機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制

第四章機(jī)械加工外表質(zhì)量及其控制4.1機(jī)械外表質(zhì)量及其對使用性能的影響4.2影響加工外表粗糙度的工藝因素及其改進(jìn)措施4.3影響表層金屬力學(xué)物理性能的工藝因素及其改進(jìn)措施4.4機(jī)械加工過程的振動研究加工外表質(zhì)量的目的，就是要掌握機(jī)械加工中各種工藝因素對加工外表質(zhì)量影響的規(guī)律，以便應(yīng)用這些規(guī)律控制加工過程，最終到達(dá)提高加工外表質(zhì)量，提高產(chǎn)品性能的目的?！惨弧臣庸ね獗淼膸缀涡蚊?〕外表粗糙度微觀誤差S/H<502〕外表波度S/H=50~10003〕紋理方向4〕外表缺陷〔傷痕〕如沙眼、氣孔、裂痕等第一節(jié)加工外表質(zhì)量及其對使用性能的影響1.外表質(zhì)量的根本概念加工外表質(zhì)量包括：加工外表的幾何形貌和外表層材料的力學(xué)物理性能和化學(xué)性能。〔二〕外表層金屬的力學(xué)物理性能和化學(xué)性能1〕外表層的冷作硬化工件在機(jī)械加工過程中，外表金屬層產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，使外表的強(qiáng)度和硬度都有提高，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化。外表硬化衡量指標(biāo)：冷硬層深度hy和硬化程度N。2〕外表層金屬的金相組織變化由切削熱的作用引起3〕外表層金屬的剩余應(yīng)力由切削力和切削熱的綜合作用引起二.加工外表質(zhì)量對使用性能的影響〔一〕外表質(zhì)量對耐磨性的影響當(dāng)兩個(gè)零件外表相互接觸時(shí)，實(shí)際上有效接觸面積只是名義接觸面積的一小局部，外表越粗糙，有效接觸面積就越小。零件磨損分三個(gè)階段：初期磨損階段接觸面積小，壓強(qiáng)大，凸峰很快會被磨掉，甚至形成干摩擦；正常磨損階段有效接觸面積不斷增大，壓強(qiáng)也逐漸減小，磨損將以較慢的速度進(jìn)行；快速磨損階段有效接觸面積越來越大，零件間的金屬分子親和力增大，外表的機(jī)械咬合作用增大，產(chǎn)生急劇磨損。1.外表粗糙度對耐磨性的影響一般來說，外表粗糙度值越小，耐磨性越好。但太小因接觸面容易產(chǎn)生分子粘接，潤滑油不易存儲，磨損反而增加，因此，就磨損而言，存在一個(gè)最優(yōu)外表粗糙度值。磨損量——硬化關(guān)系

3.冷作硬化對耐磨性的影響一般都能使耐磨性有所提高。原因是：冷作硬化使外表層金屬的顯微硬度提高，塑性降低。減少了摩擦副接觸局部的彈性變形和塑性變形，故可減少磨損。但過度的冷作硬化反而降低耐磨性。2.外表紋理對耐磨性的影響有一定的影響。這是由于紋理形狀和刀紋方向?qū)⒂绊懹行Ы佑|面積與潤滑液的存留。一般來講，圓弧形凹坑狀外表紋理的耐磨性好，尖峰狀的外表紋理由于摩擦副接觸面壓強(qiáng)大，耐磨損性差。重載時(shí)，磨損最小是外表紋路互相垂直?！捕惩獗碣|(zhì)量對耐疲勞性的影響1．外表粗糙度對耐疲勞性的影響在交變載荷作用下，零件上的應(yīng)力集中區(qū)最容易產(chǎn)生和開展成疲勞裂紋，導(dǎo)致疲勞破壞。由于外表粗糙度的凹谷部位最容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞破壞，所以外表粗糙度值越小，外表缺陷越小，工件耐疲勞性越好；對于不同的材料，外表粗糙度對疲勞強(qiáng)度的影響程度也不同，這是因?yàn)椴煌牟牧蠈?yīng)力集中的敏感程度也不同,材料的晶粒越細(xì)小,質(zhì)地越致密，對應(yīng)力集中越敏感，外表粗糙度對疲勞強(qiáng)度的影響程度越嚴(yán)重。鋼材的強(qiáng)度極限高，對應(yīng)力的敏感程度就大，而鑄鐵和有色金屬對應(yīng)力集中的敏感性較弱。疲勞損壞由拉應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞裂紋引起，并且從外表開始。因此外表假設(shè)具有剩余壓應(yīng)力，將抵消一局部交變載荷引起的拉應(yīng)力，從而提高零件的抗疲勞強(qiáng)度。反之，剩余拉應(yīng)力那么導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度的明顯下降。外表冷作硬化對疲勞強(qiáng)度也有影響，適當(dāng)?shù)睦溆彩雇獗韺咏饘購?qiáng)化，可減小交變載荷引起的交變變形幅值，阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展。因此能提高零件的疲勞強(qiáng)度。但冷硬過度，因出現(xiàn)疲勞裂紋，將會降低零件的疲勞強(qiáng)度。2．外表金屬的力學(xué)物理性能對耐疲勞性的影響〔三〕外表質(zhì)量對耐腐蝕性的影響1．外表質(zhì)量對耐蝕性的影響零件在潮濕的空氣中或在腐蝕性介質(zhì)中工作，會使金屬外表發(fā)生腐蝕。由于粗糙外表的凹谷處容易積聚腐蝕性介質(zhì)而發(fā)生化學(xué)腐蝕，在外表粗糙度的凹峰間容易產(chǎn)生電化學(xué)作用而引起電化學(xué)腐蝕。所以粗糙度越大，腐蝕程度越大，因此減小外表粗糙度就可提高零件的耐腐蝕性。2．外表層力學(xué)物理性質(zhì)對耐蝕性的影響表層加工硬化及金相組織變化易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致腐蝕開裂，降低零件腐蝕性，而壓應(yīng)力有利微裂紋閉合，有利于提高零件外表的抗腐蝕能力。〔四〕外表質(zhì)量對配合質(zhì)量的影響對于間隙配合外表，因粗糙度太大，使配合間隙增大，降低了配合精度，降低了配合的穩(wěn)定性；對于過盈配合外表，外表粗糙度越大，兩者相配合時(shí)，局部外表凸峰易被擠掉，使過盈量減小，降低了配合外表的結(jié)合強(qiáng)度。因此零件外表的粗糙度與加工精度應(yīng)相適應(yīng)。以下數(shù)據(jù)可供設(shè)計(jì)時(shí)參考：零件尺寸>50mm時(shí)，Rz≤〔0.1~0.15〕δ零件尺寸在18~50時(shí)，Rz≤〔0.15~0.2〕δ零件尺寸<18mm時(shí)，Rz≤〔0.2~0.25〕δ式中δ為尺寸公差值第二節(jié)影響加工外表粗糙度的工藝因素及其改進(jìn)措施一、切削加工外表粗糙度〔幾何因素和物理因素〕1〕刀具幾何形狀的影響H=f/(ctgκr+ctgκr′)H=rε(1-cosα)≈f

