1、第3章 機械加工表面質量及其控制本章要點表面質量及對使用性能影響影響表面粗糙度工藝因素機械加工中的振動影響表層物理性能工藝因素1第3章 機械加工表面質量及其控制Analysis and Control of Machining Surface Quality3.1 加工表面質量及其對使用性能的影響Machining Surface Quality and its Influence to Use Performance機械制造工藝學 2表面粗糙度波度紋理方向傷痕（劃痕、裂紋、砂眼等）表面質量表面幾何形狀精度表面缺陷層表層加工硬化表層金相組織變化表層殘余應力加工表面質量加工質量包含的內容3.1.

2、1 加工表面質量概念 33.1.1 加工表面質量概念 加工表面的幾何形貌 表面粗糙度 波長/波高50 波度 波長/波高=501000；且具有周期特性 宏觀幾何形狀誤差（平面度、圓度等）波長/波高1000 紋理方向表面刀紋形式 表面缺陷如劃痕、砂眼、氣孔、裂紋等 是加工表面個別位置出現的缺陷 a）波度 b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度與波度RZHRZ43.1.1 加工表面質量概念 無氧銅鏡面三維形貌及表面輪廓曲線53.1.1 加工表面質量概念 加工紋理方向及其符號標注63.1.1 加工表面質量概念 表面層金屬力學物理性能和化學性能 表面層金屬冷作硬化 表面層金屬金相組織變化 表面層金屬殘余應力

3、加工變質層模型 73.1.2 表面質量對零件使用性能的影響 表面質量對零件耐磨性的影響Ra（m）初始磨損量重載荷輕載荷表面粗糙度與初始磨損量關系表面粗糙度對零件耐磨性的影響表面粗糙度太大和太小都不耐磨。表面粗糙度太大，接觸表面的實際壓強增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、擠裂、切斷，故磨損加劇；表面粗糙度太小，也會導致磨損加劇。因為表面太光滑，存不住潤滑油，接觸面間不易形成油膜，容易發生分子粘結而加劇磨損。表面粗糙度的最佳值與機器零件的工作情況有關83.1.2 表面質量對零件使用性能的影響 表面層的冷作硬化對零件耐磨性的影響加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因為它使磨擦副表面層金屬的顯微硬

4、度提高，塑性降低，減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和塑性變形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。這是因為過分的冷作硬化，將引起金屬組織過分“疏松”，在相對運動中可能會產生金屬剝落，在接觸面間形成小顆粒，使零件加速磨損。冷硬程度磨損量T7A鋼冷硬程度與耐磨性關系93.1.2 表面質量對零件使用性能的影響 表面紋理零件耐磨性的影響 表面紋理的形狀和刀紋方向對耐磨性也有影響，原因是紋理形狀和刀紋方向影響有效接觸面積和潤滑液的存留，一般，圓弧狀、凹坑狀表面紋理的耐磨性好，尖峰狀的耐磨性差。在運動副中，兩相對運動零件的刀紋方向和運動方向相同時，耐磨性較好，兩者的刀紋方向和運動方向垂直時，耐磨性最差。10

5、3.1.2 表面質量對零件使用性能的影響 表面粗糙度對零件疲勞強度的影響表面質量對零件疲勞強度的影響表面粗糙度越大，抗疲勞破壞的能力越差。對承受交變載荷零件的疲勞強度影響很大。在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應力集中，產生疲勞裂紋。 表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲勞性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的紋痕越深，紋底半徑越小，其抗疲勞破壞的能力越差。113.1.2 表面質量對零件使用性能的影響 表面層冷作硬化與殘余應力對零件疲勞強度的影響 適度的表面層冷作硬化能阻止疲勞裂紋生長并產生表面壓應力，提高零件的疲勞強度。殘余應力有拉應力和壓應力之分，殘余拉應力容易使已加工表面產

6、生裂紋并使其擴展而降低疲勞強度殘余壓應力則能夠部分地抵消工作載荷施加的拉應力，延緩疲勞裂紋的擴展，從而提高零件的疲勞強度。123.1.2 表面質量對零件使用性能的影響 表面質量對零件配合質量的影響表面粗糙度對配合質量的影響表面粗糙度對零件配合精度的影響 表面粗糙度較大，則降低了配合精度。表面殘余應力對零件工作精度的影響 表面層有較大的殘余應力，就會影響零件精度的穩定性。表面殘余應力對配合質量的影響133.1.2 表面質量對零件使用性能的影響 表面質量對零件耐腐蝕性能的影響表面粗糙度對零件耐腐蝕性能的影響 減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能。因為零件表面越粗糙，越容易積聚腐蝕性物質，凹

