机械加工表面质量 (2).ppt

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1、第八章第八章 机械加工表面质量机械加工表面质量Qualities of Machined Surface 本章提要本章提要 机械加工表面质量决定了机器的使用性能和延长使用寿命。机械加工表面质量决定了机器的使用性能和延长使用寿命。机机械械加加工工表表面面质质量量是是以以机机械械零零件件的的加加工工表表面面和和表表面面层层作作为为分析和研究对象的。分析和研究对象的。本本章章旨旨在在研研究究零零件件表表面面层层在在加加工工中中的的变变化化和和发发生生变变化化的的机机理理，掌掌握握机机械械加加工工中中各各种种工工艺艺因因素素对对表表面面质质量量的的影影响响规规律律，运运用用这这些些规规律律来来控控制制

2、加加工工中中的的各各种种影影响响因因素素，以以满满足足表表面面质质量量的的要求。要求。8.1 8.1 机械加工后的表面质量机械加工后的表面质量 Influence of the machined surface qualities on part performances 8.2 8.2 机械加工后的表面粗糙度机械加工后的表面粗糙度 Surface roughness of the machined surface layer 8.3 8.3 机械加工后的表面层物理机械性能机械加工后的表面层物理机械性能 Physical and mechanical properties of the mac

3、hined surface layer 8.4 8.4 控制加工表面质量的工艺途径控制加工表面质量的工艺途径 Technical approach of controlling the machined surface quality 8.5 8.5 机械加工过程中的振动问题机械加工过程中的振动问题 Vibration and chatter（振颤）（振颤）in machining operations 8.1 8.1 机械加工后的表面质量机械加工后的表面质量8.1.1 8.1.1 表面质量的含义表面质量的含义 表表面面质质量量是指机器零件加工后表面层的状态。表面质量的主要内容面两部分：（1

4、1）表面层的几何形状）表面层的几何形状 表表面面粗粗糙糙度度：是指表面微观几何形状误差，其波高与波长的比值在L1H140的范围内。表表面面波波度度：是介于加工精度（宏观几何形状误差L3/H31000）和表面粗糙度之间的一种带有周期性的几何形状误差，其波高与波长的比值在40L2H21000的范围。如图8l所示。图8.1 表面几何形状 观看动画（2 2）表面层的物理机械性能）表面层的物理机械性能 表表面面层层冷冷作作硬硬化化（简简称称冷冷硬硬）：零件在机械加工中表面层金属产生强烈的冷态塑性变形后，引起的强度和硬度都有所提高的现象。表表面面层层金金相相组组织织的的变变化化：由于切削热引起工件表面温升

5、过高，表面层金属发生金相组织变化的现象。表表面面层层残残余余应应力力是由于加工过程中切削变形和切削热的影响，工件表面层产生残余应力。8.1.2 8.1.2 表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响 8.1.2.1 对零件耐磨性的影响 在摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件已经确定的情况下，零件的表面质量对耐磨性能起决定性的作用，如图8-2所示。p217图8-2表面粗糙度与初期磨损的关系 观看动画重载轻载相对粗糙度最佳点表面粗糙度初期磨损量相对粗糙度最佳点 从从润滑磨损分析润滑磨损分析 表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般说表面粗糙度值愈小，其耐磨性愈好。接触面的表面粗糙度有最

6、佳值。表面粗糙度的最佳值与零件工作情况有关，工作载荷加大时，初期磨损量增大，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！表面粗糙度对耐磨性能的影响，还与粗糙度的轮廓形状及纹路方向有关。表面层的冷硬可显著地减少零件的磨损。但如果表面硬化过度，零件心部和表面层硬度差过大，会发生表面层剥落现象，使磨损加剧。表面层产生金相组织变化时，由于改变了基体材料原来的硬度，因而也直接影响其耐磨性。8.1.2.2 8.1.2.2 对零件疲劳强度的影响对零件疲劳强度的影响 在周期性的交变载荷作用下，零件表面微观不平与表面的缺陷一样都会产生应力集中现象，而且表面粗糙度值越大，即

