机加工工艺第三章-机械加工表面质量

第三章机械加工表面质量概述

掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高产品性能的目的。

实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量。研究机械加工表面质量的目的机械产品的失效形式因设计不周而导致强度不够；磨损、腐蚀和疲劳破坏。少数多数§3.1机械加工表面质量及其对零件使用性能的影响一、加工表面质量的含义1．加工表面的几何形状误差2．表面层金属的物理力学性能和化学性能(1)表面粗糙度：微观几何形状误差，波长与波高比小于50(2)表面波度：波长与波高比50-1000(3)纹理方向：表面刀纹方向（与加工方法有关）(4)伤痕：砂眼、气孔、裂痕等(1)塑性变形：表面层的冷作硬化。(2)切削热：表面层金相组织变化。(3)表层金属的残余应力（压、拉）：切削力和切削热综合作用的结果。1、加工表面的几何形状误差

加工后表面形状，总是以“峰”、“谷”的形式偏离其理想光滑表面。按偏离程度有宏观和微观之分。波距：峰与峰或谷与谷间的距离，以L表示；波高：峰与谷间的高度，以H表示。波距与波高L/H>1000时，属于宏观几何形状误差；L/H<50时，属于微观形状误差，称作表面粗糙度；L/H=50～1000时，称作表面波度；主要是由机械加工过程中工艺系统低频振动所引起。

纹理方向是指表面刀纹的方向，取决于表面形成所采用的机械加工方法。一般运动副或密封件对纹理方向有要求。

伤痕是指在加工表面个别位置出现的缺陷，如沙眼、气孔、裂痕等。2、表面层物理力学、化学性能表示方法(1)表面金属层的冷作硬化指工件在加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形，使工件加工表面层的强度和硬度都有所提高的现象。冷硬层深度h硬化程度N硬化程度：其中：H——加工后表面层的显微硬度H0——材料原有的显微硬度(2)表面层金相组织变化(3)表面层产生残余应力

指的是加工中，由于切削热的作用引起表层金属金相组织发生变化的现象。如磨削时常发生的磨削烧伤，大大降低表面层的物理机械性能。

指的是加工中，由于切削变形和切削热的作用，工件表层及其基体材料的交界处产生相互平衡的弹性应力的现象。残余应力超过材料强度极限就会产生表面裂纹。二、加工表面质量对零件使用性能的影晌（一）表面质量对零件耐磨性的影响第一阶段初期磨损阶段第二阶段正常磨损阶段第三阶段急剧磨损阶段零件的磨损可分为三个阶段粗糙度↗初期磨损↗；粗糙度↘→耐磨性↗。糙度值不能无限量下降→表面润滑油被挤出→分子亲和力↗→产生咬合→磨损速度↗。在一定工作条件下，存在一个最佳表面粗糙度值，Ra值约为0.32～0.25μm较好。1、表面粗糙度大小的影响

重裁情况下，由于压强、分子亲和力和润滑液的储存等因素的变化，其规律与上述有所不同。2、粗糙度轮廓形状和纹路方向的影响表面纹理方向影响金属表面的实际接触面积和润滑液的存留情况。

轻载时，两表面的纹理方向与相对运动方向一致时，磨损量小；当两表面纹理方向与相对运动方向垂直时，磨损量大。在相同Ra，平整轮廓比尖峰耐磨3-4倍。干摩擦：纹路平行和垂直磨损均大，垂直更大。边界摩擦：Ra↘，平行易产生咬合→磨损量大。Ra↗平行不易产生咬合，又不受另一峰阻碍于→磨损量小。

过度的加工硬化会使金属组织疏松，甚至出现疲劳裂纹和产生剥落现象，从而使耐磨性下降。3、表面冷硬层和残余应力的影响

加工硬化提高了表面层的强度，减少了表面进一步塑性变形和咬焊的可能。一般能提高耐磨性0.5～1倍。

残余应力（主要通过表层硬度体现）压应力→硬度↗→耐磨性↗；拉应力→硬度↘→耐磨性↘。一般地，加工精度要求↑，加工成本↑，生产效率↓。（二）对零件配合精度的影响

粗糙度↗→初期磨损↗→配合间隙↗→配合精度↘粗糙度↗→凸峰被压平→过盈量↘→零件表面接合强度↘过盈配合影响极大间隙配合（三）对零件疲劳强度的影响

在交变载荷作用下，零件表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷员易形成应力集中，并发展成疲劳裂纹，导致零件疲劳破坏。因此，对于重要零件表面如连杆、曲轴等，应进行光整加工，减小表面粗糙度值，提高其疲劳强度。

