機械加工表面加工質(zhì)量分析PPT課件

1、零件表面質(zhì)量零件表面質(zhì)量表面粗糙度表面粗糙度表面波度表面波度表面物理力學表面物理力學性能的變化性能的變化表面微觀幾何表面微觀幾何形狀特征形狀特征表面層冷作硬化表面層冷作硬化表面層殘余應(yīng)力表面層殘余應(yīng)力表面層金相組織的變化表面層金相組織的變化 表面質(zhì)量的含義（內(nèi)容）表面質(zhì)量的含義（內(nèi)容）第1頁/共84頁 （1）表面粗糙度對零件耐磨性的影響）表面粗糙度對零件耐磨性的影響 v 表面粗糙度太大和太小都不耐磨。表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如如圖圖4-38所示。所示。v表面粗糙度太大，接觸表面的實際壓強增大，粗糙不平表面粗糙度太大，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；

2、的凸峰相互咬合、擠裂、切斷，故磨損加劇；v表面粗糙度太小，也會導致磨損加劇。因為表面太光滑，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(fā)生分子粘存不住潤滑油，接觸面間不易形成油膜，容易發(fā)生分子粘結(jié)而加劇磨損。結(jié)而加劇磨損。v表面粗糙度的最佳值與機器零件的工作情況有關(guān)，表面粗糙度的最佳值與機器零件的工作情況有關(guān)，載荷載荷加大時，磨損曲線向上、向右移動，最佳表面粗糙度值也加大時，磨損曲線向上、向右移動，最佳表面粗糙度值也隨之右移。隨之右移。 二、表面質(zhì)量對零件使用性能的影響二、表面質(zhì)量對零件使用性能的影響1表面質(zhì)量對零件耐磨性的影響表面質(zhì)量對零件耐磨

3、性的影響第2頁/共84頁圖圖438 表面粗糙度與初期磨損量的關(guān)系表面粗糙度與初期磨損量的關(guān)系第3頁/共84頁（2）表面層的冷作硬化對零件耐磨性的影響）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加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。性。因為它使磨擦副表面層金屬的顯微硬度提高，因為它使磨擦副表面層金屬的顯微硬度提高，塑性降低，減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和塑性降低，減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和塑性變形。塑性變形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。這是這是因為過分的冷作硬化，將引起金屬組織過度因為過分的冷作硬化，將引起

4、金屬組織過度“疏疏松松”，在相對運動中可能會產(chǎn)生金屬剝落，在接，在相對運動中可能會產(chǎn)生金屬剝落，在接觸面間形成小顆粒，使零件加速磨損。觸面間形成小顆粒，使零件加速磨損。第4頁/共84頁2表面質(zhì)量對零件疲勞強度的影響表面質(zhì)量對零件疲勞強度的影響（1）表面粗糙度對零件疲勞強度的影響）表面粗糙度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。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(yīng)力變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。集中，產(chǎn)生疲勞

5、裂紋。 表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲勞表面粗糙度值越小，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，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。紋底半徑越小，其抗疲勞破壞的能力越差。第5頁/共84頁（2）表面層冷作硬化與殘余應(yīng)力對零件疲）表面層冷作硬化與殘余應(yīng)力對零件疲勞強度的影響勞強度的影響 適度的表面層冷作硬化能提高零件的疲勞強度。適度的表面層冷作硬化能提高零件的疲勞強度。殘余應(yīng)力有拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之分，殘余應(yīng)力有拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之分，殘余拉應(yīng)力殘余拉應(yīng)力容易使已容易使已加工表面產(chǎn)生裂紋并使其擴展而加工表面產(chǎn)生裂紋并

6、使其擴展而降低疲勞強度降低疲勞強度殘余壓應(yīng)力殘余壓應(yīng)力則能夠部分地抵消工作載荷施加的拉應(yīng)力，則能夠部分地抵消工作載荷施加的拉應(yīng)力，延緩疲勞裂紋的擴展，從而延緩疲勞裂紋的擴展，從而提高零件的疲勞強度提高零件的疲勞強度。第6頁/共84頁3.表面質(zhì)量對零件工作精度的影響表面質(zhì)量對零件工作精度的影響（1）表面粗糙度對零件配合精度的影響）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。表面粗糙度較大，則降低了配合精度。（2）表面殘余應(yīng)力對零件工作精度的影響）表面殘余應(yīng)力對零件工作精度的影響 表面層有較大的殘余應(yīng)力，就會影響它表面層有較大的殘余應(yīng)力，就會影響它們精度的穩(wěn)定性。們精度的穩(wěn)定

7、性。第7頁/共84頁4表面質(zhì)量對零件耐腐蝕性能的影響表面質(zhì)量對零件耐腐蝕性能的影響（1）表面粗糙度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 零件表面越粗糙，越容易積聚腐蝕性物質(zhì)，凹谷越深，零件表面越粗糙，越容易積聚腐蝕性物質(zhì)，凹谷越深，滲透與腐蝕作用越強烈。滲透與腐蝕作用越強烈。 因此因此減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能。能。（2）表面殘余應(yīng)力對零件耐腐蝕性能的影響）表面殘余應(yīng)力對零件耐腐蝕性能的影響 零件表面殘余壓應(yīng)力使零件表面緊密，腐蝕性物質(zhì)不零件表面殘余壓應(yīng)力使零件表面緊密，腐蝕性物質(zhì)不易進入，可增強零件的耐腐蝕性，而