7、凹陷越深和越尖，应力集中越严重，越容易形成和扩展疲劳裂纹而造成零件的疲劳损坏。零件表面的冷硬层能够阻碍裂纹的扩大和新裂纹的出现，冷硬可以提高零件的疲劳强度。但冷硬层过深或过硬则容易产生裂纹，反而会降低疲劳强度。所以冷硬要适当。表面层的内应力对疲劳强度的影响很大。表面层残余的压应力能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹扩展，而残余拉应力容易使已加工表面产生裂纹而降低疲劳强度。8.1.2.3 8.1.2.3 对零件抗腐蚀性能的影响对零件抗腐蚀性能的影响零件表面粗糙度值越大，潮湿空气和腐蚀介质越容易堆积在零件表面四处而发生化学腐蚀，或在凸峰间产生电化学作用而引起电化学腐蚀，故抗腐蚀性能越差

8、。表面冷硬和金相组织变化都会产生内应力。零件在应力状态下工作时，会产生应力腐蚀，若有裂纹，则更增加了应力腐蚀的敏感性。因此表面内应力会降低零件的抗腐蚀性能。8.1.2.4 8.1.2.4 对零件的其它影响对零件的其它影响表面质量对零件的配合质量、密封性能及摩擦系数配合质量、密封性能及摩擦系数都有很大的影响。零件表面层状态对其使用性能也有如此大的影响。机械制造技术基础机械制造技术基础 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Machining Quality影响加工表面粗糙度的影响加工表面粗糙度的工艺因素工艺因素Technological Fa

9、ctors Influencing Roughness切削加工表面粗糙度影响因素切削加工表面粗糙度影响因素切削加工表面粗糙度影响因素切削加工表面粗糙度影响因素 图4-60 车削时残留面积的高度直线刃车刀（图4-60a）（4-31）圆弧刃车刀（图4-60b）（4-32）影响因素：frRmaxvfrb）Rmaxfa）vf切削残留面积切削残留面积 切削速度影响最大：v=1050m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差（图5-53）。其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（m）48121

10、6202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度 h（m）0200400600hKsRz切削加工表面粗糙度影响因素切削加工表面粗糙度影响因素切削加工表面粗糙度影响因素切削加工表面粗糙度影响因素 切削表面塑性变形和积屑瘤切削表面塑性变形和积屑瘤v 砂轮速度v，Rav 工件速度vw，Ra v 砂轮纵向进给f，Ra v 磨削深度ap，Ra 图4-62 磨削用量对表面粗糙度的影响vw=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）

11、ap(mm)00.010.40.8Ra(m)00.20.60.020.030.04b）磨削加工表面粗糙度影响因素磨削加工表面粗糙度影响因素磨削加工表面粗糙度影响因素磨削加工表面粗糙度影响因素 磨削用量影响磨削用量影响 图4-63 光磨次数-Ra关系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度砂轮(WA/GCW14KB)v光磨次数，Rav 砂轮粒度，Ra；但要适量v 砂轮硬度适中，Ra；常取中软v 砂轮组织适中，Ra ；常取中等组织v 采用超硬砂轮材料，Ra v 砂轮精细修整，Ra 磨削加工表面粗糙度影响因素磨削加工表面粗糙度影响因素磨削加工表面粗糙度

12、影响因素磨削加工表面粗糙度影响因素 砂轮影响砂轮影响其他影响因素其他影响因素v 工件材料v 冷却润滑液等机械制造技术基础机械制造技术基础 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Machining Quality影响表层金属力学物理影响表层金属力学物理性能的工艺因素性能的工艺因素Technological Factors Influencing Physics Properties of Surface Layer影响表面冷作硬化的因素影响表面冷作硬化的因素影响表面冷作硬化的因素影响表面冷作硬化的因素 切削加工切削加工 f，冷硬程度(图4-6

13、4)切削用量影响 刀具影响刀刀尖尖圆圆弧弧半半径径 r r ，冷冷硬硬程程度度 其他几何参数影响不明显其他几何参数影响不明显 后后刀刀面面磨磨损损影影响响显显著著（图图4-654-65）00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v=40(m/min)f =0.120.2(mm/z)图4-65 后刀面磨损对冷硬影响 工件材料 材料塑性材料塑性，冷硬倾向，冷硬倾向 切削速度影响复杂（力与热综合作用结果）切削深度影响不大图4-64 f 和 v 对冷硬的影响硬度(HV)0f(mm/r)0.20.40.60.8v=170(m/min)135(m/mi

