第七章机械加工表面质量

第七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劳强度的影响在周期性的交变载荷作用下，零件表面微观不平与表面的缺陷一样都会产生应力集中现象，而且表面粗糙度值越大，即凹陷越深和越尖，应力集中越严重，越容易形成和扩展疲劳裂纹而造成零件的疲劳损坏。钢件对应力集中敏感，钢材的强度越高，表面粗糙度对疲劳强度的影响越大。含有石墨的铸铁件相当于存在许多微观裂纹，与有色金属件一样对应力集中不敏感，表面粗糙度对疲劳强度的影响就不明显。

加工纹路方向对疲劳强度的影响更大，如果刀痕与受力方向垂直，则疲劳强度将显著降低。机械加工后的表面质量对零件疲劳劳强度的影影响零件表面的的冷硬层能能够阻碍裂裂纹的扩大大和新裂纹纹的出现，因为由摩摩擦学可知知疲劳源的的位置在冷冷硬层的中中部，因此此冷硬可以以提高零件件的疲劳强强度。但冷冷硬层过深深或过硬则则容易产生生裂纹，反反而会降低低疲劳强度度。所以冷冷硬要适当当。表面层的内内应力对疲疲劳强度的的影响很大大。表面层残余余的压应力力能够部分分地抵消工工作载荷施施加的拉压压力，延缓缓疲劳裂纹纹扩展。而而残余拉应应力容易使使已加工表表面产生裂裂纹而降低低疲劳强度度。带有不不同残余应应力表面层层的零件，，其疲劳寿寿命可相差差数倍至数数十倍。机械加工后后的表面质质量对零件抗腐腐蚀性能的的影响零件表面粗粗糙度值越越大，潮湿湿空气和腐腐蚀介质越越容易堆积积在零件表表面凹处而而发生化学腐蚀，或在凸峰峰间产生电电化学作用用而引起电化学腐蚀蚀，故抗腐蚀蚀性能越差差。表面冷硬和和金相组织织变化都会会产生内应应力。零件件在应力状状态下工作作时，会产产生应力腐蚀，若有裂纹纹，则更增增加了应力力腐蚀的敏敏感性。因因此表面内内应力会降降低零件的的抗腐蚀性性能。机械加工后后的表面质质量对零件的其其它影响表面质量对对零件的配合质量、、密封性能能及摩擦系系数都有很大的的影响。表表面粗糙度度值越大，，初期磨损损量越大，，对动配合合来说，使使用不久就就会使配合合性质发生生变化；对对静配合来来说，压装装时会减少少过盈量，，降低配合合强度。零件表面层层状态对其其使用性能能有如此大大的影响是是因为：承承受载荷应应力最大的的表面层是是金属的边边界，机械械加工后破破坏了晶粒粒的完整性性，从而降降低了表面面的某些机机械性能。。表面层有有裂纹、加加工痕迹等等各种缺陷陷，在动载载荷的作用用下，可能能引起应力力集中而导导致破坏。。零件表面面经过加工工后，表面面层的物理理、机械、、冶金和化化学性能都都变得和基基体材料不不同了。机械加工后后的表面质质量切削加工后后的表面粗粗糙度切削加工时时表面粗糙糙度的形成成，大致可可归纳为三三方面的原原因：几何因素物理因素工艺系统的的振动机械加工后后的表面粗粗糙度几何因素由刀具相对对于工件作作进给运动动时在加工工表面上遗遗留下来的的切削层残残留面积（（图8.5）。理论上上的最大粗粗糙度Rmax可由刀具形形状、进给给量f，按按几何关系系求得。当当不考虑刀刀尖圆弧半半径时：当背吃刀量量和进给量量很小时，，粗糙度主主要由刀尖尖圆弧构成成：机械加工后后的表面粗粗糙度图8.5切切削层残留留面积机械加工后后的表面粗粗糙度物理因素由图知，实实际粗糙度度与理论粗粗糙度差别别较大。主要是与被被加工材料料的性能及及切削机理理有关的物物理因素的的影响。切切削过程中中刀具的刃刃口圆角及及后刀面对对工件挤压压与摩擦而而产生塑性性变形。韧韧性越好的的材料塑性性变形越大大，且容易易出现积屑屑瘤与鳞刺刺，使粗糙糙度严重恶恶化。还有切削用用量、冷却却润滑液和和刀具材料料等因素影影响。图8.6塑塑性材材料加工后后表面的实实际轮廓和和理论轮廓廓机械加工后后的表面粗粗糙度磨削加工后后的表面粗粗糙度影响因素可可归纳为三三方面：与磨削过程程和砂轮结结构有关的的几何因素素与磨削过程程和被加工工材料塑性性变形有关关的物理因因素工艺系统的的振动因素素机械加工后后的表面粗粗糙度磨削加工后后的表面粗粗糙度从几何因素素看，砂轮轮上磨粒的的微刃形状状和分布对对于磨削后后的表面粗粗糙度是有有影响的。。磨削表面面是由砂轮轮上大量的的磨粒刻划划出无数极极细的构槽槽形成的，，每单位面面积上刻痕痕越多，即即通过每单单位面积的的磨粒数越越多，以及及刻痕的等等高性能好好，粗糙度度也就越低低。从物理因素素看，大多多数磨粒只只有滑擦、、耕犁作用用。在滑擦擦作用下，，被加工表表面只有弹弹性变形，，不产生切切屑；在耕耕犁作用下下，磨粒在在工件表面面上刻划出出一条沟痕痕，工件材材料被挤向向两边产生生隆起，此此时产生塑塑性变形但但仍不产生生切屑。