系统因本本身的惯惯性来不不及响应应，故系系统反而而不振，这种现现象称为为惯性区区。由相频曲曲线可以以看出，无论系系统的阻阻尼比为为何值，当相相位滞后后90度8523强迫振动动的特性性85机机械加加工过程程中的振振动问题题综上所述述，强迫迫振动的的主要特特性如下下：强迫振动动是在外外界周期期性干扰扰力的作作用下产产生的，但振动动本身并并不能引引起干扰扰力的变变化，不不管振动动系统本本身的固固有频率率如何，强迫振振动的固固有频率率总是与与外界干干扰力的的频率相相同，强强迫振动动的振幅幅大小在在很大程程度上取取决于干干扰力的的频率与与系统固

59、固有频率率的比值值，当这这个频率率比等于于或接近近1时，振幅幅达到最最大值，出现“共振”现象，干扰力力越大，系统刚刚度及阻阻尼系数数越小，强迫振振动的振振幅就越越大。8523强迫振动动的特性性85机机械加加工过程程中的振振动问题题例题8.2把一台质质量M=2000Kg的机床安安装在无无质量的的弹性地地板上（图8。23），当将将一个总总质量，并带有有两个偏偏心为e的不平衡衡质量m/2的激振器器放在机机床上，以产生生一个垂垂直的简简谐激振振力，今今测得共共振时的的频率，求机床床的固有有频率。由题意，激振时时的共振振频率则则，故故机床固有有频率:机床固有有频率8.5.3机械加工工中的自自激振动动85

60、机机械加加工过程程中的振振动问题题自激振动动时由振振动过程程本身引引起切削削力周期期性变化化,又由这个个周期性性变化的的切削力力反过来来加强和和维持振振动,使振动系系统补充充了由阻阻尼作用用消耗的的能量,让振动维维持下去去。切削削过程中中产生的的自激震震动是频频率较高高的不衰衰减振动动，通常常又称颤颤振，约约占振动动的65%，它往往往是影响响加工表表面质量量和限制制机床生生产率提提高的主主要障碍碍，故应应对其十十分重视视。8.5.3机械加工工中的自自激振动动85机机械加加工过程程中的振振动问题题切削过程程中的自自激振动动可举日日常生活活中常常见的电电铃为例例 。如如图,以电池1为能源，当按下下