8第八章 機械加工表面質(zhì)量

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1、第八章第八章 機械加工表面質(zhì)量機械加工表面質(zhì)量Qualities of Machined Surface 本章提要本章提要 機械加工表面質(zhì)量決定了機器的使用性能和延長使用壽命。機械加工表面質(zhì)量決定了機器的使用性能和延長使用壽命。 機械加工表面質(zhì)量是以機械零件的加工表面和表面層作為機械加工表面質(zhì)量是以機械零件的加工表面和表面層作為分析和研究對象的。分析和研究對象的。 本章旨在研究零件表面層在加工中的變化和發(fā)生變化的機本章旨在研究零件表面層在加工中的變化和發(fā)生變化的機理，掌握機械加工中各種工藝因素對表面質(zhì)量的影響規(guī)律，運理，掌握機械加工中各種工藝因素對表面質(zhì)量的影響規(guī)律，運用這些規(guī)律來控制加工中的

2、各種影響因素，以滿足表面質(zhì)量的用這些規(guī)律來控制加工中的各種影響因素，以滿足表面質(zhì)量的要求。要求。 8.1 8.1 機械加工后的表面質(zhì)量機械加工后的表面質(zhì)量 Influence of the machined surface qualities on part performances 8.2 8.2 機械加工后的表面粗糙度機械加工后的表面粗糙度 Surface roughness of the machined surface layer 8.3 8.3 機械加工后的表面層物理機械性能機械加工后的表面層物理機械性能 Physical and mechanical properties of t

3、he machined surface layer 8.4 8.4 控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑 Technical approach of controlling the machined surface quality 8.5 8.5 機械加工過程中的振動問題機械加工過程中的振動問題 Vibration and chatter（振顫）（振顫） in machining operations 8.1 8.1 機械加工后的表面質(zhì)量機械加工后的表面質(zhì)量8.1.1 8.1.1 表面質(zhì)量的含義表面質(zhì)量的含義 表面質(zhì)量表面質(zhì)量是指機器零件加工后表面層的狀態(tài)。表面質(zhì)量的主要內(nèi)容面

4、兩部分：（1 1）表面層的幾何形狀）表面層的幾何形狀 表面粗糙度：表面粗糙度：是指表面微觀幾何形狀誤差，其波高與波長的比值在L1H140的范圍內(nèi)。 表面波度：表面波度：是介于加工精度（宏觀幾何形狀誤差L3/H31000）和表面粗糙度之間的一種帶有周期性的幾何形狀誤差，其波高與波長的比值在40L2H21000的范圍。如圖8l所示。圖8.1 表面幾何形狀 觀看動畫（2 2）表面層的物理機械性能）表面層的物理機械性能 表面層冷作硬化（簡稱冷硬）：表面層冷作硬化（簡稱冷硬）：零件在機械加工中表面層金屬產(chǎn)生強烈的冷態(tài)塑性變形后，引起的強度和硬度都有所提高的現(xiàn)象。 表面層金相組織的變化：表面層金相組織的變

5、化：由于切削熱引起工件表面溫升過高，表面層金屬發(fā)生金相組織變化的現(xiàn)象。 表面層殘余應(yīng)力表面層殘余應(yīng)力是由于加工過程中切削變形和切削熱的影響，工件表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 8.1.2 8.1.2 表面質(zhì)量對零件使用性能的影響表面質(zhì)量對零件使用性能的影響 8.1.2.1 對零件耐磨性的影響 在摩擦副的材料、熱處理情況和潤滑條件已經(jīng)確定的情況下，零件的表面質(zhì)量對耐磨性能起決定性的作用，如圖8-2所示。 p217圖8-2表面粗糙度與初期磨損的關(guān)系 觀看動畫重載輕載相對粗糙度最佳點表面粗糙度初期磨損量相對粗糙度最佳點 從從潤滑磨損分析潤滑磨損分析 表面粗糙度對零件表面磨損的影響很大。一般說表面粗糙度值愈小，

6、其耐磨性愈好。 接觸面的表面粗糙度有最佳值。 表面粗糙度的最佳值與零件工作情況有關(guān)，工作載荷加大時，初期磨損量增大，表面粗糙度最佳值也加大。 表面粗糙度太大和太小都不耐表面粗糙度太大和太小都不耐磨！磨！ 表面粗糙度對耐磨性能的影響，還與粗糙度的輪廓形狀及紋路方向有關(guān)。 表面層的冷硬可顯著地減少零件的磨損。 但如果表面硬化過度，零件心部和表面層硬度差過大，會發(fā)生表面層剝落現(xiàn)象，使磨損加劇。 表面層產(chǎn)生金相組織變化時，由于改變了基體材料原來的硬度，因而也直接影響其耐磨性。 8.1.2.2 8.1.2.2 對零件疲勞強度的影響對零件疲勞強度的影響 在周期性的交變載荷作用下，零件表面微觀不平與表面的缺