7、谷越深，滲透與腐蝕作用越強烈。 表面殘余應力對零件耐腐蝕性能的影響 零件表面殘余壓應力使零件表面緊密，腐蝕性物質不易進入，可增強零件的耐腐蝕性；表面殘余拉應力則降低零件耐腐蝕性。143.1.2 表面質量對零件使用性能的影響 如減小表面粗糙度可提高零件的接觸剛度、密封性和測量精度；對滑動零件，可降低其摩擦系數，從而減少發熱和功率損失。表面質量對零件使用性能還有其它方面的影響153.1.2 表面質量對零件使用性能的影響 對耐磨性影響 表面粗糙度值 耐疲勞性 適當硬化（阻止疲勞裂紋生長并產生表面壓應力）可提高耐疲勞性 表面粗糙度值耐蝕性 表面壓應力：有利于提高耐蝕性 表面粗糙度值 配合質量表面殘余應

8、力 精度的穩定性 配合質量 表面粗糙度值耐磨性，但有限度 對耐疲勞性影響 對耐蝕性影響 對配合質量影響 紋理形式與方向：圓弧狀、凹坑狀較好；紋理方向相同較好 適當硬化可提高耐磨性16第3章 機械加工表面質量及其控制Analysis and Control of Machining Surface Quality3.2 影響加工表面質量工藝因素及其改進措施Technology Factors Influencing Machining Surface Quality and its Improving機械制造工藝學 173.2.1 切削加工表面粗糙度 幾何因素的影響 直線刃車刀： 圓弧刃車刀：

9、影響因素：刀尖圓弧半徑 r、主偏角r、副偏角r 、進給量 f車削時殘留面積的高度frRmaxvfrb）Rmaxfa）vf切削加工后表面粗糙度的值主要取決于切削殘留面積的高度 183.2.1 切削加工表面粗糙度 工件材料的性質韌性 表面粗糙度 工件材料韌性愈好，金屬塑性變形愈大，加工表面愈粗糙。脆性表面粗糙度 加工脆性材料時，其切削呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點，使表面粗糙。塑性表面粗糙度 工件材料塑性越好，塑性變形越大，易產生積屑瘤和鱗刺，加工表面粗糙。物理因素的影響 同一材料金相組織越粗大 表面粗糙度 故對中碳鋼和低碳鋼材料的工件，為改善切削性能，常在粗加工或精加工前安排正

10、火或調質處理。193.2.1 切削加工表面粗糙度 切削速度的影響 加工塑性材料時，切削速度對表面粗糙度的影響隨切削速度的變化而變化（對積屑瘤和鱗刺的影響）；切削速度越高，塑性變形越不充分，表面粗糙度值越小；選擇低速寬刀精切和高速精切，可以得到較小的表面粗糙度；切削速度對脆性材料的影響不大。203.2.1 切削加工表面粗糙度 切削表面塑性變形和積屑瘤 切削速度影響最大：v = 2050m/min范圍，易產生積屑瘤和鱗刺，表面粗糙度最差； v 100m/min時減小，并趨于穩定 。切削45鋼時切削速度與粗糙度關系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（m）4812162

11、02428收縮系數Ks1.52.02.53.0積屑瘤高度 h（m） 0200400600hKsRz21積屑瘤的影響：3.2.1 切削加工表面粗糙度 22鱗刺的影響鱗刺的形成：抹試階段、導裂階段、層積階段、刮成階段3.2.1 切削加工表面粗糙度 233.2.1 切削加工表面粗糙度 進給量的影響 其他影響因素刀具幾何角度、刃磨質量，切削液等減小進給量f固然可以減小表面粗糙度值，但進給量過小，表面粗糙度會有增大的趨勢，效率降低。 適當增大刀具前角，提高刃磨質量，合理選擇切削液，抑制積屑瘤和鱗刺。精鏜(車)后的表面輪廓圖(橫向粗糙度)243.2.2 磨削加工表面粗糙度 磨削中影響粗糙度的幾何因素 從幾

12、何因素和塑性變形兩方面影響工件的磨削表面是由砂輪上大量磨粒刻劃出無數極細的刻痕形成的，工件單位面積上通過的磨粒數越多，則刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。磨削時切削力大速度高溫度高，且磨粒大多數是負前角，切削刃又不銳利，大多數磨粒在磨削過程中只是對被加工表面擠壓，沒有切削作用。加工表面在多次擠壓下出現溝槽與隆起，又由于磨削時的高溫更加劇了塑性變形，故表面粗糙度值增大。磨削中影響粗糙度的物理因素（通常是決定因素）253.2.2 磨削加工表面粗糙度 磨削用量 砂輪速度v，Ra 工件速度vw，Ra 砂輪縱向進給f，Ra 磨削深度ap，Ra 光磨次數，Ra磨削用量對表面粗糙度的影響vw =

13、 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(m)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(m)00.20.60.020.030.04b）光磨次數-Ra關系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次數粗粒度砂輪(WA60KV)細粒度砂輪(WA/GCW14KB)263.2.2 磨削加工表面粗糙度 砂輪及其修整 砂輪粒度，Ra;但要適量(4660) 砂輪硬度適中， Ra ；常取中軟 砂輪組織適中，Ra ；

