第2章-机械加工质量控制-2

现代制造工艺2.5机械加工表面质量表面质量包括表面粗糙度、波度和表面层材料物理机械性能。与加工精度一样，同样影响机器零件的机械加工质量，决定零件和机器整机的性能。实践表明，机械零件的破坏，一般都是从表面层开始的，这说明零件的机械加工表面质量是至关重要的，它对产品的质量有很大的影响。表面质量包括以下主要内容：（1）表面的几何形状特征主要包括表面粗糙度、波度。（2）表面层的物理及机械性能主要包括表面层因塑性变形引起的加工硬化、表面层的金相组织变化、表面层的残余应力等。表面质量对零件使用性能的影响

机器零件的使用性能如耐磨性、疲劳强度、耐腐蚀性等除了与材料本身的性质和热处理有关外，主要决定于加工后的表面质量。（1）表面质量对零件耐磨性能的影响

1）表面粗糙度对

耐磨性的影响

最佳表面粗糙度2）表面加工硬化对耐磨性的影响

最佳加工硬化金相组织引起表层硬度变化，影响耐磨性。（2）表面质量对疲劳强度的影响

1）表面粗糙度对疲劳强度的影响另外，加工纹路方向对疲劳强度影响更大，刀痕与受力方向垂直，疲劳强度将显著降低；

不同材料对应力集中的敏感程度不同，如铸铁对应力集中不敏感，即粗糙度对疲劳强度的影响就不大。一般情况下，钢的强度极限越高，对应力集中就越敏感。2）表面层的残余应力、加工硬化对疲劳强度的影响表面加工硬化能够阻止疲劳裂纹的生长，可提高零件的耐疲劳强度。在实际加工中，零件表面层在加工硬化的同时，常伴随有残余应力的产生。残余拉应力使疲劳裂纹扩展，加速疲劳破坏，从而降低零件的疲劳强度；而残余压应力能够部分地抵消工作载荷施加的拉力，从而提高零件的疲劳强度。但残余应力处于不稳定状态，对于重要零件还是应消除残余应力。（3）表面质量对零件耐蚀性的影响零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度，如图所示，当零件表面凸凹不平时，则在凹谷底部易储存腐蚀介质，底部角度越小，深度越大，则介质对零件表面的腐蚀作用越强烈。因此，降低加工表面的粗糙度，可以改善零件的抗腐蚀能力。

零件表面留有残余压应力，能够阻止表面裂纹的进一步扩大，有利于提高零件表面抵抗腐蚀的能力。（4）表面质量对零件配合性质的影响表面粗糙度会改变实际有效过盈量和间隙量，因此表面质量好坏直接影响零件配合性质的稳定性。（5）表面质量对零件接触刚度的影响要提高接触刚度，就必须降低零件表面的粗糙度，增大实际接触面积。2.6机械加工表面质量的影响因素及控制措施研究加工表面质量的目的，就是要掌握机械加工中各种工艺因素对加工表面质量的影响规律，以便应用这些规律控制加工过程，最终达到提高加工表面质量，提高产品使用性能的目的。切削加工表面粗糙度（1）几何因素影响粗糙度的几何因素是指刀具进给运动在工件加工表面上留下来的残留面积形状，理论上与刀具形状完全一致，如图所示。残留面积的高度H就成为理论上的表面粗糙度。（2）物理因素塑性材料切削加工中常伴随有塑性变形发生的缘故。加工脆性材料，切削速度对表面粗糙度的影响不大。一般来说，切削脆性材料比切削塑性材料更容易达到表面粗糙度的要求，这是由于脆性材料在切削时几乎不发生塑性变形，粗糙度形成以几何因素为主。对于同样的材料，金相组织越是粗大，切削加工后的表面粗糙度值也越大。为减小切削加工后的表面粗糙度，常在精加工前对工件进行调质处理，目的在于得到均匀细密的晶粒组织和较高的硬度（减小塑性变形）。此外，合理选择切削液、适当增大刀具的前角、提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。（3）切削颤振在切削过程中，各种不稳定因素有可能引起加工系统的振动，使刀具和工件相对位置发生变化，引起背吃刀量变化，使粗糙度增大。磨削加工后的表面粗糙度