7、陷一樣都會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，而且表面粗糙度值越大，即凹陷越深和越尖，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，越容易形成和擴(kuò)展疲勞裂紋而造成零件的疲勞損壞。 零件表面的冷硬層能夠阻礙裂紋的擴(kuò)大和新裂紋的出現(xiàn)，冷硬可以提高零件的疲勞強度。但冷硬層過深或過硬則容易產(chǎn)生裂紋，反而會降低疲勞強度。所以冷硬要適當(dāng)。 表面層的內(nèi)應(yīng)力對疲勞強度的影響很大。 表面層殘余的壓應(yīng)力能夠部分地抵消工作載荷施加的拉應(yīng)力，延緩疲勞裂紋擴(kuò)展，而殘余拉應(yīng)力容易使已加工表面產(chǎn)生裂紋而降低疲勞強度。 8.1.2.3 8.1.2.3 對零件抗腐蝕性能的影響對零件抗腐蝕性能的影響 零件表面粗糙度值越大，潮濕空氣和腐蝕介質(zhì)越容易堆積在零件表面四處而發(fā)生化學(xué)腐

8、蝕，或在凸峰間產(chǎn)生電化學(xué)作用而引起電化學(xué)腐蝕，故抗腐蝕性能越差。 表面冷硬和金相組織變化都會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。零件在應(yīng)力狀態(tài)下工作時，會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，若有裂紋，則更增加了應(yīng)力腐蝕的敏感性。因此表面內(nèi)應(yīng)力會降低零件的抗腐蝕性能。8.1.2.4 8.1.2.4 對零件的其它影響對零件的其它影響 表面質(zhì)量對零件的配合質(zhì)量、密封性能及摩擦系數(shù)配合質(zhì)量、密封性能及摩擦系數(shù)都有很大的影響。 零件表面層狀態(tài)對其使用性能也有如此大的影響 。圖4-60 車削時殘留面積的高度直線刃車刀（圖4-60a）（4-31）rrfHctgctg圓弧刃車刀（圖4-60b）28fHr（4-32）影響因素：,rrrkkf刀尖圓弧半徑主偏

9、角副偏角進(jìn)給量frRmaxvfrb）Rmaxfa）vfrr切削速度影響最大：v = 1050m/min范圍，易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，表面粗糙度最差（圖5-53） 。其他影響因素：刀具幾何角度、刃磨質(zhì)量，切削液等切削45鋼時切削速度與粗糙度關(guān)系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（m）481216202428收縮系數(shù)Ks1.52.02.53.0積屑瘤高度 h（m） 0200400600hKsRzv 砂輪速度v，Rav 工件速度vw，Ra v 砂輪縱向進(jìn)給f，Ra v 磨削深度ap，Ra 圖4-62 磨削用量對表面粗糙度的影響vw = 40(m/min)f = 2.36(

10、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） 圖4-63 光磨次數(shù)-Ra關(guān)系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次數(shù)粗粒度砂輪(WA60KV)細(xì)粒度砂輪(WA/GCW14KB)v光磨次數(shù)，Rav 砂輪粒度，Ra；但要適量v 砂輪硬度適中， Ra ；常取中軟v 砂輪組織適中，Ra ；常取中等組織v 采用超硬砂輪材料，Ra v 砂輪精細(xì)修整， R

11、a v 工件材料v 冷卻潤滑液等f，冷硬程度(圖4-64)切削用量影響刀具影響 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)圖4-65 后刀面磨損對冷硬影響工件材料切削速度影響復(fù)雜（力與熱綜合作用結(jié)果） 切削深度影響不大圖4-64 f 和 v 對冷硬的影響硬度(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磨削用量砂輪工件材料圖4-66 磨削深度對冷硬的影

12、響ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削切削用量刀具工件材料圖4-68 f 對殘余應(yīng)力的影響工件：45，切削條件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液 殘余應(yīng)力(Gpa)0.2000.2001 00200300400距離表面深度(m) f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r僅討論切削加工圖4-67 vc 對殘余應(yīng)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(yīng)力(Gpa)-