适当的加工硬化能阻碍已有裂纹的继续扩大和新裂纹的产生，有助于提高疲劳强度。但加工硬化程度过大，反而易产生裂纹，故加工硬化程度应控制在一定范围内。拉应力加剧疲劳裂纹的产生和扩展；残余压应力，能延缓疲劳裂纹的产生、扩展，而使零件疲劳强度提高。表面残余应力对疲劳强度的影响影响极大表面粗糙度的影响表面层的加工硬化对疲劳强度影响材料不同对应力集中的敏感程度不同，材料极限强度大，应力集中敏感度大（四）对零件耐腐蚀性的影响残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性；表面粗糙度的影响表面粗糙度值越大，越容易积聚腐蚀性物质；波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度表面残余应力对零件耐腐蚀性影响拉应力则降低耐腐蚀性

（五）表面质量对配合性质的影响

粗糙度值↘→密封性↗粗糙度值↘→接触刚度↗

（六）表面质量对密封性的影响刀尖圆弧半径主偏角副偏角进给量

§3.2影响表面粗糙度的工艺因素及其改善措施（二）物理因素的影响一、切削加工表面粗糙度切削残留面积的高度（高度大，粗糙度高）1、刀具几何参数：前角（切削区变形程度、切屑形态和断屑效果、切屑和刀面的摩擦情况）2、切削用量：切削速度v、切削深度ap、进给量f（一）几何因素的影响（一）几何因素的影响残留痕迹的高度↗→粗糙度值↗措施：进给量↘、主、副偏角↘、刀尖圆角半径↗

→残留高度↘（二）物理因素的影响1、刀具几何参数2、切削用量前角γ：切削区变形程度、切屑形态和断屑效果、切屑与刀面摩擦情况γ↗→塑性变形↘→粗糙度值↘积屑瘤速度范围内前角影响不大，但γ↗

有抑制积屑瘤作用2、切削用量（1）切削速度V：塑性材料V=20-30m/min→易产生积屑瘤→粗糙度值↗

铰、拉：v<10m/min精车、精镗：v>60m/min（2）切削深度ap：ap↘↘(ap<0.02-0.03)→刀具打滑，工艺系统振动→粗糙度值↗（正常ap↘→粗糙度值↘

）（3）进给量s：是s↘→H↘

3、刀具材料刀具材料与工件材料→

亲合力↗→易生积屑瘤→粗糙度值↗沾在刀刃上的金属材料与加工面分离时产生鳞刺→粗糙度值↗金刚石、硬质合金、高速钢→形成的表面粗糙度值逐渐增大4、工件材料塑性↗

→Ra↗

（需要热处理提高硬度）；v>140m/min切削温度>780-840º→材料机械性能相近，材料影响不大5、冷却润滑效果好→粗糙度值（Ra）↘二、磨削加工的表面粗糙度1、磨削用量V砂轮↑，单位时间参与磨削的粒数↑，单位面积的刻痕↑，粗糙度值（Ra）↓；V工件↓，工件单位面积的切削磨粒数↑，粗糙度值Ra↓；ap↑

，塑性变形↑，粗糙度值（Ra）↑

。2、砂轮粒度磨粒愈细→Ra↘，过细→切屑堵塞砂轮→塑性变形程度↗→Ra↗粗粒度→细修整的办法砂轮的粒度号↑，参与磨削的磨粒↑，粗糙度值↓

；砂轮的粒度号越大，粒和磨粒间离越小修整砂轮时，用金刚石修整（车出细螺纹）→存在导程和切深，导程和切深↘→Ra↘；太软→

易脱落→Ra↘

；太硬→磨损不易脱落→产生摩擦和挤压状态→塑性变形↗→Ra↗要求：良好的“自砺性”3、砂轮的修整4、砂轮的硬度度材料硬度↗导热性好→塑性变形↘→Ra↘；因此，淬火后磨削材料Ra↘，有色金属磨削Ra↗5、工件材质6、砂轮材料氧化物（刚玉）→磨削钢类；碳化物（碳化硅、碳化硼）→磨削铸铁、硬质合金；高硬材料（人造金刚石、立方氮化硼）→获得Ra↘↘磨削加工温度很高，热影响因素占主导地位→将磨削液送入磨削区→降低温度→塑性变形↘

