机械加工表面质量 四

第八章机械加工表面质量保证机器的使用性能和延长使用寿命，需提高机器零件的耐磨性、疲劳强度、抗蚀性、密封性、接触刚度等性能，主要取决于零件的表面质量。机械加工表面质量是机械零件加工质量的一个重要指标。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。旨在研究零件表面层在加工中的变化和机理，掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量的影响规律，控制加工中的各种影响因素，以满足表面质量的要求。主要讨论机械加工表面质量的含义、表面质量对使用性能的影响、表面质量产生的机理等。对生产现场中发生的表面质量问题从理论上作出解释，提出提高机械加工表面质量的途径。本章提要表面质量的含义表面质量是指机器零件加工后表面层的状态。有两部分：⑴表面层的几何形状表面粗糙度：是指表面微观几何形状误差，其波高与波长的比值在L1/H1＜40的范围内。表面波度：

是介于加工精度（宏观几何形状误差L3/H3＞1000）和表面粗糙度之间的一种带有周期性的几何形状误差，其波高与波长的比值在40≤L2/H2≤1000的范围。机械加工后的表面质量图8.1表面几何形状⑵表面层的物理机械性能表面层冷作硬化（简称冷硬）：零件在机械加工中表面层金属产生强烈的冷态塑性变形后，引起的强度和硬度都有所提高的现象。表面层金相组织的变化：由于切削热引起工件表面温升过高，表面层金属发生金相组织变化的现象。表面层残余应力：由于加工过程中切削变形和切削热的影响，工件表面层产生残余应力。机械加工后的表面质量表面质量对零件使用性能的影响对零件耐磨性的影响在摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件已经确定的情况下，零件的表面质量对耐磨性能起决定性的作用。两个表面粗糙度值很大的零件接触，最初接触的只是一些凸峰顶部，实际接触面积比名义接触面积小得多，这样单位接触面积上的压力就很大，当压力超过材料的屈服极限时，凸峰部分产生塑性变形；当两个零件作相对运动时，就会产生剪切、凸峰断裂或塑性滑移，初期磨损速度很快。机械加工后的表面质量图8.2表面粗糙度与初期磨损量关系曲线存在最佳点，对应零件最耐磨的粗糙度，此时零件的初期磨损量最小。若载荷加重或润滑条件恶化，磨损曲线将向上向右移动，最佳粗糙度值也随之右移。在表面粗糙度大于最佳值时，减小表面粗糙度值可减少初期磨损量。但当表面粗糙度小于最佳值时，零件实际接触面积就增大，接触面积之间的润滑油被挤出，金属表面直接接触，因金属分子间的亲和力而发生粘结（称为冷焊），随着相对运动的进行，粘结处在剪切力的作用下发生撕裂破坏。有时还由于摩擦产生的高温，使摩擦面局部熔化（称为热焊）等原因，使接触表面遭到破坏，初期磨损量反而急剧增加。一对摩擦副在一定的工作条件下通常有一最佳粗糙度值，在确定机器零件的技术条件时应该根据零件工作的情况及有关经验，规定合理的粗糙度。机械加工后的表面质量图8.3表示两个不同零件的表面，粗糙度值相同，但轮廓形状不同，其耐磨性相差可达3~4倍。试验表明，耐磨性决定于轮廓峰顶形状和凹谷形状。前者决定干摩擦时的实际接触面积，后者决定润滑摩擦时的容油情况。图8.4为两摩擦表面粗糙度纹路方向对零件耐磨性的影响。表面粗糙度对耐磨性能的影响，还与粗糙度的轮廓形状及纹路方向有关。机械加工后的表面质量表面层的冷硬可显著地减少零件的磨损。原因：冷硬提高了表面接触点处的屈服强度，减少了进一步塑性变形的可能性，并减少了摩擦表面金属的冷焊现象。但如果表面硬化过度，零件心部和表面层硬度差过大，会发生表面层剥落现象，使磨损加剧。表面层产生金相组织变化时，由于改变了基体材料原来的硬度，因而也直接影响其耐磨性。机械加工后的表面质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。。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时表表面粗糙度的的形成，大致致可归纳为三三方面的原因因：几何因素物理因素工艺系统的振振动机械加工后的的表面粗糙度度几何因素由刀具相对于于工件作进给给运动时在加加工表面上遗遗留下来的切切削层残留面面积（图8.5）。理论上的的最大粗糙度度Rmax可由刀具形状状、进给量f，按几何关关系求得。当当不考虑刀尖尖圆弧半径时时：当背吃刀量和和进给量很小小时，粗糙度度主要由刀尖尖圆弧构成：：机械加工后的的表面粗糙度度图8.5切切削层层残留面积机械加工后的的表面粗糙度度物理因素由图知，实际际粗糙度与理理论粗糙度差差别较大。主要是与被加加工材料的性性能及切削机机理有关的物物理因素的影影响。