14、常取中等組織 砂輪材料：與工件材料相適應（如氧化鋁適于磨鋼，碳化物(硅硼)適于磨鑄鐵，金剛石砂輪適于磨陶瓷材料等） 工件材料 冷卻潤滑液等 其他影響因素 金剛石砂輪磨削工程陶瓷零件采用超硬砂輪材料，Ra 但成本高； 砂輪精細修整， f Ra 太硬易使磨粒磨鈍 Ra 太軟容易堵塞砂輪Ra 韌性太大，熱導率差會使磨粒早期崩落Ra 。273.2.3 表面粗糙度和表面微觀形貌測量 比較法 觸針法： Ra 0.025m表面粗糙度測量工件驅動箱放大器處理器記錄器顯示器觸針傳感器觸針法工作原理 光切法： Rz 0.560m 干涉法： Rz 0.050.8m283.2.3 表面粗糙度和表面微觀形貌測量 雙管顯

15、微鏡測量原理1光源 2聚光鏡 3窄縫 4工件表面 5目鏡透鏡 6分劃板 7目鏡293.2.3 表面粗糙度和表面微觀形貌測量 干涉顯微鏡測量原理1光源 2、10、15聚光鏡 3濾色片 4光闌 5透鏡 6、9物鏡 7分光鏡 8補償鏡 10、14、16反射鏡 12目鏡 13透光窗303.2.3 表面粗糙度和表面微觀形貌測量 表面三維微觀形貌測量表面三維形貌測量與處理系統原理圖1驅動 2撞塊 3電觸點 4觸針 5工作臺 6工件 7步進電機 8控制電路 9驅動電路 10放大電路 11A/D變換器 12微機 13顯示器 14打印機313.2.3 表面粗糙度和表面微觀形貌測量 TOPO移相干涉顯微鏡光學原理

16、圖1光源 2、4、12透鏡 3視場光闌 6干涉濾光片 7CCD面陣探測器 8輸出信號 9目鏡 10分光鏡 11壓電陶瓷 13反射鏡 14參考基準板 15分光板 16被測工件323.2.3 表面粗糙度和表面微觀形貌測量 表面微觀形貌a）表面形貌干涉條紋 b）表面三維形貌a）b）相位值：輪廓高度：33第3章 機械加工表面質量及其控制Analysis and Control of Machining Surface Quality3.3 影響表層物理性能的工藝因素及其改進措施Technology Factors Influencing Surface Physics Performance and

17、its Improving機械制造工藝學 343.3.1 加工表面層冷作硬化 概述 加工硬化 機械加工時，工件表面層金屬受到切削力的作用產生強烈的塑性變形，使晶格扭曲，晶粒間產生剪切滑移，晶粒被拉長、纖維化甚至碎化，從而使表面層的強度和硬度增加，這種現象稱為加工硬化，又稱冷作硬化和強化。 加工硬化度量 表層金屬顯微硬度 HV 硬化層深度 h（m） 硬化程度 N式中 HV 硬化層顯微硬度（HV）； HV0 基體層顯微硬度（HV）。35 表面層冷作硬化的程度決定于產生塑性變形的力、變形速度及變形時的溫度。 冷作硬化產生的原因 3.3.1 加工表面層冷作硬化 力越大，塑性變形越大，則硬化程度越大；

18、速度越大，塑性變形越不充分，則硬化程度越小； 變形時的溫度不僅影響塑性變形程度，還會影響變形后金相組織的恢復程度。 切削加工時表面層的硬化是不穩定的，一有條件，就會產生弱化現象： 若溫度超過（0.250.30）T熔（熔化絕對溫度），則除了強化現象外，同時還有回復現象，此時歪扭的晶格局部得到恢復，減低了冷硬作用；36 結論： 機械加工時表面層的冷作硬化就是強化作用和回復作用的綜合結果。 3.3.1 加工表面層冷作硬化 切削溫度越高、高溫持續時間越長、強化程度越大，則回復作用也就越強。因此對高溫下工作的零件，能保證疲勞強度的最佳表面層是沒有冷硬層或者只有極小（1020m）冷作硬化的表面層。 如果溫

19、度超過0.30T熔就會發生金屬再結晶，此時由于強化而改變了的表面層物理機械性能幾乎可以完全恢復。373.3.1 加工表面層冷作硬化 影響切削加工表面冷作硬化因素 f切削力塑變冷硬 切削用量影響 刀具影響 r塑變冷硬 其他幾何參數影響不明顯 后刀面磨損影響顯著（綜合作用）00.20.40.60.81.0磨損寬度VB(mm)100180260340硬度(HV)50鋼，v = 40(m/min) f = 0.120.2(mm/z)后刀面磨損對冷硬影響 工件材料 材料塑性，冷硬傾向 切削速度影響復雜（力與熱綜合作用結果） 切削深度影響不大f 和 v 對冷硬的影響硬度(HV)0f (mm /r)0.20