8、表面殘余拉應(yīng)力則降易進入，可增強零件的耐腐蝕性，而表面殘余拉應(yīng)力則降低零件耐腐蝕性。低零件耐腐蝕性。 表面質(zhì)量對零件使用性能還有其它方面的影響：表面質(zhì)量對零件使用性能還有其它方面的影響：如減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；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(shù)，從而減少發(fā)熱和功率損對滑動零件，可降低其摩擦系數(shù)，從而減少發(fā)熱和功率損失。失。第8頁/共84頁表面質(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零件表面質(zhì)量零件表面質(zhì)量粗糙度太大、太小都不耐磨粗糙度太大、太小都不耐磨適度冷硬能提高耐磨性適度冷硬能提高耐磨性對疲勞強度

9、的對疲勞強度的影響影響對耐磨性影響對耐磨性影響對耐腐蝕性能對耐腐蝕性能的影響的影響對工作精度的對工作精度的影響影響粗糙度越大，疲勞強度越差粗糙度越大，疲勞強度越差適度冷硬、殘余壓應(yīng)力能提高疲適度冷硬、殘余壓應(yīng)力能提高疲勞強度勞強度粗糙度越大、工作精度降低粗糙度越大、工作精度降低殘余應(yīng)力越大，工作精度降低殘余應(yīng)力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蝕性越差粗糙度越大，耐腐蝕性越差壓應(yīng)力提高耐腐蝕性，拉應(yīng)力反壓應(yīng)力提高耐腐蝕性，拉應(yīng)力反之則降低耐腐蝕性之則降低耐腐蝕性第9頁/共84頁三、三、 影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制 機械加工中，表面粗糙度形成的原因大

10、致可歸納為幾機械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可歸納為幾何因素和物理力學因素兩個方面。何因素和物理力學因素兩個方面。（一）切削加工表面粗糙度（一）切削加工表面粗糙度1、幾何因素、幾何因素刀尖圓弧半徑刀尖圓弧半徑r主偏角主偏角kr、副偏角、副偏角kr進給量進給量f（圖（圖440）H=f/(cotr+cotr) (8-1)H=f 2/(8r) (8-2)第10頁/共84頁圖圖440 車削、刨削時殘留面積高度車削、刨削時殘留面積高度第11頁/共84頁2、物理力學因素、物理力學因素（1）工件材料的影響）工件材料的影響v韌性材料：工件材料韌性愈好，金屬塑性變形愈韌性材料：工件材料韌性愈好，金屬塑性變形

11、愈大，加工表面愈粗糙。大，加工表面愈粗糙。故對中碳鋼和低碳鋼材料的故對中碳鋼和低碳鋼材料的工件，為改善切削性能，減小表面粗糙度，常在粗工件，為改善切削性能，減小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或調(diào)質(zhì)處理。加工或精加工前安排正火或調(diào)質(zhì)處理。v 脆性材料：加工脆性材料時，其切削呈碎粒狀，脆性材料：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，使表由于切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點，使表面粗糙。面粗糙。第12頁/共84頁（2）切削速度的影響）切削速度的影響 加工塑性材料時，切削速度對加工塑性材料時，切削速度對表面粗糙度的影響（對積屑瘤和鱗表面粗糙度的影響（對積屑

12、瘤和鱗刺的影響）見如刺的影響）見如圖圖4-41所示。所示。 此外，切削速度越高，塑性變此外，切削速度越高，塑性變形越不充分，表面粗糙度值越小形越不充分，表面粗糙度值越小 選擇低速寬刀精切和高速精切，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。可以得到較小的表面粗糙度。 （4）其它因素的影響）其它因素的影響 此外，合理使用冷卻潤滑液，此外，合理使用冷卻潤滑液，適當增大刀具的前角，提高刀具適當增大刀具的前角，提高刀具的刃磨質(zhì)量等，均能有效地減小的刃磨質(zhì)量等，均能有效地減小表面粗糙度值。表面粗糙度值。（3）進給量的影響）進給量的影響 減小進給量減小進給量f固然可以減小固然可以減小表面粗糙度

13、值，但表面粗糙度值，但進給量過小，進給量過小，表面粗糙度會有增大的趨勢。表面粗糙度會有增大的趨勢。第13頁/共84頁圖圖441 加工塑性材料時切削速度對表面粗糙度的影響加工塑性材料時切削速度對表面粗糙度的影響第14頁/共84頁影響切削加工表面影響切削加工表面粗糙度的因素粗糙度的因素刀具幾何形狀刀具幾何形狀刀具材料、刃磨質(zhì)量刀具材料、刃磨質(zhì)量切削用量切削用量工件材料工件材料殘留面積 Ra前角 Ra后角摩擦Ra刃傾角會影響實際工作前角 v Raf Raap對Ra影響不大，太小會打滑，劃傷已加工表面材料塑性 Ra同樣材料晶粒組織大 Ra，常用正火、調(diào)質(zhì)處理刀具材料強度 Ra刃磨質(zhì)量 Ra冷卻、潤滑

14、Ra第15頁/共84頁（二）磨削加工表面粗糙度（二）磨削加工表面粗糙度1、 磨削中影響粗糙度的幾何因素磨削中影響粗糙度的幾何因素 工件的磨削表面是由砂輪上大量磨?？虅澇鰺o數(shù)極細工件的磨削表面是由砂輪上大量磨?？虅澇鰺o數(shù)極細的刻痕形成的，工件單位面積上通過的砂粒數(shù)越多，則刻的刻痕形成的，工件單位面積上通過的砂粒數(shù)越多，則刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。 磨粒在砂輪上的分布越磨粒在砂輪上的分布越均勻、磨粒越細，刃口的等均勻、磨粒越細，刃口的等高性越好。則砂輪單位面積高性越好。則砂輪單位面積上參加磨削的磨粒越多，磨上參加磨削的磨粒越多，磨削表

