第四章 机械加工表面质量20120519

机械制造工艺学

机电工程学院

第四章4机械加工表面质量4.1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4.1概述4.4.1加工表面质量的含义1．表面的几何形状特征(1)表面粗糙度：加工表面微观几何形状误差，波长/波高＜50。(2)波度：波长/波高=50～1000；且具有周期性，是由机械加工中的振动引起的；

波长/波高＞1000称为宏观几何形状误差(如平面度、圆度、圆柱度等)，属于加工精度范畴，不在本章讨论之列；(3)纹理方向：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。(4)伤痕：指在加工表面个别位置出现的缺陷，如沙眼、气孔、裂痕等加工表面几何形状误差表面层的物理力学性能4.1概述

a）波度b）表面粗糙度

加工表面的粗糙度与波度RZλHλRZ波度宽波度高图4-2加工纹理方向及其符号标注车、刨铣、钻孔磨削、超精加工端铣、磨非正规研磨立铣、端铣、端磨4.1概述2．表面层物理力学性能(1)表面层金属的冷作硬化；(2)表面层金属的金相组织变化；(3)表面层金属的残余应力。(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。(2)表面金属层的金相组织变化

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。(3)表面层的残余应力

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。4.1概述4.1.2加工表面质量对使用性能的影响1．表面质量对耐磨性的影响（1）表面粗糙度对耐磨性的影响第Ⅰ阶段起始磨损阶段第Ⅱ阶段正常磨损阶段第Ⅲ阶段快速磨损阶段零件的磨损可分为三个阶段

不是表面粗糙度值越小越耐磨，在一定工作条件下，摩擦副表面总是存在一个最佳表面粗糙度值，表面粗糙度Ra值约为0.32～0.25μm较好。表面粗糙度对摩擦副的影响4.1概述（2）表面纹理对耐磨性的影响

重载情况下，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。

表面纹理方向影响零件表面的实际接触面积和润滑液的存留。

圆弧状、凹坑状表面纹理的耐磨性好；尖峰状的表面纹理由于摩擦副接触面压强大，耐磨性差。

轻载时，两表面的纹理方向与相对运动方向一致时，磨损最小；当两表面纹理方向与相对运动方向垂直时，磨损最大。

运动副中，两相对运动零件表面刀纹方向均与运动方向相同时，耐磨性好；刀纹方向均与运动方向垂直时，耐磨性差。

4.1概述（3）冷作硬化对耐磨性的影响

由于加工硬化提高了表面层金属的显微强度，降低了塑性，减少了摩擦副接触表面的塑性变形和弹性变形而减少了磨损。一般能提高耐磨性0.5～1倍。

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。见图4-5图4-5T7A钢车削后，冷作硬化与耐磨性的关系4.1概述2．表面质量对耐疲劳性的影响（1）表面粗糙度对耐疲劳性的影响

在交变载荷作用下，零件表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷易于在凹谷部位形成应力集中，并发展成疲劳裂纹，导致工件疲劳破坏。总之，表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件的耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，纹底半径越小，其抵抗疲劳破坏的能力越差。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。（2）表面层的物理力学性能对耐疲劳性的影响

表面层金属的冷作硬化能阻碍已有裂纹的生长和新裂纹的产生，有助于提高耐疲劳强度。但冷作硬化的同时，必然伴随产生残余应力，残余应力存在拉应力和压应力之分，残余拉应力将使耐疲劳强度降低；残余压应力将使耐疲劳强度提高。4.1概述3．表面质量对耐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残余拉应力则降低耐腐蚀性4.1概述加工表面腐蚀过程示意图4.1概述4．表面质量对零件配合质量的影响

表面残余应力会引起零件变形，使零件形状和尺寸发生变化，因此对配合性质有一定的影响。相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。表面粗糙度的影响