20、.40.60.8v =170(m/min)135(m/min)100(m/min )50(m/min)100200300400工件材料：45383.3.1 加工表面層冷作硬化 影響磨削加工表面冷作硬化因素 磨削用量 砂輪 工件材料 磨削速度 塑變 溫度 冷硬程度（弱化作用加強） 工件轉速溫度 冷硬程度 （弱化作用減弱） 縱向進給量影響復雜（綜合作用） 磨削深度磨削力塑變冷硬程度 砂輪粒度冷硬程度 砂輪硬度、組織影響不顯著 材料塑性塑變 冷硬傾向 材料導熱性溫度 冷硬傾向磨削深度對冷硬的影響ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削393.3

21、.1 加工表面層冷作硬化 冷作硬化測量方法 表層顯微硬度HV 硬化層深度測量 斜截面測量可同時測出硬化層深度 h 顯微硬度計采用頂角為136金剛石壓頭，載荷2N斜截面測量顯微硬度403.3.2 表面金屬金相組織變化 磨削加工時切削力大（功率消耗遠遠大于其它切削方法），切削速度高（通常4050m/s，高達80200m/s） ，磨削區溫度高（短時間內可上升到4001000C，甚至更高）。 這樣大的加熱速度，促使加工表面局部形成瞬時熱聚集現象，有很高溫升和很大的溫度梯度，出現金相組織的變化，強度和硬度下降，產生殘余應力，甚至引起裂紋，這就是磨削燒傷現象。 切削加工中，由于切削熱的作用，在工件的加工區

22、及其鄰近區域產生了一定的溫升，當工件表層溫度達到或超過金屬材料相變溫度時，表層金相組織、顯微硬度發生變化，并伴隨殘余應力產生，同時出現彩色氧化膜。表面層金相組織變化 一般的切削加工方法不太嚴重，磨削時易產生磨削燒傷現象。41表面顏色與燒傷之間的關系： 黑 青 淡青 米黃 淡黃3.3.2 表面金屬金相組織變化 磨削淬火鋼時，由于磨削燒傷，工件表面產生氧化膜并呈現出不同顏色，相當于鋼的回火色。 不同的燒傷色表示受到不同溫度的作用與產生不同的燒傷深度。有時表面雖看不出變色，但并不等于表面未受熱損傷。 例如在磨削過程中由于采用過大的磨削用量，造成了很深的燒傷層，以后的無進給磨削中磨去了表面的燒傷色，而

23、未能除去燒傷層，則留在工件上的燒傷層就會成為使用中的隱患。42 回火燒傷 磨削區溫度超過馬氏體轉變溫度(350)而未超過相變溫度(Ac3) ，則工件表面原來的馬氏體組織將產生回火現象，轉化成硬度降低的回火組織索氏體或屈氏體；淬火燒傷 磨削區溫度超過相變溫度，馬氏體轉變為奧氏體，由于冷卻液的急冷作用，表層會出現二次淬火馬氏體，硬度較原來的回火馬氏體高，而它的下層則因為冷卻緩慢成為硬度降低的回火組織。退火燒傷(最為嚴重) 不用冷卻液進行干磨削時，磨削區溫度超過相變溫度，馬氏體轉變為奧氏體，因工件冷卻緩慢，則表層硬度急劇下降，這時工件表層被退火。磨削淬火鋼時表面層產生的燒傷有以下三種：3.3.2 表

24、面金屬金相組織變化 43 磨削溫度（組織變化) 溫度梯度（組織變化不同) 冷卻速度（得到組織不同)影響磨削加工時金相組織變化的因素 3.3.2 表面金屬金相組織變化 工件材料 低碳鋼時不會發生相變； 高合金鋼如軸承鋼、高速鋼、鎳鉻鋼等傳熱性特別差，在冷卻不充分時易出現磨削燒傷。 未淬火鋼為擴散度低的珠光體，磨削時間短時不會發生金相組織的變化； 淬火鋼極易相變。443.3.2 表面金屬金相組織變化 改善冷卻條件（冷卻液進入磨削區）改善磨削燒傷的途徑 合理選擇砂輪磨削時，砂輪表面上磨粒的切削刃口鋒利磨削力磨削區的溫度應根據工件材料合理選擇砂輪的硬度、結合劑和組織磨削燒傷合理選擇磨削用量砂輪轉速 磨