磨磨削量是经经过很多后后继磨粒的的多次挤压压因疲劳而而断裂、脱脱落，所以以加工表面面的塑性变变形很大，，表面粗糙糙度值越大大。机械械加加工工后后的的表表面面粗粗糙糙度度磨削削加加工工后后的的表表面面粗粗糙糙度度为了了降降低低表表面面粗粗糙糙度度值值，，应应考考虑虑以以下下主主要要影影响响因因素素：：①砂砂轮轮的的粒粒度度砂轮轮的的粒粒度度愈愈细细，，则则砂砂轮轮单单位位面面积积上上的的磨磨粒粒数数愈愈多多，，在在工工件件上上的的刻刻痕痕也也愈愈密密而而细细，，所所以以粗粗糙糙度度值值愈愈低低。。②砂砂轮轮的的修修整整砂轮轮的的修修整整质质量量越越高高，，砂砂轮轮工工作作表表面面上上的的等等高高微微刃刃（图图8.7）就越越多多，，因因而而磨磨出出的的工工件件表表面面粗粗糙糙度度值值也也就就愈愈低低。。图8.7磨磨粒粒上上的的微微刃刃机械械加加工工后后的的表表面面粗粗糙糙度度磨削削加加工工后后的的表表面面粗粗糙糙度度③砂砂轮轮速速度度提高高砂砂轮轮速速度度可可以以增增加加单单位位时时间间内内工工件件单单位位面面积积上上的的刻刻痕痕数数，，同同时时塑塑性性变变形形造造成成的的隆隆起起量量随随着着砂砂轮轮速速度度的的增增大大而而下下降降，，原原因因是是高高速速下下塑塑性性变变形形的的传传播播速速度度小小于于磨磨削削速速度度，，材材料料来来不不及及变变形形，，因因而而粗粗糙糙度度可可以以显显著著降降低低。。④工件件速度度工件速速度越越大，，单个个磨粒粒的磨磨削厚厚度就就越大大，单单位时时间内内磨削削工件件表面面的磨磨粒数数减少少，表表面粗粗糙度度值增增大。。机械加加工后后的表表面粗粗糙度度磨削加加工后后的表表面粗粗糙度度⑤径向向进给给量增大磨磨削径径向进进给量量将增增加塑塑性变变形的的程度度从而而增大大粗糙糙度。。通常常在磨磨削过过程开开始时时采用用较大大的径径向进进给量量，以以提高高生产产率，，而在在最后后采用用小径径向进进给量量或无无径向向进给给量磨磨削，，以降降低粗粗糙度度值。。⑥轴向向进给给量磨削时时采用用较小小的轴轴向进进给量量，则则磨削削后表表面粗粗糙度度较低低。机械加加工后后的表表面粗粗糙度度磨削加加工后后的表表面粗粗糙度度另外，，引起起磨削削表面面粗糙糙度增增大的的主要要原因因还往往往是是工艺系系统的的振动动所致。。增加工工艺系系统刚刚度和和阻尼尼，做做好砂砂轮的的动平平衡以以及合合理地地修整整砂轮轮可显著著降低低粗糙糙度。。机械加加工后后的表表面粗粗糙度度机械加加工后后表面面层的的冷作作硬化化切削或或磨削削加工工时，，表面面层金金属由由于塑塑性变变形使使晶体体间产产生剪剪切滑滑移，，晶格格发生生拉长长、扭扭曲和和破碎碎而得得到强强化。。冷作硬硬化的的特点点：变形抵抵抗力力提高高（屈屈服点点提高高），，塑性性降低低（相相对延延伸率率降低低）。。冷硬的的指标标:通常用用冷硬硬层的的深度度h、、表面面层的的显微微硬度度H以以及硬硬化程程度N来表表示（（图8.8），其其中N=H/H0，H0为原来来的显显微硬硬度。。冷作硬硬化产产生的的原因因机械加加工后后的表表面层层物理理机械械性能能图8.8切切削加加工后后表面面层的的冷硬硬机械加加工后后的表表面层层物理理机械械性能能表面层层冷作作硬化化的程程度决决定于于产生生塑性性变形形的力力、变变形速速度及及变形形时的的温度度。力越大大，塑塑性变变形越越大，，则硬硬化程程度越越大；；速度越越大，，塑性性变形形越不不充分分，则则硬化化程度度越小小；变形时时的温温度不不仅影影响塑塑性变变形程程度，，还会会影响响变形形后金金相组组织的的恢复复程度度。冷作硬硬化产产生的的原因因机械加加工后后的表表面层层物理理机械械性能能切削加加工时时表面面层的的硬化化可能能有两两种情情况：：完全强强化此时出出现晶晶格歪歪扭以以及纤纤维结结构和和变形形层物物理机机械性性质的的改变变；不完全全强化化若温度度超过过（0.25~0.30）T熔（熔化化绝对对温度度），，则除除了强强化现现象外外，同同时还还有回回复现现象，，此时时歪扭扭的晶晶格局局部得得到恢恢复，，减低低了冷冷硬作作用；；如果果温度度超过过0.30T熔熔就会会发生生金属属再结结晶，，此时时由于于强化化而改改变了了的表表面层层物理理机械械性能能几乎乎可以以完全全恢复复。冷作硬硬化产产生的的原因因机械加加工后后的表表面层层物理理机械械性能能机械加加工时时表面面层的的冷作作硬化化就是是强化作作用和和回复复作用用的综综合结结果。。切削温温度越越高、、高温温持续续时间间越长长、强强化程程度越越大，，则回回复作作用也也就越越强。。