14、n)100(m/min)50(m/min)100200300400工件材料：45磨削速度磨削速度冷硬程度冷硬程度（弱化作用加强）（弱化作用加强）工件转速工件转速冷硬程度冷硬程度 纵向进给量影响复杂纵向进给量影响复杂磨削深度磨削深度冷硬程度冷硬程度（图图4-664-66）磨削用量 砂轮 砂轮粒度砂轮粒度冷硬程度冷硬程度 砂轮硬度砂轮硬度、组织影响不显著组织影响不显著工件材料 材料塑性材料塑性 冷硬倾向冷硬倾向 材料导热性材料导热性 冷硬倾向冷硬倾向 图4-66 磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削影响表面冷作硬化的因

15、素影响表面冷作硬化的因素影响表面冷作硬化的因素影响表面冷作硬化的因素 磨削加工磨削加工影响层金属残余应力的因素影响层金属残余应力的因素影响层金属残余应力的因素影响层金属残余应力的因素 v v残余应力残余应力（热应力（热应力起主导作用，图起主导作用，图4-674-67）切削用量 刀具前角前角+，残余拉应力残余拉应力 刀具磨损刀具磨损残余应力残余应力 工件材料材料塑性材料塑性 残余应力残余应力 铸铸铁铁等等脆脆性性材材料料易易产产生生残残余压应力余压应力图4-68 f 对残余应力的影响工件：45，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液 残余应力(Gpa)0.2000.200100

16、200300400距离表面深度(m)f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r仅讨论切削加工 f f残残 余余 应应 力力 （图图 4-4-6868）切削深度影响不显著切削深度影响不显著图4-67 vc 对残余应力的影响0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件：45切削条件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200距离表面深度(m)残余应力(Gpa)-0.2000.20vc=213m/minvc=86m/minvc=7.7m/min磨削烧伤与磨削裂纹磨削烧伤与磨削裂纹磨削烧伤与磨削裂纹磨削烧伤与磨削裂纹 合理选择砂轮 合理选择

17、磨削用量 改善冷却条件工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜磨削烧伤磨削烧伤磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现 图4-69 带空气挡板冷却喷嘴磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削裂纹磨削裂纹 8.2 8.2 机械加工后的表面粗糙度机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 切削加工时表面粗糙度的形成，大致可归纳为三方面的原因：几何因素、物理因素和工艺系统的振动。（1 1）几几何何因

18、因素素 形成粗糙度的几何因素是由刀具相对于工件作进给运动时在加工表面上遗留下来的切削层残留面积；（2 2）物理因素物理因素（3 3）切削用量、冷却润滑液和刀具材料等因素的影响）切削用量、冷却润滑液和刀具材料等因素的影响 。（2 2）物理因素物理因素 由图8.6可知，切削加工后表面的实际粗糙度与理论粗糙度有比较大的差别。主要是与被加工材料的性能及切削机理有关的物理因素的影响。切削过程中刀具的刃口圆角及后刀面对工件挤压与摩擦而产生塑性变形。韧性越好的材料塑性变形就越大，且容易出现积屑瘤与鳞刺，使粗糙度严重恶化。图8.6 塑性材料加工后的表面实际 轮廓和理论轮廓 观看动画 8.2.2 8.2.2 磨

19、削加工后的表面粗糙度磨削加工后的表面粗糙度 影响磨削后表面粗糙度的因素也可归纳为三方面：影响磨削后表面粗糙度的因素也可归纳为三方面：（1）与磨削过程和砂轮结构有关的几何因素，砂轮上磨粒的微刃形状和分布对于磨削后的表面粗糙度是有影响的。（2）与磨削过程和被加工材料塑性变形有关的物理因素，大多数磨粒只有滑擦、耕犁作用。磨削量是经过很多后继磨粒的多次挤压因疲劳而断裂、脱落，所以加工表面的塑性变形很大，表面粗糙度值就大。（3）工艺系统的振动因素 为了降低表面粗糙度值，应考虑以下主要影响因素：砂轮的粒度、砂轮的修整、砂轮速度、工件速度、径向进给量、轴向进给量。8.3 8.3 机械加工后的表面层物理机械性