25、削燒傷徑向進給量fp 磨削燒傷軸向進給量fa磨削燒傷工件速度vw磨削燒傷采用內冷卻法 磨削燒傷內冷卻裝置1錐形蓋 2通道孔 3中心腔 4有徑向小孔薄壁套采用開槽砂輪（冷卻條件好）間斷磨削 受熱磨削燒傷453.3.2 表面金屬金相組織變化 圖3-24 開槽砂輪 a） 槽均勻分布 b）槽不均勻分布463.3.3 表面金屬殘余應力 表面層殘余應力 定義： 機械加工中工件表面層組織發生變化時，在表面層及其與基體材料的交界處會產生互相平衡的彈性力。這種應力即為表面層的殘余應力。殘余應力產生的原因 冷態塑性變形 機械加工時，工件表面受到擠壓與摩擦，表層產生伸長塑變，基體仍處于彈性變形狀態。切削后，表層產生

26、殘余壓應力，而在里層產生殘余拉伸應力。熱態塑性變形機械加工時，切削或磨削熱使工件表面局部溫升過高，引起高溫塑性變形。表層產生殘余拉應力，里層產生產生殘余壓應力；金相組織變化切削時產生的高溫會引起表面的相變。比容大的組織比容小的組織體積收縮，產生拉應力，反之，產生壓應力。473.3.3 表面金屬殘余應力 實際機械加工后的表面層殘余應力及其分布，是上述三方面因素綜合作用的結果，在一定條件下，其中某一或二種因素可能起主導作用。切削時切削熱不多（一般切削加工）時則以冷態塑性變形為主，表面層常產生殘余壓縮應力。若切削熱多則以熱態塑性變形為主，表面層常產生殘余拉伸應力。 磨削時表面層殘余應力歲磨削條件不同

27、而不同：輕磨削條件產生淺而小的殘余壓應力，因為此時沒有金相組織變化，溫度影響也很小，主要是塑性變形的影響在起作用。中等磨削條件產生淺而大的拉應力。淬火鋼重磨削條件則產生深而大的拉應力（最外表面可能出現小而淺的壓應力），這里顯然是由于熱態塑性變形和金相組織變化的影響在起主導作用的緣故。483.3.3 表面金屬殘余應力 v殘余應力（熱應力起主導作用） 切削用量 材料塑性殘余應力 鑄鐵等脆性材料易產生殘余壓應力 不同材料差異明顯f 對殘余應力的影響工件：45，切削條件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液 殘余應力(Gpa)0.2000.200100200300400距離表面深度(m) f

28、 =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r f殘余應力 切削深度影響不顯著vc 對殘余應力的影響0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件：45切削條件：ap=0.3mm, f=0.05mm/r, 不加切削液050100150200距離表面深度(m)殘余應力(Gpa)-0.2000.20vc =213m/minvc =86m/minvc =7.7m/min影響殘余應力的工藝因素切削加工 工件材料493.3.3 表面金屬殘余應力 低速（620m/min）殘余拉伸應力（熱應力起主導作用） 中速（200250m/min）殘余壓縮應力 高速（500850m/min）殘余壓

29、縮應力（金相組織變化起主導作用） 18CrNiMoA車削殘余應力切削速度對殘余應力的影響503.3.3 表面金屬殘余應力 刀具影響 前角+，殘余拉應力 刀具磨損殘余應力 513.3.3 表面金屬殘余應力 磨削過程中殘余應力的影響磨削加工時表面層的殘余應力總的來說，磨削加工中熱態塑性變形和金相組織變化的影響較大，故大多數磨削零件的表面層往往有殘余拉應力。當殘余拉應力超過材料的強度極限時，零件表面就會出現裂紋，即磨削裂紋。磨削裂紋磨削裂紋一般很淺（0.25.050mm），大多數垂直于磨削方向或成網狀（磨螺紋時有時也有平行于磨削方向的裂紋），裂紋總是拉應力引起的，且常與燒傷同時出現。有的磨削裂紋也可

30、能不在工件的外表面，而是在表面層下成為肉眼難以發現的缺陷。52圖8.12 磨削裂紋3.3.3 表面金屬殘余應力 533.3.3 表面金屬殘余應力 v 溫度 拉應力傾向 磨削用量 f工件轉速塑變拉應力 背吃刀量：影響很大 ap很小壓應力（塑性變形起主要作用）； 增大拉應力（熱變形起主要作用）； 再增大壓應力（塑性變形起主要作用）；磨削殘余應力的影響因素磨削工業鐵背吃刀量殘余應力磨削T8鋼背吃刀量殘余應力543.3.3 表面金屬殘余應力 材料強度導熱性塑性 拉應力傾向 工件材料磨削硬質合金時，由于其脆性大，抗拉強度低以及導熱性差，所以特別容易產生磨削裂紋。磨削含碳量高的淬火鋼時，由于其晶界脆弱，也