磨削加工表面粗糙度的形成也与切削加工表面粗糙度的形成一样，也是由几何因素和表面层金属的塑性变形决定的，但磨削过程要比切削过程复杂得多。（1）几何因素 磨削表面是由砂轮上大量的磨粒刻划出无数极细的沟槽形成的。单纯从几何因素考虑，可认为在单位面积上刻痕越多，即通过单位面积的磨粒数越多，刻痕的等高性越好，则磨削表面的粗糙度值越小。

1）磨削用量对表面粗糙度的影响

2）砂轮粒度和砂轮修整对表面粗糙度的影响n砂RaN工Raf纵Ra粒度号Raf金刚石笔Ra（2）物理因素磨削速度高，且磨粒大多为负前角，且磨粒的钝圆半径相对较大，磨削区温度很高，在力因素和热因素的综合因素作用下，被磨工件表面金属的晶粒在横向上被拉长，有时还产生细微的裂纹和局部的金属堆积现象。因此，磨削过程的塑性变形要比一般切削过程大得多。

影响磨削表层金属塑性变形的因素，往往是影响表面粗糙度的决定性因素。1）磨削用量

2）砂轮的选择砂轮粒度-合适砂轮硬度-合适n砂Ra塑性变形减小n工Ra塑性变形增大f纵Ra塑性变形减小组织-紧密，在成形磨削和精密磨削时，能获得高精度和较小的表面粗糙度值；疏松，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。砂轮材料选择适当，可获得满意的表面粗糙度。氧化物（刚玉）砂轮磨粒较为锋利，适于磨削钢类零件；碳化物（碳化硅、碳化硼）砂轮轮磨粒硬度高、耐磨，适于磨削铸铁、硬质合金等材料；用高硬材料（人造金刚石、立方氮化硼）砂轮磨削可获得极小的表面粗糙度值，但加工成本高。加工表面变质层

（1）加工硬化由于冷加工产生塑性变形造成的表面硬化现象，称为加工硬化（或冷作硬化）。 金属冷作硬化的结果，使金属处于高能位不稳定状态，一旦条件允许，金属的冷硬结构就会本能地向比较稳定的结构转化，称为弱化现象。机械加工过程中产生的切削热，将使金属在塑性变形中产生的冷硬现象得到恢复。由于金属在机械加工过程中同时受到力因素和热因素的作用，机械加工后表面层金属的最后性质取决于强化或弱化两个过程的综合。硬化的表面，由于硬度的提高使耐磨性得到了提高，但同时脆性增加使冲击韧性降低，也为后续加工带来困难，还增加了刀具的磨损，使刀具耐用度降低。2）影响切削加工表面加工硬化的因素①刀具几何参数的影响钝圆半径的增大，导致硬度明显增大。前角

在±20°范围内变化时，对冷硬没有显著影响。刀具磨损对表层金属的冷硬影响很大。刀具后角，主、副偏角以及刀尖圆弧半径等对表层金属的冷硬影响不大。刀具的前后刀面刃磨质量越好，切削变形越小，挤压摩擦也越小，所以加工硬化就越小。②工件的影响工件材料硬度越低、塑性越大，加工硬化越大。