2/8rε減小f、κr、κr′及加大rε

，可減小殘留面積的高度切削加工后外表粗糙度的實(shí)際輪廓形狀，一般與純幾何因素所形成的理論輪廓有較大的差異，這是由于切削加工中有塑性變形的緣故。2〕工件材料的影響工件材料塑性越好，塑性變形越大，易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，加工外表粗糙。一般說，切削脆性材料比切削塑性材料容易到達(dá)外表粗糙度的要求，對于同樣的材料，金相組織越粗大，切削后的外表粗糙度值也越大，為減小切削后的外表粗糙度，常在精加工前進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，目的在于得到均勻細(xì)密的晶粒組織和較高的硬度。3〕切削用量切削速度對外表粗糙度影響很大，切削塑性材料時(shí)，假設(shè)切削速度處在產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺范圍內(nèi)(一般為20~40)，加工外表粗糙。由上圖可見，用較高的切削速度，即可提高生產(chǎn)率，又可使外表粗糙度下降，所以不斷提高切削速度一直是提高工藝水平的重要方向。提高切削速度有三個(gè)途徑：〔1〕開展新刀具，〔2〕采用先進(jìn)刀具結(jié)構(gòu)，〔3〕直接提高機(jī)床切削速度。有的小機(jī)床，當(dāng)工件為Φ=10mm，假設(shè)使用常用的n=1200r/min，v=πdn/〔1000*60〕=37.6m/min恰好是積削瘤較嚴(yán)重和Rz提高區(qū)域，所以必須努力提高切削速度。在實(shí)際切削時(shí)，選擇低速寬刀精切和高速精切，往往可得到較小的外表粗糙度值。加工脆性材料，切削速度對外表粗糙度的影響不大。此外，合理選擇切削液，適當(dāng)增加刀具的前角，提高刀具的刃磨質(zhì)量等均能有效的減小外表粗糙度值。二、磨削加工后的外表粗糙度正像切削加工時(shí)外表粗糙度的形成過程一樣，磨削加工外表粗糙度的形成也是由幾何因素和外表層金屬的塑性變形〔物理因素〕決定的，但磨削過程要比切削過程復(fù)雜的多?！惨弧硯缀我蛩氐挠绊懩ハ魍獗硎怯缮拜喩洗罅康哪チ？虅澇龅臒o數(shù)極細(xì)的溝槽形成的。單純從幾何因素考慮，可以認(rèn)為在單位面積上刻痕越多，即通過單位面積的磨粒越多，刻痕的等高性越好，那么磨削外表的粗糙度值越小。1.磨削用量對外表粗糙度的影響1〕砂輪的速度越高，單位時(shí)間內(nèi)通過被磨外表的磨粒數(shù)就越多，因而工件外表的粗糙度值就越小。

2〕增大工件速度時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過被磨外表的磨粒數(shù)減少，外表粗糙度值將增加。

3〕砂輪的縱向進(jìn)給減小，工件外表的每個(gè)部位被砂輪重復(fù)磨削的次數(shù)增加，被磨外表的粗糙度值將減小。2.砂輪粒度和修正對外表粗糙度的影響從幾何因素考慮，砂輪粒度越細(xì)，磨削的外表粗糙度值越小。修正砂輪的縱向進(jìn)給量對磨削外表的粗糙度影響甚大。用金剛石修正砂輪時(shí)，金剛石在砂輪邊緣上加出一道螺旋槽，其螺距等于砂輪轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)金剛石在縱向的移動量。砂輪的磨削速度遠(yuǎn)比一般切削加工的速度高的多，且磨粒大多是負(fù)前角，磨削比壓大，磨削區(qū)溫度高，工件外表層溫度有時(shí)可達(dá)900C°，工件外表層金屬容易產(chǎn)生相變而燒傷。因此，磨削過程的塑性變形要比一般切削過程大的多。在力因素和熱因素的綜合作用下，被磨工件表層金屬的晶粒在橫向上被拉長了，有時(shí)還產(chǎn)生細(xì)微的裂口和局部的金屬堆積現(xiàn)象。影響磨削表層金屬塑性變形的因素，往往是影響外表粗糙度的決定性因素?！捕澄锢硪蛩氐挠绊憽獗韺咏饘俚乃苄宰冃?.磨削用量對外表粗糙度的影響〔物理〕磨削幾種合金材料時(shí)，磨削用量對外表粗糙度的影響砂輪速度越高，就有可能使外表金屬塑性變形的傳播速度大于切削速度，工件材料來不及變形，致使表層金屬的塑性變形減小，磨削外表粗糙度值也將減小。工件速度增加，塑性變形增加，外表粗糙度值將增大。背吃刀量對表層金屬塑性變形的影響很大。增大背吃刀量，塑性變形將隨之增大，被磨的外表粗糙度值會增大。2.砂輪對外表粗糙度的影響1〕砂輪粒度單純從幾何因素考慮，砂輪粒度越細(xì)，磨削的外表粗糙度值越小。但磨粒太細(xì)時(shí)，砂輪易被磨屑堵塞，假設(shè)導(dǎo)熱情況不好，反而會在加工外表產(chǎn)生燒傷等現(xiàn)象，使外表粗糙度值增大。因此，砂輪粒度常取為46～60號。2〕砂輪組織緊密組織中的磨粒比例大，氣孔小，在成形磨削和精密磨削時(shí)，能獲得較小的外表粗糙度值。疏松組織的砂輪不易堵塞，適于磨削軟金屬、非金屬軟材料和熱敏性材料〔磁鋼、不銹鋼、耐熱鋼等〕，可獲得較小的外表粗糙度值。一般情況下，應(yīng)選用中等組織的砂輪。3〕砂輪硬度砂輪太硬，磨粒不易脫落，磨鈍了的磨粒不能及時(shí)被新磨粒替代，使外表粗糙度值增大。砂輪太軟，磨粒易脫落，磨削作用減弱，也會使外表粗糙度值增大。常選用中軟砂輪。4〕砂輪材料砂輪材料選擇適當(dāng)，可獲得滿意的外表粗糙度。氧化物〔剛玉〕砂輪適用于磨削鋼類零件；碳化物〔碳化硅、碳化硼〕砂輪適于磨削鑄鐵、硬質(zhì)合金等材料；用高硬磨料〔人造金剛石、立方氮化硼〕砂輪磨削可獲得很小的外表粗糙度值，但加工本錢較高。此外工件材料的性質(zhì)，冷卻潤滑液的選用等對磨削外表粗糙度也有明顯的影響。