切削过过程中刀具的的刃口圆角及及后刀面对工工件挤压与摩摩擦而产生塑塑性变形。韧韧性越好的材材料塑性变形形越大，且容容易出现积屑屑瘤与鳞刺，，使粗糙度严严重恶化。还有切削用量量、冷却润滑滑液和刀具材材料等因素影影响。图8.6塑塑性材料加加工后表面的的实际轮廓和和理论轮廓机械加工后的的表面粗糙度度磨削加工后的的表面粗糙度度影响因素可归归纳为三方面面：与磨削过程和和砂轮结构有有关的几何因因素与磨削过程和和被加工材料料塑性变形有有关的物理因因素工艺系统的振振动因素机械加工后的的表面粗糙度度磨削加工后的的表面粗糙度度从几何因素看看，砂轮上磨磨粒的微刃形形状和分布对对于磨削后的的表面粗糙度度是有影响的的。磨削表面面是由砂轮上上大量的磨粒粒刻划出无数数极细的构槽槽形成的，每每单位面积上上刻痕越多，，即通过每单单位面积的磨磨粒数越多，，以及刻痕的的等高性能好好，粗糙度也也就越低。从物理因素看看，大多数磨磨粒只有滑擦擦、耕犁作用用。在滑擦作作用下，被加加工表面只有有弹性变形，，不产生切屑屑；在耕犁作作用下，磨粒粒在工件表面面上刻划出一一条沟痕，工工件材料被挤挤向两边产生生隆起，此时时产生塑性变变形但仍不产产生切屑。磨磨削量是经过过很多后继磨磨粒的多次挤挤压因疲劳而而断裂、脱落落，所以加工工表面的塑性性变形很大，，表面粗糙度度值越大。机械加工后的的表面粗糙度度磨削加工后的的表面粗糙度度为了降低表面面粗糙度值，，应考虑以下下主要影响因因素：①砂轮的粒度度砂轮的粒度愈愈细，则砂轮轮单位面积上上的磨粒数愈愈多，在工件件上的刻痕也也愈密而细，，所以粗糙度度值愈低。②砂轮的修整整砂轮的修整质质量越高，砂砂轮工作表面面上的等高微微刃（图8.7）就越多，因而而磨出的工件件表面粗糙度度值也就愈低低。图8.7磨磨粒上的微微刃机械加工后的的表面粗糙度度磨削加工后的的表面粗糙度度③砂轮速度提高砂轮速度度可以增加单单位时间内工工件单位面积积上的刻痕数数，同时塑性性变形造成的的隆起量随着着砂轮速度的的增大而下降降，原因是高高速下塑性变变形的传播速速度小于磨削削速度，材料料来不及变形形，因而粗糙糙度可以显著著降低。④工件速度工件速度越大大，单个磨粒粒的磨削厚度度就越大，单单位时间内磨磨削工件表面面的磨粒数减减少，表面粗粗糙度值增大大。机械加工后的的表面粗糙度度磨削加工后的的表面粗糙度度⑤径向进给量量增大磨削径向向进给量将增增加塑性变形形的程度从而而增大粗糙度度。通常在磨磨削过程开始始时采用较大大的径向进给给量，以提高高生产率，而而在最后采用用小径向进给给量或无径向向进给量磨削削，以降低粗粗糙度值。⑥轴向进给量量磨削时采用较较小的轴向进进给量，则磨磨削后表面粗粗糙度较低。。机械加工后的的表面粗糙度度磨削加工后的的表面粗糙度度另外，引起磨磨削表面粗糙糙度增大的主主要原因还往往往是工艺系统的振振动所致。增加工艺系统统刚度和阻尼尼，做好砂轮轮的动平衡以以及合理地修修整砂轮可显著降低粗粗糙度。机械加工后的的表面粗糙度度机械加工后表表面层的冷作作硬化切削或磨削加加工时，表面面层金属由于于塑性变形使使晶体间产生生剪切滑移，，晶格发生拉拉长、扭曲和和破碎而得到到强化。冷作硬化的特特点：变形抵抗力提提高（屈服点点提高），塑塑性降低（相相对延伸率降降低）。冷硬的指标:通常用冷硬层层的深度h、、表面层的显显微硬度H以以及硬化程度度N来表示（（图8.8），其中N=H/H0，H0为原来的显微微硬度。冷作硬化产生生的原因机械加工后的的表面层物理理机械性能图8.8切切削加工后后表面层的冷冷硬机械加工后的的表面层物理理机械性能表面层冷作硬硬化的程度决决定于产生塑塑性变形的力力、变形速度度及变形时的的温度。力越大，塑性性变形越大，，则硬化程度度越大；速度越大，塑塑性变形越不不充分，则硬硬化程度越小小；变形时的温度度不仅影响塑塑性变形程度度，还会影响响变形后金相相组织的恢复复程度。冷作硬化产生生的原因机械加工后的的表面层物理理机械性能切削加工时表表面层的硬化化可能有两种种情况：完全强化此时出现晶格格歪扭以及纤纤维结构和变变形层物理机机械性质的改改变；不完全强化若温度超过（（0.25~0.30））T熔（熔化绝对温温度），则除除了强化现象象外，同时还还有回复现象象，此时歪扭扭的晶格局部部得到恢复，，减低了冷硬硬作用；如果果温度超过0.30T熔熔就会发生金金属再结晶，，此时由于强强化而改变了了的表面层物物理机械性能能几乎可以完完全恢复。冷作硬化产生生的原因机械加工后的的表面层物理理机械性能机械加工时表表面层的冷作作硬化就是强化作用和回回复作用的综综合结果。切削温度越高高、高温持续续时间越长、、强化程度越越大，则回复复作用也就越越强。因此对高温下下工作的零件件，能保证疲疲劳强度的最最佳表面层是是没有冷硬层层或者只有极极小（10~20μm））冷作硬化的的表面层。