因此对对高温温下工工作的的零件件，能能保证证疲劳劳强度度的最最佳表表面层层是没没有冷冷硬层层或者者只有有极小小（10~20μm）冷冷作硬硬化的的表面面层。。冷作硬硬化产产生的的原因因机械加加工后后的表表面层层物理理机械械性能能①刀具具刀具的的切削削刃口口圆角角和后后刀面面的磨磨损量量对于于冷硬硬层有有很大大的影影响，，此两两值增增大时时，冷冷硬层层深度度和硬硬度也也随之之增大大。前前角减减少时时，冷冷硬也也增大大。②被加加工材材料被加工工材料料硬度度愈低低、塑塑性愈愈大，，切削削后的的冷硬硬现象象愈严严重。。影响冷冷作硬硬化的的主要要因素素机械加加工后后的表表面层层物理理机械械性能能③切削削用量量切削速速度增增大时时，刀刀具与与工件件接触触时间间短，，塑性性变形形程度度减少少，同同时会会使温温度增增高，，有助助于冷冷硬的的回复复，所所以硬硬化层层深度度和硬硬度都都有所所减少少。进给量量增大大时，，切削削力增增大，，塑性性变形形程度度也增增大，，因此此硬化化现象象增大大。但但在进进给量量较小小时，，由于于刀具具的刃刃口圆圆角在在加工工表面面单位位长度度上的的挤压压次数数增多多，因因此硬硬化倾倾向也也会增增大。。径向向进给给量增增大时时，冷冷硬层层深度度也有有所增增大，，但其其影响响程度度不显显著。。影响冷冷作硬硬化的的主要要因素素机械加加工后后的表表面层层物理理机械械性能能机械加加工后后表面面层金金相组组织的的变化化磨削加加工时时切削削力比比其它它加工工方法法大数数十倍倍，切切削速速度也也非常常高，，所以以功率率消耗耗远远远大于于其它它切削削方法法。由于砂砂轮导导热性性差、、切屑屑数量量少，，磨削削过程程中能能量转转化的的热大大部分分都传传给了了工件件。磨磨削时时，在在很短短的时时间内内磨削削区温温度可可上升升到400~1000ºC，甚甚至更更高。。这样大大的加加热速速度，，促使使加工工表面面局部部形成成瞬时时热聚聚集现现象，，有很很高温温升和和很大大的温温度梯梯度，，出现现金相相组织织的变变化，，强度度和硬硬度下下降，，产生生残余余应力力，甚甚至引引起裂裂纹，，这就就是磨削烧烧伤现现象。金相组组织变变化的的原因因机械加加工后后的表表面层层物理理机械械性能能磨削淬淬火钢钢时，，由于于磨削削烧伤伤，工工件表表面产产生氧氧化膜膜并呈呈现出出黄、、褐、、紫、、青、、灰等等不同同颜色色，相相当于于钢的的回火火色。。不同的的烧伤伤色表表示受受到不不同温温度的的作用用与产产生不不同的的烧伤伤深度度。有有时表表面虽虽看不不出变变色，，但并并不等等于表表面未未受热热损伤伤。例如在在磨削削过程程中由由于采采用过过大的的磨削削用量量，造造成了了很深深的烧烧伤层层，以以后的的无进进给磨磨削中中磨去去了表表面的的烧伤伤色，，而未未能除除去烧烧伤层层，则则留在在工件件上的的烧伤伤层就就会成成为使使用中中的隐隐患。。金相组组织变变化的的原因因机械加加工后后的表表面层层物理理机械械性能能磨削淬淬火钢钢时表表面层层产生生的烧烧伤有有以下下三种种：①回火火烧伤伤磨削区区温度度超过过马氏氏体转转变温温度而而未超超过相相变温温度，，则工工件表表面原原来的的马氏氏体组组织将将产生生回火火现象象，转转化成成硬度度降低低的回回火组组织———索索氏体体或屈屈氏体体；②淬火火烧伤伤磨削区区温度度超过过相变变温度度，马马氏体体转变变为奥奥氏体体，由由于冷冷却液液的急急冷作作用，，表层层会出出现二二次淬淬火马马氏体体，硬硬度较较原来来的回回火马马氏体体高，，而它它的下下层则则因为为冷却却缓慢慢成为为硬度度降低低的回回火组组织。。③退火火烧伤伤不同冷冷却液液进行行干磨磨削时时，磨磨削区区温度度超过过相变变温度度，马马氏体体转变变为奥奥氏体体，因因工件件冷却却缓慢慢，则则表层层硬度度急剧剧下降降，这这时工工件表表层被被退火火。金相组组织变变化的的原因因机械加加工后后的表表面层层物理理机械械性能能影响磨磨削加加工时时金相相组织织变化化的因因素有有:工件材材料磨削温温度温度梯梯度冷却速速度等等。影响磨磨削加加工时时金相相组织织变化化的因因素机械加加工后后的表表面层层物理理机械械性能能工件材材料为为低碳钢钢时不会会发生生相变变；高合金金钢如轴承承钢、、高速速钢、、镍铬铬钢等等传热热性特特别差差，在在冷却却不充充分时时易出出现磨磨削烧烧伤。。未淬火火钢为扩散散度低低的珠珠光体体，磨磨削时时间短短时不不会发发生金金相组组织的的变化化；淬火钢钢极易相相变。。