第三節(jié)影響表層金屬力學(xué)物理性能的

工藝因素及其改進(jìn)措施由于受到切削力和切削熱的作用，表層金屬的力學(xué)物理性能會產(chǎn)生很大的變化。有三個(gè)方面：1〕冷作硬化。2〕金相組織的變化。3〕剩余應(yīng)力。一、加工外表層的冷作硬化〔一〕加工硬化產(chǎn)生的原因機(jī)械加工過程中產(chǎn)生塑性變形，使晶格扭曲，畸變，晶粒間產(chǎn)生滑移、晶粒被拉長，這些都會使外表層金屬的硬度增加，統(tǒng)稱為冷作硬化(強(qiáng)化)。加工硬化的評定指標(biāo)：①表層金屬的顯微硬度HV②硬化層深度h③硬化程度NN=〔〔HV-HV0〕/HV0〕×100%〔二〕影響切削加工外表冷作硬化的因素1.切削用量的影響主要是：進(jìn)給量和切削速度1〕進(jìn)給量↑，切削力↑，塑性變形加劇，冷作程度↑。但這種情況只在進(jìn)給量比較大時(shí)準(zhǔn)確，當(dāng)很小時(shí)，繼續(xù)減小，冷硬不僅不減小，反而增大。2〕切削速度v↑，刀具與工件作用時(shí)間t減?。皇顾苄宰冃蔚臄U(kuò)展深度減小，因而冷作硬化的深度h↓；當(dāng)切削速度v↑。切削熱在工件外表的作用時(shí)間t減少，冷硬程度↑。2.刀具幾何形狀的影響1〕切削刃鈍圓半徑影響很大。如半徑增大，徑向切削分力隨之增大，塑性變形程度加劇，冷硬增大。2〕刀具磨損對冷硬影響也很大刀具磨損，摩擦力加大，塑性變形增大，冷硬增大。但磨損繼續(xù)加大，摩擦熱增大，弱化趨勢增大，冷硬減弱，直至平衡。3.加工材料的影響工件材料塑性越大，冷硬傾向越大，冷硬程度越嚴(yán)重。導(dǎo)熱性越好，熱越不易集中，弱化傾向越小，冷硬程度越嚴(yán)重?！踩秤绊懩ハ骷庸ね獗砝溆驳囊蛩?.磨削用量的影響1〕磨削深度↑,磨削力↑,塑性變形↑,冷硬↑。2〕縱向進(jìn)給速度↑，切削厚度↑，磨削力↑，冷硬↑.但縱向進(jìn)給速度↑,切削熱↑,弱化趨勢↑，冷硬↓。要綜合考慮。3〕V工↑縮短砂輪對工件熱作用時(shí)間,弱化傾向↓，冷硬↑。4〕V砂輪↑每顆磨粒切除厚度變小，塑性變形程度↓,冷硬↓。磨削區(qū)溫度↑,弱化傾向↑,冷硬↓。2.砂輪粒度的影響粒度越大，每顆磨粒載荷越小，冷硬程度也越小。

3.工件材料性能的影響這點(diǎn)同切削加工中一樣，要從材料的塑性和導(dǎo)熱性兩方面考慮?！菜摹忱渥饔不臏y量方法測量主要是指外表層的顯微硬度HV和硬化層深度h的測量，顯微硬度用顯微硬度計(jì)測量，原理與維氏硬度計(jì)測量相同。采用頂角為136°的金剛石壓頭在試件外表上打印痕，根據(jù)印痕大小決定硬度，所不同的是所用載荷小于2N，印痕極小。加工外表冷硬層很薄時(shí)，可在斜截面上測量顯微硬度〔斜截面測量法〕，并計(jì)算h。二、外表層材料的金相組織變化〔一〕機(jī)械加工外表金相組織的變化機(jī)械加工過程中，在工件的加工區(qū)及鄰近區(qū)域，溫度會急劇升高，當(dāng)工件高到超過工件材料金相組織變化的臨界點(diǎn)時(shí)，就會發(fā)生金相組織的變化，對于已淬火的鋼件，使工件外表呈現(xiàn)氧化膜顏色，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。磨削燒傷可能導(dǎo)致淬火鋼外表裂紋，改變外表硬度，降低外表性能，影響零件的使用質(zhì)量。切削加工時(shí)切削熱大局部被切屑帶走對金相組織影響小，磨削時(shí)工件溫升高引起金相組織顯著變化。磨削淬火鋼時(shí)可能產(chǎn)生三種燒傷：1〕回火燒傷〔中碳鋼≥300°C〕外表溫度超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，馬氏體轉(zhuǎn)變成回火組織〔索氏體或屈氏體〕，產(chǎn)生回火效應(yīng)。2〕淬火燒傷〔中碳鋼≥720°C〕外表溫度超過相變溫度，再加上冷卻液的急冷作用，表層出現(xiàn)二次淬火馬氏體(硬度比原來的回火馬氏體高)，下層因冷卻較慢，出現(xiàn)了索氏體或屈氏體回火組織〔硬度比原來的回火馬氏體低〕。3〕退火燒傷外表溫度超過相變溫度，而磨削過程又沒有冷卻液，表層金屬將產(chǎn)生退火組織，外表硬度將急劇下降。