冷作硬化产生生的原因机械加工后的的表面层物理理机械性能①刀具刀具的切削刃刃口圆角和后后刀面的磨损损量对于冷硬硬层有很大的的影响，此两两值增大时，，冷硬层深度度和硬度也随随之增大。前前角减少时，，冷硬也增大大。②被加工材料料被加工材料硬硬度愈低、塑塑性愈大，切切削后的冷硬硬现象愈严重重。影响冷作硬化化的主要因素素机械加工后的的表面层物理理机械性能③切削用量切削速度增大大时，刀具与与工件接触时时间短，塑性性变形程度减减少，同时会会使温度增高高，有助于冷冷硬的回复，，所以硬化层层深度和硬度度都有所减少少。进给量增大时时，切削力增增大，塑性变变形程度也增增大，因此硬硬化现象增大大。但在进给给量较小时，，由于刀具的的刃口圆角在在加工表面单单位长度上的的挤压次数增增多，因此硬硬化倾向也会会增大。径向向进给量增大大时，冷硬层层深度也有所所增大，但其其影响程度不不显著。影响冷作硬化化的主要因素素机械加工后的的表面层物理理机械性能机械加工后表表面层金相组组织的变化磨削加工时切切削力比其它它加工方法大大数十倍，切切削速度也非非常高，所以以功率消耗远远远大于其它它切削方法。。由于砂轮导热热性差、切屑屑数量少，磨磨削过程中能能量转化的热热大部分都传传给了工件。。磨削时，在在很短的时间间内磨削区温温度可上升到到400~1000ºC，甚至更高高。这样大的加热热速度，促使使加工表面局局部形成瞬时时热聚集现象象，有很高温温升和很大的的温度梯度，，出现金相组组织的变化，，强度和硬度度下降，产生生残余应力，，甚至引起裂裂纹，这就是是磨削烧伤现象象。金相组织变化化的原因机械加工后的的表面层物理理机械性能磨削淬火钢时时，由于磨削削烧伤，工件件表面产生氧氧化膜并呈现现出黄、褐、、紫、青、灰灰等不同颜色色，相当于钢钢的回火色。。不同的烧伤伤色表示受受到不同温温度的作用用与产生不不同的烧伤伤深度。有有时表面虽虽看不出变变色，但并并不等于表表面未受热热损伤。例如在磨削削过程中由由于采用过过大的磨削削用量，造造成了很深深的烧伤层层，以后的的无进给磨磨削中磨去去了表面的的烧伤色，，而未能除除去烧伤层层，则留在在工件上的的烧伤层就就会成为使使用中的隐隐患。金相组织变变化的原因因机械加工后后的表面层层物理机械械性能磨削淬火钢钢时表面层层产生的烧烧伤有以下下三种：①回火烧伤伤磨削区温度度超过马氏氏体转变温温度而未超超过相变温温度，则工工件表面原原来的马氏氏体组织将将产生回火火现象，转转化成硬度度降低的回回火组织———索氏体体或屈氏体体；②淬火烧伤伤磨削区温度度超过相变变温度，马马氏体转变变为奥氏体体，由于冷冷却液的急急冷作用，，表层会出出现二次淬淬火马氏体体，硬度较较原来的回回火马氏体体高，而它它的下层则则因为冷却却缓慢成为为硬度降低低的回火组组织。③退火烧伤伤不同冷却液液进行干磨磨削时，磨磨削区温度度超过相变变温度，马马氏体转变变为奥氏体体，因工件件冷却缓慢慢，则表层层硬度急剧剧下降，这这时工件表表层被退火火。金相组织变变化的原因因机械加工后后的表面层层物理机械械性能影响磨削加加工时金相相组织变化化的因素有有:工件材料磨削温度温度梯度冷却速度等等。影响磨削加加工时金相相组织变化化的因素机械加工后后的表面层层物理机械械性能工件材料为为低碳钢时不会发生生相变；高合金钢如轴承钢、、高速钢、、镍铬钢等等传热性特特别差，在在冷却不充充分时易出出现磨削烧烧伤。未淬火钢为扩散度低低的珠光体体，磨削时时间短时不不会发生金金相组织的的变化；淬火钢极易相变。。影响磨削加加工时金相相组织变化化的因素机械加工后后的表面层层物理机械械性能图8.9磨磨削高高碳淬火钢钢时表面的的硬度分布布机械加工后后的表面层层物理机械械性能当磨削深度度小于10μm时，，由于温度度的影响使使表面层的的回火马氏氏体产生弱弱化，并与与塑性变形形产生的冷冷作硬化现现象综合而而产生了比比基体硬度度低的部分分，而表面面的里层由由于磨削加加工中的冷冷作硬化起起了主导作作用而又产产生了比基基体硬度高高的部分。。当磨削深度度为20~30μm时，冷作作硬化的影影响减少，，磨削温度度起了主导导作用。由由于磨削区区温度高于马氏体体转变温度度，低于相变变温度而使使表面层马马氏体回火火产生回火火烧伤。当磨削深度度增大至50μm时时，磨削区区最高温度度超过了相变临界温温度，急冷时产产生淬火烧烧伤，而再再往里层则则硬度又逐逐渐升高直直至未受热热影响的基基体组织。。影响磨削加加工时金相相组织变化化的因素机械加工后后的表面层层物理机械械性能机械加工后后表面层的的残余应力力在机械加工工中，工件件表面层金金属相对基基体金属发发生形状、、体积的变变化或金相相组织变化化时，工件件表面层中中将残留相相互平衡的的残余应力力。