13、0.2000.20vc =213m/minvc =86m/minvc =7.7m/min 合理選擇砂輪 合理選擇磨削用量 改善冷卻條件工件表層溫度達(dá)到或超過金屬材料相變溫度時，表層金相組織、顯微硬度發(fā)生變化，并伴隨殘余應(yīng)力產(chǎn)生，同時出現(xiàn)彩色氧化膜磨削表面殘余拉應(yīng)力達(dá)到材料強度極限，在表層或表面層下產(chǎn)生微裂紋。裂紋方向常與磨削方向垂直或呈網(wǎng)狀，常與燒傷同時出現(xiàn) 圖4-69 帶空氣擋板冷卻噴嘴 8.2 8.2 機械加工后的表面粗糙度機械加工后的表面粗糙度 8 82 21 1 切削加工后的表面粗糙度切削加工后的表面粗糙度 切削加工時表面粗糙度的形成，大致可歸納為三方面的原因：幾何因素、物理因素和工藝

14、系統(tǒng)的振動。（1 1） 幾何因素幾何因素 形成粗糙度的幾何因素是由刀具相對于工件作進(jìn)給運動時在加工表面上遺留下來的切削層殘留面積 ；（2 2） 物理因素物理因素（3 3）切削用量、冷卻潤滑液和刀具材料等因素的影響）切削用量、冷卻潤滑液和刀具材料等因素的影響 。（2 2） 物理因素物理因素 由圖8.6可知，切削加工后表面的實際粗糙度與理論粗糙度有比較大的差別。 主要是與被加工材料的性能及切削機理有關(guān)的物理因素的影響。切削過程中刀具的刃口圓角及后刀面對工件擠壓與摩擦而產(chǎn)生塑性變形。韌性越好的材料塑性變形就越大，且容易出現(xiàn)積屑瘤與鱗刺，使粗糙度嚴(yán)重惡化。 圖8.6 塑性材料加工后的表面實際 輪廓和理

15、論輪廓 觀看動畫 8.2.2 8.2.2 磨削加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度 影響磨削后表面粗糙度的因素也可歸納為三方面：影響磨削后表面粗糙度的因素也可歸納為三方面： （1）與磨削過程和砂輪結(jié)構(gòu)有關(guān)的幾何因素，砂輪上磨粒的微刃形狀和分布對于磨削后的表面粗糙度是有影響的。 （2）與磨削過程和被加工材料塑性變形有關(guān)的物理因素，大多數(shù)磨粒只有滑擦、耕犁作用。磨削量是經(jīng)過很多后繼磨粒的多次擠壓因疲勞而斷裂、脫落，所以加工表面的塑性變形很大，表面粗糙度值就大。 （3）工藝系統(tǒng)的振動因素 為了降低表面粗糙度值，應(yīng)考慮以下主要影響因素： 砂輪的粒度、砂輪的修整、砂輪速度、工件速度、徑向進(jìn)給量、軸向

16、進(jìn)給量。 8.3 8.3 機械加工后的表面層物理機械性能機械加工后的表面層物理機械性能 8.3.1 機械加工后表面層的冷作硬化 8.3.1.1 冷作硬化產(chǎn)生的原因 （1）切削或磨削加工時，表面層金屬由于塑性變形使晶體間產(chǎn)生剪切滑移，晶格發(fā)生拉長、扭曲和破碎而得到強化。 冷作硬化的特點是：變形抵抗力提高（屈服點提高），塑性降低（相對延伸率降低）。 冷硬的指標(biāo)通常用冷硬層的深度h、表面層的顯微硬度H以及硬化程度 N 來 表 示 （ 圖 8 8 ） ， 其 中N=H/H0，H0為原來的顯微硬度。 圖8.8 切削加工后表面層的冷硬觀看動畫（2 2）表面層冷作硬化的程度的影響因素）表面層冷作硬化的程度的

17、影響因素 表面層冷作硬化的程度決定于產(chǎn)生塑性變形的力、變形速度及變形時的溫度。力越大，塑性變形越大，則硬化程度越大；速度越大，塑性變形越不充分，則硬化程度越??；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(fù)程度。切削加工時表面層的硬化可能有兩種情況：完全強化和不完全強化 。 機械加工時表面層的冷作硬化就是強化作用和回復(fù)作用的綜合結(jié)果。切削溫度越高、高溫持續(xù)時間越長、強化程度越大，則回復(fù)作用也就越強。 8.3.1.2 8.3.1.2 影響冷作硬化的主要因素影響冷作硬化的主要因素 刀具刀具 刀具的切削刃口圓角和后刀面的磨損量對于冷硬層有很大的影響，此兩值增大時，冷硬層深度和硬度也隨