31、容易產生磨削裂紋。工件在淬火后如果存在殘余應力，則即使在正常的磨削條件下也可能出現裂紋。 工件材料的熱處理工件淬火后在磨削前進行去除應力的工序能收到很好的效果。滲碳、滲氮時如果工藝不當，就會在表面層晶界面上析出脆性的碳化物、氮化物，當磨削時在熱應力作用下，就容易沿著這些組織發生脆性破壞，而出現網狀裂紋。55冷卻方法選擇適宜的磨削液和有效的冷卻方法。采用高壓大流量冷卻內冷卻加裝空氣擋板，減輕旋轉的砂輪表面的高壓附著氣流的作用，以使冷卻液能順利地噴注到磨削區。563.3.3 表面金屬殘余應力 最終工序加工方法選擇交變載荷易產生局部微觀裂紋，選壓應力 滑動摩擦拉應力抗機械磨損（擠壓壓潰） 滾動摩擦表

32、面層下h深處產生壓應力有利a）b）應力分布a）滑動摩擦 b）滾動摩擦 表面殘余應力將直接影響零件的使用性能，一般工件表面殘余應力的數值和性質主要取決于工件最終加工工序的加工方法。零件的具體工作條件573.3.4 表面強化工藝 是一種用壓縮空氣或離心力將大量直徑細小（0.24mm）的丸粒（鋼丸、玻璃丸）以3050m/s的速度向零件表面噴射的方法。 可使工件表面產生冷硬層和壓應力,提高疲勞強度和使用壽命；噴丸強化 用于強化形狀復雜或不宜用其它方法強化的工件，例如板彈簧、螺旋彈簧、齒輪、焊縫等珠丸擠壓引起殘余應力 壓縮拉伸塑性變形區域表面硬度提高1040，耐疲勞強度提高3050，使用壽命可提高數倍至

33、數十倍。如齒輪可提高倍，螺旋彈簧可提高倍以上。硬化深度可達.mm,表面粗糙度可自.降到.。583.3.4 表面強化工藝 利用淬硬和精細研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態擠壓金屬表面，使表層材料產生塑性流動，將凸起部分下壓下，凹下部分上凸，形成新的光潔表面。修正工件表面的微觀幾何形狀,形成壓縮殘余應力，提高耐疲勞強度。滾壓加工原理圖滾壓加工表面粗糙度可自.降至.，表面硬度提高1040，表面硬化深度達.mm，耐疲勞強度提高3050。59第3章 機械加工表面質量及其控制Analysis and Control of Machining Surface Quality3.4 機械加工過程中的振動Vibra

34、tions in machining Process機械制造工藝學 603.4.1 概述 機械加工過程中振動的危害 振動會在工件加工表面出現振紋，降低了工件的加工精度和表面質量，低頻振動時會產生波度； 振動會引起刀具崩刃打刀現象并加速刀具或砂輪的磨損； 振動使機床夾具連接部分松動，影響運動副的工作性能，并導致機床喪失精度； 產生噪聲污染，危害操作者健康 影響生產效率 機械加工過程中振動的類型自由振動強迫振動自激振動613.4.1 概述 工藝系統受到初始干擾力而破壞了其平衡狀態后，系統僅靠彈性恢復力來維持的振動稱為自由振動。 由于系統中存在阻尼，自由振動將逐漸衰弱，對加工影響不大。自由振動623

35、.4.2 機械加工過程中強迫振動強迫振動產生原因 由穩定的外界周期性的干擾力（激振力）作用引起；除了力之外,凡是隨時間變化的位移、速度和加速度，也可以激起系統的振動。強迫振動振源：機外機內。 機外：其他機床、鍛錘、火車、卡車等通過地基把振動傳給機床 機內：1）回轉零部件質量的不平衡（旋轉零件的質量偏心） 2）機床傳動件的制造誤差和缺陷（如齒輪嚙合時的沖擊、皮帶 輪圓度誤差及皮帶厚度不均引起的張力變化，滾動軸承的套圈和滾 子尺寸及形狀誤差） 3）切削過程中的沖擊（如往復部件的沖擊；液壓傳動系統的壓力 脈動；斷續切削時的沖擊振動）633.4.2 機械加工過程中強迫振動 頻率特征：與干擾力的頻率相同

36、，或是干擾力頻率整倍數 幅值特征：與干擾力幅值、工藝系統動態特性有關。當干擾力頻率接近或等于工藝系統某一固有頻率時，產生共振 相角特征：強迫振動位移的變化在相位上滯后干擾力一個角，其值與系統的動態特性及干擾力頻率有關強迫振動的特征64 圖1 內圓磨削振動系統 a) 模型示意圖 b）動力學模型 c）受力圖強迫振動的運動方程3.4.2 機械加工過程中強迫振動653.4.2 機械加工中的自激振動自激振動(顫振)的概念 在沒有周期性外力(相對于切削過程)作用下，由系統內部激發反饋產生的周期性振動 自激振動過程可用傳遞函數概念說明電動機(能源)交變切削力F(t)振動位移X(t)自激振動閉環系統機床振動系