→Ra↘

对磨削表面粗糙度来说，振动是主要影响因素。振动产生的原因很多，将在后面讲述。7．加工时的振动二、影响表面粗糙度的因素及其改进措施第一类是与磨削砂轮有关的因素第二类是与工件材质有关的因素第三类是与加工条件有关的因素影响表面粗糙度的因素

砂轮太硬，磨粒磨损后不易脱落，使工件表面受到强烈的摩擦和挤压，增加了塑性变形，表面粗糙度值增大，同时还容易引起烧伤；砂轮太软，磨粒易脱落，磨削作用减弱，也会增大表面粗糙度值。(1)与磨削砂轮有关的因素主要是砂轮的粒度、硬度以及对砂轮的修整等。

砂轮的粒度越细，则砂轮单位面积上的磨粒数越多，磨削表面的刻痕越细，表面粗糙度值越小；但较度过细，砂轮易堵塞，使表面组糙度值增大，同时还易产生波纹和引起烧伤。砂轮的粒度要适度砂轮硬度要合适砂轮的硬度是指磨粒受磨削力后从砂轮上脱落的难易程度。越小，修出的微刃越多，等高性越好，粗糙度值低。砂轮的修整质量修整工具修整砂轮的纵向进给量砂轮的修整质量

砂轮的修整是用金刚石除去砂轮外层己钝化的磨粒，使磨粒切削刃锋利，降低磨削表面的表面粗糙度值。与这两者有密切关系铝、铜合金等软材料易堵塞砂轮，比较难磨。塑性大、导热性差的耐热合金易使砂粒早期崩落，导致磨削表面粗糙度值增大。(2)与工件材质有关的因素

包括材料的硬度、塑性、导热性等。对表面粗糙度有显著影响(3)与加工条件有关的因素包括磨削用量、冷却条件及工艺系统的精度与抗振性等。

除了从上述几个方面考虑采取措施外，还可从加工方法上着手改善，如用研磨、珩磨、超精加工、抛光等。切削液

砂轮磨削时温度高，热的作用占主导地位。采用切削液可以降低磨削区温度，减少烧伤，冲去脱落的砂粒和切屑，以免划伤工件，从而降低表面粗糙度度值。但必须选择适当的冷却方法和切削液。减少加工表面的表面粗糙度的其它方法

§3.3影响零件表面层物理力学性能的因素及其改善措施力↗→塑性变形↗→硬化↗热↗→温度↗→软化↗（弱化）。切削热在一定条件下会使金属在塑性变形中产生回复现象，使金属失去加工硬化中所得到的物理力学性能，这种现象称为软化。一、加工表面层的冷作硬化（一）概述加工过程中，工件表面层金属受切削力作用，产生塑性变形，使晶格剪切、滑移并产生扭曲（晶粒被拉长、纤维化甚至破碎），使表面层的强度和硬度增加，塑性降低，物理性能（如密度、导电性、导热性等）也有所变化。这种现象称为加工硬化，又称作冷作硬化或强化。

综合作用结果：塑变↗温度↘→冷作硬化↗。冷作硬化，取决于硬化与软化的比率。

磨削时，磨削深度和纵向进给速度↑，磨削力↑，塑性变形加剧，表面冷硬趋向↑。（二）影响切削加工表面冷作硬化的因素1)切削力↑，塑性变形↑，硬化程度和硬化层深度↑。如：切削时进给量↑

，切削力↑

，塑性变形程度↑

，硬化程度↑；

刀具的刃口圆角和后刀面的磨损量增大，塑性变形↑，冷硬层深度和硬化程度随之↑。

各种机械加工方法在加工钢件时表面加工硬化的情况如下表所示。2)切削温度↑，软化作用↑，冷硬作用↓。如：切削速度增大，会使切削温度升高，有利于软化；

磨削时提高磨削速度和纵向进给速度，有时会使磨削区产生较大热量而使冷硬减弱。3)被加工材料的硬度低、塑性好，则切削时塑性变形越大，冷硬现象就越严重。1)表面层的显微硬度HV2)硬化层深度h03)硬化程度N（三）加工硬化的衡量指标HV0——金属内部的显微硬度显微硬度计测量（用136º的金刚石压头）斜截面法：斜角0º30’-2º30’，测硬度、深度h0（表面冷硬很薄时）二、表面层金相组织变化与磨削烧伤