影响磨磨削加加工时时金相相组织织变化化的因因素机械加加工后后的表表面层层物理理机械械性能能图8.9磨磨削高高碳淬淬火钢钢时表表面的的硬度度分布布机械加加工后后的表表面层层物理理机械械性能能当磨削削深度度小于于10μm时，，由于于温度度的影影响使使表面面层的的回火火马氏氏体产产生弱弱化，，并与与塑性性变形形产生生的冷冷作硬硬化现现象综综合而而产生生了比比基体体硬度度低的的部分分，而而表面面的里里层由由于磨磨削加加工中中的冷冷作硬硬化起起了主主导作作用而而又产产生了了比基基体硬硬度高高的部部分。。当磨削深深度为20~30μm时，冷冷作硬化化的影响响减少，，磨削温温度起了了主导作作用。由由于磨削削区温度度高于马马氏体转转变温度度，低于于相变温温度而使使表面层层马氏体体回火产产生回火火烧伤。。当磨削深深度增大大至50μm时时，磨削削区最高高温度超超过了相相变临界界温度，，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：⑴冷态塑塑性变形形机械加工工时，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⑵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，引引起高温温塑性变变形。图图8.10为因因加工温温度而引引起残余余应力的的示意图图。第1层温温度在塑塑性温度度以上，，产生热热塑变形形，故没没有应力力；第2层温度度在塑性性温度与与室温之之间，只只产生弹弹性热膨膨胀，膨膨胀受到到第3层层的阻碍碍，产生生压应力力；第3层处在在室温的的冷态层层不产生生热变形形，产生生拉应力力。开始始冷却时时，当第第1层冷冷到塑性性温度以以下，体体积收缩缩，但第第2层阻阻碍其收收缩，第第1层中中产生拉拉应力，，第2层层中的压压应力增增加。而而由于第第2层的的冷却收收缩，第第3层中中的拉应应力有所所减小。。最后冷冷却时，，第1层层继续收收缩，拉拉应力进进一步增增大，而而第2层层热膨胀胀全部消消失，完完全由第第1层的的收缩而而形成一一个不大大的压应应力，第第3层拉拉应力消消失，而而与第2层一起起受第1层的影影响，也也形成一一个不大大的压应应力。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机械加工工后的表表面层物物理机械械性能⑶金相组组织变化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，是上上述三方方面因素素综合作作用的结结果，在在一定条条件下，，其中某某一或二二种因素素可能起起主导作作用。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所示为为三类磨磨削条件件下产生生的表面面层残余余应力。。轻磨削削条件产产生浅而而小的残残余压应应力，因因为此时时没有金金相组织织变化，，温度影影响也很很小，主主要是塑塑性变形形的影响响在起作作用。中中等磨削削条件产产生浅而而大的拉拉应力。。淬火钢钢重磨削削条件则则产生深深而大的的拉应力力（最外外表面可可能出现现小而浅浅的压应应力），，这里显显然是由由于热态态塑性变变形和金金相组织织变化的的影响在在起主导导作用的的缘故。。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。磨削裂纹的的产生机械加工后后的表面层层物理机械械性能图8.12磨削削裂纹机械加工后后的表面层层物理机械械性能磨削裂纹的的产生与材材料性质及及热处理工工序有很大大关系。磨削硬质合合金时，由由于其脆性性大，抗拉拉强度低以以及导热性性差，所以以特别容易易产生磨削削裂纹。磨磨削含碳量量高的淬火火钢时，由由于其晶界界脆弱，也也容易产生生磨削裂纹纹。工件在在淬火后如如果存在残残余应力，，则即使在在正常的磨磨削条件下下也可能出出现裂纹，，故在磨削削前进行去去除应力的的工序能收收到很好的的效果。渗渗碳、渗氮氮时如果工工艺不当，，就会在表表面层晶界界面上析出出脆性的碳碳化物、氮氮化物，当当磨削时在在热应力作作用下，就就容易沿着着这些组织织发生脆性性破坏，而而出现网状状裂纹。磨削裂纹的的产生机械加工后后的表面层层物理机械械性能例题8.1在外圆磨床床上磨削一一根淬火钢钢轴，其强强度极限b=2000MPa，，工件表面面温度升至至8000C，因使用用冷却液而而产生回火火。表面层层金属由马马氏体转变变为珠光体体，其密度度从7.75×103kg/m3增至7.78×103kg/m3。问工件表表面层将产产生多大的的残余应力力？是压应应力还是拉拉应力？