产生表表面层残余余应力的原原因：⑴冷态塑性性变形机械加工时时，表层金金属产生强强烈的塑性性变形。沿沿切削速度度方向表面面产生拉伸伸变形，晶晶粒被拉长长，金属密密度会下降降，即比容容增大，而而里层材料料则阻碍这这种变形，，因而在表表面层产生生残余压应应力，在里里层则产生生残余拉应应力。残余应力产产生的原因因机械加工后后的表面层层物理机械械性能⑵热态塑性性变形机械加工时时，切削或或磨削热使使工件表面面局部温升升过高，引引起高温塑性变变形。图8.10为因加加工温度而而引起残余余应力的示示意图。第1层温度度在塑性温温度以上，，产生热塑塑变形，故故没有应力力；第2层层温度在塑塑性温度与与室温之间间，只产生生弹性热膨膨胀，膨胀胀受到第3层的阻碍碍，产生压压应力；第第3层处在在室温的冷冷态层不产产生热变形形，产生拉拉应力。开开始冷却时时，当第1层冷到塑塑性温度以以下，体积积收缩，但但第2层阻阻碍其收缩缩，第1层层中产生拉拉应力，第第2层中的的压应力增增加。而由由于第2层层的冷却收收缩，第3层中的拉拉应力有所所减小。最最后冷却时时，第1层层继续收缩缩，拉应力力进一步增增大，而第第2层热膨膨胀全部消消失，完全全由第1层层的收缩而而形成一个个不大的压压应力，第第3层拉应应力消失，，而与第2层一起受受第1层的的影响，也也形成一个个不大的压压应力。残余余应应力力产产生生的的原原因因机械械加加工工后后的的表表面面层层物物理理机机械械性性能能机械械加加工工后后的的表表面面层层物物理理机机械械性性能能⑶金金相相组组织织变变化化切削削时时产产生生的的高高温温会会引引起起表表面面的的相相变变。。由于于不不同同的的金金相相组组织织有有不不同同的的比比容容，，表表面面层层金金相相变变化化的的结结果果将将造造成成体体积积的的变变化化。。表面面层层体体积积膨膨胀胀时时，，因因为为受受到到基基体体的的限限制制，，产产生生了了压压应应力力；；反反之之产产生生拉拉应应力力。。残余余应应力力产产生生的的原原因因机械械加加工工后后的的表表面面层层物物理理机机械械性性能能实际际机机械械加加工工后后的的表表面面层层残残余余应应力力及及其其分分布布，，是是上上述述三方方面面因因素素综综合合作作用用的的结结果果，在在一一定定条条件件下下，，其其中中某某一一或或二二种种因因素素可可能能起起主主导导作作用用。。例如如：：切切削削时时切切削削热热不不多多则则以以冷冷态态塑塑性性变变形形为为主主，，若若切切削削热热多多则则以以热热态态塑塑性性变变形形为为主主。。磨磨削削时时表表面面层层残残余余应应力力岁岁磨磨削削条条件件不不同同而而不不同同，，图图8.11所所示示为为三三类类磨磨削削条条件件下下产产生生的的表表面面层层残残余余应应力力。。轻轻磨磨削削条条件件产产生生浅浅而而小小的的残残余余压压应应力力，，因因为为此此时时没没有有金金相相组组织织变变化化，，温温度度影影响响也也很很小小，，主主要要是是塑塑性性变变形形的的影影响响在在起起作作用用。。中中等等磨磨削削条条件件产产生生浅浅而而大大的的拉拉应应力力。。淬淬火火钢钢重重磨磨削削条条件件则则产产生生深深而而大大的的拉拉应应力力（（最最外外表表面面可可能能出出现现小小而而浅浅的的压压应应力力）），，这这里里显显然然是是由由于于热热态态塑塑性性变变形形和和金金相相组组织织变变化化的的影影响响在在起起主主导导作作用用的的缘缘故故。。残余余应应力力产产生生的的原原因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），，大多数数垂直于于磨削方方向或成成网状（（磨螺纹纹时有时时也有平平行于磨磨削方向向的裂纹纹），如如图8.12所所示。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物物理机械械性能图8.12磨磨削裂裂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，工工件表面面温度升升至8000C，因使使用冷却却液而产产生回火火。表面面层金属属由马氏氏体转变变为珠光光体，其其密度从从7.75×103kg/m3增至7.78××103kg/m3。问工件件表面层层将产生生多大的的残余应应力？是是压应力力还是拉拉应力？？是否会会产生磨磨削裂纹纹？⑴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，=12××10-6/0C，E=2×1011N/mm，由式式（7.16））得表面面层的热热伸长量量：所以线膨膨胀系数数残1⑵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减减小到V-△V，因此此表面层层产生的的收缩受受到基体体组织的的阻碍，，就产生生了残余余拉应力力。已已知：马=7.75×103kg/m3，珠=7.78×103kg/m3，由容积积与密度度的关系系得：V-△V/V=马/珠即：1-△V/V=马/珠=7.75/7.78=1-0.03/7.78