在磨削时，磨削区温度达到相变温度以上或足以熔化金属，使工件表面层金相组织发生变化、表层的硬度和强度下降、产生残余应力，甚至引起显微裂纹。这种现象称为表面层的磨削烧伤（有氧化膜）。

（一）机械加工表面层金相组织变化与磨削烧伤

机械加工过积中，在工件的加工区及其邻近的区域，温度会急剧升高，当温度超过工件材料金相组织变化的临界点，就会发生金相组织变化。对于一般切削加工而言，温度还不会上升到如此程度。磨削烧伤将严重地影响零件的使用性能。

1)磨削区温度<720℃（相变温度），大于300℃

(马氏体的转变温度)，马氏体将转变为硬度较低的回火屈氏体或索氏体，这叫回火烧伤。

2)表面层温度超过相变温度，有充分的切削液，表面层将急冷形成二次淬火马氏体，硬度比原回火马氏体高，但很薄，只有几微米厚。其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体，表面层总的硬度降低，这称为淬火烧伤。

3)表面层温度超过相变温度，则马氏体转变为奥氏体，无冷却液，表面硬度急剧下降，工件表层被退火，这种现象称为退火烧伤。磨削时很容易产生这种现象。

磨淬火钢时，在工件表面层上形成的瞬时高温将使表面金属产生以下三种金相组织变化：（二）影响磨削烧伤的因素及其改善措施尽可能减少磨削热的产生；改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤可有两个途径：(1)控制磨削用量(2)工件材料(3)正确选择砂轮(4)改善冷却条件改善措施

磨削深度↓，工件纵向进给量和工件速度↑，砂轮与工件表面接触时间相对↓，因而热的作用时间↓，磨削烧伤↓

。

为减轻烧伤而同时又保持高的生产率、一般选用较大的工件速度和较小的磨削深度。同时，为了弥补因增大工件速度而造成表面粗糙度值增大的缺陷，可以提高砂轮速度。(1)控制磨削用量但：磨削深度↓，生产率↓；工件纵向进给量和工件速度↑，表面粗糙度值↑。实践证明，同时提高砂轮速度和工件速度，可以避免烧伤。解决办法：(2)工件材料

工件材料对磨削区温度的影响主要取决于它的硬度、强度、韧性和热导性。硬度、强度越高，韧性越大，磨削热量越多；导热性差的材料，如耐热钢、轴承钢、不锈钢等。在磨削时易产生烧伤

软硬适中的砂轮，好的自砺性。有时在砂轮的孔隙内渗入石蜡之类的润滑物质。砂轮结合剂最好采用具有一定弹性的材料，如树脂、橡胶等，选用粗粒度砂轮磨削，不容易产生烧伤。(3)正确选择砂轮选开槽砂轮:热作用时间短、起风扇作用、改善冷却条件充分冷却带走磨削区的热量可以避免烧伤。(4)冷却条件磨削时，一般冷却效果较差，由于高速旋转的砂轮表面上产生强大气流层，实际上没有多少切削液能进入磨削区。增加切削液的流量和压力采用特殊喷嘴采用多孔性砂轮比较有效的冷却方法将切削液大量地喷注在已经离开磨削区的工件表面上。

三、表面层的残余应力(1)冷态塑性变形引起的残余应力(2)热态塑性变形引起的残余应力(3)金相组织变化引起的残余应力（一）表面层残余应力及其产生的原因

表面层残余应力

外部载荷去除后，工件表面层及其与基体材料的交界处仍残存的互相平衡的应力。表面层残余应力产生的原因(4)冷态塑性变形后比容积增大引起的残余应力(1)冷态塑性变形引起的残余应力

表层的冷态塑性变形主要发生在Py的方向(刀具是副前角),表层金属被压薄的,按一般变形的规律,压薄后的金属,其另外两个角度(长度、宽度）比如要增大，由于基体金属的限制，结果产生压应力—磨削