18、之增大。前角減少時，冷硬也增大。 被加工材料被加工材料 被加工材料硬度愈低、塑性愈大，切削后的冷硬現(xiàn)象愈嚴(yán)重。 切削用量切削用量 切削速度增大時，刀具與工件接觸時間短，塑性變形程度減少，同時會使溫度增高，有助于冷硬的回復(fù)，所以硬化層深度和硬度都有所減少。進(jìn)給量增大時，切削力增大，塑性變形程度也增大，因此硬化現(xiàn)象增大。 但在進(jìn)給量較小時，由于刀具的刀口圓角在加工表面單位長度上的擠壓次數(shù)增多，因此硬化傾向也會增大。徑向進(jìn)給量增大時，冷硬層深度也有所增大，但其影響程度不顯著。 8.3.2 8.3.2 機械加工后表面層金相組織的變化機械加工后表面層金相組織的變化8 83 32 2l l 金相組織變化的

19、原因金相組織變化的原因 (1) 磨削加工時磨削加工時: 切削力比其它加工方法大數(shù)十倍，切削速度也特別高切削力比其它加工方法大數(shù)十倍，切削速度也特別高, ,由于砂輪導(dǎo)由于砂輪導(dǎo)熱性差、切屑數(shù)量少，磨削過程中能量轉(zhuǎn)化熱性差、切屑數(shù)量少，磨削過程中能量轉(zhuǎn)化的熱大部分都傳給了工件。 磨削時，在很短的時間內(nèi)磨削區(qū)溫度可上升到4001000，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(xiàn)象，有很高溫升和很大的溫度梯度，出現(xiàn)金相組織的變化，強度和硬度下降，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，甚至引起裂紋，這就是磨削燒傷現(xiàn)象。 (2) (2) 磨削淬火鋼時表面層產(chǎn)生的燒傷磨削淬火鋼時表面層產(chǎn)生的燒傷 磨削淬火鋼時極易

20、發(fā)生磨削燒傷，磨削淬火鋼時表面層產(chǎn)生的燒傷有以下三種： 回火燒傷 磨削區(qū)溫度超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度而未超過相變溫度，則工件表面原來的馬氏作組織將產(chǎn)生回火現(xiàn)象，轉(zhuǎn)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(qū)溫度超過相變溫度，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，由于冷卻液的急冷作用，表層會出現(xiàn)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人組織。 退火燒傷 不用冷卻液進(jìn)行干磨削時，磨削區(qū)溫度超過相變溫度，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏作，因工件冷卻緩慢測表層硬度急劇下降，這時工件表層被退火。 表面顏色與燒傷之間的關(guān)系：表面顏色與燒傷之間的關(guān)系： 黑 青 淡青 米黃 淡黃 8.3.2.

21、2 8.3.2.2 影響磨削加工時金相組織變化的因素影響磨削加工時金相組織變化的因素 影響磨削加工時金相組織變化的因素有工件材料、磨削溫度、溫度梯度及冷卻速度等。(1)(1)工件材料工件材料 工件材料為低碳鋼時不會發(fā)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(xiàn)磨削燒傷。 未淬火鋼為擴(kuò)散度低的珠光體，磨削時間短時不會發(fā)生金相組織的變化。 淬火鋼極易相變。 (2) (2) 磨削溫度、溫度梯度及冷卻速度等對金相磨削溫度、溫度梯度及冷卻速度等對金相 組織變化的影響組織變化的影響圖8.9 磨削高碳鋼淬火時表面硬度分布觀看動畫 磨削溫度、溫度梯度、冷卻速度等對金相組織變化

22、的影響可以從圖8.9得到說明。 圖8.9所示，為高碳淬火鋼在不同磨削條件下出現(xiàn)的表面層硬度分布情況 。表面顯微硬度表面深度 8.3.3 8.3.3 機械加工后表面層的殘余應(yīng)力機械加工后表面層的殘余應(yīng)力 8.3.3.1 8.3.3.1 殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因 ! ! 在機械加工中，工件表面層金屬相對基體金屬發(fā)生形狀、體積的變化或金相組織變化時，工件表面層中將殘留相互平衡的殘余應(yīng)力。 產(chǎn)生表面層殘余應(yīng)力的原因：產(chǎn)生表面層殘余應(yīng)力的原因： （1 1）冷態(tài)塑性變形）冷態(tài)塑性變形 機械加工時，表層金屬產(chǎn)生強烈的塑性變形。沿切削速度方向表面產(chǎn)生拉伸變形，晶粒被拉長，金屬密度會下降，即比容增大