得体体膨胀系系数：△△V/V=0.03/7.78由由于体膨膨胀系数数是线膨膨胀系数数的三倍倍,故残2⑶综合上上面两个个情况,工件表表面总的的残余拉拉应力为为：残=残1+残2=1872+257=2129Mpa因因为残余余拉应力力残=2129Mpa>工工件强度度极限b=2000MPa，所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选择合合理的的磨削削参数数8.4控控制加加工表表面质质量的的工艺艺途径径为了直直接减减少磨磨削热热的发发生，，降低低磨削削区的的温度度，应应合理理选择择磨削削参数数：减减少砂砂轮速速度和和背吃吃刀量量；适适当提提高进进给量量和工工件速速度。。但这这会使使粗糙糙度值值增大大而造造成矛矛盾。。生产产中比比较可可行的的办法法是通通过试试验来来确定定磨削削参数数：先先按初初步选选定的的磨削削参数数试磨磨，检检查工工件表表面热热损伤伤情况况，根根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。。国外外研究究通过过计算算机进进行过过程控控制磨磨削和和自适适应磨磨削等等方法法来减减少磨磨削热热。8.4.1.2选选择择有效效的冷冷却方方法8.4控控制加加工表表面质质量的的工艺艺途径径选择适适宜的的磨削削液和和有效效的冷冷却方方法。。如采采用高高压达达流量量冷却却、内内冷却却或减减轻旋旋转的的砂轮轮表面面的高高压附附着气气流的的作用用，加加装空空气挡挡板，，以使使冷却却液能能顺利利地喷喷注到到磨削削区。。8.4.2采采用冷冷压强强化工工艺8.4控控制加加工表表面质质量的的工艺艺途径径对于承承受高高应力力、交交变载载荷的的零件件可以以采用用喷丸丸、液液压、、挤压压、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硬硬层并并降低低表面面粗糙糙度值值，从从而提提高耐耐疲劳劳强度度及抗抗应力力腐蚀蚀性能能。但但是采采用强强化工工艺时时应很很好控控制工工艺参参数，，不要要造成成过度度硬化化，否否则会会使表表面完完全失失去塑塑性性性质，，甚至至引起起显微微裂纹纹和材材料剥剥落，，带来来不良良的后后果。。8.4.2.1喷丸8.4控控制加加工表表面质质量的的工艺艺途径径喷丸是是一种种用压压缩空空气或或离心心力将将大量量直径径细小小（ØØ０.４～～２mm））的丸丸粒（（钢丸丸、玻玻璃丸丸）以以３００～５５０m/s的速速度向向零件件表面面喷射射的方方法。。可以以用于于任何何复杂杂形状状的零零件。。喷丸丸的结结果在在表面面层产产生很很大的的塑性性变形形，造造成表表面的的冷作作硬化化和残残余压压应力力。硬硬化深深度可可达００.７７mm,表表面粗粗糙度度可自自３.２降降到００.４４。喷喷丸后后零件件的使使用寿寿命可可提高高数倍倍至数数十倍倍。例例如，，齿轮轮可提提高４４倍，，螺旋旋弹簧簧可提提高５５５倍倍以上上。8.4.2.2滚压8.4控控制加加工表表面质质量的的工艺艺途径径用工具具钢淬淬硬自自称的的钢滚滚轮或或钢珠珠在零零件上上进行行滚压压，使使表层层材料料产生生塑性性流动动，形形成新新的光光洁表表面。。表面面粗糙糙度可可自１１.６６降至至０.１，，表面面硬化化深度度达００.２２～１１.５５mm硬化化程度度１００％～～４００％。。8.4.3采用精精密和和光整整加工工工艺艺8.4控控制加加工表表面质质量的的工艺艺途径径精密和和光整整加工工工艺艺是指指经济济加工工精度度在ＩＩＴ５５～ＩＩＴ７７级以以上，，表面面粗糙糙度小小于００.１１６，，表面面物理理机械械性能能也处处于十十分良良好状状态的的各种种加工工工艺艺方法法。采采用精精密加加工工工艺能能全面面地提提高加加工精精度和和表面面质量量，而而光整整加工工工艺艺主要要是为为了获获得较较高的的表面面质量量。8.4.3.1精密加加工工工艺8.4控控制加加工表表面质质量的的工艺艺途径径精密加加工工工艺的的加工工精度度主要要由高高精度度的机机床保保证。。精密密加工工的切切削深深度和和进给给量一一般极极小，，切削削速度度则很很高或或极低低，加加工时时尽可可能进进行充充分的的冷却却和润润滑，，以有有利于于最大大限度度地排排除切切削力力，切切削热热对加加工质质量的的影响响，并并有利利于降降低表表面粗粗糙度度。精精密加加工切切削效效率不不高，，故加加工余余量不不能太太大，，所以以对前前道工工序有有较高高的要要求。。