CH机械加工表面质量

第5章

机械加工表面质量本章提要

机械加工表面质量决定了机器的使用性能和延长使用寿命。机械加工表面质量是以机械零件的加工表面和表面层作为分析和研究对象的。本章旨在研究零件表面层在加工中的变化和发生变化的机理，掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量的影响规律，运用这些规律来控制加工中的各种影响因素，以满足表面质量的要求。5.15.25.35.45.5概述表面粗糙度影响的工艺因素及其改善的工艺措施影响表层物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施控制加工表面质量的途径机械加工中的振动及其控制措施内容提纲任何机械加工方法所得到的零件表面，实际上都不是完全理想的表面。实践证明，机器零件的破坏，一般都从表层开始，这从一定程度上表明零件的表面质量对产品质量影响很大。产品工作性能的可靠性、耐久性，很大程度上取决于其主要零件的表面质量。机器零件使用性能的耐磨性、疲劳强度、耐蚀性等，除与材料本身的性能和热处理有关外，主要取决于加工后的表面质量。随着产品性能的不断提高，一些重要零件必须在高应力、高速、高温等极端条件下工作，因其工作表面作用有最大应力并直接受外界介质的腐蚀，表面层的任何缺陷都可能引起应力集中、应力腐蚀等现象而导致零件的损坏，于是表面质量问题也会变得突出和复杂。

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概述5.1.1机械加工表面质量含义研究表面质量的目的，是要掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量的作用及影响规律，以便应用这些规律控制加工过程，最终提高零件的表面质量和产品使用性能。机械加工表面质量的研究内容包括加工表面几何形状特征和表面层物理、机械性能的变化。

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概述5.1.1机械加工表面质量含义吸附层

<8nm基体材料纤维层压缩区

几十~几百微米热影响区显微硬度残余应力加工表面层沿深度变化示意图

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概述5.1.1机械加工表面质量含义零件表面质量表面粗糙度表面波度表面物理力学性能的变化表面微观几何形状特征表面层冷作硬化表面层残余应力表面层金相组织的变化

表面质量的含义（内容）

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概述5.1.1机械加工表面质量含义表面粗糙度：是指表面微观几何形状误差，其波长与波高的比值在L1/H1＜40的范围内，波距<1mm。(Ra=0.012，0.025，0.05，0.1，0.2，0.4，0.8，1.6，3.2，6.3，12.5，25，50)表面波度：是介于加工精度（宏观几何形状误差L3/H3=1000）和表面粗糙度间的一种带有周期性的几何形状误差，其波长与波高的比值在40＜L2/H2＜1000的范围，波距=1~10mm纹理方向：纹理方向是指表面刀纹的方向，它取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法。伤痕：是加工表面上一些个别位置上出现的缺陷。例如：砂眼、气孔、裂痕等。1、表面层的几何形状

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概述5.1.1机械加工表面质量含义L1范围内的凹凸不平(表面粗糙度)H1L2范围内的凹凸不平(波度)H2平面度H3表面粗糙度和波度1、表面层的几何形状

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概述5.1.1机械加工表面质量含义参数及数值/um取样长度/mm评定长度/mmRaRz、Ry≥0.008~0.02≥0.025~0.100.080.4>0.02~0.1>0.10~0.500.251.25>0.1~2.0>0.50~10.00.84.0>2.0~10.0>10.0~50.02.512.5>10.0~80.0>50~3208.040.01、表面层的几何形状

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概述5.1.1机械加工表面质量含义1)表面层层冷作作硬化化(简称冷冷硬)：在机械械加工工中，，零件件表面面层产产生强强烈的的冷态态塑性性变形形后，，引起起的强强度和和硬度度都有有所提提高的的现象象。一一般情情况下下表面面硬化化层的的深度度可达达0.05——0.30mm。2)表面层层金相相组织织的变变化：：机械加加工过过程中中，由由于切切削热热或磨磨削热热的作作用引引起工工件表表面温温升过过高，，表面面层金金属的的金相相组织织发生生变化化的现现象。。3)表面层层残余余应力力：是由于于加工工过程程中切切削变变形和和切削削热的的影响响，工工件表表面层层产生生残余余应力力。2、表面面层的的物理理机械械性能能

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概述5.1.1机械加加工表表面质质量含含义1、表表面质质量对对耐磨磨性的的影响响耐磨性性主要要取决决于摩摩擦副副的材材料及及润滑滑条件件，还还与零零件的的表面面质量量有关关。零件磨磨损三三个阶阶段：：初期磨磨损阶阶段；；正常常磨损损阶段段；剧剧烈磨磨损阶阶段摩擦副副的磨磨损过过程

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概述5.1.2机械加加工表表面质质量对对机器器产品品使用用性能能和使使用寿寿命的的影响响（1）表面面粗糙糙度对对零件件耐磨磨性的的影响响表面粗粗糙度度太大大和太太小都都不耐耐磨表面粗粗糙度度太大大，接接触表表面的的实际际压强强增大大，粗粗糙不不平的的凸峰峰相互互咬合合、挤挤裂、、切断断，故故磨损损加剧剧；表面粗粗糙度度太小小，也也会导导致磨磨损加加剧。。因为为表面面太光光滑，，存不不住润润滑油油，接接触面面间不不易形形成油油膜，，容易易发生生分子子粘结结而加加剧磨磨损。。1、表表面质质量对对耐磨磨性的的影响响

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概述5.1.2机械加加工表表面质质量对对机器器产品品使用用性能能和使使用寿寿命的的影响响（1）表面面粗糙糙度对对零件件耐磨磨性的的影响响表面粗粗糙度度的最最佳值值与机机器零零件的的工作作情况况有关关，载荷荷加大大时，，磨损损曲线线向上上、向向右移移动，，最佳佳表面面粗糙糙度值值也随随之右右移。。1、表表面质质量对对耐磨磨性的的影响响