③切削用量的影响加大进给量，表层金属的显微硬度将随之增大。切削速度对冷硬程度的影响是力因素和热因素综合作用的结果。背吃刀量对表层金属加工硬化的影响不大。3）影响磨削加工表面冷作硬化的因素①工件材料性能的影响从材料的塑性和导热性两个方面考虑。②磨削用量的影响asp硬化程度塑性变形加剧纵向进给速度-力因素和热因素综合作用n工砂轮与工件作用时间缩短硬化程度n砂塑性变形减小，温度增高硬化程度③砂轮粒度的影响粒度号越大，每颗磨粒的载荷越小，冷硬程度也越小。（2）残余应力在机械加工过程中，当表层金属组织发生形状变化、体积变化或金相组织变化时，将在表面层的金属与其基体间产生相互平衡的内部作用力，这种作用力属于微观应力，称之为残余应力，又称为内应力。1）残余应力的产生原因各种机械加工方法所得到的表面层都会有或大或小的残余应力。工件各部分如果残余应力分布不均匀，会使工件发生变形，影响工件的形状精度。①热塑性变形引起的残余应力在切削加工过程中，切削区产生的大量切削热会使工件表层温度比里层高，在加工表面的最表层金属温度很高，而产生热塑性变形。切削之后，表层与里层的温度下降时，因为表层收缩快于里层，表层的收缩要受到里层金属的限制，因而表层呈现拉应力，里层为压应力。

②冷态塑性变形引起的残余应力切削加工时，由于刀具的切削作用，在加工表面金属层内产生塑性变形，比容增大和体积膨胀，不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻碍，这样就在表面层内产生了残余压应力，而在里层金属中产生残余拉应力。

刀具切离之后，里层拉伸弹性变形将逐渐恢复，表面层金属的拉伸塑性变形，受到与它相连的里层未发生塑性变形金属的阻碍，因此就在表层金属中产生了残余压应力，而在里层金属中产生了残余拉应力。 ③局部金相组织变化引起的残余应力切削时产生的高温会造成表面层的金相组织变化。不同的金相组织具有不同的密度，也就是说具有不同的比容。比容的变化，造成体积的膨胀或收缩，但这种膨胀或收缩要受到基体的限制，从而使表面出现压应力或拉应力。综上所述，机械加工后表层的残余应力状态是冷塑性变形、热塑性变形和金相组织变化共同作用的结果，因此产生的残余应力状态较为复杂。

2）影响残余应力的因素及控制措施①刀具几何参数刀具前角-正变为负，表层残余拉应力逐渐减小，甚至可得到残余压应力。②刀具磨损刀面磨损VB增大，使加工表面呈残余拉应力。

③工件材料切削如工业纯铁、奥氏体不锈钢等塑性大的工件材料时，加工后产生大的残余拉应力；切削灰铸铁等脆性材料时，加工表面易产生残余压应力。④切削用量随着vc增加，切削温度引起的热应力逐渐起主导作用，故残余应力将增大，但残余应力层深度减小。进给量f增加，残余拉应力增大，但压应力将向里层移动。背吃刀量ap对残余应力的影响不显著。影响磨削加工后残余应力的主要因素：磨削加工中，塑性变形严重且热量大，热因素和塑性变形对磨削表面残余应力的影响都很大。在一般磨削过程中，如热因素起主导作用，工件表面将产生残余拉应力；如塑性变形起主导作用，工件表面将产生残余压应力；当工件表面温度超过相变温度且又冷却充分时，工件表面出现淬火烧伤，此时金相组织变化因素起主要作用，工件表面将产生残余压应力。在精细磨削时，塑性变形起起主导作用，工件表层金属产生残余压应力。①磨削用量的影响背吃刀量很小时，塑性变形起主导作用，因此磨削表面形成残余压应力。继续加大背吃刀量，塑性变形加剧，磨削热随之增大，热因素的作用逐渐占主导作用，表面层产生残余拉应力；随着背吃刀量的增大，残余拉应力的数值将逐渐增大。提高砂轮速度，磨削区温度增高，而每颗磨粒所切出的金属厚度减小，此时热因素的作用增大，塑性变形因素的影响减小，因此提高砂轮速度将使表面金属产生残余拉应力的倾向增大。增大工件的回转速度和进给速度，将使砂轮与工件热作用的时间缩短，热因素的影响逐渐减小，塑性变形因素的影响逐渐加大。这样，表层金属中产生残余拉应力的趋势逐渐减小，而产生残余压应力的趋势逐渐增大。②工件材料的影响一般情况，工件材料的强度越高，导热性越差、塑性越低，在磨削时表面金属产生残余拉应力的倾向就越大。（3）表面金属的金相组织变化