8.4.3.1精密加加工工工艺8.4控控制加加工表表面质质量的的工艺艺途径径精密加加工工工艺方方法有有高速速精膛膛、高高速精精车、、宽刃刃精刨刨和细细密磨磨削等等。下下面介介绍细细密磨磨削。。8.4.3.1精密加加工工工艺8.4控控制加加工表表面质质量的的工艺艺途径径使工件件表面面获得得粗糙糙度小小于００.１１６、、圆度度误差差小于于０.５在在、直直线度度误差差小于于１／／３０００mm，，同轴轴度误误差小小于１１的磨磨削工工艺，，通常常称为为细密密磨削削。一一般以以能获获得的的称为为精密密磨削削，能能获得得的称称为超超精密密磨削削，能能获得得的称称为镜镜面磨磨削。。细密密磨削削是依依靠砂砂轮工工作面面上修修整出出大量量等高高微刃刃进行行精密密加工工的，，这些些等高高微刃刃能从从尚具具有微微量缺缺陷和和尺寸寸、形形状误误差的的工件件表面面切除除极微微薄的的余量量，故故可获获得很很高的的加工工精度度。又又由于于大量量等高高微刃刃在加加工表表面留留下极极微细细的切切削痕痕迹，，加上上无火火花磨磨削的的滑擦擦、挤挤压、、抛光光作用用，所所以可可以得得到很很低的的表面面粗糙糙度。。8.4.3.2光整整加加工工工工艺艺8.4控控制制加加工工表表面面质质量量的的工工艺艺途途径径光整整加加工工是是用用粒粒度度很很细细的的磨磨料料对对工工件件表表面面进进行行微微量量切切削削和和挤挤压压的的过过程程.光光整整加加工工是是按按照照随随机机创创知知成成形形原原理理,加加工工中中磨磨具具与与工工件件的的相相对对运运动动尽尽可可能能复复杂杂,尽尽可可能能使使磨磨料料不不走走重重复复的的轨轨迹迹,让让工工件件加加工工表表面面各各点点都都受受到到具具有有很很大大随随机机性性的的接接触触条条件件,以以突突出出它它们们间间的的高高点点,进进行行相相互互修修整整,使使误误差差逐逐步步均均化化而而得得到到消消除除,从从而而获获得得极极光光的的表表面面和和高高于于磨磨具具原原始始精精度度的的加加工工精精度度.8.4.3.2光整整加加工工工工艺艺8.4控控制制加加工工表表面面质质量量的的工工艺艺途途径径光整整加加工工是是用用粒粒度度很很细细的的磨磨料料对对工工件件表表面面进进行行微微量量切切削削和和挤挤压压的的过过程程.光光整整加加工工是是按按照照随随机机创创知知成成形形原原理理,加加工工中中磨磨具具与与工工件件的的相相对对运运动动尽尽可可能能复复杂杂,尽尽可可能能使使磨磨料料不不走走重重复复的的轨轨迹迹,让让工工件件加加工工表表面面各各点点都都受受到到具具有有很很大大随随机机性性的的接接触触条条件件,以以突突出出它它们们间间的的高高点点,进进行行相相互互修修整整,使使误误差差逐逐步步均均化化而而得得到到消消除除,从从而而获获得得极极光光的的表表面面和和高高于于磨磨具具原原始始精精度度的的加加工工精精度度.8.4.3.2光整整加加工工工工艺艺8.4控控制制加加工工表表面面质质量量的的工工艺艺途途径径光整整加加工工工工艺艺的的共共同同特特点点是是没没有有与与磨磨削削深深度度相相对对应应的的磨磨削削用用量量参参数数,一一般般只只规规定定加加工工时时的的很很低低的的单单位位切切削削压压力力,因因此此加加工工过过程程中中的的切切削削力力和和切切削削热热都都很很小小,从从而而能能获获得得很很低低的的表表面面粗粗糙糙度度.表表面面层层不不会会产产生生热热损损伤伤,并并具具有有残残余余压压应应力力.所所使使用用的的工工具具都都是是浮浮动动连连接接.由由加加工工面面自自身身导导向向,而而相相对对于于工工件件的的定定位位基基准准没没有有确确定定的的位位置置,所所使使用用的的机机床床也也不不需需要要具具有有非非常常精精确确的的成成形形运运动动.这这些些加加工工方方法法的的主主要要作作用用是是降降低低表表面面粗粗糙糙度度,一一般般不不能能纠纠正正形形状状和和位位置置误误差差,加加工工精精度度主主要要由由前前面面工工序序保保证证.对对上上道道工工序序的的表表面面粗粗糙糙度度要要求求高高,一一般般要要求求达达到到,表表面面不不得得有有较较深深得得加加工工痕痕迹迹.加加工工余余量量都都很很小小，，一一般般不不超超过过００．．００２２mm，，以以免免使使加加工工时时间间过过长长，，产产生生切切削削热热，，降降低低生生产产效效率率，，甚甚至至破破坏坏上上一一道道工工序序已已达达到到得得精精度度．．8.4.3.2光整整加加工工工工艺艺8.4控控制制加加工工表表面面质质量量的的工工艺艺途途径径珩磨磨珩珩磨磨是是利利用用珩珩磨磨头头上上得得细细粒粒砂砂条条对对孔孔进进行行加加工工得得方方法法，，在在大大批批生生产产中中应应用用很很普普遍遍．．