請同學(xué)們思考：在磨如圖端面時(shí)，應(yīng)采用哪種方法，為什么？左圖磨削接觸面太大，容易燒傷；右圖是線接觸，接觸面很小。應(yīng)選用右圖方法！〔二〕減小磨削燒傷的工藝途徑1.正確選擇砂輪磨削導(dǎo)熱性差的材料，容易燒傷，選擇硬度較低的砂輪(硬度高，砂輪鈍化后不易脫落，易燒傷)，并有一定彈性的結(jié)合劑。2.合理選擇磨削用量V工件↑，磨削外表溫度↑，但V工件↑，熱量不易傳入工件內(nèi)層，可減小燒傷層深度?？墒荲工件↑，粗糙度↑，為彌補(bǔ)這一缺陷，可以相應(yīng)提高砂輪速度V砂輪，即同時(shí)提高V工件和V砂輪。從減輕燒傷而同時(shí)又盡可能地保持較高的生產(chǎn)率考慮，在選擇磨削用量時(shí)，應(yīng)選用較大的工件速度V工件和較小的磨削深度ap。aP

↑,溫度↑f↑,溫度↓3.改善冷卻條件磨削液假設(shè)能直接進(jìn)入磨削區(qū)，對磨削區(qū)進(jìn)行充分冷卻，能有效的防止燒傷現(xiàn)象的產(chǎn)生。內(nèi)冷卻是一種較為有效的方法，如右圖：冷卻水能直接注入冷卻區(qū)，但磨床附近產(chǎn)生大量水霧，操作人勞動條件差，精磨時(shí)無法通過觀察火焰試磨對刀。內(nèi)冷卻砂輪結(jié)構(gòu)

1－錐形蓋2－主軸法蘭套3－砂輪中心腔4－薄壁套4.開槽砂輪在砂輪的圓周上開一些橫槽，能使砂輪將冷卻液帶入磨削區(qū)，有均勻等距開槽和變距開槽兩種〔圖3-24〕，有三點(diǎn)好處：1〕能將冷卻液帶入磨削區(qū)；2〕間斷磨削，工件受熱時(shí)間短，金相組織來不及轉(zhuǎn)變；3〕能起扇風(fēng)作用，改善散熱條件。因此可有效防止燒傷現(xiàn)象的產(chǎn)生。三、表層金屬的剩余應(yīng)力1.機(jī)械加工時(shí)表層金屬有塑形變性，使表層金屬的比容增大，不可防止地要受到相連的里層金屬的阻礙。另外，當(dāng)?shù)毒邚谋患庸ね獗砬谐饘贂r(shí)，纖維被拉長。切削結(jié)束后，彈性變形被恢復(fù)，塑性變形得不到恢復(fù)?！惨弧潮韺咏饘佼a(chǎn)生剩余應(yīng)力的原因這兩種情況都使表層金屬產(chǎn)生壓縮剩余應(yīng)力，而在里層金屬產(chǎn)生拉伸剩余應(yīng)力，這種情況叫冷態(tài)塑性變形。2.熱塑性變形的影響。外表由于切削熱的原因溫度升高，發(fā)生熱膨脹，而基體并不伸長，于是外表受到壓縮。如果這種變形是完全彈性的，當(dāng)溫度恢復(fù)時(shí)應(yīng)力就會消失。但由于溫度較高，發(fā)生了熱塑性變形，使應(yīng)力消失。切完以后，溫度降低，表層要熱收縮卻受到基體限制，因此外表層出現(xiàn)拉應(yīng)力。外表層受到壓應(yīng)力時(shí)，能提高外表的疲勞強(qiáng)度；反之，那么會降低其疲勞強(qiáng)度。tp點(diǎn)為金屬具有高塑性的溫度，tn為標(biāo)準(zhǔn)室溫，tm為金屬融化溫度。表層金屬1的溫度超過tp，不產(chǎn)生剩余應(yīng)力，金屬層2在tp和tn之間，受熱膨脹，金屬層1不對2起任何阻礙作用，但受到3的阻止，因此2產(chǎn)生瞬時(shí)剩余壓應(yīng)力，3受到瞬時(shí)剩余拉應(yīng)力。切削結(jié)束后，當(dāng)金屬層1的溫度降至低于tp時(shí)，變?yōu)椴煌耆苄誀顟B(tài)，1的繼續(xù)冷卻使體積收縮，但受到2的阻礙，這時(shí)1內(nèi)產(chǎn)生拉伸剩余應(yīng)力，2中的壓縮剩余應(yīng)力進(jìn)一步增大，再繼續(xù)冷卻，1繼續(xù)收縮，因此1中的拉伸剩余應(yīng)力繼續(xù)加大，而2的壓縮應(yīng)力那么擴(kuò)展到3內(nèi)，在室溫下，由于切削熱引起的表層金屬剩余應(yīng)力狀態(tài)，如圖d所示。工件溫度分布示意圖3.金相組織變化引起的剩余應(yīng)力不同的金相組織具有不同的密度，如果在機(jī)械加工中產(chǎn)生了金相組織的變化，由于體積的變化，將導(dǎo)致剩余應(yīng)力的產(chǎn)生。假設(shè)表層金屬體積增大，如出現(xiàn)淬火燒傷，那么表層金屬產(chǎn)生壓縮剩余應(yīng)力，而里層金屬產(chǎn)生拉伸剩余應(yīng)力，如出現(xiàn)回火燒傷或退火燒傷，表層金屬體積減少，表層金屬產(chǎn)生拉伸剩余應(yīng)力，里層金屬產(chǎn)生壓縮剩余應(yīng)力?？偨Y(jié)熱因素主導(dǎo)：外表發(fā)生熱塑性變形——表層拉伸；外表未發(fā)生熱塑性變形——表層壓縮塑性變形〔力因素〕主導(dǎo)——表層壓縮。假設(shè)金相組織變化：產(chǎn)生淬火燒傷——表層壓縮；產(chǎn)生退〔回〕火燒傷——表層壓縮?！捕秤绊戃囅鞅韺咏饘偈Ｓ鄳?yīng)力的工藝因素1.切削速度和被加工材料的影響實(shí)驗(yàn)說明：用正前角車刀加工45#鋼時(shí)，在所有切削速度下，均是熱因素起主導(dǎo)作用，工件表層產(chǎn)生拉伸剩余應(yīng)力。而切削18CrNiMoA鋼時(shí)，低速時(shí)熱因素起主導(dǎo)作用，切削速度提高到一定程度時(shí)，表層溫度漸升高至淬火溫度，表層金屬產(chǎn)生局部淬火，拉伸剩余應(yīng)力的數(shù)值逐漸減少，速度再增高，淬火進(jìn)行的較充分，金相組織的變化因素起主導(dǎo)作用，因而，在表層金屬中產(chǎn)生壓縮剩余應(yīng)力。2.進(jìn)給量的影響進(jìn)給量增大，塑性變形增大，切削熱也增高，使剩余應(yīng)力和擴(kuò)展深度也增大。3.前角的影響前角影響極大。切削45#鋼時(shí)，前角由正變負(fù)并繼續(xù)增負(fù)，表層金屬拉伸剩余應(yīng)力下降。負(fù)前角很大〔-30度和-50度〕切削速度又很大時(shí)，發(fā)生淬火反響，出現(xiàn)壓縮剩余應(yīng)力。切削18CrNiMoA合金鋼時(shí)，容易發(fā)生淬火反響，在v=150m/min，γ=-30度時(shí)，就出現(xiàn)壓縮剩余應(yīng)力，在v=750m/min時(shí)，所有負(fù)前角都出現(xiàn)壓縮剩余應(yīng)力。只有較大正前角時(shí)，才會出現(xiàn)拉伸剩余應(yīng)力。前角的變化，不僅影響剩余應(yīng)力的數(shù)值和符號，而且在很大程度上影響剩余應(yīng)力的擴(kuò)展深度。〔三〕影響磨削剩余應(yīng)力的工藝因素磨削加工中，熱因素，塑性變形對外表剩余應(yīng)力的影響都很大。熱主導(dǎo)——表層拉伸，塑性變形主導(dǎo)——表層壓縮，假設(shè)金相組織變化，產(chǎn)生淬火燒傷，那么表層壓縮。精細(xì)加工時(shí)，塑性變形起主導(dǎo)作用，表層壓縮。1.磨削用量的影響背吃刀量ap對剩余應(yīng)力的性質(zhì)、數(shù)值影響很大。ap很小，塑性變形主導(dǎo)，表層壓縮ap增大，塑性變形增大，切削熱升高，逐漸占主導(dǎo)作用，表層拉伸