是是否会产生生磨削裂纹纹？⑴由于表面面层热作用用引起高温温塑性变形形，冷却后后表面层产产生拉应力力。已知：T1=8000C，T0=200C，=12×10-6/0C，E=2×1011N/mm，，由式（7.16））得表面层层的热伸长长量：所以线膨胀胀系数残1⑵由于表层层金相组织织的变化引引起的应力力：表面层层回火，表表层组织由由马氏体转转变为珠光光体，其密密度增加，，由马增大到珠，比容积由由V减小到到V-△V，因此表表面层产生生的收缩受受到基体组组织的阻碍碍，就产生生了残余拉拉应力。已已知：马=7.75×103kg/m3，珠=7.78×103kg/m3，由容积与与密度的关关系得：V-△V/V=马/珠即：1-△△V/V=马/珠=7.75/7.78=1-0.03/7.78

得体体膨胀系数数：△V/V=0.03/7.78由由于体膨膨胀系数是是线膨胀系系数的三倍倍,故残2⑶综合上面面两个情况况,工件表表面总的残残余拉应力力为：残=残1+残2=1872+257=2129Mpa

因为残残余拉应力力残=2129Mpa>工件强度度极限b=2000MPa，，所以加工工中产生磨磨削裂纹，，裂纹方向向与磨削方方向垂直。。8.4.1减小残余拉拉应力、防防止磨削烧烧伤和磨削削裂纹的工工艺途径8.4控控制加工表表面质量的的工艺途径径对零件使用用性能危害害甚大的残残余拉应力力、磨削烧烧伤和磨削削裂纹均起起因于磨削削热，所以以如何降低低磨削热并并减少其影影响是生产产上的一项项重要问题题。解决的的原则：一一是减少磨磨削热的发发生，二是是加速磨削削热的传出出。8.4.1.1选择择合合理理的的磨磨削削参参数数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为了了直直接接减减少少磨磨削削热热的的发发生生，，降降低低磨磨削削区区的的温温度度，，应应合合理理选选择择磨磨削削参参数数：：减减少少砂砂轮轮速速度度和和背背吃吃刀刀量量；；适适当当提提高高进进给给量量和和工工件件速速度度。。但但这这会会使使粗粗糙糙度度值值增增大大而而造造成成矛矛盾盾。。生生产产中中比比较较可可行行的的办办法法是是通通过过试试验验来来确确定定磨磨削削参参数数：：先先按按初初步步选选定定的的磨磨削削参参数数试试磨磨，，检检查查工工件件表表面面热热损损伤伤情情况况，，根根据据此此调调整整磨磨削削参参数数直直至至最最后后确确定定下下来来。。另另一一种种方方法法是是在在磨磨削削过过程程中中连连续续测测量量磨磨削削区区温温度度，，然然后后控控制制磨磨削削参参数数。。国国外外研研究究通通过过计计算算机机进进行行过过程程控控制制磨磨削削和和自自适适应应磨磨削削等等方方法法来来减减少少磨磨削削热热。。8.4.1.2选择择有效的冷却却方法8.4控制制加工表面质质量的工艺途途径选择适宜的磨磨削液和有效效的冷却方法法。如采用高高压达流量冷冷却、内冷却却或减轻旋转转的砂轮表面面的高压附着着气流的作用用，加装空气气挡板，以使使冷却液能顺顺利地喷注到到磨削区。8.4.2采采用冷压强强化工艺8.4控制制加工表面质质量的工艺途途径对于承受高应应力、交变载载荷的零件可可以采用喷丸丸、液压、挤挤压、等表面面强化工艺使使表面层产生生残余压应力力和冷硬层并并降低表面粗粗糙度值，从从而提高耐疲疲劳强度及抗抗应力腐蚀性性能。但是采采用强化工艺艺时应很好控控制工艺参数数，不要造成成过度硬化，，否则会使表表面完全失去去塑性性质，，甚至引起显显微裂纹和材材料剥落，带带来不良的后后果。8.4.2.1喷丸8.4控制制加工表面质质量的工艺途途径喷丸是一种用用压缩空气或或离心力将大大量直径细小小（Ø０.４４～２mm））的丸粒（钢钢丸、玻璃丸丸）以３０～～５０m/s的速度向零零件表面喷射射的方法。可可以用于任何何复杂形状的的零件。喷丸丸的结果在表表面层产生很很大的塑性变变形，造成表表面的冷作硬硬化和残余压压应力。硬化化深度可达００.７mm,表面粗糙度度可自３.２２降到０.４４。喷丸后零零件的使用寿寿命可提高数数倍至数十倍倍。例如，齿齿轮可提高４４倍，螺旋弹弹簧可提高５５５倍以上。。8.4.2.2滚压8.4控制制加工表面质质量的工艺途途径用工具钢淬硬硬自称的钢滚滚轮或钢珠在在零件上进行行滚压，使表表层材料产生生塑性流动，，形成新的光光洁表面。表表面粗糙度可可自１.６降降至０.１，，表面硬化深深度达０.２２～１.５mm硬化程度度１０％～４４０％。8.4.3采用精密和光光整加工工艺艺8.4控制制加工表面质质量的工艺途途径精密和光整加加工工艺是指指经济加工精精度在ＩＴ５５～ＩＴ７级级以上，表面面粗糙度小于于０.