15、面上的刻痕就越細密均削表面上的刻痕就越細密均勻，表面粗糙度值就越小。勻，表面粗糙度值就越小。（1）砂輪的磨粒）砂輪的磨粒第16頁/共84頁v砂輪轉(zhuǎn)速越高，單位時間內(nèi)通過被磨表面的磨粒數(shù)越砂輪轉(zhuǎn)速越高，單位時間內(nèi)通過被磨表面的磨粒數(shù)越多，表面粗糙度值就越小。多，表面粗糙度值就越小。v工件轉(zhuǎn)速對表面粗糙度值的影響剛好與砂輪轉(zhuǎn)速的影工件轉(zhuǎn)速對表面粗糙度值的影響剛好與砂輪轉(zhuǎn)速的影響相反。響相反。工件的轉(zhuǎn)速增大，通過加工表面的磨粒數(shù)減少，工件的轉(zhuǎn)速增大，通過加工表面的磨粒數(shù)減少，因此表面粗糙度值增大因此表面粗糙度值增大。v砂輪的縱向進給量小于砂輪的寬度時，工件表面將被砂輪的縱向進給量小于砂輪的寬度時，工

16、件表面將被重疊切削，而被磨次數(shù)越多，工件表面粗糙度值就越小。重疊切削，而被磨次數(shù)越多，工件表面粗糙度值就越小。（3）磨削用量）磨削用量（2）砂輪修整）砂輪修整 砂輪修整除了使砂輪具砂輪修整除了使砂輪具有正確的幾何形狀外，更重有正確的幾何形狀外，更重要的是使砂輪工作表面形成要的是使砂輪工作表面形成排列整齊而又銳利的微刃排列整齊而又銳利的微刃（圖圖447）。因此，砂輪修）。因此，砂輪修整的質(zhì)量對磨削表面的粗糙整的質(zhì)量對磨削表面的粗糙度影響很大。度影響很大。第17頁/共84頁圖圖447 砂輪上的磨粒砂輪上的磨粒第18頁/共84頁2、 磨削中影響粗糙度的物理因素磨削中影響粗糙度的物理因素 磨削速度比一

17、般切削速度高得多，且磨粒大多數(shù)是負前角，切磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多數(shù)是負前角，切削刃又不銳利，大多數(shù)磨粒在磨削過程中只是對被加工表面擠壓，沒削刃又不銳利，大多數(shù)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(xiàn)溝槽與隆起，又由于磨削時有切削作用。加工表面在多次擠壓下出現(xiàn)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。的高溫更加劇了塑性變形，故表面粗糙度值增大。（1）磨削用量）磨削用量 砂輪的轉(zhuǎn)速砂輪的轉(zhuǎn)速 材料塑性變形材料塑性變形 表面粗表面粗糙度值糙度值 ；磨削深度磨削深度、工件速度工件速度 塑性變形塑性變形 表表面粗糙度值面粗糙

18、度值 ； 為提高磨削效率，通常在開始磨削時采為提高磨削效率，通常在開始磨削時采用較大的徑向進給量，而在磨削后期采用較用較大的徑向進給量，而在磨削后期采用較小的徑向進給量或無進給量磨削，以減小表小的徑向進給量或無進給量磨削，以減小表面粗糙度值。面粗糙度值。第19頁/共84頁（2）工件材料）工件材料太硬易使磨粒磨鈍 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 。（2）砂輪粒度與硬度）砂輪粒度與硬度磨粒太細，砂輪易被磨屑磨粒太細，砂輪易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，堵塞，使表面粗糙度值增大，若導熱情況不好，還會燒傷若導熱情況不好，還會燒傷工件表面。工件表面。砂輪太硬，使

19、表面粗糙度增砂輪太硬，使表面粗糙度增大；大；砂輪選得太軟，使表面粗糙砂輪選得太軟，使表面粗糙度值增大。度值增大。第20頁/共84頁影響磨削加工表面影響磨削加工表面粗糙度的因素粗糙度的因素粒度Ra 金剛石筆鋒利，修正導程、徑向進給量 Ra磨粒等高性Ra硬度鈍化磨粒脫落 Ra硬度磨粒脫落Ra硬度合適、自勵性好Ra太硬、太軟、韌性、導熱性差 Ra砂輪粒度砂輪粒度工件材料性質(zhì)工件材料性質(zhì)砂輪修正砂輪修正磨削用量磨削用量砂輪硬度砂輪硬度砂輪V Raap、工件V 塑變 Ra粗磨ap生產(chǎn)率精磨ap Ra(ap=0光磨) 第21頁/共84頁#1BORE#2BORE第22頁/共84頁#4BORE#3BORE第2

20、3頁/共84頁Matrix缸體缸孔Honing加工表面發(fā)生的缺陷分析 (SEM)#1BORE第24頁/共84頁Matrix缸體缸孔Honing加工表面發(fā)生的缺陷分析 (SEM)#2 BORE第25頁/共84頁缸體缸孔Honing加工表面發(fā)生的缺陷分析 (SEM)#3BORE第26頁/共84頁缸體缸孔Honing加工表面發(fā)生的缺陷分析 (SEM)#4 BORE第27頁/共84頁四、四、 影響表面層物理力學性能的影響表面層物理力學性能的主要因素及其控制主要因素及其控制影響表面層物理力學性能的主要因素影響表面層物理力學性能的主要因素表面物理力學表面物理力學性能性能影響金相組織變化影響金相組織變化因素