隨著ap進(jìn)一步增大，塑性變形又成為主導(dǎo)作用，當(dāng)ap很大時(shí)，表層壓縮。v砂輪上升，磨削區(qū)溫度升高，每顆粒所切除的金屬厚度減小，熱因素的作用增大，塑性變形因素的影響減小，使表層產(chǎn)生拉伸剩余應(yīng)力的趨勢增大。v工件增大，使熱作用時(shí)間減少，熱因素影響下降，塑性變形因素影響上升，拉伸下降，壓縮上升。對工業(yè)鐵來講，含炭量極低，不可能出現(xiàn)淬火現(xiàn)象，金相組織變化不會起作用。2.工件材料的影響一般說材料強(qiáng)度越高，塑性越低，導(dǎo)熱性越差，產(chǎn)生拉伸剩余應(yīng)力的傾向越大。碳素工具鋼T8和工業(yè)鐵比較，強(qiáng)度高，塑性低，導(dǎo)熱性差，因此熱因素的作用比磨削工業(yè)鐵明顯，產(chǎn)生拉伸剩余應(yīng)力的傾向比工業(yè)鐵大?！菜摹彻ぜ罱K工序加工方法的選擇工件外表層的剩余應(yīng)力將直接影響機(jī)器零件的使用性能，一般來說，工件外表剩余應(yīng)力的性質(zhì)及數(shù)值主要取決于工件最終工序的加工方法，因此工件最終工序加工方法的選擇至關(guān)重要。表3-3列出了各種加工方法在工件外表上剩余的內(nèi)應(yīng)力情況，可供選擇的最終工序加工方法時(shí)參考。四、外表強(qiáng)化工藝是通過冷加工方法，使外表層金屬發(fā)生冷態(tài)塑性變形，以降低外表粗糙度值，提高外表硬度，并在外表層產(chǎn)生壓縮剩余應(yīng)力的外表剩余工藝，如噴丸強(qiáng)化和滾壓加工?！惨弧硣娡鑿?qiáng)化是利用大量快速運(yùn)動的珠丸打擊被加工工件外表，使工件外表產(chǎn)生冷硬層和壓縮剩余應(yīng)力，可顯著提高零件的疲勞強(qiáng)度和使用壽命，主要用于強(qiáng)化形狀復(fù)雜或不宜用其它方法強(qiáng)化的工件?！捕碀L壓加工使利用經(jīng)過淬硬和精細(xì)研磨過的滾輪成滾珠，在常溫狀態(tài)下對金屬外表進(jìn)行擠壓，從而修正工件外表微觀幾何形狀，使工件外表金屬組織細(xì)化，形成壓縮剩余應(yīng)力。第四節(jié)機(jī)械加工過程中振動機(jī)械加工過程產(chǎn)生的振動，是一種十分有害的現(xiàn)象。自由振動振動有三種強(qiáng)迫振動自激振動機(jī)械加工中產(chǎn)生的振動主要是強(qiáng)迫振動和自激振動〔顫振〕兩種類型。