１６，，表面物理机机械性能也处处于十分良好好状态的各种种加工工艺方方法。采用精精密加工工艺艺能全面地提提高加工精度度和表面质量量，而光整加加工工艺主要要是为了获得得较高的表面面质量。8.4.3.1精密加工工艺艺8.4控制制加工表面质质量的工艺途途径精密加工工艺艺的加工精度度主要由高精精度的机床保保证。精密加加工的切削深深度和进给量量一般极小，，切削速度则则很高或极低低，加工时尽尽可能进行充充分的冷却和和润滑，以有有利于最大限限度地排除切切削力，切削削热对加工质质量的影响，，并有利于降降低表面粗糙糙度。精密加加工切削效率率不高，故加加工余量不能能太大，所以以对前道工序序有较高的要要求。8.4.3.1精密加工工艺艺8.4控制制加工表面质质量的工艺途途径精密加工工艺艺方法有高速速精膛、高速速精车、宽刃刃精刨和细密密磨削等。下下面介绍细密密磨削。8.4.3.1精密加工工艺艺8.4控制制加工表面质质量的工艺途途径使工件表面获获得粗糙度小小于０.１６６、圆度误差差小于０.５５在、直线度度误差小于１１／３００mm，同轴度度误差小于１１的磨削工艺艺，通常称为为细密磨削。。一般以能获获得的称为精精密磨削，能能获得的称为为超精密磨削削，能获得的的称为镜面磨磨削。细密磨磨削是依靠砂砂轮工作面上上修整出大量量等高微刃进进行精密加工工的，这些等等高微刃能从从尚具有微量量缺陷和尺寸寸、形状误差差的工件表面面切除极微薄薄的余量，故故可获得很高高的加工精度度。又由于大大量等高微刃刃在加工表面面留下极微细细的切削痕迹迹，加上无火火花磨削的滑滑擦、挤压、、抛光作用，，所以可以得得到很低的表表面粗糙度。。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光整加工是用用粒度很细的的磨料对工件件表面进行微微量切削和挤挤压的过程.光整加工是是按照随机创创知成形原理理,加工中磨磨具与工件的的相对运动尽尽可能复杂,尽可能使磨磨料不走重复复的轨迹,让让工件加工表表面各点都受受到具有很大大随机性的接接触条件,以以突出它们间间的高点,进进行相互修整整,使误差逐逐步均化而得得到消除,从从而获得极光光的表面和高高于磨具原始始精度的加工工精度.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光整加工是用用粒度很细的的磨料对工件件表面进行微微量切削和挤挤压的过程.光整加工是是按照随机创创知成形原理理,加工中磨磨具与工件的的相对运动尽尽可能复杂,尽可能使磨磨料不走重复复的轨迹,让让工件加工表表面各点都受受到具有很大大随机性的接接触条件,以以突出它们间间的高点,进进行相互修整整,使误差逐逐步均化而得得到消除,从从而获得极光光的表面和高高于磨具原始始精度的加工工精度.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光整加工工艺艺的共同特点点是没有与磨磨削深度相对对应的磨削用用量参数,一一般只规定加加工时的很低低的单位切削削压力,因此此加工过程中中的切削力和和切削热都很很小,从而能能获得很低的的表面粗糙度度.表面层不不会产生热损损伤,并具有有残余压应力力.所使用的的工具都是浮浮动连接.由由加工面自身身导向,而相相对于工件的的定位基准没没有确定的位位置,所使用用的机床也不不需要具有非非常精确的成成形运动.这这些加工方法法的主要作用用是降低表面面粗糙度,一一般不能纠正正形状和位置置误差,加工工精度主要由由前面工序保保证.对上道道工序的表面面粗糙度要求求高,一般要要求达到,表表面不得有较较深得加工痕痕迹.加工余余量都很小，，一般不超过过０．０２mm，以免使使加工时间过过长，产生切切削热，降低低生产效率，，甚至破坏上上一道工序已已达到得精度度．8.4.3.2光整加加工工工艺8.4控控制加加工表表面质质量的的工艺艺途径径珩磨珩珩磨磨是利利用珩珩磨头头上得得细粒粒砂条条对孔孔进行行加工工得方方法，，在大大批生生产中中应用用很普普遍．．其工工作原原理如如图所所示，，珩磨磨头上上装有有４～～８条条砂石石，砂砂条由由张开开机构构作用用沿径径向张张开在在孔壁壁上产产生一一定得得压力力对工工件进进行微微量切切削\挤压压和擦擦光.珩磨磨时,珩磨磨头作作旋转转运动动和往往复运运动,由于于珩磨磨头的的转速速与每每分钟钟往复复次数数不通通约,故被被加工工表面面上呈呈现交交叉而而互不不重复复的网网状痕痕迹,造成成了储储存润润滑油油的良良好条条件.8.4.3.2光整加加工工工艺8.4控控制加加工表表面质质量的的工艺艺途径径珩磨压压力低低,切切深小小,故故珩磨磨功率率小,工件件表面面层的的变形形小,切削削能力力弱.