对间隙配合而言，表面粗糙度值太大，会使配合表面很快磨损而增大配合间隙，改变配合性质，降低配合精度。

对过盈配合而言，装配时配合表面的波峰被挤平，减小实际过盈量，降低了连接强度，影响了配合的可靠性。表面残余应力的影响4.2加工表面粗糙度及其改善措施影响加工表面粗糙度的工艺因素几何因素物理因素两方面共同作用4.2.1切削加工后的表面影响因素：刀尖圆弧半径、主偏角、副偏角、进给量切削加工表面粗糙度值取决于切削残留面积的高度H。HⅠⅡfa）vffκrHvfⅠⅡrεb）图4-6车削、刨削时残留面积的高度尖刀切削圆弧刀刃切削切削加工改善措施：刀尖圆弧半径↑、主偏角↓、副偏角↓、进给量↓4.2加工表面粗糙度及其改善措施

塑性变形会造成切削加工后表面粗糙度的实际轮廓形状与纯几何因素所形成的理论轮廓有较大的差别。切削速度影响最大：v=10～50m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度值最大（图4-7）。481216202428图4-7加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（μm）收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度

h（μm）0200400600hKsRz可见，在实际加工中采用低速宽刀精切和高速精切可以获得较小的表面粗糙度值。4.2加工表面粗糙度及其改善措施工件材料的因素：加工脆性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响不大。加工脆性材料比塑性材料容易达到表面粗糙度值要求。金相组织：对同样材料来说，金相组织越粗大，切削后的表面粗糙度值也越大。精加工前进行调质热处理可以得到均匀细密的晶粒组织和较高的硬度。合理选择切削液，适当增大刀具前角，提高刀具刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。4.2加工表面粗糙度及其改善措施4.2.2磨削加工后的表面

磨削加工后的表面粗糙度的形成过程与切削过程一样，也是由几何因素和物理因素（塑性变形）决定的，但过程更加复杂。1.几何因素的影响

磨削表面是由磨粒在工件表面上刻划出的无数细微的沟槽形成的。单位面积上刻痕越多，刻痕等高性越好，则磨削表面的粗糙度值越小。（1）切削用量对表面粗糙度的影响砂轮的速度↑，单位时间内的磨削量↑，表面粗糙度↓；工件的速度↑，单位时间内的磨削量↓，表面粗糙度↑；砂轮纵向进给速度↑，每部位重复磨削次数↓

，表面粗糙度

↑

。4.2加工表面粗糙度及其改善措施（2）砂轮的粒度和砂轮的修整对表面粗糙度的影响砂轮的粒度磨粒的大小磨粒间的距离砂轮的粒度号↑，参与磨削的磨粒↑，表面粗糙度↓

；砂轮的粒度号越大，磨粒和磨粒间离越小修整砂轮时，纵向进给量对表面粗糙度的影响甚大；纵向进给量↓

，砂轮表面的等高性越好，表面粗糙度

↓；修正后的磨粒微刃4.2加工表面粗糙度及其改善措施

2.金属表面层的塑性变形——物理因素的影响

在磨削过程中，磨削速度高，且磨粒大多为负前角，磨削比压大，对加工表面产生挤压作用强烈而使表面出现塑性变形，磨削区的高温更加剧了塑性变形，增大了表面粗糙度值。

砂轮转速↑，切削速度↑，工件材料来不及变形，塑性变形↓，表面粗糙度↓

工件转速↑，工件材料塑性变形↑，表面粗糙度↑；vw

=40(m/min)f=2.36(m/min)ap

=0.01(mm)v=50(m/s)f=2.36(m/min)ap

=0.01(mm)v(m/s),vw(m/min)Ra(μm)0304050600.51.0（1）磨削用量图4-8砂轮速度、工件速度对粗糙度的影响

4.2加工表面粗糙度及其改善措施ap(mm)磨削深度↑，工件材料塑性变形↑，表面粗糙度↑；另外：光磨次数↑，Ra↓00.010.40.8Ra(μm)00.20.60.020.030.04v=50(m/s)vw

=40(m/min)f

=2.36(m/min)图4-8背吃刀量对粗糙度的影响

光磨次数-Ra关系Ra(μm)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮细粒度砂轮4.2加工表面粗糙度及其改善措施

砂轮的粒度、硬度、组织和材料的选择不同，对磨削表面层金属的金属塑性变形产生影响，进而影响表面粗糙度。

砂轮的粒度越细（号数大），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；但粒度过细，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。（2）砂轮的选择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。