表层金属塑性变形→比容增大受内层金属阻碍→残余压应力；表层在切削时纤维拉长→受里层金属阻碍→残余压应力里层产生残余拉应力表面层产生残余压应力结果：(2)热态塑性变形引起的残余应力

磨削温度越高，热塑性变形越大，残余拉应力也越大，有时甚至产生裂纹。在切削热作用下产生热膨胀金属基体温度较低工件加工表面表层产生热压应力切削时切削过程结束时温度下降，已产生热塑性变形的表层收缩基体表层收缩结果表面产生残余拉应力(3)金相组织变化引起的残余应力

如：马氏体密度为7.75g/cm3>

珠光体密度为7.78g/cm3>

铁素体密度为7.88g/cm3>奥氏体密度为7.96g/cm3；

切削时产生的高温会引起表面层金相组织变化。因为不同的金属组织，它们的密度不同，因而引起的残余应力。以淬火钢磨削为例淬火钢原来的组织是马氏体7.75g/cm3磨削加工后表层可能产生回火，马氏体变为屈氏体或索氏体密度增大而体积减小表面产生残余拉应力导致结果（接近珠光体）计算？（4）冷态塑性变形后比容积增大引起的表面层压应力金属密度下降，比容积增大。金属经过冷态塑性变形后冷态塑性变形后结晶格子被扭曲热加工中的锻压，其塑性变形有助于消除晶格组织间的缺陷，而使密度提高；机械加工表面必然产生压应力；（二）、影响表面层残余应力及磨削裂纹的因素

机械加上后表面层的残余应力，是由冷态塑性变形、热态塑性变形、冷态塑性变形比容积增大和金相组织变化这三方面原因引起的综合结果。在一定条件下，其中某种或两种因素可能起主导作用。车削表面的残余应力：200-300MPa，使用钝刀：1000MPa残余应力1、切削速度和被加工材料的影响低速→热主导→残余拉应力；高速→表层比容增大→金相组织变化占主导→残压V切削>200残余压应力2、进给量的影响

f↗→塑变↗→热↗→残余拉应力↗、深度↗3、前角

γ从正→负→塑变↗→热↘→残余拉应力↘残余压应力↗

（三）影响磨削残余应力的因素

2、工件材料强度↗、导热↘塑性↘↗→残拉↗比如T8热导比工业铁差，T8易产生残拉。

1、磨削用量的影响

ap：小→塑变占主导→残压大→热占主导→残拉当ap>0.025mm→塑变占主导→残压V砂：↗→温度↗热主导→残拉倾向↗V工件：↗→热作用时间短，塑变作用↗→从残拉→残压径向fp↗→烧伤↗；轴向fa↗→烧伤↘

（四）工件最终加工方法的选择

各种加工方法在工件表面上残留的内应力见表3-3。

交变载荷的工作条件：选能产生残余压应力的加工方法对滑动运动件：选残余应力小的加工方法，使表面处于低能态滚动：选择能在表层Fh深处产生残余压应力的加工方法各种加工方法在工件表面残留的内应力情况。磨削碳钢时，含碳量越高，越容易产生裂纹；当碳的质量小于0.6％至0.7％时，几乎不产生裂纹；淬火钢晶界脆弱，渗碳、渗氮钢受温度影响大，磨削时易产生裂纹。

粗磨时，表面产生极浅的残余压应力，接着就是较深且较大的残余拉应力，这说明表面产生了一薄层一次淬火层，下层是回火组织。

精细磨削时，温度影响很小、更没有金相组织变化，主要是冷态塑性变形的影响，故表面产生浅而小的残余压应力；

精磨时，热塑性变形起了主导作用，表面产生很浅的残余拉应力；磨削裂纹与工件材料及热处理规范的关系

补充说明：四、提高和改善零件表面层的物理力学性能的措施(一)零件破坏形式

一般来说，零件表面残余应力的数值及性质主要取决于零件最终工序加工方法的选择。1．疲劳破坏2．滑动磨损3．滚动磨损零件破坏形式零件表面层金属的残余应力将直接影响机器零件的使用性能。