21、因素影響顯微硬度因素影響顯微硬度因素影響殘余應(yīng)力因素影響殘余應(yīng)力因素塑變引起的冷硬金相組織變化引起的硬度變化冷塑性變形熱塑性變形金相組織變化切削熱第28頁/共84頁1. 表面層的冷作硬化表面層的冷作硬化（1 1） 表面層加工硬化的產(chǎn)生表面層加工硬化的產(chǎn)生定義：定義：機械加工時，工件表面層金屬受到機械加工時，工件表面層金屬受到切削力的作用產(chǎn)生強烈的塑性變形，使晶切削力的作用產(chǎn)生強烈的塑性變形，使晶格扭曲，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，晶粒被拉格扭曲，晶粒間產(chǎn)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(xiàn)象稱為加工硬化，度和硬度增加，這種現(xiàn)象

22、稱為加工硬化，又稱冷作硬化和強化。又稱冷作硬化和強化。第29頁/共84頁（2 2） 衡量表面層加工硬化的指標衡量表面層加工硬化的指標衡量表面層加工硬化程度的指標有下列三項：衡量表面層加工硬化程度的指標有下列三項： 1）表面層的顯微硬度）表面層的顯微硬度HV；2）硬化層深度）硬化層深度h；3）硬化程度）硬化程度NN=(HV-HV0)/HV0100 （8-3） 式中式中 HV0工件原表面層的顯微硬度。工件原表面層的顯微硬度。第30頁/共84頁（3）影響表面層加工硬化的因素）影響表面層加工硬化的因素 刀具幾何形狀的影響刀具幾何形狀的影響切削刃切削刃 r、前角、前角、后面磨損量、后面磨損量VB 表層金

23、屬的塑變加劇表層金屬的塑變加劇冷硬冷硬切削用量的影響切削用量的影響 切削速度切削速度v塑變塑變冷硬冷硬 f切削力切削力塑變塑變冷硬冷硬工件材料性能的影響工件材料性能的影響 材料塑性材料塑性冷硬冷硬第31頁/共84頁2. 表面層殘余應(yīng)力表面層殘余應(yīng)力定義：定義： 機械加工中工件表面層組織發(fā)生機械加工中工件表面層組織發(fā)生變化時，在表面層及其與基體材料的交變化時，在表面層及其與基體材料的交界處會產(chǎn)生互相平衡的彈性力。這種應(yīng)界處會產(chǎn)生互相平衡的彈性力。這種應(yīng)力即為表面層的殘余應(yīng)力。力即為表面層的殘余應(yīng)力。第32頁/共84頁（1）表面層殘余應(yīng)力的產(chǎn)生）表面層殘余應(yīng)力的產(chǎn)生 1） 冷態(tài)塑變冷態(tài)塑變 工件表

24、面受到擠壓與摩擦，表層產(chǎn)生伸長塑變，基體仍處于彈性變形狀態(tài)。切削后，表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而在里層產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力。2） 熱態(tài)塑變熱態(tài)塑變 表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力(其原理見圖)3） 金相組織變化金相組織變化 比容大的組織比容小的組織體積收縮，產(chǎn)生拉應(yīng)力，反之，產(chǎn)生壓應(yīng)力。（密度小，比容大）第33頁/共84頁圖圖 切削熱在表層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的示意圖切削熱在表層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的示意圖第34頁/共84頁 機械加工后工件表面層的殘余應(yīng)力是機械加工后工件表面層的殘余應(yīng)力是冷態(tài)塑性變形、熱冷態(tài)塑性變形、熱 態(tài)塑性變形和金相組織變化的綜合結(jié)果。態(tài)塑性變形和金相組織變化的綜合結(jié)果。切

25、削加工時起主要切削加工時起主要作用的往往是冷態(tài)塑性變形，表面層常產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力。作用的往往是冷態(tài)塑性變形，表面層常產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力。磨削加工時起主要作用的通常是熱態(tài)塑性變形或金相組織變磨削加工時起主要作用的通常是熱態(tài)塑性變形或金相組織變化引起的體積變化，表面層常產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力。化引起的體積變化，表面層常產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力。（2 2）磨削裂紋的產(chǎn)生）磨削裂紋的產(chǎn)生 磨削裂紋和殘余應(yīng)力有著十分密切的關(guān)系。在磨削磨削裂紋和殘余應(yīng)力有著十分密切的關(guān)系。在磨削過程中，當工件表面層產(chǎn)生的殘余應(yīng)力超過工件材料的強過程中，當工件表面層產(chǎn)生的殘余應(yīng)力超過工件材料的強度極限時，工件表面就會產(chǎn)生裂紋。磨削裂紋常與

26、燒傷同度極限時，工件表面就會產(chǎn)生裂紋。磨削裂紋常與燒傷同時出現(xiàn)。時出現(xiàn)。 （3 3）影響表面殘余應(yīng)力的主要因素）影響表面殘余應(yīng)力的主要因素第35頁/共84頁 切削加工中，由于切削熱的作用，在工件的加切削加工中，由于切削熱的作用，在工件的加工區(qū)及其鄰近區(qū)域產(chǎn)生了一定的溫升。工區(qū)及其鄰近區(qū)域產(chǎn)生了一定的溫升。 定義：定義：磨削加工時，表面層有很高的溫度，當磨削加工時，表面層有很高的溫度，當溫度達到相變臨界點時，表層金屬就發(fā)生金相組溫度達到相變臨界點時，表層金屬就發(fā)生金相組織變化，強度和硬度降低、產(chǎn)生殘余應(yīng)力、甚至織變化，強度和硬度降低、產(chǎn)生殘余應(yīng)力、甚至出現(xiàn)微觀裂紋。這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。出現(xiàn)微觀