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概述5.1.2机械加加工表表面质质量对对机器器产品品使用用性能能和使使用寿寿命的的影响响（2）表面面层的的冷作作硬化化对零零件耐耐磨性性的影影响加工表表面的的冷作作硬化化，一一般能能提高高零件件的耐耐磨性性。因为它它使磨磨擦副副表面面层金金属的的显微微硬度度提高高，塑塑性降降低，，减少少了摩摩擦副副接触触部分分的弹弹性变变形和和塑性性变形形。并非冷冷作硬硬化程程度越越高，，耐磨磨性就就越高高。这是因因为过过分的的冷作作硬化化，将将引起起金属属组织织过度度“疏松”，在相相对运运动中中可能能会产产生金金属剥剥落，，在接接触面面间形形成小小颗粒粒，使使零件件加速速磨损损。1、表表面质质量对对耐磨磨性的的影响响

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概述5.1.2机械加加工表表面质质量对对机器器产品品使用用性能能和使使用寿寿命的的影响响（1）表面面粗糙糙度对对零件件疲劳劳强度度的影影响表面粗粗糙度度越大大，抗抗疲劳劳破坏坏的能能力越越差。。对承受受交变变载荷荷零件件的疲疲劳强强度影影响很很大。。在交交变载载荷作作用下下，表表面粗粗糙度度的凹凹谷部部位容容易引引起应应力集集中，，产生生疲劳劳裂纹纹。表面粗粗糙度度值越越小，，表面面缺陷陷越少少，工工件耐耐疲劳劳性越越好；；反之之，加加工表表面越越粗糙糙，表表面的的纹痕痕越深深，纹纹底半半径越越小，，其抗抗疲劳劳破坏坏的能能力越越差。。2、表表面质质量对对零件件疲劳劳强度度的影影响

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概述5.1.2机械加加工表表面质质量对对机器器产品品使用用性能能和使使用寿寿命的的影响响（2）表面面层冷冷作硬硬化与与残余余应力力对零零件疲疲劳强强度的的影响响适度的的表面面层冷冷作硬硬化能能提高高零件件的疲疲劳强强度。。残余应应力有有拉应应力和和压应应力之之分:残余拉拉应力力容易使使已加加工表表面产产生裂裂纹并并使其其扩展展而降低疲疲劳强强度残余压压应力力则能够够部分分地抵抵消工工作载载荷施施加的的拉应应力，，延缓缓疲劳劳裂纹纹的扩扩展，，从而而提高零零件的的疲劳劳强度度。2、表表面质质量对对零件件疲劳劳强度度的影影响

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概述5.1.2机械加加工表表面质质量对对机器器产品品使用用性能能和使使用寿寿命的的影响响（1）表面面粗糙糙度对对零件件配合合精度度的影影响表面粗粗糙度度较大大，则则降低低了配配合精精度。。（2）表面面残余余应力力对零零件工工作精精度的的影响响表面层层有较较大的的残余余应力力，就就会影影响它它们精精度的的稳定定性。。3、表表面质质量对对零件件工作作精度度的影影响

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概述5.1.2机械加加工表表面质质量对对机器器产品品使用用性能能和使使用寿寿命的的影响响（1）表面面粗糙糙度对对零件件耐腐腐蚀性性能的的影响响零件表表面越越粗糙糙，越越容易易积聚聚腐蚀蚀性物物质，，凹谷谷越深深，渗渗透与与腐蚀蚀作用用越强强烈。。因此减小零零件表表面粗粗糙度度，可可以提提高零零件的的耐腐腐蚀性性能。（2）表面面残余余应力力对零零件耐耐腐蚀蚀性能能的影影响零件表表面残余压压应力力使零件件表面面紧密密，腐腐蚀性性物质质不易易进入入，可增强强零件件的耐耐腐蚀蚀性，而表表面残余拉拉应力力则降降低零零件耐耐腐蚀蚀性。表面质质量对对零件件使用用性能能还有有其它它方面面的影影响：：如减小小表面面粗糙糙度可可提高高零件件的接接触刚刚度、、密封封性和和测量量精度度；对对滑动动零件件，可可降低低其摩摩擦系系数，，从而而减少少发热热和功功率损损失。。4、表表面质质量对对零件件耐腐腐蚀性性能的的影响响

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概述5.1.2机械加加工表表面质质量对对机器器产品品使用用性能能和使使用寿寿命的的影响响零件表表面质质量粗糙度度太大大、太太小都都不耐耐磨适度冷冷硬能能提高高耐磨磨性对疲劳劳强度度的影影响对耐磨磨性的的影响响对耐腐腐蚀性性能的的影响响对工作作精度度的影影响粗糙度度越大大，疲疲劳强强度越越差适度冷冷硬、、残余余压应应力能能提高高疲劳劳强度度粗糙度度越大大、工工作精精度降降低残余应应力越越大，，工作作精度度降低低粗糙度度越大大，耐耐腐蚀蚀性越越差压应力力提高高耐腐腐蚀性性，拉拉应力力反之之则降降低耐耐腐蚀蚀性

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概述5.1.2机械加加工表表面质质量对对机器器产品品使用用性能能和使使用寿寿命的的影响响

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概述5.1.3机械加加工表表面质质量的的研究究内容容为保证证机器器产品品的使使用性性能和和使用用寿命命，机机械加加工表表面质质量的的研究究应包包括如如下内内容：：（1）表面面粗糙糙度及及其降降低的的工艺艺措施施；（2）表面面层物物理、、力学学性能能及其其改善善的工工艺措措施；；（3）机械械加工工中的的振动动及其其控制制。机械加加工中中，表表面粗粗糙度度形成成的原原因大大致可可归纳纳为几何因因素和物理力力学因素两两个方方面。。1、切切削加加工表表面粗粗糙度度的形形成

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表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施5.2.1切削加加工表表面粗粗糙度度1、切切削加加工表表面粗粗糙度度的形形成及及影响响因素素(1)几何因因素刀尖圆圆弧半半径rε主偏角角kr、副偏偏角kr′进给量量f

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表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施5.2.1切削加加工表表面粗粗糙度度(2)物理力力学因因素1、切切削加加工表表面粗粗糙度度的形形成