从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑，最终工序应选择能在加工表面产生残余压应力的加工方法。1.疲劳破坏机器零件表面上局部产生微观裂纹在交变载荷的作用下拉应力作用下原生裂纹扩大导致零件破坏滑动摩擦的机械作用物理化学方面的综合作用2．滑动磨损指的是两个零件作相对滑动，滑动面逐渐磨损的现象。滑动磨损机理粘接磨损扩散磨损化学磨损

从提高零件抵抗滑动摩擦引起的磨损考虑，最终工序应选择能在加工表面产生残余拉应力的加工方法。从抵抗粘接磨损、扩散磨损、化学磨损考虑对残余应力的性质无特殊要求时，应尽量减小表面残余应力值。滑动摩擦工作应力分布如图所示。

当表面层的压缩工作应力超过材料的许用应力时，将使表面层金属磨损。改善措施3．滚动磨损指的是两个零件作相对滚动，滚动面将逐渐磨损的现象。滚动磨损来自滚动摩擦的机械作用物理化学方面综合作用

从提高零件抵抗滚动摩擦引起的磨损考虑，最终工序应选择能在表面层下深h处产生压应力的加工方法。

滚动磨损的决定性因素是表面层下深h处的最大拉应力。最终工序加工方法的选择可参考下表(二)表面强化工艺

由前述可知，表面质量尤其是表面层的物理力学性能，对零件的使用性能及寿命影响很大，如果最终工序不能保证零件表面获得预期的表面质量要求，则可在工艺过程中增设表面强化工序，以改善表面性能。

表面强化工艺是指通过冷压加工方法使表面层金属发生冷态塑性变形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面层产生残余压应力。这种方法工艺简单、成本低廉，应用广泛。喷九强化滚压加工液体磨料强化等表面强化常用工艺方法1．喷九强化利用压缩空气或离心力将大量的珠丸(0.4～4mm)高速打击被加工零件表面，使表面产生冷硬层和残余压应力，可显著提高零件的疲劳强度。珠丸材料：铸铁或砂石、钢丸。喷丸设备:压缩空气喷丸装置或机械离心式喷丸装置，喷丸速度：35～50m／s。珠丸(直径为0.4～4mm)高速(35～50m/s)打击被加工零件表面使表面产生冷硬层和残余压应力应用

喷九加工主要用于强化形状复杂的零件，如齿轮、连杆、曲轴等。零件经喷九强化后，硬化层深度可达0.7mm，表面租糙度Ra值可由3.2减少到0.4，使用寿命可提高几倍到几十倍。2．滚压加工

用淬硬的滚压工具(滚轮或滚珠)在常温下对工件表面施加压力，使其产生塑性变形，工件表面上原有的波峰被填充到相邻的波谷中，减小表面粗糙度值，表面产生冷硬层和残余压应力，提高零件的承裁能力和疲劳强度。方法滚压工具波峰被填充到相邻的波谷中表面产生冷硬层和残余压应力

滚压可以加工外圆、孔、平面及成形表面，通常在卧式车床、转塔车床或自动车床上进行。功效表面层硬度一般可提高20％～40％；表面层金属的耐疲劳强度可提高30％～50％。应用滚压加工应用实例1.弹性外圆滚压工具弹簧主要用于控制压力的大小为了提高强化效率，可以采用双排滚压工具，第一排滚珠直径较小，作粗加工用，第二排滚珠直径较大，作精加工用。2.孔滚压工具小滚珠作粗加工用大滚珠作精加工用3．液体磨料强化

如图所示，液体和磨料在400～800kPa下，从喷嘴高速喷出，射向工件表面，磨粒的冲击作用降低工件表面的表面粗糙度值并碾压金属表面。液体磨料强化是利用液体和磨料的混合物强化工件表面的方法。方法

由于磨粒的冲击和微量切削作用，使工件表面产生几十微米的塑性变形层。加工后的工件表面层具有残余压应力，提高了工件的耐磨性、抗蚀性和疲劳强度。效果

液体磨料强化工艺最宜于加工复杂型面，如锻摸、汽轮机叶片、螺旋桨、仪表零件和切削刀具等。应用§3.4机械加工过程中的振动振动的危害（1）工件与刀具间的相对位移→加工表面产生振痕→表面质量和使用性能受影响；（2）工艺系统受交变载荷→刀具、机床易磨损→影响切削加工的顺利进行；（3）振动噪声危害操作者的健康。自由振动指的是当系统受到初始干扰力作用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。§3.4工艺系统的振动1．强迫振动（受迫振动）2．自激振动