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。通常选用中软硬度砂轮。4.2加工表面粗糙度及其改善措施

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。砂轮的组织是指磨粒、结合剂、和气孔的比例关系。紧密组织——磨粒比例大、气孔小，能获得高精度和较小的表面粗糙度值。适于精密磨削。疏松组织的砂轮不易堵塞，适于磨削软金属、非金属软材料和热敏性材料（磁钢、不锈钢、耐热钢等），可获得较小的表面粗糙度值。一般选中等组织的砂轮。砂轮的材料：氧化物（刚玉）——钢类；碳化物（碳化硅、碳化硼）——铸铁、硬质合金；高硬度材料（人造金刚石、六方碳化硼）——精密磨削，成本高。4.2加工表面粗糙度及其改善措施铝、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。

粗糙度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4.2加工表面粗糙度及其改善措施1、不选择切削用量，只限定压强和加工时间；2、无需精密机床；3、降低表面粗糙度效果明显，提高精度不明显；4、加工余量小超精加工方法介绍——超精研、研磨、珩磨、抛光超精加工的共同特点是：4.2加工表面粗糙度及其改善措施（一）超精研1、工作原理：采用细粒度的磨条在一定压力和切削速度下往复运动，对表面进行光整加工。

加工运动：A、工件低速回转运动；B、磨条轴向进给运动;C、磨条高速往复振动。4.2加工表面粗糙度及其改善措施2、切削过程：可分为四个阶段（1）强烈切削阶段：少数波峰上压强很大，切削作用剧烈。（2）正常切削阶段：接触面积增大，接触压强减小，切削作用减弱。（3）微弱切削阶段：接触面积进一步增大，接触压强进一步减小，磨条起抛光作用。（4）停止切削阶段：工件被研平，接触压强很小，磨条与工件之间形成油膜，切削停止。4.2加工表面粗糙度及其改善措施（二）研磨研磨可以达到很高的精度和表面质量。基本原理：通过介于工件和硬质研具之间的磨料或研磨液的流动产生机械摩擦和化学作用去除微小加工余量。研磨加工原理示意图4.2加工表面粗糙度及其改善措施1、研磨特点：（1）研具较软，以铸铁、塑料、硬木制成。（2）磨料中混有化学物质，机械与化学作用同时进行，磨粒运动轨迹复杂，保证均匀性。（3）加工表面质量高。2、研具：磨具应软硬适当,组织均匀。粗研采用铜、铝，精研采用铸铁。3、研磨剂：研磨剂为磨料与油脂的混合剂。

磨料种类：金刚石微粉,碳化硅,氧化铝等。油脂起调和磨料，防化学腐蚀作用。

油脂种类：油酸,凡士林,变压汽油。4.2加工表面粗糙度及其改善措施4、研磨参数（1）磨料粒度：粒度↑，则粗糙度↓，效率↓

。（2）研磨速度：一般研磨速度<0.5m/s，精研速度<0.16m/s。（3）研磨余量：手工研磨余量<10μm，机械研磨余量<15μm。（4）研磨压强：粗研0.1~0.3MPa，精研0.01~0.1MPa。4.2加工表面粗糙度及其改善措施（三）珩磨：

采用精密油石相对于工件作螺旋线运动，油石弹性压在工件表面上。珩磨后表面粗糙度可达Rz0.4~Rz3.2，有时可达Rz0.1以下。（四）抛光：

原理与研磨相似，只是研具采用无纺布、棉布、丝绸等软质材料。抛光可用于自由曲面加工。4.3表面物理力学性能变化及其改善措施

由于受切削力和切削热的作用，表面金属层的物理力学性能会产生很大的变化：显微硬度变化、金相组织变化和在表层金属中产生残余应力。4.3表面物理力学性能变化及其改善措施4.3.1表面层的冷作硬化

机械加工过程中，切削力使表层金属产生的塑性变形、使金属的晶格扭曲、畸变，晶格间产生滑移，晶粒被拉长，而引起的表面层的硬度增加，这种现象称作冷作硬化或强化。导致金属变形阻力增加，塑性降低，物理性能（如密度、导电性、导热性等）也有所变化。