其其工工作作原原理理如如图图所所示示，，珩珩磨磨头头上上装装有有４４～～８８条条砂砂石石，，砂砂条条由由张张开开机机构构作作用用沿沿径径向向张张开开在在孔孔壁壁上上产产生生一一定定得得压压力力对对工工件件进进行行微微量量切切削削\挤挤压压和和擦擦光光.珩珩磨磨时时,珩珩磨磨头头作作旋旋转转运运动动和和往往复复运运动动,由由于于珩珩磨磨头头的的转转速速与与每每分分钟钟往往复复次次数数不不通通约约,故故被被加加工工表表面面上上呈呈现现交交叉叉而而互互不不重重复复的的网网状状痕痕迹迹,造造成成了了储储存存润润滑滑油油的的良良好好条条件件.8.4.3.2光整加工工艺艺8.4控制制加工表面质质量的工艺途途径珩磨压力低,切深小,故故珩磨功率小小,工件表面面层的变形小小,切削能力力弱.而切削削轨迹不重复复,切削过程程平稳,且使使用大量的切切削液冲走脱脱落的砂粒并并对工件表面面进行充分冷冷却，使珩磨磨的表面质量量很高，表面面粗糙度达．．珩磨还能对对前工序遗留留下来的几何何形状误差进进行一定程度度的修正，因因为表面的突突出部分总是是先与砂条接接触而被磨去去，直至砂条条与工件表面面完全接触．．为了补偿机机床＼珩磨头头＼夹具间的的同轴度误差差，珩磨头与与机床主轴之之间的连接是是浮动的，因因此珩磨加工工不能修正孔孔间的相对误误差．8.4.3.2光整加工工艺艺8.4控制制加工表面质质量的工艺途途径（2）超精加工超超精加工是用用细粒度的砂砂条以一定的的压力压在作作低速旋转运运动的工件表表面上，并在在轴向作往复复运动，工件件或砂条还作作轴向进给运运动以进行微微量切削（图图８．１5））的加工方法法，超精加工工后的表面粗粗超度低（００.0012~0.08），留有网网状的痕迹,造成了良好好的储油条件件，故表面耐耐磨性好．超超精加工常用用于加工内外外圆柱＼圆锥锥面和滚动轴轴承套圈的沟沟道．8.4.3.2光整加工工艺艺8.4控制制加工表面质质量的工艺途途径2超精加加工一般可划划分为四个加加工阶段：强烈切削阶段段：加工初期期砂条主要起起切削作用，，砂条同比比较粗糙的工工件表面接触触，实际的接接触面积小，，单位面积压压力较大，工工件与砂条之之间不能形成成完整的润滑滑油膜，且砂砂条作往复振振动，切削力力方向经常变变化，磨粒破破碎的机会多多，自砺性好好，故切削作作用强烈．正常切削阶段段：工件表面面逐渐被磨平平后，接触面面积逐步增大大，单位面积积上的压力减减少，切削作作用减弱进入入正常切削阶阶段．微弱切削阶段段：随着工件件表面接触面面积进一步增增大，单位面面积上的压力力更小，切削削作用微弱，，砂条表面液液因有极细的的切屑氧化物物嵌入空隙而而变得光滑，，产生抛光作作用．自动停止切削削阶段：工件件表面被磨平平，单位面积积上得压力极极低，工件和和砂条间润滑滑油膜逐渐形形成，不再接接触，故自动动停止切削．．8.4.3.2光整加工工艺艺8.4控制制加工表面质质量的工艺途途径研磨研磨是用研具具（图８．１１6）以一定定得相对滑动动速度（粗研研时０．６７７～０．８３３m/s,精精研时0.1~0.2m/s）再００．１２～００．４ＭＰa压力下与被被加工面作复复杂相对运动动的一种光整整加工方法．．研具与工件件之间的磨粒粒能从工件表表面上切去极极微薄的一层层材料，得到到尺寸误差和和表面粗糙度度极低的表面面．研磨后工工件的尺寸误误差可以在0.001~0.003mm内，表表面粗糙度．．8.4.3.2光整加工工艺艺8.4控制制加工表面质质量的工艺途途径4抛光抛光是在布轮轮＼布盘或砂砂带等软的磨磨具上涂抛光光膏来加工工工件的．抛光光器具高速旋旋转，由抛光光膏的机械刮刮擦和化学作作用将粗糙表表面的峰顶去去掉，从而使使表面获得光光泽镜面．抛抛光时一般不不去掉余量，，所以不能提提高工件的精精度甚至还会会损坏原有精精度，经抛光光的表面能减减小残余拉应应力．8．5．1振振动的概念念与类型8．5机械械加工过程中中的振动问题题金属切削过程程中，工件和和刀具之间常常常会发生强强烈的振动，，这是一种破破坏正常切削削过程的极其其有害的现象象。当切削振振动发生时，，工件表面质质量严重恶化化，粗糙度增增大。产生明明显的表面痕痕迹，这时不不得不降低切切学用量，使使生产率的提提高受到限制制。振动严重重时，会产生生崩刃现象，，使加工过程程无法进行下下去。此外，，振动将加速速刀具和机床床的磨损。从从而缩短刀具具和机床的使使用寿命；振振动噪声危害害工人的健康康。弄清机械械加工过程中中产生震动的的原因，掌握握它的发生、、发展的规律律，使机械加加工过程既保保持高的生产产率，又保证证零件表面的的加工质量，，是机械加工工中应予研究究的一个重要要内容。机械加加工过过程中中产生生的振振动，，也和和其他他的机机械振振动一一样，，按其其产生生的原原因可可分为为自由由震动动、强强迫振振动和和自激激振动动三大大类。。