27、裂紋。這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。 淬火鋼在磨削時，由于磨削條件不同，產(chǎn)生的淬火鋼在磨削時，由于磨削條件不同，產(chǎn)生的磨削燒傷有三種形式。磨削燒傷有三種形式。三、表面層金相組織變化與磨削燒傷三、表面層金相組織變化與磨削燒傷1.1.表面層金相組織變化與磨削燒傷的產(chǎn)生表面層金相組織變化與磨削燒傷的產(chǎn)生第36頁/共84頁 淬火燒傷淬火燒傷回火燒傷回火燒傷退火燒傷退火燒傷 磨削時工件表面溫度超過相變臨界溫度Ac3時，則馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在冷卻液作用下，工件最外層金屬會出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織。其硬度比原來的回火馬氏體高，但很薄，其下為硬度較低的回火索氏體和屈氏體。由于二次淬火層極薄，表面層總的硬度是降低的，這

28、種現(xiàn)象稱為淬火燒傷。 磨削時，如果工件表面層溫度只是超過原來的回火溫度，則表層原來的回火馬氏體組織將產(chǎn)生回火現(xiàn)象而轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕容^低的回火組織（索氏體或屈氏體），這種現(xiàn)象稱為回火燒傷。 磨削時，當工件表面層溫度超過相變臨界溫度Ac3時，則馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。若此時無冷卻液，表層金屬空冷冷卻比較緩慢而形成退火組織。硬度和強度均大幅度下降。這種現(xiàn)象稱為退火燒傷。2. 磨削燒傷的三種形式磨削燒傷的三種形式第37頁/共84頁磨削用量磨削用量砂輪與工件材料砂輪與工件材料改善冷卻條件改善冷卻條件1）砂輪轉(zhuǎn)速 磨削燒傷2）徑向進給量fp 磨削燒傷3） 軸向進給量fa磨削燒傷4）工件速度vw磨削燒傷1)磨削時，砂

29、輪表面上磨粒的切削刃口鋒利磨削力磨削區(qū)的溫度2)磨削導熱性差的材料(耐熱鋼、軸承鋼、不銹鋼)磨削燒傷3)應(yīng)合理選擇砂輪的硬度、結(jié)合劑和組織磨削燒傷 采用內(nèi)冷卻法 磨削燒傷 圖3.影響磨削燒傷的因素及改善途徑采用開槽砂輪采用開槽砂輪間斷磨削受熱磨削燒傷 圖第38頁/共84頁 圖圖 內(nèi)冷卻裝置內(nèi)冷卻裝置1錐形蓋錐形蓋 2通道孔通道孔 3砂輪中心孔砂輪中心孔 4有徑向小孔的薄壁套有徑向小孔的薄壁套第39頁/共84頁 圖圖 開槽砂輪開槽砂輪 a） 槽均勻分布槽均勻分布 b）槽均勻分布）槽均勻分布 第40頁/共84頁第四節(jié)第四節(jié) 提高表面層物理力學性能的加工方法提高表面層物理力學性能的加工方法1滾壓加工

30、滾壓加工 滾壓加工是利用經(jīng)過淬火和精細研磨過的滾輪或滾壓加工是利用經(jīng)過淬火和精細研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)下對金屬表面進行擠壓，使受壓滾珠，在常溫狀態(tài)下對金屬表面進行擠壓，使受壓點產(chǎn)生彈性和塑性變形，表層的凸起部分向下壓，點產(chǎn)生彈性和塑性變形，表層的凸起部分向下壓，凹下部分向上擠，逐漸將前工序留下的波峰壓平，凹下部分向上擠，逐漸將前工序留下的波峰壓平，降低了表面粗糙度；同時它還能使工件表面產(chǎn)生硬降低了表面粗糙度；同時它還能使工件表面產(chǎn)生硬化層和殘余壓應(yīng)力。因此提高了零件的承載能力和化層和殘余壓應(yīng)力。因此提高了零件的承載能力和疲勞強度。疲勞強度。 滾壓加工可以加工外圓、孔、平面及成型表面，滾

31、壓加工可以加工外圓、孔、平面及成型表面，通常在普通車床、轉(zhuǎn)塔車床或自動車床上進行。如通常在普通車床、轉(zhuǎn)塔車床或自動車床上進行。如圖圖為典型的滾壓加工示意圖。為典型的滾壓加工示意圖。第41頁/共84頁圖圖 滾壓加工原理滾壓加工原理第42頁/共84頁2. 噴丸強化噴丸強化 噴丸強化是利用大量快速運動的珠丸打擊被加工工件噴丸強化是利用大量快速運動的珠丸打擊被加工工件表面，使工件表面產(chǎn)生冷硬層和壓縮殘余應(yīng)力，如圖表面，使工件表面產(chǎn)生冷硬層和壓縮殘余應(yīng)力，如圖8-13所示為珠丸擠壓工件表面的狀態(tài)所示為珠丸擠壓工件表面的狀態(tài), 可顯著提高零件的疲勞可顯著提高零件的疲勞強度。強度。 珠丸可以是鑄鐵的，也可以