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表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施5.2.1切削加加工表表面粗粗糙度度切削加加工后后表面面的实实际轮轮廓与与纯几几何因因素所所形成成的理理想轮轮廓往往往差差别较较大。。这主主要是是因为为在加加工过过程中中还有有塑性性变形形等物物理因因素的的影响响。这些物物理因因素的的影响响一般般较复复杂，，它与与切削削原理理中所所叙述述的加加工表表面的的形成成过程程有关关，如如在加加工过过程中中产生生的积积屑瘤瘤、鳞鳞刺和和振动动等对对加工工表面面粗糙糙度的的形成成均有有很大大影响响。(2)物理力力学因因素1、切切削加加工表表面粗粗糙度度的形形成被加工工材料料的性性能——塑性变形形的影响切削过程程中刀具具的刃口口圆角及及后刀面面对工件件挤压与与摩擦而而产生塑塑性变形形。与切削机机理有关关的物理理因素——刀瘤和鳞刺的影响切削用量量的影响响刀具材料料的影响响

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表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施5.2.1切削加工工表面粗粗糙度刀瘤对工工件表面面质量的的影响切削过程程中切屑屑底层和和前刀面面发生冷冷焊的结结果。(2)物理力学学因素1、切削削加工表表面粗糙糙度的形形成

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表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施5.2.1切削加工工表面粗粗糙度鳞刺的产产生：切屑在前前刀面上上的摩擦擦和冷焊焊作用造造成周期期性的停停留，代代替刀具具推挤切切削层，，造成切切削层和和工件之之间出现现撕裂现现象。鳞刺的形形成：抹抹试阶段段、导裂裂阶段、、层积阶阶段、刮刮成阶段段(2)物理力学学因素1、切削削加工表表面粗糙糙度的形形成

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表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施5.2.1切削加工工表面粗粗糙度①工件材料料的影响响韧性材料料：工件材料料韧性愈愈好，金金属塑性性变形愈愈大，加加工表面面愈粗糙糙。故对对中碳钢钢和低碳碳钢材料料的工件件，为改改善切削削性能，，减小表表面粗糙糙度，常常在粗加加工或精精加工前前安排正正火或调调质处理理。脆性材料料：加工粗糙糙度接近近理论值值。加工脆性性材料时时，其切切削呈碎碎粒状，，由于切切屑的崩崩碎而在在加工表表面留下下许多麻麻点，使使表面粗粗糙。(2)物理力学学因素1、切削削加工表表面粗糙糙度的形形成

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表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施5.2.1切削加工工表面粗粗糙度②切削速度度的影响响加工塑性性材料时时，切削速度度对表面粗粗糙度的的影响如如图所示示。积屑屑瘤和鳞鳞刺仅在在低速时时产生。。切削速速度越高高，塑性性变形越越不充分分，表面面粗糙度度值越小小；选择择低速宽宽刀精切切和高速速精切，，可以得得到较小小的表面面粗糙度度。加工塑性性材料时时切削速速度对表表面粗糙糙度的影影响实线——只考虑塑性变变形的影响虚线——考虑刀瘤和鳞鳞刺的影响(2)物理力学因素素1、切削加工工表面粗糙度度的形成

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表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施5.2.1切削加工表面面粗糙度④其它因素的影影响合理使用冷却润滑液，适当增大刀具的前角，提高刀具的刃磨质质量等，均能有效效地减小表面面粗糙度值。。③进给量的影响响减小进给量f固然可以减小小表面粗糙度度值，但进给给量过小，表表面粗糙度会会有增大的趋趋势。(2)物理力学因素素1、切削加工工表面粗糙度度的形成

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表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施5.2.1切削加工表面面粗糙度(3)工艺系统振动动1、切削加工工表面粗糙度度的形成

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表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施5.2.1切削加工表面面粗糙度工艺系统的低低频振动，一一般在工件的的已加工表面面上产生表面面波度，而工工艺系统的高高频振动将对对已加工表面面的粗糙度产产生影响。为为降低加工表表面的粗糙度度，则必须采采取相应措施施防止加工过过程中产生高高频振动。影响切削加工表面粗糙度的因素刀具几何形状刀具材料、刃磨质量切削用量工件材料残留面积↓→Ra↓前角↑→Ra↓后角↑→摩擦↓→Ra↓刃倾角会影响实际工作前角v↑→Ra↓f↑→Ra↑ap对Ra影响不大，太小会打滑，划伤已加工表面材料塑性↑→Ra↑同样材料晶粒组织大↑→Ra↑，常用正火、调质处理刀具材料强度↑→Ra↓刃磨质量↑→Ra↓冷却、润滑↑→Ra↓

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表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施5.2.1切削加工表面面粗糙度工件的磨削表表面是由砂轮轮上大量磨粒粒刻划出无数数极细的刻痕痕形成的，工工件单位面积积上通过的砂砂粒数越多，，则刻痕越多多，刻痕的等等高性越好，，表面粗糙度度值越小。1、磨削加工工后表面粗糙糙度的形成磨削速度比一一般切削速度度高得多，且且磨粒大多数数是负前角，，切削刃又不不锐利，大多多数磨粒在磨磨削过程中只只是对被加工工表面挤压，，没有切削作作用。加工表表面在多次挤挤压下出现沟沟槽与隆起，，又由于磨削削时的高温更更加剧了塑性性变形，故表表面粗糙度值值增大。

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表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施5.2.2磨削加工表面面粗糙度1、磨削加工工后表面粗糙糙度磨粒在工件上上的刻痕

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表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施5.2.2磨削加工表面面粗糙度磨粒在砂轮上的分分布越均匀、、磨粒越细，，刃口的等高高性越好。则则砂轮单位面面积上参加磨磨削的磨粒越越多，磨削表表面上的刻痕痕就越细密均均匀，表面粗粗糙度值就越越小。2、磨削中影影响粗糙度的的因素砂轮修整除了使砂轮具具有正确的几几何形状外，，更重要的是是使砂轮工作作表面形成排排列整齐而又又锐利的微刃刃。因此，砂砂轮修整的质质量对磨削表表面的粗糙度度影响很大。。