其中中自由由振动动往往往是由由于切切削力力的突突然变变化或或其他他外界界力的的冲击击等原原因引引起，，一般般可迅迅速衰衰减，，对加加工过过程影影响较较小，，这里里不予予讨论论。8.5.2机机械加加工中中的强强迫振振动8．5机机械加加工过过程中中的振振动问问题强迫振振动是是工艺艺系统统在一一个稳稳定的的外界界周期期性干干扰力力(激激振力力)作作用下下引起起的振振动.除了了力之之外,凡是是随时时间变变化的的位移移、速速度和和加速速度，，也可可以激激起系系统的的振动动。8．5．2．1强强迫振振动产产生的的原因因8．5机机械加加工过过程中中的振振动问问题强迫振振动产产生的的原因因分工工艺系系统内内部和和外部部两方方面。。内部振振源：：各个个电动动机的的振动动，包包括电电动机机转子子旋转转不平平衡引引起的的振动动；机机床回回转零零件的的不平平衡，，例如如砂轮轮、皮皮带轮轮和旋旋转轴轴的不不平衡衡引起起的振振动，，运动动传递递过程程中中引起起的振振动，，如齿齿轮啮啮合时时的冲冲击、、皮带带轮圆圆度误误差及及皮带带厚度度不均均引起起的张张力变变化，，滚动动轴承承的套套圈和和滚子子尺寸寸及形形状误误差，，使运运动在在传递递过程程中产产生了了振动动；往往复部部件的的冲击击；液液压传传动系系统的的压力力脉动动；切切削时时的冲冲击振振动，，切削削负荷荷不均均引起起切削削力的的变化化而导导致的的振动动。外部振振源：：其他他机床床、锻锻锤、、火车车、卡卡车等等通过过机床床地基基传给给机床床的振振动。。8．5．2．2强强迫振振动的的运动动方程程8．5机机械加加工过过程中中的振振动问问题工艺系系统是是个多多自由由度的的振动动系统统，其其振动动形态态很复复杂，，但就就某一一特定定情况况而言言，其其振动动特性性与相相应频频率的的单自自由度度系统统有相相似之之处，，因此此可以以简化化为单单自由由度系系统来来分析析，例例如，，内圆圆磨削削时工工件系系统的的刚度度比磨磨头系系统刚刚度大大很多多，此此时磨磨削系系统可可简化化为磨磨杆和和砂轮轮的单单自由由度振振动系系统，，将磨磨杆简简化为为“无无质量量“的的弹簧簧K，，砂轮轮简化化为””无弹弹性““的质质量m，组组成一一个弹弹簧质质量系系统模模型。。由质量量块受受力分分析得得:8．5．2．2强强迫振振动的的运动动方程程8．5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,它的的解由该该式齐次次方程的的通解和和非齐次次方程的的一个特特解叠加加而成。。齐次方方程的通通解为有有阻尼的的自由振振动过程程。经过过一段时时间后这这部分振振动会衰衰减为零零，特解解是园频频率等于于激振力力园频率率的强迫迫振动，，它纯粹粹由激振振力引起起。响应应过程如如图，经经过过渡渡过程以以后，强强迫振动动起主要要作用，，只要交交变激振振力存在在，强迫迫振动就就不会被被阻尼衰衰减掉。。根据以以上所述述，我们们就不考考虑很快快衰减为为零的自自由阻尼尼振动部部分，而而只研究究经历了了过渡过过程而进进入稳态态后的谐谐振运动动。8．5．．2．2强迫迫振动的的运动方方程8．5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：A强迫迫振动的的振幅，，mm振幅相对对于力幅幅的相位位角，radK系统统刚度，，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动动态放大大系数。。8．5．．2．2强迫迫振动的的运动方方程8．5机机械加加工过程程中的振振动问题题式（8.5）表表示了单单自由度度强迫振振动振幅幅与干扰扰频率的的依从关关系，称称为单自自由度强强迫振动动的幅频频特性。。式（8.6）表表示了强强迫振动动中位移移与干扰扰力之间间的相位位与干扰扰频率的的依从关关系，称称为单自自由度强强迫振动动相频特特性。8．5．．2．3强迫迫振动的的特性8．5机机械加加工过程程中的振振动问题题幅频特性性曲线和和相频特特性曲线线依据式（（8.5）和（（8.6）并以以阻尼比比为参数数画成曲曲线图，，从图可可以看出出当时，，，这时时激振力力的频率率极低，，近似于于静载荷荷，振幅幅接近于于静位移移，这种种现象发发生在区区域内，，称此范范围为准准静态范范围。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%区域域作为共共振区，，为避免免系统共共振，应应避免进进入这个个区域，，由图还还可看出出，阻尼尼在共振振区对降降低振幅幅的作用用很大，，在其他他区域作作用较小小。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