机械加工振动的分类1．强迫振动强迫振动

由外界周期性激振力引起和维持的振动。外界既可指工艺系统以外也可指工艺系统内部由刀具和工件组成的切削系统质量、弹簧和阻尼以外2．自激振动

在一定条件下，由振动系统本身产生的交变力激发和维持的一种稳定的周期性振动称为自激振动。

通常，机械加工过程中产生的振动对机械加工来讲是十分有害的。近来，对切削机理进行研究得到这样的观点，即在切削过程中，切屑不是根据刀尖与工件间的静力学关系形成，而是由连续地产生与一次冲击破坏机理相类似的动力学关系而形成的。因此，有人利用振动来更好地切削，如振动磨削、振动研抛、超声波加工等，都是利用振动来提高表面质量或生产率。振动的利用一、机械加工过程中的强迫振动如其它机床或机器的振动通过地基传给正在进行加工的机床，引起工艺系统振动。（一）强迫振动产生的原因强迫振动是由于机床外部和内部振源的激振力所引发的振动。(1)系统外部的周期性激振力如齿轮啮合时的冲击、带传动中的带厚不均或接头不良、滚动轴承滚动体误差、液压系统中的冲击现象以及往复运动部件换向时的惯性力等，都会引起强迫振动。(2)高速回转零件的质量不平衡引起的振动如砂轮、齿轮、电动机转子、带轮、联轴器等旋转件不平衡产生离心力而引起强迫振动。(3)传动机构的缺陷和往复运动部件的惯性力引起的振动

有些加工方法如铣削、拉削及滚齿等，由于切削的不连续，导致切削力的周期性变化，引起强迫振动。(4)切削过程的间歇性

2．强迫振动的数学描述及特性

工艺系统是多自由度的振动系统，振动形态非常复杂。要精确地描述和解决多自由度的振动系统是很困难的，但就其某一特定的自由度而言，其振动特性与相应频率的单自由度振动可简化为单自由度系统来分析。

如图，在加工中磨头受周期性变化的干扰力产生扰动，由于磨头系统的刚度远比工件的刚度低，故可把磨削系统简化为一个单自由度系统。以内圆磨削为例

m的受力情况如图c所示，作用在m上的力有：与位移成正比的弹性恢复力kx，与运动速度成正比的粘性阻尼力δx’，简谐激振力Fsinωt，则该系统的运动方程式为：磨头简化为一个等效质量m；把质量m支承在刚度为k的等效弹簧上；系统中存在的阻尼δ相当于与等效弹簧并联；作用在m上的交变力假设为简谐激振力Fsinωt。这样就可以得到单自由度系统典型的动力学模型，如图b所示。

第一项(通解)为有阻尼的自由振动过程，如图a所示，经过一段时间后，这部分振动衰减为零。

第二项(特解)如图b所示，是圆频率等于激振圆频率的强迫振动。

图c为两种解叠加后的振动过程。可以看到经历过渡过程以后，强迫振动是稳定的振动过程。进入稳态后的振动方程为：振动本身也不能使激振力变化。(2)强迫振动的振动频率与外界激振力的频率相同，而与系统的固有频率无关。(3)强迫振动的幅值既与激振力的幅值有关，又与工艺系统的动态特性有关（固有频率）。3、强迫振动的特性是：(1)强迫振动是由周期性激振力引起的，不会被阻尼衰减掉，

二、机械加工中的自激振动（颤振）

切削加工时，在没有周期性外力作用的情况下，有时刀具与工件之间也可能产生强烈的相对振动，并在工件的加工表面上残留下明显的、有规律的振纹。这种由振动系统本身产生的交变力激发和维持的振动称为自激振动，通常也称为颤振。(一)自激振动的产生条件和特性处于切削过程中的工艺系统作用干扰力产生自由振动引起刀具和工件相对位置的变化切削力的波动这变化又引起工艺系统产生振动导致1、自激振动的产生