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表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施5.2.2磨削加工表面面粗糙度(1)砂轮的磨粒(2)砂轮修整砂轮转速越高，单位时时间内通过被被磨表面的磨磨粒数越多，，表面粗糙度度值就越小。。工件速度对表面粗糙度度值的影响刚刚好与砂轮转转速的影响相相反。工件的的速度增大，，通过加工表表面的磨粒数数减少，因此此表面粗糙度度值增大。砂轮的纵向进进给量小于砂轮的宽宽度时，工件件表面将被重重叠切削，而而被磨次数越越多，工件表表面粗糙度值值就越小。为提高磨削效效率，通常在在开始磨削时时采用较大的的径向进给量量，而在磨削削后期采用较较小的径向进进给量或无进进给量磨削，，以减小表面面粗糙度值。。2、磨削中影影响粗糙度的的因素(3)磨削用量

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表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施5.2.2磨削加工表面面粗糙度太硬易使磨粒粒磨钝→Ra↑；太软容易堵塞塞砂轮→Ra↑；韧性太大，热热导率差会使使磨粒早期崩崩落→Ra↑。2、磨削中影影响粗糙度的的因素(4)工件材料

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表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施5.2.2磨削加工表面面粗糙度影响磨削加工表面粗糙度的因素

粒度↓→Ra↓

金刚石笔锋利↑，修正导程、径向进给量↓→Ra↓磨粒等高性↑→Ra↓硬度↑→钝化磨粒脱落↓→Ra↑硬度↓→磨粒脱落↑→Ra↑硬度合适、自励性好↑→Ra↓太硬、太软、韧性、导热性差↑→Ra↓砂轮粒度工件材料性质砂轮修正磨削用量砂轮硬度砂轮V↑→Ra↓ap、工件V↑→塑变↑→Ra↑粗磨ap↑→生产率↑精磨ap↓→Ra↓(ap=0光磨)

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表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施5.2.2磨削加工表面面粗糙度

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表面粗糙度影响的工艺参数及其改善的工艺措施5.2.3超精研、研磨磨、珩磨和抛抛光加工的表表面粗糙度超精研、研磨磨、珩磨和抛抛光加工，一一般只规定加加工时的压强强。加工时所所用的工具由由加工面本身身导向而相对对于工件的定定位基准没有有确定的位置置，所使用的的机床也不需需要具有非常常精确的成型型运动。这些加工方法法的主要作用用是降低表面面粗糙度，而而加工精度则则主要由前面面工序保证。。采用这些方法法加工时，其其加工余量都都不可能太大大，一般只是是前道工序公公差的几分之之一。因此，，这些加工方方法均被称为为零件表面的的光整加工技技术。在切削加工中中，工件由于于受到切削力力和切削热的的作用，使表表面层金属的的物理机械性性能产生变化化，最主要的的变化是表面层冷作硬硬化、金相组织的变变化和残余应力的产产生。由于磨削加工工时所产生的的塑性变形和和切削热比刀刀刃切削时更更严重，因而而磨削加工后后加工表面层层上述三项物物理机械性能能的变化会很很大。

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施影响表面层物物理力学性能能的主要因素素表面物理力学学性能影响金相组织变化化因素影响显微硬度因素影响残余应力因素塑变引起的冷冷硬金相组织变化化引起的硬度度变化冷塑性变形热塑性变形金相组织变化化切削热冷作硬化金相组织变化化残余应力表现形式

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施切削或磨削加加工中，表面面层金属由于于塑性变形使使晶格扭曲、、畸变，晶粒粒间产生剪切切滑移,晶粒被拉长和和纤维化，甚甚至破碎，引引起材料的强强化（使表面面层金属的硬硬度和强度提提高），这种种现象称为加工硬化，又称冷作硬化或强化。1、冷作硬化化的概念

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.1加工表面层的的冷作硬化弱化：被冷作硬化的的金属处于高高能位的不稳稳定状态，只只要一有可能能，金属的不不稳定状态就就要向比较稳稳定的状态转转化，这种现现象称为弱化化。弱化作用用的大小取决决于温度的高高低、热作用用时间的长短短和表层金属属的强化程度度。由于在加工过过程中表层金金属同时受到到变形和热的的作用，加工工后表层金属属的最后性质质取决于强化化和弱化综合合作用的结果果。1、冷作硬化化的概念

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.1加工表面层的的冷作硬化衡量表面层加工硬化程度度的指标有下列列三项：1）表面层的显显微硬度H；2）硬化层深度度h；3）硬化程度NN=(H-H0)/H0×100％式中H0——工件原表面层层的显微硬度度。2、冷作硬化的的评定

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.1加工表面层的的冷作硬化表面层冷作硬硬化的程度决决定于产生塑性变形形的力、变形速度及变形时的温度度。力越大，塑塑性变形越大大，则硬化程程度越大；速速度越大，塑塑性变形越不不充分，则硬硬化程度越小小；变形时的的温度不仅影影响塑性变形形程度，还会会影响变形后后金相组织的的恢复程度。。3、影响冷作作硬化的主要要因素

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.1加工表面层的的冷作硬化⑴刀具几何形状状的影响切削刃rε↑、前角↓、后后面磨损量VB↑→表层金属的塑塑变加剧→冷冷硬↑⑵切削用量的影影响切削速度v↑→温度升高，冷冷硬恢复；刀具、工件接接触时间短，，塑变↓→冷冷硬↓f↑→切削力↑→塑塑变↑→冷硬硬↑f较小→刀具刃口圆圆角在加工表表面单位长度度上的挤压次数数增多↑→冷冷硬↑⑶工件材料性能能的影响材料塑性↑→→冷硬↑3、影响冷作作硬化的主要要因素