一、機(jī)械加工中的強(qiáng)迫振動

強(qiáng)迫振動是由于外界周期性干擾力的作用而引起的振動，強(qiáng)迫振動是影響精密加工質(zhì)量和生產(chǎn)率的關(guān)鍵因素。振動主要來自兩方面：1〕機(jī)內(nèi)振源：〔1〕高速回轉(zhuǎn)零部件質(zhì)量的不平衡?！?〕機(jī)床傳動件的制造誤差和缺陷?！?〕切削過程中的沖擊?！?〕往復(fù)傳動部件的慣性力。2〕機(jī)外振源：其它機(jī)床、鍛錘等，是通過地基傳給機(jī)床的。〔二〕強(qiáng)迫振動的特征1〕干擾力：強(qiáng)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起干擾力的變化。2〕頻率：強(qiáng)迫振動的頻率總與外界干擾力的頻率相同或成倍數(shù)關(guān)系。3〕幅值：強(qiáng)迫振動振幅的大小在很大程度上取決于干擾力的頻率ω與加工系統(tǒng)固有頻率ω0的比值，如果比值為1時(shí)，振幅達(dá)最大值，此現(xiàn)象稱"共振"。根據(jù)強(qiáng)迫振動的幅頻響應(yīng)特征，可知：改變運(yùn)動參數(shù)或工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使f干擾變化，或使f工藝系統(tǒng)某階固有頻率變化，強(qiáng)迫振動的幅值就會明顯減小，這點(diǎn)可以從以下圖反映出來。二、機(jī)械加工中的自激振動〔顫振〕〔一〕概述機(jī)械加工過程中，在沒有周期性外力作用下，由系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)、反響產(chǎn)生的周期性振動，稱為自激振動，簡稱顫振。即在機(jī)械加工過程中，由該加工系統(tǒng)本身引起的交變切削力反過來加強(qiáng)和維持系統(tǒng)自身振動的現(xiàn)象。沒有周期性外力，激發(fā)自激振動的交變力是怎樣產(chǎn)生的？機(jī)床加工系統(tǒng)可看作由振動系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成的。調(diào)節(jié)系統(tǒng)就是切削過程。我們將振動系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)等效為以下圖。在切削時(shí)，會有切削力產(chǎn)生：如果切削過程很平穩(wěn)，F(xiàn)y不變，即使系統(tǒng)存在產(chǎn)生自激振動的條件，自激振動也不會產(chǎn)生。偶然的外界干擾，那么會使系統(tǒng)產(chǎn)生振動。振動使Fy發(fā)生變化，使切削過程產(chǎn)生維持振動運(yùn)動的動態(tài)切削力。如工藝系統(tǒng)不存在自振的條件，振動逐漸衰減。如有條件，就會產(chǎn)生持續(xù)的振動運(yùn)動。自激振動的能量來自于電動機(jī)。自激振動的特征：1〕沒有外力，干擾力。2〕頻率接近系統(tǒng)固有頻率，即取決于振動系統(tǒng)的固有特性。3〕自激振動是一種不衰減振動，但加工系統(tǒng)本身運(yùn)動一停止，自激振動也就停止。同自由振動不同，自激振動不會因有阻尼存在而衰減?！捕钞a(chǎn)生自激振動的條件W振出=W12345儲存在振動系統(tǒng)中。在交變切削力的作用下，刀架產(chǎn)生振入振出的振動。刀架的振出運(yùn)動是在切削力Fy作用下產(chǎn)生的。對振動系統(tǒng)而言，F(xiàn)y是外力。在振出過程中，切削力Fy對振動系統(tǒng)作功，振動系統(tǒng)從切削過程中吸收能量，吸收的能量為：刀架的振入運(yùn)動那么是在F彈作用下產(chǎn)生的，振入運(yùn)動與切削力方向相反，振動系統(tǒng)對切削過程作功，振動系統(tǒng)要消耗能量W振入=W54621當(dāng)W振出<W振入時(shí)，振動系統(tǒng)吸收的能力小于消耗的能量，不會產(chǎn)生自激振動，加工系統(tǒng)是穩(wěn)定的。當(dāng)W振出=W振入時(shí)，因機(jī)械加工系統(tǒng)有阻尼，克服阻尼尚需消耗能量W摩阻，所以W振出<W振入＋W摩阻時(shí)，也不會產(chǎn)生自激振動，加工系統(tǒng)穩(wěn)定。當(dāng)W振出>W振入時(shí)，分為三種情況：1〕W振出=W振入＋W摩阻穩(wěn)幅自激振動2〕W振出>W振入＋W摩阻振幅遞增的自激振動，振幅遞增到出現(xiàn)新的能量平衡W′振出=W′振入＋W′摩阻，穩(wěn)幅自激振動。3〕W振出<W振入＋W摩阻振幅遞減的自激振動，振幅遞減到出現(xiàn)新的能量平衡W〞振出=W〞振入＋W〞摩阻，穩(wěn)幅自激振動。1〕W振出>W振入即振出過程曲線在振入過程曲線的上部。2〕F振出〔yi〕>F振入〔yi〕即對于振動軌跡的任一指定位置yi而言，振動系統(tǒng)在振出階段通過yi點(diǎn)的力F振出〔yi〕大于振入階段通過同一點(diǎn)yi的力F振入〔yi〕所以加工系統(tǒng)產(chǎn)生自激振動的根本條件為：〔三〕自激振動的激振原理激振原理有許多不同學(xué)說〔比較公認(rèn)的〕：再生原理；振型耦合原理；負(fù)摩擦原理；切削力滯后原理。1．再生原理〔1〕概念以車刀作自由正交切削，車刀只作橫向進(jìn)給為例