表层的冷作硬化使金属处于高能位不稳定状态，外部条件的改变会使冷硬结构向比较稳定的结构转化，这种现象称为软化。机械加工中产生的切削热会使金属的冷硬现象回复。4.3表面物理力学性能变化及其改善措施切削力——硬化；切削热——软化

金属在机械加工过程中同时受到切削力和切削热的作用，加工后的表面金属的最后性质取决于硬化和弱化两个过程的综合。1)表面层的显微硬度HV；2)硬化层深度h；3)硬化程度N冷作硬化的衡量指标

HV0

——金属原来的显微硬度4.3表面物理力学性能变化及其改善措施2．影响切削加工表面冷作硬化的因素图4-9f和v对冷硬的影响硬度(HV)0f(mm/r)0.20.40.60.8v=170(m/min)135(m/min)100(m/min)50(m/min)100200300400工件材料：45（1）切削用量的影响切削时进给量↑

切削力↑

塑性变形↑

硬化程度↑；切削速度↑

切削热作用时间↓

硬化程度↑。图4-10切削厚度对冷硬的影响切削层厚度大↑切削力↑

塑性变形↑

硬化程度↑

切削层厚度小↓挤压↑

塑性变形↑

硬化程度↑

硬度(HV)4.3表面物理力学性能变化及其改善措施

刀具的切削刃钝圆半径的大小影响很大，半径↑

径向分力↑

塑性变形↑

冷硬程度↑

。（2）刀具几何形状的影响

后刀面的磨损量↑

塑性变形↑

冷硬层深度和硬化程度↑。如图4-1100.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v

=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)图4-11刀具后刀面磨损宽度对冷硬影响（3）工件材料性能的影响材料塑性↑冷硬倾向↑

冷作硬化↑材料导热性↑冷硬倾向↓

冷作硬化↓

分析：碳钢与有色金属的冷硬倾向有色金属的溶点低，易弱化VB4.3表面物理力学性能变化及其改善措施3．影响磨削加工表面冷作硬化的因素（1）工件材料性能影响

塑性好

硬化程度大导热性好弱化程度小分析：磨削高碳工具钢T8、工业纯铁（2）磨削用量的影响磨削深度↑

磨削力↑硬化程度↑纵向进给↑切削厚度↑磨削力↑硬化程度↑

切削热↑

弱化倾向↑

V砂轮↑切削厚度↓塑性变形↓

温度↑弱化程度↑V工件↑

切削热作用时间↓冷硬程度↑（3）砂轮粒度影响粒度↑

磨粒载荷↓冷硬程度↓综合考虑图4-12磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.0253003504505004000.0500.075普通磨削高速磨削4.3表面物理力学性能变化及其改善措施4.3表面物理力学性能变化及其改善措施4.3.2表面层的金相组织变化——磨削烧伤

1．机械加工表面金相组织的变化

机械加工过程中，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，温度不会上升到如此程度。对于磨削加工来说，由于磨削比压大，磨削速度高，消耗功率大，即磨削热大，且80%传给加工表面。单位面积上产生的切削热比一般切削方法要大几十倍。

很高的磨削温度往往会使已淬火工件的加工表面层金属的金相组织发生变化，从而使表层金属的硬度和强度下降，产生残余应力甚至引起显微裂纹。工件表面呈氧化膜颜色。这种现象称为磨削烧伤。1)如果磨削区温度未超过淬火钢相变温度。(一般中碳钢为720℃，但超过马氏体的转变温度(一般中碳钢为300℃)，这时马氏体将转变为硬度较低的回火组织（托氏体或索氏体），这叫回火烧伤。2)当工件表面层温度超过相变温度，如果这时有充分的切削液，则表面层将急冷形成二次淬火马氏体，硬度比回火马氏体高，但很薄，只有几微米厚。其下层为硬度较低的回火索氏体和屈氏体，导致表面层总体的硬度降低，这称为淬火烧伤。4.3表面物理力学性能变化及其改善措施

磨削淬火钢时，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：3)当工件表面层温度超过相变温度，如果这时无切削液，表层金属将产生退火组织，表面硬度急剧下降，这种现象称为退火烧伤。磨削时很容易产生这种现象。表面颜色与烧伤程度：淡黄米黄淡青青黑低高4.3表面物理力学性能变化及其改善措施