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.1加工表面层的的冷作硬化切削加工中，，由于切削热热的作用，在在工件的加工工区及其邻近近区域产生了了一定的温升升。定义：磨削加工时，，表面层有很很高的温度，，当温度达到到相变临界点点时，表层金金属就发生金金相组织变化化，强度和硬硬度降低、产产生残余应力力、甚至出现现微观裂纹，，这种现象称称为磨削烧伤。淬火钢在磨削削时，由于磨磨削条件不同同，产生的磨磨削烧伤有三三种形式。1.机械加工表面面层金相组织织的变化

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.2表面层金属的的金相组织变变化淬火烧伤回火烧伤退火烧伤2.磨削烧伤的的三种形式式磨削时，当当工件表面面层温度超超过相变临临界温度Ac3时，则马氏氏体转变为为奥氏体。。若此时无无冷却液，，表层金属属空冷冷却却比较缓慢慢而形成退退火组织。。硬度和强强度均大幅幅度下降。。这种现象象称为退火烧伤。磨削时，如如果工件表表面层温度度只是超过过原来的回回火温度，，则表层原原来的回火火马氏体组组织将产生生回火现象象而转变为为硬度较低低的回火组组织（索氏氏体或屈氏氏体），这这种现象称称为回火烧伤。磨削时工件件表面温度度超过相变变临界温度度Ac3时，则马氏氏体转变为为奥氏体。。在冷却液液作用下，，工件最外外层金属会会出现二次次淬火马氏氏体组织。。其硬度比比原来的回回火马氏体体高，但很很薄，其下下为硬度较较低的回火火索氏体和和屈氏体。。由于二次次淬火层极极薄，表面面层总的硬硬度是降低低的，这种种现象称为为淬火烧伤。

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.2表面层金属属的金相组组织变化距表层距离Ⅰ：二次淬火层Ⅱ：高温回火层Ⅲ：低温回火层Ⅳ：正常组织2.磨削烧伤的的三种形式式

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.2表面层金属属的金相组组织变化3.评定烧伤的的方法

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.2表面层金属属的金相组组织变化（1）观色法：此法立足足于不同性性质的烧伤伤组织具有有不同的光光学性质（（反射、干干涉等），，因而会在在工件表面面上呈现出出不同的色色彩。人们们根据烧伤伤表面上看看到的黄、、褐、紫、、青等烧伤伤颜色，便便可鉴别它它属于哪一一类烧伤。。用观色法法所能鉴别别的烧伤，，其温度多多在500℃℃以上上。。（2）酸酸洗洗法法：：将已已加加工工完完的的工工件件表表面面在在3%～5%的硝硝酸酸溶溶液液中中浸浸洗洗30～40s后取取出出，，在在灯灯光光下下观观察察，，如如果果表表面面呈呈暗暗灰灰色色则则可可判判断断工工件件表表面面上上无无烧烧伤伤，，如如果果表表面面呈呈黑黑色色则则说说明明工工件件已已经经烧烧伤伤。。（3）金金相相组组织织法法：：通过过一一定定的的方方法法观观察察和和检检查查表表层层金金属属金金相相组组织织的的变变化化来来评评定定烧烧伤伤的的情情况况。。（4）显显微微硬硬度度法法：：不同同性性质质的的烧烧伤伤具具有有不不同同性性质质的的显显微微硬硬度度分分布布。。金相相组组织织法法磨削削烧烧伤伤检检测测仪仪磁弹弹仪仪利利用用巴巴克克豪豪森森效效应应检检测测表表面面磨磨削削缺缺陷陷和和热热处处理理烧烧伤伤1)砂轮轮转转速速↑↑→→磨削削烧烧伤伤↑↑2)径向向进进给给量量fp↑→→磨削削烧烧伤伤↑↑3)轴向向进进给给量量fa↑→→磨削削烧烧伤伤↓↓4)工件件速速度度vw↑→→磨磨削削烧烧伤伤↓↓1)磨削削时时，，砂砂轮轮表表面面上上磨磨粒粒的的切切削削刃刃口口锋锋利利↑↑→→磨磨削削力力↓↓→→磨磨削削区区的的温温度度↓↓2)磨削削导导热热性性差差的的材材料料(耐热热钢钢、、轴轴承承钢钢、、不不锈锈钢钢)↓↓→→磨削削烧烧伤伤↑↑3)应合合理理选选择择砂砂轮轮的的硬硬度度、、结结合合剂剂和和组组织织→→磨磨削削烧烧伤伤↓↓磨削削用用量量砂轮轮与与工件件材材料料4.改善善加加工工表表面面金金相相组组织织的的工工艺艺途途径径

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.2表面面层层金金属属的的金金相相组组织织变变化化采用用内内冷冷却却法法→→磨磨削削烧烧伤伤↓↓改善善冷冷却却条条件件内冷冷却却装装置置1－锥锥形形盖盖2－通通道道孔孔3－砂砂轮轮中中心心孔孔4－有有径径向向小小孔孔的的薄薄壁壁套套4.改善善加加工工表表面面金金相相组组织织的的工工艺艺途途径径

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.2表面面层层金金属属的的金金相相组组织织变变化化间断断磨磨削削→→受受热热↓↓→→磨磨削削烧烧伤伤↓↓采用用开开槽槽砂砂轮轮开槽槽砂砂轮轮4.改善善加加工工表表面面金金相相组组织织的的工工艺艺途途径径

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.2表面面层层金金属属的的金金相相组组织织变变化化1.残余余应应力力的的定定义义定义：机机械加加工中工工件表面面层组织织发生变变化时，，在表面面层及其其与基体体材料的的交界处处会产生生互相平平衡的弹弹性力，，这种应应力即为为表面层层的残余应力力。

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.3表面层金金属的残残余应力力冷塑性变变形工件表面面受到挤挤压与摩摩擦，表表层产生生伸长塑塑变，基基体仍处于于弹性变变形状态态。切削削后，表表层产生生残余压压应力，而而在里层层产生残残余拉伸伸应力。。热塑性变变形表层产生生残余拉拉应力，，里层产产生产生生残余压压应力金相组织织变化切削过程程产生的的高温会会引起表表面层的的相变，，表面层层金相变化化的结果果会造成成体积的的变化。。表面层层体积膨膨胀时因受到到基体的的限制产产生拉应应力；反反之，产产生压应应力。2.表面层残残余应力力产生的的原因