37、統（彈性環節）調節系統（切削過程） 切削過程本身能引起某種交變切削力，而振動系統能通過這種力的變化，從不具備交變特性的能源中周期性的獲得補充能量，從而維持住這個振動。當運動一停止，則這種外力的周期性變化和能量的補充過程也都立即停止。工藝系統中維持自激振動的能量來自機床電動機，電動機除了供給切除切屑的能量外，還通過切削過程把能量輸給振動系統，使工藝系統產生振動運動。663.4.2 機械加工中的自激振動 自激振動能否產生及振幅的大小取決于振動系統在每一個周期內獲得和消耗的能量對比情況自激振動系統能量關系ABC能量EQEE0振幅自激振動的特征 機械加工中的自激振動是在沒有周期性外力(相對于切削過程而

38、言)干擾下所產生的振動運動，這一點與強迫振動有原則區別。 自激振動的頻率接近于系統的某一固有頻率，或者說，顫振頻率取決于振動系統的固有特性。這一點與強迫振動根本不同，強迫振動的頻率取決于外界干擾力的頻率。 自激振動是一種不衰減的振動。振動過程本身能引起某種不衰減的周期性變化，而振動系統能通過這種力的變化，從不具備交變特性的能源中周期性的獲得補充能量，從而維持住這個振動。 自激振動由振動系統本身參數決定，與強迫振動顯著不同。自由振動受阻尼作用將迅速衰減，而自激振動不會因阻尼存在而衰減。67 如圖3-33a所示為單自由度機械加工振動模型。設工件系統為絕對剛體，振動系統與刀架相連，且只在y方向作單自

39、由度振動。 在背向力Fp作用下，刀具作切入、切出運動（振動）。刀架振動系統同時還有F彈作用在它上面。y越大，F彈也越大，當Fp=F彈時，刀架的振動停止。 對上述振動系統而言，背向力Fp是外力，Fp對振動系統作功如圖3-33b所示。 刀具切入，其運動方向與背向力方向相反，作負功；即振動系統要消耗能量W振入； 刀具切出，其運動方向與背向力方向相同，作正功；即振動系統要吸收能量W振出； 產生自激振動的條件3.4.2 機械加工中的自激振動68圖3-33 單自由度機械加工振動模型 a） 振動模型 b） 力與位移的關系圖3.4.2 機械加工中的自激振動69 當W振出W振入時，刀架振動系統將有持續的自激振動

40、產生。3.4.2 機械加工中的自激振動70三種情況： W振出=W振入+ W摩阻（振入）時，系統有穩幅的自激振動； W振出W振入+ W摩阻（振入）時，系統為振幅遞增的自激 振動，至一定程度，系統有穩幅的自激振動； W振出 W振入+ W摩阻（振入）時，系統為振幅遞減的自激 振動，至一定程度，系統有穩幅的自激振動；故振動系統產生自激振動的基本條件是：W振出W振入或 FP振出FP振入3.4.2 機械加工中的自激振動713.4.2 機械加工中的自激振動 再生原理自激振動機理 如圖所示，車刀只做橫向進給。 在穩定的切削過程中，刀架系統因材料的硬點，加工余量不均勻，或其它原因的沖擊等，受到偶然的擾動。刀架系

41、統因此產生了一次自由振動，并在被加工表面留下相應的振紋。 當工件轉過一轉后，刀具要在留有振紋的表面上切削，因切削厚度發生了變化，所以引起了切削力周期性的變化。產生動態切削力。 將這種由于切削厚度的變化而引起的自激振動，稱為 “再生顫振”。圖 自由正交切削時再生顫振的產生723.4.2 機械加工中的自激振動產生條件再生自激振動原理圖f切入切出y0ya）b）y0y切入切出fc）fy0y切入切出d）切入切出fy0y 圖中 a）b）c）系統無能量獲得；d）此時切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出時切削力所作正功（獲得能量）大于切入時所作負功，系統有能量獲得，產生自激振動。 圖中綠線表示前一轉切削的

42、工件表面振紋，紅線表示后一轉切削的表面。 a）前后兩轉的振紋沒有相位差（=0）圖a b）前后兩轉的振紋相位差為=圖b c）后一轉的振紋相位超前圖c d）后一轉的振紋相位滯后圖d 結論：在再生顫振中，只有當后一轉的振紋的相位滯后于前一轉振紋時才有可能產生再生顫振。73apfaB振動方向XDfbbda）切削b）磨削rr，重 迭 系 數 前一次走刀工件表面形成的波紋面寬度在相繼的后一次走刀的有效寬度中所占的比例，用表示。重迭系數對再生顫振的影響 在縱向切削或磨削工件表面時，后一次走刀(進給)和前一次走刀（進給）總會有部分重疊，有重迭切削，則可能發生再生顫振。3.4.2 機械加工中的自激振動74 一般