而切切削轨轨迹不不重复复,切切削过过程平平稳,且使使用大大量的的切削削液冲冲走脱脱落的的砂粒粒并对对工件件表面面进行行充分分冷却却，使使珩磨磨的表表面质质量很很高，，表面面粗糙糙度达达．珩珩磨还还能对对前工工序遗遗留下下来的的几何何形状状误差差进行行一定定程度度的修修正，，因为为表面面的突突出部部分总总是先先与砂砂条接接触而而被磨磨去，，直至至砂条条与工工件表表面完完全接接触．．为了了补偿偿机床床＼珩珩磨头头＼夹夹具间间的同同轴度度误差差，珩珩磨头头与机机床主主轴之之间的的连接接是浮浮动的的，因因此珩珩磨加加工不不能修修正孔孔间的的相对对误差差．8.4.3.2光整加工工工艺8.4控控制加工表表面质量的的工艺途径径（2）超精加工超超精加工工是用细粒粒度的砂条条以一定的的压力压在在作低速旋旋转运动的的工件表面面上，并在在轴向作往往复运动，，工件或砂砂条还作轴轴向进给运运动以进行行微量切削削（图８．．１5）的的加工方法法，超精加加工后的表表面粗超度度低（０.0012~0.08），留留有网状的的痕迹,造造成了良好好的储油条条件，故表表面耐磨性性好．超精精加工常用用于加工内内外圆柱＼＼圆锥面和和滚动轴承承套圈的沟沟道．8.4.3.2光整加工工工艺8.4控控制加工表表面质量的的工艺途径径2超精精加工一般般可划分为为四个加工工阶段：强烈切削阶阶段：加工工初期砂条条主要起切切削作用，，砂条同同比较粗糙糙的工件表表面接触，，实际的接接触面积小小，单位面面积压力较较大，工件件与砂条之之间不能形形成完整的的润滑油膜膜，且砂条条作往复振振动，切削削力方向经经常变化，，磨粒破碎碎的机会多多，自砺性性好，故切切削作用强强烈．正常切削阶阶段：工件件表面逐渐渐被磨平后后，接触面面积逐步增增大，单位位面积上的的压力减少少，切削作作用减弱进进入正常切切削阶段．．微弱切削阶阶段：随着着工件表面面接触面积积进一步增增大，单位位面积上的的压力更小小，切削作作用微弱，，砂条表面面液因有极极细的切屑屑氧化物嵌嵌入空隙而而变得光滑滑，产生抛抛光作用．．自动停止切切削阶段：：工件表面面被磨平，，单位面积积上得压力力极低，工工件和砂条条间润滑油油膜逐渐形形成，不再再接触，故故自动停止止切削．8.4.3.2光整加工工工艺8.4控控制加工表表面质量的的工艺途径径研磨研磨是用研研具（图８８．１6））以一定得得相对滑动动速度（粗粗研时０．．６７～００．８３m/s,精精研时0.1~0.2m/s）再０．．１２～００．４ＭＰＰa压力下下与被加工工面作复杂杂相对运动动的一种光光整加工方方法．研具具与工件之之间的磨粒粒能从工件件表面上切切去极微薄薄的一层材材料，得到到尺寸误差差和表面粗粗糙度极低低的表面．．研磨后工工件的尺寸寸误差可以以在0.001~0.003mm内，，表面粗糙糙度．8.4.3.2光整加工工工艺8.4控控制加工表表面质量的的工艺途径径4抛光抛光是在布布轮＼布盘盘或砂带等等软的磨具具上涂抛光光膏来加工工工件的．．抛光器具具高速旋转转，由抛光光膏的机械械刮擦和化化学作用将将粗糙表面面的峰顶去去掉，从而而使表面获获得光泽镜镜面．抛光光时一般不不去掉余量量，所以不不能提高工工件的精度度甚至还会会损坏原有有精度，经经抛光的表表面能减小小残余拉应应力．8．5．1振动的的概念与类类型8．5机机械加工过过程中的振振动问题金属切削过过程中，工工件和刀具具之间常常常会发生强强烈的振动动，这是一一种破坏正正常切削过过程的极其其有害的现现象。当切切削振动发发生时，工工件表面质质量严重恶恶化，粗糙糙度增大。。产生明显显的表面痕痕迹，这时时不得不降降低切学用用量，使生生产率的提提高受到限限制。振动动严重时，，会产生崩崩刃现象，，使加工过过程无法进进行下去。。此外，振振动将加速速刀具和机机床的磨损损。从而缩缩短刀具和和机床的使使用寿命；；振动噪声声危害工人人的健康。。弄清机械械加工过程程中产生震震动的原因因，掌握它它的发生、、发展的规规律，使机机械加工过过程既保持持高的生产产率，又保保证零件表表面的加工工质量，是是机械加工工中应予研研究的一个个重要内容容。机械加工过过程中产生生的振动，，也和其他他的机械振振动一样，，按其产生生的原因可可分为自由由震动、强强迫振动和和自激振动动三大类。。其中自由由振动往往往是由于切切削力的突突然变化或或其他外界界力的冲击击等原因引引起，一般般可迅速衰衰减，对加加工过程影影响较小，，这里不予予讨论。8.5.2机机械加工工中的强强迫振动动8．