1）机械加工表面金相组织的变化当磨削温度达到金相组织转变临界点时，就会产生金相组织变化。

对已淬火的钢件，很高的磨削温度会引起表面层金相组织变化，使表层金属硬度下降，在工件表面出现氧化膜颜色，此现象称为磨削烧伤。磨削表面层烧伤会在磨削表面层生成氧化膜，这种膜的厚度不同，反射光线的干涉状态也不相同，所以烧伤的表面层可以看到浅黄、黄、褐、紫、青、淡青的不同颜色。不同的烧伤颜色标志着磨削温度的高低和磨削受热时间的长短，即反映烧伤的程度。在磨削淬火钢时，由于磨削区温度和冷却效果的不同，可能会产生以下三种不同的磨削烧伤形式：a.回火烧伤

如果工件表面层温度未超过相变临界温度AC3（一般碳钢为720℃）,但超过马氏体的转变温度（一般中碳钢为300℃），工件表面将产生回火组织（屈氏体或索氏体），硬度比原来的回火马氏体低，称为回火烧伤。b.淬火烧伤如果工件表面层温度超过相变临界温度，再加上冷却液的急冷，则表面层形成二次淬火马氏体，硬度高于回火马氏体，但极薄，只有几个微米厚，在它下层由于冷却较慢，出现了比回火马氏体硬度低的回火组织（屈氏体或索氏体），称之为淬火烧伤。

c.退火烧伤如果工件表面层温度超过了相变临界温度，但不施加冷却液，工件表层将生成退火组织，表面硬度急剧下降，称之为退火烧伤。磨削加工是一种典型的容易产生加工表面金相组织变化的加工方法，在磨削加工中若出现磨削烧伤现象，将会严重影响零件的使用性能。

2）磨削裂纹磨削温度引起的热应力和金相组织相变引起的体积变化占主导地位而产生热应力通常为拉应力，拉应力若超过了工件材料的抗拉强度极限，工件磨削表面就会产生裂纹，这种裂纹习惯上被称为磨削裂纹。一般情况下磨削表面多呈现残余拉应力，磨削淬火钢、渗碳钢及硬质合金工件时，常常在垂直于磨削的方向上产生微小龟裂，严重时发展成龟壳状微裂纹，有的裂纹不在工件表面，而是在表面层下，用肉眼根本无法发现。裂纹常与烧伤同时出现，其危害是降低零件的疲劳强度，甚至出现早期低应力断裂。3）磨削烧伤与裂纹的控制①被加工材料磨削区温度主要取决于被加工材料强度、硬度、韧性和导热性。强度越高、硬度越大、韧性越好的材料磨削时越容易产生烧伤。但工件过软，容易堵塞砂轮，反而使加工表面温升加剧。②砂轮的选择磨削导热性差的材料，易产生烧伤现象，应注意合理选择合理选择砂轮的硬度、结合剂、组织和粒度。

磨粒自身特性与锋利性③磨削用量磨削深度增大，磨削力和磨削热也急剧增加，容易造成烧伤。

横向进给量增加，使磨削区温度下降，可减轻磨削烧伤。

工件速度增大，磨削温度有一定上升。

砂轮速度增加，加工表面的温升有时并不严重。实践表明，同时提高砂轮速度和工件速度，可避免产生烧伤。④冷却润滑良好的冷却润滑条件可将磨削区的热量及时带走，避免或减轻烧伤。2.7表面强化工艺表面强化工艺是指通过冷压加工方法是表面层金属发生冷态塑性变形，以减少表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面层产生残余压应力的表面强化工艺。借助强化工艺还可以用次等材料代替优质材料，以节约贵重材料。但是采用强化工艺时应注意不要造成过度硬化，过度硬化的结果会使表面层完全失去塑性性质甚至引起显微裂纹和材料剥落，带来不良的后果。喷丸强化