23、，而里層材料則阻礙這種變形，因而： 在表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力殘余壓應(yīng)力，在里層則產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力殘余拉應(yīng)力。（2 2）熱態(tài)塑性變形）熱態(tài)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 ,使得工件在冷卻后從內(nèi)到外分別產(chǎn)生拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、和拉應(yīng)從內(nèi)到外分別產(chǎn)生拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、和拉應(yīng)力力。 （3 3）金相組織變化）金相組織變化 切削時產(chǎn)生高溫，由于不同的金相組織有不同的比容，表面層金相變化的結(jié)果將造成體積的變化。表面層體積膨脹時，因為受到基體的限表面層體積膨脹時，因為受到基體的限制，產(chǎn)生了壓應(yīng)力。反之，表面層體積縮小時，則產(chǎn)生拉應(yīng)力。制，產(chǎn)生了壓應(yīng)力。反之，表面層體積縮小時，

24、則產(chǎn)生拉應(yīng)力。 實際機械加工后的表面層殘余應(yīng)力及其分布，是上述三方面因素綜合作用的結(jié)果，在一定條件下，其中某一或二種因素可能起主導(dǎo)作用。 8.3.3.2 8.3.3.2 磨削裂紋的產(chǎn)生磨削裂紋的產(chǎn)生 ! ! 磨削加工中熱態(tài)塑性變形和金相組織變化的影響較大，故大多數(shù)磨削零件的表面層往往有殘余拉應(yīng)力殘余拉應(yīng)力。 當(dāng)殘余拉應(yīng)力超過材料的強度極限殘余拉應(yīng)力超過材料的強度極限時，零件表面就會出現(xiàn)裂紋。有的磨削裂紋也可能不在工件的外表面，而是在表面層下成為肉眼難以發(fā)現(xiàn)的缺陷。磨削裂紋一般很淺 ，如圖8.12所示。 磨削裂紋的產(chǎn)生與材料性質(zhì)及熱處理工序有很大關(guān)系。磨削硬質(zhì)合金時，由于其脆性大，抗拉強度低以及

25、導(dǎo)熱性差，所以特別容易產(chǎn)生磨削裂紋。磨削合碳量高的淬火鋼時，由于其晶界脆弱，也容易產(chǎn)生磨削裂紋。 圖8.12 磨削裂紋 觀看動畫 8.4 8.4 控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑控制加工表面質(zhì)量的工藝途徑8.4.1 8.4.1 減小殘余拉應(yīng)力、防止磨削燒傷和磨削裂紋的工藝減小殘余拉應(yīng)力、防止磨削燒傷和磨削裂紋的工藝途徑途徑 對零件使用性能危害甚大的殘余拉應(yīng)力、磨削燒傷和磨削裂紋均起因于磨削熱，所以如何降低磨削熱并減少其影響是生產(chǎn)上的一項重要問題。 解決的原則：解決的原則： 一是減少磨削熱的發(fā)生，一是減少磨削熱的發(fā)生， 二是加速磨削熱的傳出。二是加速磨削熱的傳出。 8.4.1.1 8.4.1.1 選擇

26、合理的磨削參數(shù)選擇合理的磨削參數(shù) 生產(chǎn)中比較可行的辦法是通過試驗來確定磨削參數(shù)：先按初步選定的磨削參數(shù)試磨，檢查工件表面熱損傷情況，據(jù)此調(diào)整磨削參數(shù)直至最后確定下來。另一種方法是在磨削過程中連續(xù)測量磨削區(qū)溫度，然后控制磨削參數(shù)。 選擇適宜的磨削液和有效的冷卻方法，如采用高壓大流量冷卻、內(nèi)冷卻或為減輕高速旋轉(zhuǎn)的砂輪表面的高壓附著氣流的作用，有利于冷卻液能順利地噴注到磨削區(qū)。 8.4.1.2 8.4.1.2 選擇有效的冷卻方法選擇有效的冷卻方法（三）提高砂輪磨削性能（三）提高砂輪磨削性能1、銳化磨粒，減小摩擦；2、砂輪硬度不宜過高，保持自銳性；3、砂輪應(yīng)具一定彈性，避免過載；4、使用開槽砂輪；5、