2．改善磨削烧伤的工艺途径

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：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。(1)正确选择砂轮

硬度：软砂轮较好，对于硬度太高的砂轮，钝化砂粒不易脱落，容易产生烧伤；

结合剂：最好采用具有一定弹性的材料，如树脂、橡胶等；组织：砂轮孔隙中浸入石蜡——润滑、降温。一般来说，选用粗粒度砂轮磨削，不容易产生烧伤。4.3表面物理力学性能变化及其改善措施(2)合理选择磨削用量

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↓

。造成：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↑。

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。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：t/℃4.3表面物理力学性能变化及其改善措施(3)改善冷却条件磨削时，通用的冷却效果较差，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。将切削液大量地喷注在已经离开磨削区的工件表面上。采用磨削液带走磨削区的热量可以避免烧伤。比较有效的冷却方法增加切削液的流量和压力采用特殊喷嘴采用多孔性砂轮(内冷)图4-16内冷装置4.3表面物理力学性能变化及其改善措施(4)开槽砂轮

在砂轮的圆周上开一些横槽，对防止工件烧伤十分有效。图4-17开槽砂轮（a）槽均匀分布（b）槽不均匀分布

带入冷却液

间断磨削

风扇散热4.3表面物理力学性能变化及其改善措施4.3.3表面层的残余应力

在机械加工过程中，在表层金属组织发生冷态塑性变形、热态塑性变形或金相组织变化，这些外部载荷去除后，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残余应力。l.表面层产生残余应力的原因(1)冷态塑性变形引起残余应力

在切削力作用下，已加工表面产生强烈的塑性变形。表面层金属比容增大，体积膨胀，与它相连的里层金属的阻止其体积膨胀；当刀具从被加工表面上去除金属时，由于后刀面的挤压和摩擦作用，加大了表面层伸长的塑性变形，表面层的伸长变形受到基体金属的限制，也在表面层产生了残余压应力。里层产生残余拉应力表面层产生残余压应力塑变弹变4.3表面物理力学性能变化及其改善措施温度应力4.3表面物理力学性能变化及其改善措施(2)热态塑性变形引起残余应力图4-18由于切削热在表层金属产生拉伸残余应力示意图tmtptn+σ+σ+σMPa℃在机械加工中，切削区会产生大量的切削热，工作表面的温度往往很高。tm—金属熔化温度；tp—金属具有高塑性的温度，该温度以上金属不会有残余应力；tn—标准室温。CDBA完全塑性无应力热膨胀拉应力压应力4.3表面物理力学性能变化及其改善措施(3)金相组织变化引起残余应力

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。

如：马氏体密度为7.75g/cm3，奥氏体密度为7.96g/cm3，珠光体密度为7.78g/cm3，铁索体密度为7.88g/cm3；如果金相组织变化引起表层金属的比容增大，则表层金属将产生压缩残余应力，而里层金属产生拉伸残余应力；如果金相组织变化引起表层金属的比容减小，则表层金属将产生拉伸残余应力，而里层金属产生压缩残余应力；4.3表面物理力学性能变化及其改善措施2.影响车削表层残余应力的工艺因素（1）切削速度和被加工材料的影响45号钢：车刀正前角；所有切削速度。热因素主导残余拉应力

18CrNiMoA：切削条件同上，见图4-19

V低速=20~50m/min

残余拉应力V中速=200~250m/min

残余压应力V高速=500~850m/min

残余压应力图4-19切削速度对残余应力的影响（2）进给量的影响

进给量↑

塑性变性↑,产生的热量↑残余拉应力进给量↑残余应力值、扩展深度↑

4.3表面物理力学性能变化及其改善措施（3）车刀前角影响

刀具前角对表面层金属的残余应力的数值、性质及扩展深度影响极大。图4-20车刀前角对表层金属残余应力的影响45号钢：V=150m/min

，前角由正负或增大负前角拉伸残余应力↓；

V=750m/min，前角变化将引起残余应力性质的变化。刀具负前角很大（-30°和-50°）时，表层淬火压缩残余应力。见图4-20（a）、（b）18CrNiMoA合金钢容易发生淬火反应：V=150m/min