喷丸强化是利用大量快速运动（60～110m/s）的珠丸连续打击被加工工件表面，使工件表面产生冷硬层和残余压应力（应力层深度可达0.25mm），可显著提高零件的疲劳强度和使用寿命。喷丸强化主要用于强化形状复杂或不宜用其他方法强化的工件，例如板弹簧、螺旋弹簧、连杆、齿轮、焊缝、涡轮盘及叶片等，可提高疲劳寿命1～3倍，甚至几十倍。47滚压加工

滚压加工是一种无切屑加工，它利用经过淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态下对金属表面施加一定压力进行挤压，利用金属塑性变形将表层的凸起部分向下压，凹下部分往上挤（见图），逐渐将前工序留下的波峰压平，从而修正工件表面的微观几何形状。此外，它还能使工件表面金属组织细化，形成残余压应力。滚压加工的形式有很多，根据加工表面的形状来选择。左图为在车床上利用淬硬滚柱滚压外圆表面。右图用淬硬钢球挤压未淬火内孔。滚压加工工艺与切削加工不同，是一种塑性加工工艺，有生产效率高、节约材料、产品强度高、质量稳定等优点，可减少表面粗糙度，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％。50

2.8机械加工过程中的

振动及控制

机械加工过程中的振动是一种破坏正常切削过程极其有害的现象。当振动发生时，加工表面质量恶化，产生明显的表面振痕。振动严重时，会引起打刀现象，使加工无法进行下去，从而不得不降低切削用量，致使机床、刀具的工作性能得不到充分发挥，影响了生产率的提高；振动还加速了刀具及砂轮的磨损，并使机床过早地丧失加工精度，影响刀具和机床的使用寿命；另外振动所发出的噪声形成噪声污染。51机械加工过程中的振动与所有的机械振动一样，分为自由振动、强迫振动和自激振动三大类。根据统计，强迫振动约占30%，自激振动约占65%，而自由振动所占比例则很小。52强迫振动及其控制强迫振动是系统在外界周期性干扰力的作用下所引起的不衰减振动。强迫振动产生的原因：

强迫振动的振源有：机床电机的振动；机床回转零件的不平衡；运动传递过程中引起的周期性干扰力，齿轮啮合的冲击，皮带张紧力的变化，滚动轴承滚子及尺寸误差引起的力变化，机床往复运动部件的工作冲击；液压系统的压力脉动：切削负荷不均匀所引起切削力的变化；从机床外部地基等传来的振动。53强迫振动的特征 1）强迫振动是在外界周期性干扰力的作用下产生的，但振动本身并不能引起干扰力的变化。如作用在加工系统上的干扰力是简谐激振力F=F0sinωt，则强迫振动的稳态过程也是简谐振动，只要这个激振力存在，该振动就不会被阻尼衰减掉。 2）不管加工系统本身的固有频率多大，强迫振动的频率总与外界干扰力的频率相同或成倍数关系。

543）强迫振动振幅的大小在很大程度上取决于干扰力的频率ω与加工系统固有频率ω0。的比值

，当

时，振幅达最大值，此现象称“共振”。

4）强迫振动振幅的大小除了与

有关外，还与干扰力、系统刚度及阻尼系数有关。55消除与控制强迫振动的措施1）减少或消除工艺系统中回转零件的不平衡

2）提高系统传动件的精度3）提高工艺系统的动态特性4）隔振

5）消振561-水平减振垫2-垂直减振垫图2－73隔振装置1-螺栓2-弹簧3-减振块图2－74