自由正交切削受到瞬時(shí)偶然干擾，刀具與工件發(fā)生相對振動〔自由振動〕，振動因有阻尼而衰減。但此時(shí)會在加工外表上留下一段振紋〔圖b〕，當(dāng)工件轉(zhuǎn)過一周再切到此處時(shí)〔圖c〕，切削厚度發(fā)生變化。有交變動態(tài)切削力產(chǎn)生，如各種條件的匹配是促進(jìn)振動的；就會進(jìn)一步開展為顫振〔圖d〕，這種由于切削厚度變化效應(yīng)引起的自激振動，稱為再生型顫振?！?〕產(chǎn)生條件一般兩次切削的振紋總不會完全同步，設(shè)相位差為φ。設(shè)本轉(zhuǎn)振動運(yùn)動方程那么前一轉(zhuǎn)切削的振動運(yùn)動方程為瞬時(shí)切削厚度a(t)及切削力F(t)分別為a0——名義切削層公稱厚度kc——單位切削寬度上的切削剛度bD——切削層公稱寬度在振動的一個(gè)周期內(nèi)，切削力對振動系統(tǒng)所作的功為KC、BD為正值

0<φ<π，ΔE>0，外界能量輸入，系統(tǒng)不穩(wěn)定，再生型顫振產(chǎn)生；

π<φ<2π時(shí)，ΔE<0，系統(tǒng)消耗能量，系統(tǒng)穩(wěn)定，不產(chǎn)生顫振；

φ<π/2時(shí)，ΔE將有最大值，再生型顫振最為強(qiáng)烈。2．振型耦合原理實(shí)際的振動系數(shù)都是多自由度，以兩自由度為例，設(shè)切削前的外表完全光滑，即沒有再生型振顫。設(shè)刀具將沿X1，X2兩剛度主軸同時(shí)振動。將兩個(gè)方向的振動，等效為兩個(gè)簡諧振動，運(yùn)動方程為：由于振動系統(tǒng)是二自由度系統(tǒng)，刀尖的振動軌跡一般是橢圓型的，由于切削厚度的變化，使切削力變化。當(dāng)W振出>W振入或W振出〔yi〕>W振入〔yi〕，就會產(chǎn)生自激振動。這種由于振動系統(tǒng)在各主振模態(tài)間相互耦合，相互關(guān)聯(lián)而產(chǎn)生的自激振動，叫振型耦合型顫振。不同的φ，振動軌跡不同，振動系統(tǒng)吸收和消耗的能量也不同。設(shè)：在一個(gè)振動周期內(nèi)，外界對振動系統(tǒng)所作的功為W，那么：當(dāng)0<φ<π,W<0，系統(tǒng)不會有耦合型顫振發(fā)生；當(dāng)π<φ<2π,W>0，系統(tǒng)將有耦合型顫振發(fā)生。3．負(fù)摩擦原理

負(fù)摩擦特性：切削力Fy隨切削速度v的增大而減小。振入運(yùn)動時(shí)，切屑相對于刀具的速度振出運(yùn)動時(shí)，切屑相對于刀具的速度所以V振入>V振出由于存在負(fù)摩擦F振出>F振入故加工系統(tǒng)產(chǎn)生自激振動。這種由于切削過程中存在負(fù)摩擦特性而產(chǎn)生的自激振動，稱為摩擦型振顫。當(dāng)?shù)都茉谕饨缗既桓蓴_下在y向作振動運(yùn)動時(shí)。對于任一指定點(diǎn)：4．切削力滯后原理由于機(jī)床加工系統(tǒng)存在慣性和阻尼，因而實(shí)際作用在刀具上的切削力總是滯后于主振系統(tǒng)振動運(yùn)動的。在振入過程中，名義切削厚度由小變大，而刀具實(shí)際感受到的切削厚度總小于名義切削厚度，即實(shí)際作用在刀具上的切削力總小于名義切削力，振出過程時(shí)那么相反，因此得以下圖中Fy與y的關(guān)系。F振出〔yi〕>F振入〔yi〕故產(chǎn)生自激振動。這種由于切削力滯后于振動運(yùn)動的滯后效應(yīng)所引起的自激振動稱為滯后型顫振。三．機(jī)械加工振動的診斷技術(shù)

機(jī)械加工診斷主要包括兩方面：1)診斷類別：強(qiáng)迫振動OR自激振動2)如是強(qiáng)迫振動，查找振源〔利用頻譜技術(shù)，成熟〕如是自激振動，判斷類型〔再生型，振型耦合型，摩擦型，滯后型〕。研究自激診斷技術(shù)的關(guān)鍵是確定診斷參數(shù)〔反映該類振動最本質(zhì)，最核心的參數(shù)，同時(shí)要可測〕。〔一〕強(qiáng)迫振動的診斷1.診斷依據(jù)強(qiáng)迫振動的頻率與外界干擾力的頻率相同〔或是整數(shù)倍〕。這點(diǎn)就是診斷是否強(qiáng)迫振動的主要依據(jù)?？刹捎妙l率分析法來診斷和判別。2.診斷程序1〕采集現(xiàn)場加工振動信號2〕頻譜分析找出振動頻率，并確定主振。3〕作環(huán)境實(shí)驗(yàn)，查找機(jī)外振源關(guān)機(jī)床，拾取信號。將這些頻率成分與現(xiàn)場加工的振動頻率比照，假設(shè)相同，那么可判斷屬強(qiáng)迫振動，且是機(jī)外振源。假設(shè)不符合那么做空轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。4〕做空轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，查找機(jī)內(nèi)振源按現(xiàn)場加工條件空運(yùn)轉(zhuǎn)，拾取信號，比較。判斷。除查明的機(jī)外振源假設(shè)完全相同，屬強(qiáng)迫振動，有機(jī)內(nèi)振源，假設(shè)不完全相同，說明可能有自激振動。5〕查找干擾力源〔如是機(jī)內(nèi)振源，還應(yīng)查找具體位置〕如采用單獨(dú)驅(qū)動運(yùn)動部件，進(jìn)行空轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。假設(shè)無法單獨(dú)驅(qū)動，那么要根據(jù)運(yùn)動參數(shù)，計(jì)算可能成為振源的運(yùn)動部件的頻率，進(jìn)行比照分析?！捕吃偕皖澱竦脑\斷1.診斷參數(shù)前后兩轉(zhuǎn)〔次〕切削振紋相差φ的存在，是引起再生型顫振的根本原因。φ的大小決定了機(jī)床加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以φ可作為診斷參數(shù)。2.相位差Φ的測量與計(jì)算相位差Φ可以通過測量顫振頻率f和工件轉(zhuǎn)速n，間接獲得。以車削為例。工件轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)的切削切痕數(shù)為：—JZ——J中的整數(shù)局部JW——J中的小數(shù)局部相位差Φ可通過JW間接求得：因測得的n和f不會絕對準(zhǔn)確，這樣就導(dǎo)致Φ的誤差，對上式進(jìn)行微分:為防止錯(cuò)判現(xiàn)象