5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(激激振力)作用下下引起的的振动.除了力力之外,凡是随随时间变变化的位位移、速速度和加加速度，，也可以以激起系系统的振振动。8．5．．2．1强迫迫振动产产生的原原因8．5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。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工艺系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，砂轮轮简化为为”无弹弹性“的的质量m，组成成一个弹弹簧质量量系统模模型。由质量块块受力分分析得: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强迫振振动的运动方方程8．5机械械加工过程中中的振动问题题即其特解为（8.4）其中（8.5）（8.6）其中：A强迫振动动的振幅，mm振幅相对于力力幅的相位角角，radK系统刚度度，N/mm系统在静力作作用下产生的的静位移，mm频率比振动频率，rad/s振动系统无阻阻尼时的固有有频率，rad/sV动态放放大系数。8．5．2．．2强迫振振动的运动方方程8．5机械械加工过程中中的振动问题题式（8.5））表示了单自自由度强迫振振动振幅与干干扰频率的依依从关系，称称为单自由度度强迫振动的的幅频特性。。式（8.6））表示了强迫迫振动中位移移与干扰力之之间的相位与与干扰频率的的依从关系，，称为单自由由度强迫振动动相频特性。。8．5．2．．3强迫振振动的特性8．5机械械加工过程中中的振动问题题幅频特性曲线线和相频特性性曲线依据式（8.5）和（8.6）并以以阻尼比为参参数画成曲线线图，从图可可以看出当时时，，这时激激振力的频率率极低，近似似于静载荷，，振幅接近于于静位移，这这种现象发生生在区域内，，称此范围为为准静态范围围。当且阻尼比较较小时，激振振力使系统的的振幅形成了了一个凸峰，，其峰值比静静态响应大许许多倍，这种种现象称为““共振”。工程上把系统统的固有频率率作为共振频频率，把固有有频率前后20%~30%区域作为为共振区，为为避免系统共共振，应避免免进入这个区区域，由图还还可看出，阻阻尼在共振区区对降低振幅幅的作用很大大，在其他区区域作用较小小。当时，这是由由于激振力的的变化频率太太高，而振动动系统因本身身的惯性来不不及响应，故故系统反而不不振，这种现现象称为惯性性区。由相频曲线可可以看出，无无论系统的阻阻尼比为何值值，当相相位滞滞后90度8．5．2．．3强迫振振动的特性8．5机械械加工过程中中的振动问题题综上所述，强强迫振动的主主要特性如下下：强迫振动是在在外界周期性性干扰力的作作用下产生的的，但振动本本身并不能引引起干扰力的的变化，不管管振动系统本本身的固有频频率如何，强强迫振动的固固有频率总是是与外界干扰扰力的频率相相同，强迫振振动的振幅大大小在很大程程度上取决于于干扰力的频频率与系统固固有频率的比比值，当这个个频率比等于于或接近1时时，振幅达到到最大值，出出现“共振””现象，干扰扰力越大，系系统刚度及阻阻尼系数越小小，强迫振动动的振幅就越越大。8．5．2．．3强迫振振动的特性8．5机械械加工过程中中的振动问题题例题8.2把把一台质量量M=2000Kg的机机床安装在无无质量的弹性性地板上（图图8。23）），当将一个个总质量，并并带有两个偏偏心为e的不不平衡质量m/2的激振振器放在机床床上，以产生生一个垂直的的简谐激振力力，今测得共共振时的频率率，，求机床的的固有频率。。由题意，激振振时的共振频频率则则，，故故机床固有频率率:机床固有频率率8.5.3机机械加工中中的自激振动动8．5机械械加工过程中中的振动问题题自激振动时由由振动过程本本身引起切削削力周期性变变化,又由这这个周期性变变化的切削力力反过来加强强和维持振动动,使振动系系统补充了由由阻尼作用消消耗的能量,让振动维持持下去。切削削过程中产生生的自激震动动是频率较高高的不衰减振振动，通常又又称颤振，约约占振动的65%，它往往往是影响加加工表面质量量和限制机床床生产率提高高的主要障碍碍，故应对其其十分重视。。8.5.3机机械加工中中的自激振动动8．5机械械加工过程中中的振动问题题切削过程中的的自激振动可可举日常生活活中常见的的电铃为例。。如图,以以电池1为能能源，当按下下按钮2后，，电流通过7-3-5及及电池构成的的通路，电磁磁铁5产生磁磁力吸引衔铁