，前角-30°就会产生压缩残余应力；V=750m/min，负前角刀具加工都会产生压缩残余应力。较大的正前角刀具加工，才会产生拉伸残余应力。见图4-20（c）、（d）

4.3表面物理力学性能变化及其改善措施3.影响磨削残余应力的工艺原因

磨削加工中，塑性变形严重、热量多、工件表面温度高，热因素和塑性变形对磨削表面残余应力的影响非常大。

热因素起主导作用表面产生拉伸残余应力；

塑性变形起主导作用表面产生压缩残余应力；

表面温度超过相变温度且冷却充分出现淬火烧伤

金相组织变化起主导作用表面产生压缩残余应力；

精细磨削

塑性变形起主导作用表面产生压缩残余应力。磨削深度：很小，塑性变形为主，产生压缩残余应力；

↑，

塑性变形↑

，磨削热

↑

热因素逐渐占据主导地位，产生拉伸残余应力；随着磨削深度的增加，拉伸残余应力数值逐步增大。

当时，尽管磨削温度很高，但由于工业纯铁含碳量极低，不可能出现淬火现象塑性变形逐渐起主导作用，表层金属的拉伸残余应力数值逐渐减小；

当

很大时，表层金属呈压缩残余应力状态。

4.3表面物理力学性能变化及其改善措施（1）磨削用量的影响工业纯铁的磨削

4.3表面物理力学性能变化及其改善措施砂轮转速：V砂轮

↑，

每颗磨粒所切削的金属厚度↓塑性变形↓，

磨削区温度↑，热因素作用↑产生拉伸残余应力倾向↑。一般来说，材料的强度高,导热性差,塑性低磨削时产生拉伸残余应力的倾向就越大。其它：V工件↑和V进给↑，热作用时间↓

热因素的影响↓，塑性变形的影响↑拉伸残余应力趋势↓

压缩残余应力趋势↑。（2）工件材料的影响图4-22为磨削T8钢，图4-21为磨削工业纯铁，通过对比，我们可以得出上述结论。由上图可见：高速磨削容易在工件表面形成拉伸残余应力

4.3表面物理力学性能变化及其改善措施

工件表面残余应力的数值及性质主要取决于工件最终工序的加工方法——工件最终工序加工方法的选择非常重要4.工件最终工序加工方法的选择

选择工件最终工序的加工方法需考虑该零件的具体工作条件及零件可能产生的破坏形式。

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压缩残余应力的加工方法。(1)疲劳破坏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2．滑动磨损

4.3表面物理力学性能变化及其改善措施是两个零件作相对滑动，滑动面逐渐磨损的现象。滑动摩擦的机械作用物理化学方面的综合作用滑动磨损机理粘接磨损扩散磨损化学磨损（2）滑动磨损滑动摩擦应力分布图

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。工艺措施：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。

4.3表面物理力学性能变化及其改善措施（3）滚动磨损是两个零件之间作相对滚动，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处产生压缩残余应力的加工方法。

滚动磨损的决定性因素是表面层下深h

处的最大拉应力。滚动摩擦应力分布图工艺措施：

4.3表面物理力学性能变化及其改善措施各种加工方法在工件表面残留的内应力情况对上表的总结：1、车削：普通车削——正前角，塑变小，热因素占主导高速车削——表层淬火，金相组织变化占主导2、磨削——塑性变形占主导地位3、淬火及强化处理——表面受压，里层受拉4、电镀——表面受拉，里层受压

4.3表面物理力学性能变化及其改善措施4.3.4表面强化工艺

由前述可知，零件的表面质量尤其是表面层的物理力学性能，对其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。喷丸强化滚压加工表面强化常用工艺方法

4.3表面物理力学性能变化及其改善措施

1．喷丸强化

利用大量的高速运动的珠丸打击被加工零件表面，使表面产生冷硬层和压缩残余应力，可以显著提高零件的疲劳强度和使用寿命。珠丸可以是铸铁、砂石、钢丸或钢丝段；对于铝制件，为避免电化学腐蚀，要采用铝丸或玻璃丸。球丸直径0.2～4mm（工件尺寸小，选小直径）喷丸所用设备是压缩空气喷丸装置或机械离心式喷丸装置，这些装置使珠丸能以35～50m／s的速度喷出。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