43、 01， 軸向切削時，01 徑向切入（前后兩次走刀完全重疊時）， =1（如切槽、鉆、端銑等） 車方牙螺紋，=0，無重迭切削，不可能 發生再生顫振。3.4.2 機械加工中的自激振動在金屬切削過程中，除極少數情況外，刀具總是部分地或完全地在帶有波紋的表面上進行切削的。式中 bd 等效切削寬度，即本次切削實際切到上次切削殘留振紋 在垂直于振動方向投影寬度； b 本次切削在垂直于振動方向上的切削寬度； B , fa 砂輪寬度與軸向進給量。 753.4.2 機械加工中的自激振動 振型耦合原理 振動系統實際上都是多自由度的，如圖是一個二自由度振動系統示意圖。不考慮再生效應，當刀架系統產生了角頻率為的振動，

44、則刀架將在x1和x2兩個方向上同時振動，刀具振動的軌跡一般為橢圓形的封閉曲線ACBDA 。 自激振動的產生條件： k1k2，x1超前x2 ， , 軌跡ADBCA為一橢圓，切入半周期內的平均切削厚度比切出半周期內的大,W0，有能量獲得，振動能夠維持 ，產生耦合型顫振。 k1=k2，x1與x2無相位差, 軌跡為直線，無能量輸入zy763.4.2 機械加工中的自激振動 負摩擦原理切削塑性材料時，吃刀抗力Fp自某一速度開始隨切削速度增加而下降。在此區域，極易引起自激振動。Fp /N切削速度對吃刀抗力Fp的影響Fp主要取決于切屑與刀具相對運動所產生的摩擦力。切削過程若有振動，切入半周期切削速度高 Fp小

45、切入半周期切削力所作負功小于切出半周期切削力所作正功，系統有能量輸入，振動維持Fp主要由摩擦引起，故將切削速度增高導致摩擦力下降的特性稱為負摩擦特性負摩擦激振原理773.4.2 機械加工中的自激振動 切削力滯后原理 由于存在慣性和阻尼，作用在刀具上的切削力滯后主振動系統運動 振入過程實際切削厚度小于名義值 Fp小切入半周期切削力所作負功小于切出半周期切削力所作正功，系統有能量輸入，振動維持vFpkc動力學模型 振出振入xFpFp與 x 關系 由切削力滯后引起，故稱為滯后型顫振783.4.3 機械加工振動診斷技術振動診斷的目的 明確振動類型，以便采取針對性的解決措施。振動診斷振動診斷內容 首先判

46、定振動類型，明確所測頻率屬于強迫振動和顫振的部分； 若有屬于自激振動的頻率成分，則需進一步判定其屬于哪一種顫振類型；自激振動類型診斷的關鍵在于確定診斷參數；所確定的診斷參數必須充分并只是反映該類振動最本質、最核心的參數。793.4.3 機械加工振動診斷技術 強迫振動診斷依據 強迫振動頻率與干擾力頻率相同（或為其整倍數）強迫振動診斷 強迫振動診斷步驟 采集現場加工振動信號加工部位振動敏感方向 頻譜分析處理自功率譜密度函數處理，各峰值點頻率即振動頻率，最大譜峰值頻率對應主振頻率 環境試驗、查找機外振源機床停止狀態，拾取信號進行頻譜分析，得到機外干擾力源頻率成分，并與加工時振動頻率比較。若相同，可確

47、定為強迫振動 空運轉試驗、查找機內振源機床按加工參數運轉（不加工），拾取信號進行頻譜分析，并與加工時振動頻率比較。若相同，可確定為強迫振動 查找干擾力源確定內部干擾源具體位置803.4.3 機械加工振動診斷技術 診斷參數前后兩次切削振紋的相位差再生型顫振診斷 相位差測量與計算 相位差可通過測量顫振頻率 f 及工件轉數 n 間接求得 車削：工件每轉切削振痕數 J式中Jz、J分別為J 的整數和小數部分相位差： 360（1 J ） 為控制測量誤差，需采用頻率細化技術 診斷要領 相位差位于、象限，即0 180，有再生型顫振 相位差位于、象限，即180 360，非再生型顫振813.4.3 機械加工振動診

48、斷技術 診斷參數z 向振動相對于 y 向振動的相位差耦合型顫振診斷 診斷要領根據理論推導： 相位差位于、象限，非耦合型顫振 相位差位于、象限，為耦合型顫振 相位差測量與計算 相位差可通過求取振動信號 z(t) 與 y(t) 的互功率譜密度函數Sxy()在主振頻率成分上的相位值獲得823.4.3 機械加工振動診斷技術 工作條件與測試裝置診斷實例 工作條件C6140車床車電機軸(45)，長800mm，最大直徑50mm，YT15車刀，主偏角45，v84.4m/min，f0.12mm/r，ap0.4mm 測試裝置833.4.3 機械加工振動診斷技術 診斷過程與診斷結果 切削試驗與空轉試驗空轉信號自譜圖車削過程振動信號自譜圖 自譜圖分析 車削過程自譜圖：最大峰值頻率150Hz，高頻峰值頻率為其倍頻成分車削