27、使用螺旋槽砂輪。 8.4.2 8.4.2 采用冷壓強化工藝采用冷壓強化工藝 對于承受高應(yīng)力、交變載荷的零件可以采用噴丸、液壓、擠壓等表面強化工藝使表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力和冷硬層并降低表面粗糙度值，從而提高耐疲勞強度及抗應(yīng)力腐蝕性能。 但是采用強化工藝時應(yīng)很好控制工藝參數(shù)，不要造成過度硬化，否則會使表面完全失去塑性性質(zhì)，甚至引起顯微裂紋和材料剝落，帶來不良的后果。 8.4.2.1 8.4.2.1 噴丸噴丸 噴丸是一種用壓縮空氣或離心力將大量直徑細(xì)小的丸粒（鋼丸、玻璃丸）以3550m/s的速度向零件表面噴射的方法。如圖8.14（a），可以用于任何復(fù)雜形狀的零件。噴丸的結(jié)果在表面層產(chǎn)生很大的塑性變形，

28、造成表面的冷作硬化及殘余壓應(yīng)力。 8.4.2.2 8.4.2.2 滾壓滾壓 用工具鋼淬硬制成的鋼滾輪或鋼珠在零件上進(jìn)行滾壓，如圖8.14(b)，使表層材料產(chǎn)生塑性流動，形成新的光潔表面 。圖8.14 常用的冷壓強化工藝方法 (a)噴丸 (b)滾壓觀看動畫 觀看動畫利用淬硬和精細(xì)研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)擠壓金屬表面，將凸起部分下壓下，凹下部分上凸，修正工件表面的微觀幾何形狀,形成壓縮殘余應(yīng)力，提高耐疲勞強度（圖4-71）利用大量快速運動珠丸打擊工件表面, 使工件表面產(chǎn)生冷硬層和壓應(yīng)力,疲勞強度（圖4-70）圖4-71 滾壓加工原理圖用于強化形狀復(fù)雜或不宜用其它方法強化的工件，例如板彈簧、螺

29、旋彈簧、齒輪、焊縫等圖4-70 珠丸擠壓引起殘余應(yīng)力 壓縮拉伸塑性變形區(qū)域 8.4.3 8.4.3 采用精密和光整加工工藝采用精密和光整加工工藝 采用精密加工工藝能全面地提高加工精度和表面質(zhì)量，而光整加工工藝主要是為了獲得較高的表面質(zhì)量。8.4.3.1 8.4.3.1 精密加工工藝精密加工工藝 精密加工工藝的加工精度主要由高精度的機床保證。精密加工切削效率不高，故加工余量不能太大，所以對前道工序有較高的要求。精密加工工藝方法有高速精螳、高速精車、寬刃精刨和細(xì)密磨削等。 圖8.15金剛石筆的安裝觀看動畫 8.4.3.2 8.4.3.2 光整加工工藝光整加工工藝 光整加工是用粒度很細(xì)的磨料對工件表

30、面進(jìn)行微量切削和擠壓、擦光的過程。 光整加工工藝所使用的工具都是浮動連接，由加工面自身導(dǎo)向，而相對于工件的定位基準(zhǔn)沒有確定的位置，所使用的機床也不需要具有非常精確的成形運動。這些加工方法的主要作用是降低表面粗糙度，一般不能糾正形狀和位置誤差，加工精度主要由前面工序保證。光整加工工藝方法有衍磨、超精加工、研磨、拋光等。如圖8.18為常用的研具。圖8.18 外圓研具 (a)粗研具；(b)精研具 8.5 8.5 機械加工過程中的振動問題機械加工過程中的振動問題 8.5.1 8.5.1 振動的概念與類型振動的概念與類型 金屬切削過程中，工件和刀具之間常常發(fā)生強烈的振動，這是一種破壞正常切削過程的極其有

31、害的現(xiàn)象。當(dāng)切削振動發(fā)生時，工件表面質(zhì)量嚴(yán)重惡化，粗糙度增大，產(chǎn)生明顯的表面振痕，這時不得不降低切削用量，使生產(chǎn)率的提高受到限制。振動嚴(yán)重時，會產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象，使加工過程無法進(jìn)行下去。此外，振動將加速刀具和機床的磨損，從而縮短刀具和機床的使用壽命；振動噪音也危害工人的健康。 機械加工過程中產(chǎn)生的振動，也和其它的機械振動一樣，按其產(chǎn)生的原因可分為自由振動、強迫振動和自激振動自由振動、強迫振動和自激振動三大類。 8.5.2 機械加工中的強迫振動機械加工中的強迫振動 強迫振動是工藝系統(tǒng)在一個穩(wěn)定的外界周期性干擾力（激振力）作用下引起的振動。除了力之外，凡是隨時間變化的位移、速度及加速度，也可以激起系統(tǒng)