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.3表面层金金属的残残余应力力切削热在在表层金金属产生生残余拉拉应力的的示意图图

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.3表面层金金属的残残余应力力磨削裂纹纹和残余余应力有有着十分分密切的的关系。。在磨削过过程中，，当工件件表面层层产生的的残余应应力超过过工件材材料的强强度极限限时，工工件表面面就会产产生裂纹纹。磨削裂纹纹常与烧烧伤同时时出现。。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。。磨削合合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。。3.磨削裂纹纹

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.3表面层金金属的残残余应力力机械加工工后工件件表面层层的残余余应力是是冷态塑塑性变形形、热态态塑性变变形和金金相组织织变化的的综合结结果。切切削加工工时起主主要作用用的往往往是冷态态塑性变变形，表表面层常常产生残残余压缩缩应力。。磨削加加工时起起主要作作用的通通常是热热态塑性性变形或或金相组组织变化化引起的的体积变变化，表表面层常常产生残残余拉伸伸应力。。4.影响表面面残余应应力的主主要因素素

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.3表面层金金属的残残余应力力

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.4表面层强强化工艺艺这里所说说的表面面强化工工艺是指指通过冷压压加工方方法使表表面层金金属发生生冷态塑塑性变形形，以降降低表面面粗糙度度，提高高表面硬硬度，并并在表面面层产生生残余压压应力。。至于表面面镀铬，，以及其其他表面面化学热热处理等等强化工工艺，不不属于本本课程的的研究范范围，这这里不做做介绍。。

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.4表面层强强化工艺艺常用的冷冷压强化化工艺方方法

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影响表层力学物理性能的工艺因素及其改进的工艺措施5.3.4表面层强强化工艺艺典型的滚滚柱滚压压加工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：一是减少少磨削热热的发生生，二是是加速磨磨削热的的传出。。提高表面面质量的的工艺途途径大致致可以分分为两类类：一类类是用低低效率、、高成本本的加工工方法，，寻求各各工艺参参数的优优化组合合，以减小表面面粗糙度度；另一类类是着重重改善工工件表面面的物理理力学性性能，以以提高其表表面质量量。

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控制加工表面质量的途径为了获得得要求的的表面质质量，就就必须对对加工方方法、切切削参数数进行适适当的控控制。控控制表面面质量常常会增加加加工成成本，影影响加工工效率，，所以对对于一般般零件宜宜采用正正常的加加工工艺艺保证表表面质量量，就不不必再提提出过高高要求。。而对于于一些直直接影响响产品性性能、寿寿命和安安全工作作的重要要零件的的重要表表面，就就有必要要加以控控制了。。以磨削削为例例，生生产中中比较较可行行的办办法是是通过过试验验来确确定磨磨削参参数：：先按按初步步选定定的磨磨削参参数试试磨，，检查查工件件表面面热损损伤情情况，，据此此调整整磨削削参数数直至至最后后确定定下来来。另另一种种方法法是在在磨削削过程程中连连续测测量磨磨削区区温度度，然然后控控制磨磨削参参数。。5.4.1控制加加工工工艺参参数

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控制加工表面质量的途径超精加加工、、珩磨磨等都都是利利用磨磨条以以一定定的压压力压压在工工件的的被加加工表表面上上，并并做相相对运运动以以降低低工件件表面面粗糙糙度和和提高高精度度的工工艺方方法，，一般般用于于粗糙糙度为为Ra<0.1μμm表表面的的加工工。由由于切切削速速度低低、磨磨削压压强小小，所所以加加工时时产生生很少少热量量，不不会产产生热热损伤伤，并并在工工件表表面层层产生生残余余压应应力。。如果果加工工余量量合适适，还还可以以去除除磨削削加工工的变变质层层。采用超超精加加工、、珩磨磨工艺艺虽然然比直直接采采用精精磨达达到要要求的的粗糙糙度要要多增增加一一道工工序，，但由由于这这些加加工方方法都都是靠靠加工工表面面自身身定位位进行行加工工的，，所以以机床床结构构简单单，精精度要要求不不高，，而且且大多多设计计成多多工位位机床床，并并能进进行多多机操操作，，所以以生产产效率率较高高，加加工成成本较较低。。5.4.2采用适适当的的精加加工与与光整整加工工方法法作为为终加加工工工序

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控制加工表面质量的途径对于承承受高高应力力、交交变载载荷的的零件件，可可以采采用喷喷丸、、滚压压、辗辗光等等表面面强化化工艺艺使表表面层层产生生残余余压应应力和和冷作作硬化化并降降低表表面粗粗糙度度，同同时消消除磨磨削等等工序序的残残余拉拉应力力，因因此可可大大大提高高疲劳劳强度度及抗抗应力力腐蚀蚀性能能。借借助强强化工工艺还还可以以用次次等材材料替替代优优质材材料，，以节节约贵贵重材材料。。但是采采用强强化工工艺时时应注注意不不要造造成过过度硬硬化，，过度度硬化化会使使表面面层完完全失失去塑塑性性性质甚甚至引引起显显微裂裂纹和和材料料剥落落，带带来不不良的的后果果。因因此，，采用用强化化工艺艺必须须控制制好工工艺参参数以以获得得要求求的强强化表表面。。5.4.3采用表表面强强化工工艺