32、是切成小段的鋼絲（使用珠丸可以是鑄鐵的，也可以是切成小段的鋼絲（使用一段時間后，自然變成球狀）。對于鋁質(zhì)工件，為避免表一段時間后，自然變成球狀）。對于鋁質(zhì)工件，為避免表面殘留鐵質(zhì)微粒而引起電解腐蝕，宜采用鋁丸或玻璃丸。面殘留鐵質(zhì)微粒而引起電解腐蝕，宜采用鋁丸或玻璃丸。珠丸的直徑一般為珠丸的直徑一般為0.24mm，對于尺寸較小、表面粗糙度，對于尺寸較小、表面粗糙度值較小的工件，采用直徑較小的珠丸。值較小的工件，采用直徑較小的珠丸。 噴丸強化主要用于強化形狀復雜或不宜用其它方法強噴丸強化主要用于強化形狀復雜或不宜用其它方法強化的工件，如板彈簧、螺旋彈簧、連桿、齒輪、焊縫等?；墓ぜ?，如板彈簧、螺旋

33、彈簧、連桿、齒輪、焊縫等。經(jīng)噴丸加工后的表面，硬化層深度可達經(jīng)噴丸加工后的表面，硬化層深度可達0.7mm，零件表面，零件表面粗糙度值可由粗糙度值可由Ra52.5m 減小到減小到Ra0.630.32m ，可幾倍，可幾倍甚至幾十倍地提高零件的使用壽命。甚至幾十倍地提高零件的使用壽命。第43頁/共84頁 第五節(jié)第五節(jié) 機械加工中的振動機械加工中的振動振動會在工件加工表面出現(xiàn)振紋，降低了工件的加工精度和表面振動會在工件加工表面出現(xiàn)振紋，降低了工件的加工精度和表面質(zhì)量；質(zhì)量； 振動會引起刀具崩刃打刀現(xiàn)象并加速刀具或砂輪的磨損；振動會引起刀具崩刃打刀現(xiàn)象并加速刀具或砂輪的磨損；振動使機床連接部分松動，影響

34、運動副的工作性能，并導致機床振動使機床連接部分松動，影響運動副的工作性能，并導致機床喪失精度；喪失精度； 強烈的振動及伴隨而來的噪聲，還會污染環(huán)境，危害操作者的身強烈的振動及伴隨而來的噪聲，還會污染環(huán)境，危害操作者的身心健康。為減小加工過程中的振動，有時不得不降低切削用量，使機心健康。為減小加工過程中的振動，有時不得不降低切削用量，使機械加工生產(chǎn)率降低。械加工生產(chǎn)率降低。一、機械加工中的振動現(xiàn)象一、機械加工中的振動現(xiàn)象1、振動對機械加工的影響、振動對機械加工的影響第44頁/共84頁機械加工中振動的種類及其主要特點機械加工中振動的種類及其主要特點機械加工振動機械加工振動自激振動自激振動自由振動自

35、由振動強迫振動強迫振動當系統(tǒng)受到初始干擾力激勵破壞了其平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)僅靠彈性恢復力來維持的振動稱為自由振動。由于總存在阻尼，自由振動將逐漸衰減，如圖8-14a所示。(占5%)系統(tǒng)在周期性激振力(干擾力)持續(xù)作用下產(chǎn)生的振動，稱為強迫振動。強迫振動的穩(wěn)態(tài)過程是諧振動，只要有激振力存在振動系統(tǒng)就不會被阻尼衰減掉。如圖8-14b所示。(占35%)在沒有周期性干擾力作用的情況下，由振動系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力所激發(fā)和維持的振動，稱為自激振動。切削過程中產(chǎn)生的自激振動也稱為顫振。(占65%)第45頁/共84頁第46頁/共84頁一）強迫振動的振源一）強迫振動的振源系統(tǒng)外部的周期性干擾力系統(tǒng)外部的周期性干擾力

36、旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量偏心旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量偏心傳動機構(gòu)的缺陷傳動機構(gòu)的缺陷切削過程的間隙特性切削過程的間隙特性 二、機械加工中的強迫振動與控制二、機械加工中的強迫振動與控制第47頁/共84頁二）強迫振動的數(shù)學描述及特性二）強迫振動的數(shù)學描述及特性1、動力學模型的建立、動力學模型的建立幾點假設(shè)：幾點假設(shè)：1）（a）只有質(zhì)量、沒有彈性的集中質(zhì)量，（b）只有彈性、沒有質(zhì)量的集中彈簧；2）阻尼力在線性范圍內(nèi)，即： 3）系統(tǒng)在平衡位置附近作微小的振動（圖1示）xcR第48頁/共84頁 圖1 內(nèi)圓磨削振動系統(tǒng) a) 模型示意圖 b）動力學模型 c）受力圖第49頁/共84頁根據(jù)牛頓運動規(guī)律建立微分方程：tFkxxxm

37、sin 式中 衰減系數(shù)，m20系統(tǒng)無阻尼振動時的固有頻率，mk20激振力頻率 該式是一個二階常系數(shù)線性非齊次微分方程。根據(jù)微分方程理論，當系統(tǒng)為小阻尼時，它的解由令0mF而得到的齊次方程的通解和非齊次方程的一個特解組成：)sin()sin(212201tAteAxt第50頁/共84頁a）有阻尼的自由振動b）強迫振動c）有阻尼的自由振動和強迫振動的合成第51頁/共84頁進入穩(wěn)態(tài)后的振動方程為：進入穩(wěn)態(tài)后的振動方程為：)sin(tAx式中 A強迫振動的幅值； 振動體位移相對于激振力的相位角； t 時間其中強迫振動的振幅為：2220222220)2()1 (4)(AfA相位角為：212arctan第