32、的振動。 強迫振動產(chǎn)生的原因分工藝系統(tǒng)內(nèi)部和外部兩個方面。強迫振動產(chǎn)生的原因分工藝系統(tǒng)內(nèi)部和外部兩個方面。 8.5.2.1 強迫振動的運動方程式強迫振動的運動方程式 工藝系統(tǒng)是個多自由度的振動系統(tǒng)，其振動形態(tài)是很復(fù)雜的，但就某一特定情況而言，其振動特性與相應(yīng)頻率的單自由度系統(tǒng)有近似之處，因此可以簡化為單自由度系統(tǒng)來分析。 8.5.2.2 強迫振動的特性 （1 1）幅頻特性曲線和相頻特性曲線）幅頻特性曲線和相頻特性曲線（2 2）振動系統(tǒng)的動態(tài)剛度和動態(tài)柔度）振動系統(tǒng)的動態(tài)剛度和動態(tài)柔度（3 3）強迫振動的主要特性）強迫振動的主要特性 強迫振動是在外界周期性干擾力的作用下產(chǎn)生的，但振動本身并不能引

33、起干擾力的變化。不管振動系統(tǒng)本身的固有頻率如何，強迫振動的固有頻率總是與外界干擾力的頻率相同。 強迫振動的振幅大小在很大程度上取決于干擾力的頻率與系統(tǒng)固有頻率的比值。當(dāng)這個頻率比等于或接近1時，振幅達(dá)到最大值，出現(xiàn)“共振”現(xiàn)象。干擾力越大，系統(tǒng)剛度及阻尼系數(shù)越小，則強迫振動的振幅就越大。8.5.3 8.5.3 機械加工中的自激振動機械加工中的自激振動 （1）自激振動是由振動過程本身引起切削力周期性變化，又由這個周期性變化的切削力反過來加強和維持振動，使振動系統(tǒng)補充了由阻尼作用消耗的能量，讓振動維持下去。切削過程中的自激振動可舉日常生活中常見的電鈴為例來說明。 如圖8.24電鈴的結(jié)構(gòu)。（2 2）

34、自激振動示例說明）自激振動示例說明 振動元件對調(diào)節(jié)元件產(chǎn)生反饋作用，以便產(chǎn)生持續(xù)的交變力。如圖8.24中，小錘敲擊電鈴的頻率是由彈簧片、小錘、銜鐵的本身參數(shù)（剛度、質(zhì)量、阻尼）所決定的 。 阻尼及運動摩擦所損耗的能量由本身維持。 這個過程就是區(qū)別于強迫振動的自激振動。只要停止切削過程，即使機床仍繼續(xù)空運轉(zhuǎn)，自激振動也就停止了。 所以可通過切削試驗來研究工藝系統(tǒng)的自激振動。同時，也可以通過改變對切削過程有影響的工藝參數(shù)來控制切削過程，從而限制自激振動的產(chǎn)生。 圖8.24 電鈴的自激振動觀看動畫 8.5.4 8.5.4 減少工藝系統(tǒng)振動的途徑減少工藝系統(tǒng)振動的途徑 當(dāng)加工中出現(xiàn)振動影響加工質(zhì)量時要

35、根據(jù)振動產(chǎn)生的原因、運動規(guī)律和特性來尋求控制的途徑。對于自激振動經(jīng)過許多試驗研究和生產(chǎn)實踐有了一些相當(dāng)有效的抑制措施，例如： 合理選擇切削用量； 合理選擇刀具的幾何角度； 提高機床、工件、刀具自身的抗振性及采用減振裝置等。 一般提高工藝系統(tǒng)的剛度和安裝減振裝置對提高工藝系統(tǒng)的抗振性有顯著效果。v 影響加工表面粗糙度，振動頻率較低時會產(chǎn)生波度v 影響生產(chǎn)效率 v 加速刀具磨損，易引起崩刃v 影響機床、夾具的使用壽命v 產(chǎn)生噪聲污染，危害操作者健康v 工藝系統(tǒng)受到初始干擾力而破壞了其平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)僅靠彈性恢復(fù)力來維持的振動稱為自由振動。v 由于系統(tǒng)中總存在由阻尼，自由振動將逐漸衰弱，對加工影響不