喷丸加工主要用于强化形状复杂的零件，如齿轮、连杆、曲轴、焊缝等。零件经喷丸强化后，硬化层深度可达0.7mm，表面粗糙度Ra值可由3.2μm减少到0.4μm，使用寿命可提高几倍到几十倍。

4.3表面物理力学性能变化及其改善措施图4-24滚压加工原理图

珠丸挤压引起残余应力

压缩拉伸塑性变形区域

2．滚压加工

利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态挤压金属表面，使凸起部分下压，凹下部分上挤，修正工件表面的微观几何形状，形成压缩残余应力，提高耐疲劳强度。

滚压加工可以降低表面粗糙度3~5级，表面硬度一般可提高10%~40%，表面金属的耐疲劳强度一般可提高30%~50%。

4.3表面物理力学性能变化及其改善措施常用的强化工艺方法

4.3表面物理力学性能变化及其改善措施典型的滚轮滚压加工应力集中，易疲劳破坏部位

4.3表面物理力学性能变化及其改善措施

液体磨料强化

液体和磨料在400～800kPa下，经过喷嘴高速喷出，射向工件表面，借助磨粒的冲击作用，磨平工件表面的表面粗糙度并碾压金属表面。

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。

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、抗蚀性和抗疲劳强度。

液体磨料强化工艺最宜于加工复杂形面，如锻摸、汽轮机叶片、螺旋桨、仪表零件和切削刀具等。4.4机械加工中的振动

影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度；刀具与工件间的相对位移会使加工表面产生振痕，严重影响零件的表面质量和使用性能；工艺系统承受交变载荷，加速刀具磨损，易引起崩刃。影响机床、夹具的使用寿命；产生噪声污染，危害操作者身心健康；影响生产效率，为避免或减小振动而减小切削量。4.4.1机械加工中的振动及分类1．自由振动2．受迫振动3．自激振动

机械振动的分类本节主要讨论机械加工过程中受迫振动和自激振动的规律。4.4机械加工中的振动受迫振动——由于外界周期性干扰力的作用而引起的振（这是影响精密加工质量、生产率的关键问题）1.受迫振动产生的原因机内振源——机床高速回转件的质量不平衡；机床传动机构的缺陷；往复运动部件的惯性力；切削过程中的间歇性。机外振源——其它机床或机器的振动，通过地基传给正加工的机床（隔振地基）。4.4.2机械加工中的受迫振动4.4机械加工中的振动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。图4-25内圆磨削振动系统以内圆磨削为例

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。为此，把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。4.4机械加工中的振动单自由度系统典型的动力学模型作用在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：

二阶常系数线性非齐次微分方程，据微分理论，当系统为小阻尼时，它的解由令F/m=0，而得到的齐次方程的通解和非齐次方程的一个特解组成：式中4.4机械加工中的振动

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受迫振动。

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。进入稳态后的振动力程为：4.4机械加工中的振动受迫振动的特性：①强迫振动是由周期性激振力引起的，不会被阻尼衰减掉，振动本身也不能使激振力变化。②受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受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。A区：激振力的频率很小（ω=0或λ=ω/ωο＜＜1）时，η≈1，此时的振幅相当于把激振力作为静载荷加在系统上，使系统产生静位移，这种现象发生在0≤λ≤0.7的范围，故称此范围为准静态区。ABC

图4-27是以频率比λ=ω/ωο

为横坐标，以动态放大系数η=A/A0

(受迫振动的振幅与系统静位移的比值)为纵坐标，以阻尼比ζ为参变量而做出的受迫振动的幅频特性曲线。B区：当激振频率增大，λ也逐渐增大，振幅迅速增大；当λ接近或等于1时，振幅急剧增加，这种现象称为共振。故将范围0.7≤λ≤1.3的区域称为共振区。工程上常将系统的固有频率定为共振频率。固有频率前后20~30%的区域作为禁区以免共振。