38、52頁/共84頁式中 f f=F/m； A0系統(tǒng)在靜力F作用下的靜位移（m)kFmkmFfA200k系統(tǒng)的靜剛度（N/m）；頻率比，/0阻尼比，ckmmkm2/2/0c臨界阻尼系數(shù)，kmc2第53頁/共84頁1）強迫振動是由周期性激振力引起的，不會被阻尼衰減掉，）強迫振動是由周期性激振力引起的，不會被阻尼衰減掉，振動本身也不能使激振力變化。振動本身也不能使激振力變化。2）強迫振動的振動頻率與外界激振力的頻率相同，而與系）強迫振動的振動頻率與外界激振力的頻率相同，而與系統(tǒng)的固有頻率無關(guān)。統(tǒng)的固有頻率無關(guān)。3）強迫振動的幅值既與激振力的幅值有關(guān)，又與工藝系統(tǒng)）強迫振動的幅值既與激振力的幅值有關(guān)，又

39、與工藝系統(tǒng)的特性有關(guān)。的特性有關(guān)。 激振力的激振力的影響影響。A0=F/k2、強迫振動的特征強迫振動的特征第54頁/共84頁）當）當0時，時， 1， 0.60.7，準靜態(tài)區(qū)，在該區(qū)增，準靜態(tài)區(qū)，在該區(qū)增加系統(tǒng)靜剛度，可減小振動。加系統(tǒng)靜剛度，可減小振動。）當）當 1時，時， 會急劇增大，此現(xiàn)象稱為共振，會急劇增大，此現(xiàn)象稱為共振，0.7 1.4的區(qū)域稱為共振區(qū)，在該區(qū)增大阻尼的區(qū)域稱為共振區(qū)，在該區(qū)增大阻尼共振共振）當）當 1時，時， 0， 1.4區(qū)域稱為慣性區(qū)，在該區(qū)域稱為慣性區(qū)，在該區(qū)增加振動體的質(zhì)量，可減小振動振幅。區(qū)增加振動體的質(zhì)量，可減小振動振幅。2220)2()1 (1AA 頻率比

40、頻率比的影響（的影響（圖示圖示）第55頁/共84頁第56頁/共84頁三、三、 減小強迫振動的措施減小強迫振動的措施減小激振力 調(diào)整振源頻率 提高工藝系統(tǒng)的剛度和阻尼采取隔振措施 采用減振裝置。3、振動系統(tǒng)的動剛度振動系統(tǒng)的動剛度 當系統(tǒng)在周期性動載荷當系統(tǒng)在周期性動載荷作用下，交變力的幅值與振作用下，交變力的幅值與振幅（動態(tài)位移）之比稱為系幅（動態(tài)位移）之比稱為系統(tǒng)的動剛度。即：統(tǒng)的動剛度。即：222)2()1 (kAFkd 靜剛度靜剛度k=F/A0是工藝系統(tǒng)本身的屬性，在線性范圍內(nèi)，是工藝系統(tǒng)本身的屬性，在線性范圍內(nèi)，可以認為它與外載荷無關(guān)，動剛度可以認為它與外載荷無關(guān)，動剛度kd除與除與k

41、成正比外，還與成正比外，還與系統(tǒng)阻尼、頻率比系統(tǒng)阻尼、頻率比有關(guān)。靜剛度影響工件的幾何形狀及尺有關(guān)。靜剛度影響工件的幾何形狀及尺寸精度，動剛度影響工件的表面粗糙度。寸精度，動剛度影響工件的表面粗糙度。第57頁/共84頁三、機械加工中的自激振動與控制三、機械加工中的自激振動與控制1自激振動的產(chǎn)生及特征自激振動的產(chǎn)生及特征 在實際加工過程中，由于偶然的外界干擾（如工件材料硬度不均、加工余量有變化等），會使切削力發(fā)生變化，從而使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生自由振動。系統(tǒng)的振動必然會引起工件、刀具間的相對位置發(fā)生周期性變化，這一變化若又引起切削力的波動，則使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動。因此通常將自激振動看成是由振動系統(tǒng)（工藝系

42、統(tǒng)）和調(diào)節(jié)系統(tǒng)（切削過程）兩個環(huán)節(jié)組成的一個閉環(huán)系統(tǒng)，如圖所示。 激勵工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動運動的交變力是由切削過程切削過程本身本身產(chǎn)生的，而切削過程同時又受工藝系統(tǒng)的振動的控制，工藝系統(tǒng)的振動一旦停止，動態(tài)切削力也就隨之消失。第58頁/共84頁圖圖 自激振動系統(tǒng)的組成自激振動系統(tǒng)的組成第59頁/共84頁（2）自激振動的特征）自激振動的特征 自激振動自激振動特點特點不衰減的振動不衰減的振動它由振動過程本身引起切削力周期性變化，從不具備交變特性的能源中周期獲得能量，使振動得以維持。自激振動由振動系統(tǒng)本身參數(shù)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。自激振動

43、的頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率，即顫振頻率取決于振動系統(tǒng)的固有特性。這與自由振動相似，而與強迫振動根本不同E A1 A0 A2 AE-E+f自自=f固固取決于一周期獲得的能量取決于一周期獲得的能量取決于切削過程本身取決于切削過程本身第60頁/共84頁 如圖2a所示為單自由度機械加工振動模型。設(shè)工件系統(tǒng)為絕對剛體，振動系統(tǒng)與刀架相連，且只在y方向作單自由度振動。 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(tǒng)同時還有F彈作用在它上面。y越大，F(xiàn)彈也越大，當Fp=F彈時，刀架的振動停止。 對上述振動系統(tǒng)而言，背向力Fp是外力，F(xiàn)p對振動系統(tǒng)作功如圖2b所示。 刀具切入，其運動方向與背向