36、大。自由振動強迫振動自激振動v 由外界周期性的干擾力（激振力）作用引起v 強迫振動振源：機外機內(nèi)。機外振源均通過地基把振動傳給機床。機內(nèi)： 1）回轉(zhuǎn)零部件質(zhì)量的不平衡 2）機床傳動件的制造誤差和缺陷 3）切削過程中的沖擊v 頻率特征：與干擾力的頻率相同，或是干擾力頻率整倍數(shù)v 幅值特征：與干擾力幅值、工藝系統(tǒng)動態(tài)特性有關(guān)。當(dāng)干擾力頻率接近或等于工藝系統(tǒng)某一固有頻率時，產(chǎn)生共振v 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(tǒng)的動態(tài)特性及干擾力頻率有關(guān)。圖4-73 自激振動系統(tǒng)能量關(guān)系A(chǔ) B C能量EQEE0振幅電動機(能源)交變切削力F(t)振動位移X(t)圖4-72 自激振

37、動閉環(huán)系統(tǒng)機床振動系統(tǒng)（彈性環(huán)節(jié)）調(diào)節(jié)系統(tǒng)（切削過程） 切削過程，由于偶然干擾，使加工系統(tǒng)產(chǎn)生振動并在加工表面上留下振紋。 第二次走刀時，刀具將在有振紋的表面上切削，使切削厚度發(fā)生變化，導(dǎo)致切削力周期性地變化，產(chǎn)生自激振動 圖4-74 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fy0ya）b）c）系統(tǒng)無能量獲得；d）y(本次振動) 滯后于y0 (上次振動) ，即 0- ，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(fù)功，系統(tǒng)有能量獲得，產(chǎn)生自激振動將車床刀架簡化為兩自由度振動系統(tǒng)，等效質(zhì)量m用相互

38、垂直的等效剛度分別為k1、k2兩組彈簧支撐（設(shè)x1為低剛度主軸，圖4-75）圖4-75 車床刀架振型耦合模型Fmabcdx1x1x2x2k2k112X k1=k2，x1與x2無相位差, 軌跡為直線，無能量輸入 k1k2，x1超前x2 ，軌跡dcba為一橢圓，切入半周期內(nèi)的平均切削厚度比切出半周期內(nèi)的大，系統(tǒng)無能量輸入 k1k2，x1滯后于x2 ，軌跡為一順時針方向橢圓，即：abcd。此時，切入半周期內(nèi)的平均切削厚度比切出半周期內(nèi)的小，有能量獲得，振動能夠維持 。調(diào)整振源的頻率，一般要求：調(diào)整振動系統(tǒng)小剛度主軸的位置（圖4-76）式中 f 和 fn 分別為振源頻率和系統(tǒng)固有頻率x2x2x1x1x

39、1x1x2x2圖4-76 兩種尾座結(jié)構(gòu)0.25nfff（4-33）減小切削或磨削時的重疊系數(shù)（圖4-77）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(jìn)給量。 圖4-77 重疊系數(shù)apfaB振動方向XDfbbda）切削b）磨削rr，dabBfbB（切削）（磨削）（4-34）v 減小重疊系數(shù)方法圖4-78 車刀消振棱0.10.3-5 -202 3增加切削阻尼增加切削阻尼（例采用倒棱車刀，圖4-78）提高工藝系統(tǒng)剛度 增大工藝系統(tǒng)阻尼 阻尼材料鑄鐵環(huán)鑄鐵套筒圖4-79 零件上加阻尼

40、材料圖4-80 摩擦式減振器1飛輪 2摩擦盤 3摩擦墊 4螺母 5彈簧v動力減振器 v摩擦式減振器（圖4-80）v沖擊式減振器（圖4-81）圖4-81 沖擊式減振鏜刀與減振鏜桿1沖擊塊 2緊定螺釘a）減振鏜刀 b）減振鏜桿 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章主要闡述：機械加工表面質(zhì)量的基本概念及其對機械零件、對整臺機器的使用性能和使用壽命的影響。 詳細(xì)地分析了影響機械加工表面質(zhì)量的各種因素，著重討論了如何提高機械加工表面質(zhì)量的途徑，特別是對工藝系統(tǒng)的振動問題作了較詳細(xì)的分析研究。 本章應(yīng)著重理解和掌握著重理解和掌握表面質(zhì)量的一些基本概念。表面質(zhì)量的一些基本概念。 重點掌握：重點掌握：冷作硬化、金相組織的變化和殘余應(yīng)力產(chǎn)生的機理和磨削燒傷、磨削裂紋產(chǎn)生的機理。 應(yīng)對生產(chǎn)現(xiàn)場中發(fā)生的一些表面質(zhì)量問題從理論上作出解釋，學(xué)會分析表面質(zhì)量的方法，能采取改善表面質(zhì)量的工藝實施，解決生產(chǎn)實際問題。 學(xué)會識別和區(qū)分機械加工中的強迫振動和自激振動，了解一些基本的消振方法。