自激振动系统是一个闭环反馈自控系统，调节系统把持续作用的能源能量转变为交变力对振动系统进行激振，振动系统的振动又控制切削过程产生激振力，以反馈制约进入振动系统的能量。组成的一个闭环系统2、自激振动的组成振动系统(工艺系统)调节系统(切削过程)3、自激振动的特性1)自激振动的频率等于或接近系统的固有频率，即由系统本身的参数所决定。2)自激振动是由外部激振力的偶然触发而产生的一种不衰减运动，维持振动所需的交变力是由振动过程本身产生的，在切削过程中，停止切削运动，交变力也随之消失，自激振动也就停止。3)自激振动能否产生和维持取决于每个振动周期内摄入和消耗的能量。自激振动系统维持稳定振动的条件是，在—个振动周期内，从能源输入到系统的能量(E＋)等于系统阻尼所消耗的能量(E－)。如果吸收能量大于消耗能量，则振动会不断加强；如果吸收能量小于消耗能量．则振动将不断衰减而被抑制。(二)自激振动的激振学说

切削过程中产生颤振的原因及机理很复杂，虽经长期研究，目前尚无一种能阐明各种情况下产生颤振的理论。1．负摩擦激振学说2．再生颤振学说3．坐标联系学说下面扼要介绍几种比较公认的学说。1．负摩擦激振学说

当刀具由于偶然原因产生振动时，它将在平衡位置y0附近作往复运动，刀具与工件相对趋近时称为切入（图b中的ABC段)，相对脱离时称为切出(图b中的CDA段)。切人与切出时的最大和最小滑动速度分别为、和，它们各自对应的径向切削分力分别为Fy1和Fy2。以车削加工为例将切削模型简化为单自由度振动系统。刀具——等效质量m、只作y方向运动。刀架等系统——刚度k。建立模型依据：负摩擦特性负摩擦特性曲线切削力随滑动速度的增加而下降的特性。负摩擦特性用能量关系说明颤振的产生

稳定切削时：刀尖处于y0位置，刀具和切屑的相对滑动速度为v1。F出＞

F入刀具作往复运动

在切入的半个周期中，刀具运动方向与径向切削分力Fy的方向(切屑流出方向)相反，故切屑对刀具做负功；

在切出的半个周期中，切屑对刀具做正功。

振动的形成

由图b右下角可知，正功大于负功，其差值即为椭圆的面积。此即为一个振动周期中系统所获得的能量补充，因而使振动得以维持。2．再生颤振学说

在切削加工中，由于刀具的进给量一般不大，而刀具的副偏角又较小，因此，刀具必然与已切过的上一转表面接触，即产生重叠切削。

设砂轮宽度为B，工件进给量为f，工件前后相邻两转的磨削区有重叠部分，其大小用重叠系数表示：正交切削时：

在稳定切削过程中，由于偶然的扰动(如材料的硬疵点、加工余量不均匀或冲击等)，工艺系统会产生一次自由振动，并在被加上表面上留下相应的振纹。当工件转至下一转时，由于切削到重叠部分的振纹使切削厚度发生变化，从而引起切削力的周期改变，使刀具产生振动，在加工表面留下新的振纹；这个振纹又影响到下一转的切削，从而引起持续的再生颤振。再生颤振的产生过程类似于加工精度中毛坯误差的复映四、机械加工中振动的控制1、强迫振动的诊断方法消除或减弱产生机械振动的条件；改善工艺系统的动态特性，增强工艺系统的稳定性；采取各种消振减振装置。机械加工中控制振动的途径:(一)消除或减弱产生强迫振动的条件诊断依据强迫振动的频率与激振力的频率相等或是它的整数倍。基本途径

测出振动的频率。

较完善的方法：

对机床的振动信号进行功率谱分析、功率谱中的尖峰点对应的频率就是机床振动的主要频率。测定振动频率的方法

简单方法：数出工件表面的波纹数，然后根据切削速度计算出振动频率。

高转速（600r／min以上）零件必须进行平衡以减小和消除激振力；如砂轮、卡盘、电动机转子及刀盘等。提高带传动、链传动、齿轮传动及其他传动结构的稳定性，如采用完善的带接头、以斜齿轮或人字齿轮代替直齿轮等；使动力源与机床本体放在两个分离的基础上。2．消除或减弱产生强迫振动的条件1)减小激振力

在选择转速时，尽可能使引起强迫振动的振源的频率避开共振区。使工艺系统部件在准静态区或惯性区运行，以免发生共振。2)调整振源频率

不论哪种方式，都是用弹性隔振装置将需防振的机床或