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控制加工表面质量的途径1.表面粗粗糙度度的测测定（（比较较法，，光切切法，，干涉涉法，，针描描法））2.冷作硬硬化的的测定定1）金相相法将试件件的侧侧面制制成金金相磨磨片，，腐蚀蚀后放放大200—1000倍，即即可从从其金金相组组织判判断硬硬化深深度及及程度度。2）X光法将一束束X光线照照射在在金属属上,射线将将在晶晶胞中中反射射出来来，在在光谱谱上得得出许许多成成虚线线的干干涉圈圈。如如果晶晶粒破破碎或或晶格格扭曲曲变形形时，，则干干涉圈圈变成成实线线；如如果晶晶格参参数有有变化化，则则干干涉圈圈将产产生位位移，，同时时强度度减弱弱，可可用胶胶片记记录其其结果果。利利用这这一原原理，，先照照出试试件基基体X光谱，，与加加工层层的X光谱比比较，，用机机械抛抛光或或电抛抛光逐逐次去去掉加加工层层，将将所照照X光谱比比较之之，直直至与与基体体一致致，即即可从从机械械抛光光等去去掉的的厚度度得到到硬化化深度度。5.4.4表面质质量的的检查查

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控制加工表面质量的途径2.冷作硬硬化的的测定定3）测量量显微微硬度度法a、HV值法：：用机机械抛抛光或或电抛抛光逐逐层去去除冷冷硬层层，测测量其其显微微硬度度，直直至与与基体体相同同为止止，从从去除除的厚厚度可可得到到硬化化深度度。b、硬硬化化层深深度h：在试试件的的侧面面磨出出金相相磨片片，从从外向向内打打显微微硬度度，从从其硬硬度变变化得得知硬硬化深深度，，如果果硬化化层很很薄，，则这这种方方法不不行。。c、当当硬硬化层层很薄薄时，，可在在斜切切面上上测量量显微微硬度度。一一般斜斜切角角ε=0o30’’～2o30’’，h=Isinεε，要注注意斜斜切方方向应应在纵纵向粗粗糙度度上，，即与与主运运动方方向平平行，，斜切切加工工要用用研磨磨、电电加工工等方方法，，避免免在斜斜切面面上产产生加加工硬硬化而而影响响测量量效果果。5.4.4表面质质量的的检查查

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控制加工表面质量的途径2.冷作硬硬化的的测定定4）脆性性涂料料法5）激光全息息法6）再结晶法法5.4.4表面质量的的检查

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控制加工表面质量的途径3.金相组织变变化的测定定(1)氧化膜法磨削烧伤时时，表面形形成氧化膜膜，随着烧烧伤时的温温不同，呈呈现不同颜颜色，从而而可看出其其烧程度。。(2)显微硬度法法由于磨削烧烧伤时表层层的显微硬硬度有变化化，故可从从显微硬度度来测定烧烧伤的程度度和深度。。具体方法法同上。(3)金相组织法法同上(4)酸洗法将工件加工工面浸泡在在硝酸溶液液（3～5%HNO3）中30～45s后，如表面面呈黑色则则有烧伤，，呈暗灰色色则无烧伤伤。5.4.4表面质量的的检查

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控制加工表面质量的途径4.残余应力的的测定（1）物理化学学法将有残余应应力的试件件放人相应应的腐蚀剂剂中，表面面就会产生生裂纹。从从裂纹的方方向可以判判断残余应应力的性质质，纵向裂裂纹是由切切向应力引引起的，横横向裂纹是是由轴向拉拉应力引起起的。从裂裂纹出现的的时间，可可定性的估估计残余应应力的大小小。裂纹出出现愈快，，残余应力力愈大。所用腐蚀剂剂，对钢来来说是弱碱碱溶液，对对黄铜、锡锡青铜来说说是铵、汞汞盐。5.4.4表面质量的的检查

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控制加工表面质量的途径4.残余应力的的测定（2）光谱法在试件上放放一张银箔箔并照下X光谱图，得得到一系列列虚线的干干涉圈，并并将它作为为比较干涉涉线位移、、亮度、粗粗细的标准准。在试件件上照下光光谱图，与与银箔X光谱图进行行比较：1）干涉线由由虚线变为为实线；工工件由于受受力、热作作用产生塑塑性变形的的整体内应应力。2）干涉线冲冲散，线条条好象变粗粗；由于多多晶体金属属晶粒变形形产生的残残余应力。。3）干涉线变变暗；由于于工件冷作作硬化产生生的残余应应力。4）干涉线变变暗变宽而而旁有麻点点，上述三三种应力都都存在。5.4.4表面质量的的检查

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控制加工表面质量的途径4.残余应力的的测定（3）机械法这种方法的的原理是根根据变形量量来计算残残余应力的的大小，只只能测量第第一类残余余应力，是是实验室常常用的定量量测试方法法。具体实实验原理见见材料力学学有关知识识。5.4.4表面质量的的检查

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控制加工表面质量的途径5.裂纹的测定定如果表面经经过精加工工，可能用用肉眼就能能发现，也也可用渗透透法看出。。内在的裂裂纹可以用用磁力探伤伤、超声波波探伤或发发声装置等等来检查。。（1）磷粉探探伤（2）超声波探探伤（3）涡流探伤伤法（4）声发射检检测（5）显微分析析法5.4.4表面质量的的检查5.4控制加工表表面质量的的途径机械加工过过程中产生生的振动，，也和其它它的机械振振动一样，，按其产生生的原因可可分为自由振动、强迫振动和自激振动三大类。振动会在工工件加工表表面出现振振纹，降低低了工件的的加工精度度和表面质质量；振动会引起起刀具崩刃刃打刀现象象并加速刀刀具或砂轮轮的磨损；；振动使机床床连接部分分松动，影影响运动副副的工作性性能，并导导致机床丧丧失精度；；强烈的振动动及伴随而而来的噪声声，还会污污染环境，，危害操作作者的身心心健康。为为减小加工工过程中的的振动，有有时不得不不降低切削削用量，使使机械加工工生产率降降低。5.5.1机械加工中中的振动及及其分类5.5机械加工中中的振动及及其控制措措施机械加工振振动自激振动自由振动强迫振动当系统受到到初始干扰扰力激励破破坏了其平衡状态后后，系统仅仅靠弹性恢恢复力来维持的振动动称为自由由振动。由由于总存在阻尼，自自由振动将将逐渐衰减减。(占5%)系统在周期期性激振力力(干扰力)持续作用下产生的振振动，称为为强迫振动动。强迫振动的稳态态过程是谐谐振动，只只要有激振力存在振振动系统就就不会被阻阻尼衰减掉。(占30%)在没有周期期性干扰力力作用的情情况下，由振动系统统本身产生生的交变力力所激发和维持的振振动，称为为自激振动动。切削过程中产生生的自激振振动也称为为颤振。(占65%)