Δn容易滿足，Δf在通常情況下不易滿足，需通過頻率細(xì)化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。2.再生型顫振的診斷要領(lǐng)φ位于Ⅰ,Ⅱ象限時(shí)，機(jī)械加工中有再生型顫振。φ位于Ⅲ,Ⅳ象限時(shí)，機(jī)械加工中沒有再生型顫振。〔三〕振型耦合型顫振的診斷1.振型耦合型顫振的診斷參數(shù)Z向振動相對于y向振動的相位差φ，作為診斷振型耦合型顫振的參數(shù)。φ位于Ⅰ、Ⅱ象限時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定。Φ位于Ⅲ、Ⅳ象限時(shí)，產(chǎn)生振動。2.耦合型顫振的診斷要領(lǐng)φ位于Ⅰ、Ⅱ象限時(shí)，判定機(jī)械加工中產(chǎn)生的振動不是耦合型顫振。Φ位于Ⅲ、Ⅳ象限時(shí)，判定機(jī)械加工中有產(chǎn)生耦合型顫振?！菜摹衬Σ列皖澱竦脑\斷1.摩擦型顫振的診斷參數(shù)摩擦型顫振系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于切削力相對于切削速度的變化率kF，作為診斷摩擦型顫振的參數(shù)。kF<0，F(xiàn)振出>F振入，系統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生顫振。kF>0，F(xiàn)振出<F振入，系統(tǒng)穩(wěn)定，不產(chǎn)生顫振。2.摩擦型顫振的診斷要領(lǐng)kF1、kF2<0，系統(tǒng)有摩擦型顫振產(chǎn)生；kF1、kF2有一個(gè)或都大于0，判定機(jī)械加工中產(chǎn)生的顫振不是摩擦型顫振?！参濉硿笮皖澱竦脑\斷1.滯后型震顫的診斷參數(shù)ρ為切削力Fy〔t〕滯后于振動加速度的相位角?？勺鳛樵\斷滯后型顫振的參數(shù)。0<ρ<π，ΔE>0，外界能量輸入，系統(tǒng)不穩(wěn)定，滯后型顫振產(chǎn)生；π<ρ<2π時(shí)，ΔE<0，系統(tǒng)消耗能量，系統(tǒng)穩(wěn)定，不產(chǎn)生顫振；ρ=π/2時(shí),ΔE將有最大值,滯后型顫振最為強(qiáng)烈。2.滯后型振顫的診斷要領(lǐng)0<ρ<π時(shí)，判定有滯后型顫振產(chǎn)生；π<ρ<2π時(shí)，判定該振動不是滯后型顫振。〔六〕診斷實(shí)例某特種電機(jī)，電機(jī)軸是一個(gè)帶有假設(shè)干軸臺的細(xì)長軸。在加工電機(jī)軸時(shí)，因無法架設(shè)跟刀架，車削中有強(qiáng)烈振動產(chǎn)生，工件外表有十清楚顯的振痕，對振動問題進(jìn)行判斷。1.工件條件與測試裝置2.診斷過程與診斷結(jié)果四、機(jī)械加工振動的防治消減振動的途徑有三個(gè)方面：消除或減弱產(chǎn)生機(jī)械加工振動的條件；改善工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性；采用各種消振減振裝置?！惨弧诚驕p弱產(chǎn)生強(qiáng)迫振動的條件1.減小機(jī)內(nèi)外干擾力的幅值平衡旋轉(zhuǎn)件減小傳動機(jī)構(gòu)的缺陷對往復(fù)運(yùn)動部件,采用較平穩(wěn)的換向機(jī)構(gòu)使動力源與機(jī)床本體別離。2.適當(dāng)調(diào)整振源的頻率在選擇轉(zhuǎn)速時(shí)，使可能引起強(qiáng)迫振動的振源頻率f遠(yuǎn)離加工系統(tǒng)薄弱模態(tài)的固有頻率fn3.采取隔振措施一種是主動隔振，阻止外傳，一種是被動隔振，阻止內(nèi)傳，常用材料有橡皮，彈簧，乳膠，軟木等。機(jī)內(nèi)振源

〔2〕調(diào)整振動系統(tǒng)小剛度主軸的位置假設(shè)小剛度主軸正好在切削力和z軸的夾角內(nèi)，那么容易產(chǎn)生振型耦合型顫振。如在之外就好些，另外合理安排刀具與工件的相對位置，也可以調(diào)整小剛度主軸的相對位置?！?〕減小重疊系數(shù)u改變刀具幾何形狀及切削用量，增大刀具的主偏角，增大進(jìn)給量。〔二〕消除或減弱產(chǎn)生自激振動的條件〔3〕增加阻尼當(dāng)W吸收一定,W摩阻增大，使振幅降低。適當(dāng)減小刀具后角，可增大W摩阻，一般取2°~3°，必要時(shí)還可以磨出消振棱。如振動屬摩擦型顫抖，那么必須減小摩擦阻尼。切削速度直接影響著兩次振痕的相位差Φ

，適當(dāng)?shù)淖?/p>