44、力方向相反，作負功；即振動系統(tǒng)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(tǒng)要吸收能量W振出；2產(chǎn)生自激振動的條件產(chǎn)生自激振動的條件第61頁/共84頁圖圖2 單自由度機械加工振動模型單自由度機械加工振動模型 a） 振動模型振動模型 b） 力與位移的關(guān)系圖力與位移的關(guān)系圖第62頁/共84頁（1）當當W振出振出W振入振入時時，刀架振動系統(tǒng)將有持續(xù)刀架振動系統(tǒng)將有持續(xù)的自激振動產(chǎn)生的自激振動產(chǎn)生。第63頁/共84頁三種情況：三種情況： W振出振出=W振入振入+ W摩阻（振入）摩阻（振入）時，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動；時，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動； W振出振出W振入振入+ W摩阻

45、（振入）摩阻（振入）時，系統(tǒng)為振幅遞增的自激時，系統(tǒng)為振幅遞增的自激 振動，至一定程度，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動；振動，至一定程度，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動； W振出振出 W振入振入+ W摩阻（振入）摩阻（振入）時，系統(tǒng)為振幅遞減的自激時，系統(tǒng)為振幅遞減的自激 振動，至一定程度，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動；振動，至一定程度，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動；故振動系統(tǒng)產(chǎn)生自激振動的基本條件是：故振動系統(tǒng)產(chǎn)生自激振動的基本條件是：W振出振出W振入振入或或 FP振出振出FP振入振入第64頁/共84頁2產(chǎn)生自激振動的學說產(chǎn)生自激振動的學說（1） 再生顫振再生顫振1）再生顫振原理）再生顫振原理如圖3a)所示，車刀只做橫向進給。

46、 在穩(wěn)定的切削過程中，刀架系統(tǒng)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。刀架系統(tǒng)因此產(chǎn)生了一次自由振動，并在被加工表面留下相應(yīng)的振紋。 當工件轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，刀具要在留有振紋的表面上切削，因切削厚度發(fā)生了變化，所以引起了切削力周期性的變化。產(chǎn)生動態(tài)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”。第65頁/共84頁圖圖3 自由正交切削時再生顫振的產(chǎn)生自由正交切削時再生顫振的產(chǎn)生第66頁/共84頁2）再生顫振產(chǎn)生的條件）再生顫振產(chǎn)生的條件 圖圖4表示了四種情況。圖中實線表示前一轉(zhuǎn)表示了四種情況。圖中實線表示前一轉(zhuǎn)切削的工件表面振紋，虛線表示后一轉(zhuǎn)切削的表

47、切削的工件表面振紋，虛線表示后一轉(zhuǎn)切削的表面。面。結(jié)論：在再生顫振中，只有當結(jié)論：在再生顫振中，只有當后一轉(zhuǎn)的振紋的相位滯后于后一轉(zhuǎn)的振紋的相位滯后于前一轉(zhuǎn)振紋時前一轉(zhuǎn)振紋時才有可能產(chǎn)生再生顫振。才有可能產(chǎn)生再生顫振。 a）前后兩轉(zhuǎn)的振紋沒有相位差（前后兩轉(zhuǎn)的振紋沒有相位差（=0）圖圖4a b）前后兩轉(zhuǎn)的振紋相位差為）前后兩轉(zhuǎn)的振紋相位差為=圖圖4b c）后一轉(zhuǎn)的振紋相位超前，）后一轉(zhuǎn)的振紋相位超前，0 -圖圖4d第67頁/共84頁圖圖4 再生顫振時振紋相位角與平均切削厚度的關(guān)系再生顫振時振紋相位角與平均切削厚度的關(guān)系 a）=0 b）= c）0 -第68頁/共84頁一般 01，徑向切入=1（切

48、槽、鉆、端銑等）橫向切削01車方牙螺紋，=0，無重迭切削，不可能發(fā)生再生顫振。2）重迭系數(shù)對再生顫振的影響）重迭系數(shù)對再生顫振的影響重重 迭迭 系系 數(shù)數(shù) 前一次切削工件表面形成的波紋面寬度在相繼的后一次切削的有效寬度中所占的比例，用表示。 =（B-f） / B B切削寬度， f 進給量。第69頁/共84頁（2） 振型耦合顫振振型耦合顫振1）振型耦合原理）振型耦合原理 當縱車方牙螺紋的外圓表面如圖5所示，刀具并未發(fā)生重疊切削，若按再生顫振原理，則不應(yīng)該產(chǎn)生顫振。但在實際加工中，當切削深度達到一定值時，仍會發(fā)生顫振，這可以用振型耦合原理來解釋。 圖6是兩個自由度振型耦合顫振動力學模型 刀具等效質(zhì)

49、量為 m， 相互垂直的等效剛度系數(shù)分別為k1、k2（設(shè)k1 k2）剛度低的方向振型為x1，剛度高的方向振型為x2。第70頁/共84頁圖圖5 縱車方牙螺紋外表面縱車方牙螺紋外表面第71頁/共84頁圖圖6 兩個自由度的耦合振動模型兩個自由度的耦合振動模型 a）切削模型）切削模型 b）動力學模型）動力學模型第72頁/共84頁 當?shù)都芟到y(tǒng)以當?shù)都芟到y(tǒng)以的頻率振動時，質(zhì)量的頻率振動時，質(zhì)量m在在x1、x2兩個方向上以不同的振幅和相位進行振動，其合兩個方向上以不同的振幅和相位進行振動，其合成運動軌跡近似橢圓成運動軌跡近似橢圓E。 若ABC切入；CDA切出由于切出時的平均切削厚度大于切入時的平均切削厚度，正功大于負功，在一個振動周期內(nèi)，有多余的能量輸入振動系統(tǒng)。因此，振動得以維持。反之，則不能維持。ACBDE第73頁/共8