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机械加工中的振动及其控制措施5.5.1机械加工中中的振动及及其分类按工艺系统统的自由度度数量分：：单自由度系系统振动：：用一个独独立坐标就就可以确定定的振动；；多自由度系系统振动：：用多个独独立坐标才才能确定的的振动；5.5.1机械加工中的的振动及其分分类

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机械加工中的振动及其控制措施强迫振动的振振源有来自机机床内部的机内振源和来自机床外外部的机外振源两大类。机外外振源甚多，，但它们都是是通过地基传传给机床的，，可通过加设设隔振地基来来隔离。强迫振动的振源系统外部的周周期性干扰力力旋转零件的质质量偏心传动机构的缺缺陷切削过程的间间隙特性机床电机的振振动机床高速旋转转件不平衡引引起的振动机床传动机构构缺陷引起的的振动，如齿齿轮的侧隙、、皮带张紧力力的变化等切削过程中的的冲击引起的的振动往复运动部件件的惯性力引引起的振动5.5.2机械加工中的的强迫振动及及其控制措施施

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机械加工中的振动及其控制措施内圆磨削振动动系统a)模型示意图b）动力学模型型c）受力图1、动力学模型型的建立5.5.2机械加工中的的强迫振动及及其控制措施施

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机械加工中的振动及其控制措施1、动力学模型型的建立几点假设：1）（a）只有质量、、没有弹性的的集中质量，，（b）只有弹性、、没有质量的的集中弹簧；；2）阻尼力在线线性范围内，，即：3）系统在平衡衡位置附近作作微小的振动动。5.5.2机械加工中的的强迫振动及及其控制措施施

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机械加工中的振动及其控制措施根据牛顿运动动规律建立微微分方程：式中α—衰减系数，ω0—系统无阻尼振振动时的固有有频率，ω—激振力频率该式是一个二二阶常系数线线性非齐次微微分方程。根根据微分方程理论，当当系统为小阻阻尼时，它的的解由令而得到的齐次方程的通通解和非齐次次方程的一个个特解组成：：1、动力学模型型的建立5.5.2机械加工中的的强迫振动及及其控制措施施

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机械加工中的振动及其控制措施(a)(b)(c)等式右边第一一项表示具有有粘性阻尼的的自由振动，，如(a)所示；第二项项表示有阻尼尼的强迫振动动，如(b)所示；二者叠叠加后的振动动过程如图(c)所示。经过一一段时间后，，衰减振动会会很快衰减掉掉了，而强迫迫振动则持续续下去，形成成振动的稳态态过程。5.5.2机械加工中的的强迫振动及及其控制措施施

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机械加工中的振动及其控制措施进入稳态后的的振动方程(即特解)为：式中A—强迫振动的幅幅值；φ—振动体位移相相对于激振力力的相位角；；t—时间其中强迫振动动的振幅为：：相位角为：1、动力学模型型的建立5.5.2机械加工中的的强迫振动及及其控制措施施

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机械加工中的振动及其控制措施式中f—f=F0/m；A0—系统在静力F0作用下的静位位移(m)k—系统的静刚度度(N/m)；λ—频率比，λ＝ω/ω0ζ—阻尼比，δc—临界阻尼系数数，1、动力学模型型的建立5.5.2机械加工中的的强迫振动及及其控制措施施

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机械加工中的振动及其控制措施1）强迫振动是是由周期性激激振力引起的的，不会被阻阻尼衰减掉，，振动本身也也不能使激振振力变化。2）强迫振动的的振动频率与与外界激振力力的频率相同同，而与系统统的固有频率率无关。3）强迫振动的的幅值既与激激振力的幅值值有关，又与与工艺系统的的特性有关。。①激振力的的影响：A0=F0/k2、强迫振动的的特征5.5.2机械加工中的的强迫振动及及其控制措施施

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机械加工中的振动及其控制措施Ⅰ）当λ→0时，η→1，λ<0.6~0.7，准静态区，，在该区增加加系统静刚度度，可减小振振动。Ⅱ）当λ→1时，η会急剧增大，，此现象称为为共振，0.7<λ<1.4的区域称为共共振区，在该该区增大阻尼尼→共振↓Ⅲ）当λ>>1时，η→0，λ>1.4区域称为惯性性区，在该区区增加振动体体的质量，可可减小振动振振幅。②频率比λ的影响动态放大系数数：2、强迫振动的的特征5.5.2机械加工中的的强迫振动及及其控制措施施

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机械加工中的振动及其控制措施幅—频曲线2、强迫振动的的特征5.5.2机械加工中的的强迫振动及及其控制措施施

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机械加工中的振动及其控制措施静刚度度k=F0/A0是工艺艺系统统本身身的属属性，，在线线性范范围内内，可可以认认为它它与外外载荷荷无关关，动动刚度度kd除与k成正比比外，，还与与系统统阻尼尼、频频率比比λ和阻尼尼比ζ有关。。静刚刚度影影响工工件的的几何何形状状及尺尺寸精精度，，动刚刚度影影响工工件的的表面面粗糙糙度。。3、振动动系统统的动动刚度度当系统统在周周期性性动载载荷作作用下下，交交变力力的幅幅值与与振幅幅（动动态位位移））之比比称为为系统统的动动刚度度。即即：5.5.2机械加加工中中的强强迫振振动及及其控控制措措施

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机械加工中的振动及其控制措施5.5.2机械加加工中中的强强迫振振动及及其控控制措措施减小强强迫振振动的的措施施减小激激振力力调整振振源频频率提高工工艺系系统的的刚度度和阻阻尼采取隔隔振措措施采用减减振装装置。。

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机械加工中