改变系统固有频率、改变激振力频率、提高阻尼比、增加静刚度等，均有消振作用。C区：当激振频率增大到λ﹥﹥1时，η→0，振幅迅速下降，甚至振动消失。这表明振动系统的惯性跟不上快速变化的激振力，这个区域称为惯性区，其范围为λ≥1.3。惯性区内，阻尼的影响大大减小，系统的位移小于静位移，且可以通过增加系统的质量来增加抗振性。4.4机械加工中的振动

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严明显的、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。4.4.3机械加工中的自激振动1.自激振动的产生条件和特性自激振动的产生作用干扰力处于切削过程中的工艺系统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工艺系统产生振动导致这变化又引起4.4机械加工中的振动非震荡性能源交变切削力F(t)振动位移y(t)图4-28自激振动闭环系统振动系统（弹性环节）调节系统（切削过程）组成的一个闭环系统。自激振动的组成振动系统(工艺系统)调节系统(切削过程)

自激振动系统是一个闭环反馈自控系统，调节系统把持续工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。输出4.4机械加工中的振动自激振动的特性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，在一个振动周期内，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。4.4机械加工中的振动

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）再生原理（2）振型耦合原理（3）负摩擦原理下面扼要介绍几种比较公认的学说2.自激振动的激振机理4.4机械加工中的振动类似于加工精度中毛坯误差的复映

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。（1）再生原理相应的振纹。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。图4-30再生型颤振的产生过程4.4机械加工中的振动再生型颤振产生条件图4-31再生自激振动原理图f切入切出y0ya）b）φy0y切入切出fc）φfy0y切入切出d）切入切出fy0yφa）、b）、c）系统无能量获得；d）y滞后于y0，即0＞φ＞π

，此时切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出时切削力所作正功（获得能量）大于切入时所作负功，系统有能量获得，产生自激振动。

当本次（转）加工与前次切削的的相位角φ=π/2时，能量输入ΔE最大，再生型颤振最强烈。重叠系数μ：前转（次）切削振纹对本转（次）切削厚度变化量影响的等效程度。bd

—上转（次）切削残留振纹的宽度；bD—本转（次）切削公称厚度。一般加工中，0＜μ＜1。重叠系数反映了再生效应（切削厚度变化效应）的程度，

μ越小，就越不容易产生再生型颤振。4.4机械加工中的振动例如：一个二自由度振动系统，如因偶然干扰使刀架系统产生角频率为ω的振动，刀架将沿两X1、X2两刚度轴同时振动。运动方程:y=Ay

sinωtz=Az

sin(ωt+φ)Φ不同，刀尖振动轨迹不同（图4-33）如果：φ是某值时，刀尖振动轨迹为沿椭圆曲线顺时针方向；刀具振入运动A→C→B，切削厚度较薄切削力小；

振出运动B→D→A，切削厚度较大，切削力大；

W振出>W振入

振动系统在各主振模态间互相耦合，互相关联而产生的自激振动，称振型耦合型颤振。yz（2）振型耦合原理实际的振动系统一般都是多自由度系统。式中

Ay—y向振幅

Az

—z向振幅

φ

—z向相对于向在主振频率ω上的相位差。图4-32振型耦合型颤振原理示意图4.4机械加工中的振动4.4机械加工中的振动（3）负摩擦原理

图4-34可知，在某些速度区段内，切削力Fy随切削速度v增加而减小，具有下降特性。图4-35（a）所示的车床刀架在y方向上的振动运动：当刀架由于外界偶然干扰在y方向上作振动运动时，切屑相对于刀具的相对运动速度（vo-y’）与振动位移y的关系，如图4-35（b）。因而，振出阶段的力总是大于振入阶段的力，即F振出＞F振入，如图4-35（c）。故加工系统有自己振动产生。这种由于切削过程中存在负摩擦特性而产生的自己振动，称为摩擦型颤振。振出4.4机械加工中的振动4.4.4机械加工中振动的控制（1）受迫振动的诊断方法

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基本途径

测出振动的频率，判断性质。受迫振动的频率与激振力频率相等或是它的整数倍。

a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。

b较完善的方法：

对机床的振动信号进行