20、能机械加工后的表面层物理机械性能 8.3.1 机械加工后表面层的冷作硬化 8.3.1.1 冷作硬化产生的原因（1）切削或磨削加工时，表面层金属由于塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格发生拉长、扭曲和破碎而得到强化。冷作硬化的特点是：变形抵抗力提高（屈服点提高），塑性降低（相对延伸率降低）。冷硬的指标通常用冷硬层的深度h、表面层的显微硬度H以及硬化程度 N来 表 示（图 8 8），其 中N=H/H0，H0为原来的显微硬度。图8.8 切削加工后表面层的冷硬观看动画（2 2）表面层冷作硬化的程度的影响因素）表面层冷作硬化的程度的影响因素表面层冷作硬化的程度决定于产生塑性变形的力、变形速度及变形时的温度

21、。力越大，塑性变形越大，则硬化程度越大；速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度越小；变形时的温度不仅影响塑性变形程度，还会影响变形后金相组织的恢复程度。切削加工时表面层的硬化可能有两种情况：完全强化和不完全强化。机械加工时表面层的冷作硬化就是强化作用和回复作用的综合结果。切削温度越高、高温持续时间越长、强化程度越大，则回复作用也就越强。8.3.1.2 8.3.1.2 影响冷作硬化的主要因素影响冷作硬化的主要因素 刀具刀具 刀具的切削刃口圆角和后刀面的磨损量对于冷硬层有很大的影响，此两值增大时，冷硬层深度和硬度也随之增大。前角减少时，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

22、，切削后的冷硬现象愈严重。切削用量切削用量切削速度增大时，刀具与工件接触时间短，塑性变形程度减少，同时会使温度增高，有助于冷硬的回复，所以硬化层深度和硬度都有所减少。进给量增大时，切削力增大，塑性变形程度也增大，因此硬化现象增大。但在进给量较小时，由于刀具的刀口圆角在加工表面单位长度上的挤压次数增多，因此硬化倾向也会增大。径向进给量增大时，冷硬层深度也有所增大，但其影响程度不显著。8.3.2 8.3.2 机械加工后表面层金相组织的变化机械加工后表面层金相组织的变化8 83 32 2l l 金相组织变化的原因金相组织变化的原因 (1)磨削加工时磨削加工时:切切削削力力比比其其它它加加工工方方法法

23、大大数数十十倍倍，切切削削速速度度也也特特别别高高,由由于于砂砂轮轮导导热性差、切屑数量少，磨削过程中能量转化热性差、切屑数量少，磨削过程中能量转化的热大部分都传给了工件。磨削时，在很短的时间内磨削区温度可上升到4001000，甚至更高。这样大的加热速度，促使加工表面局部形成瞬时热聚集现象，有很高温升和很大的温度梯度，出现金相组织的变化，强度和硬度下降，产生残余应力，甚至引起裂纹，这就是磨削烧伤现象。(2)(2)磨削淬火钢时表面层产生的烧伤磨削淬火钢时表面层产生的烧伤 磨削淬火钢时极易发生磨削烧伤，磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下三种：回火烧伤 磨削区温度超过马氏体转变温度而未超过相变温度，

24、则工件表面原来的马氏作组织将产生回火现象，转化成硬度降低的回火组织索氏体或屈氏体。淬火烧伤 磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，由于冷却液的急冷作用，表层会出现二次淬火马氏体，硬度较原来的回火马氏体高，而它的下层则因为冷却缓慢成为硬度降低的回人组织。退火烧伤 不用冷却液进行干磨削时，磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏作，因工件冷却缓慢测表层硬度急剧下降，这时工件表层被退火。表面颜色与烧伤之间的关系：表面颜色与烧伤之间的关系：黑 青 淡青 米黄 淡黄 8.3.2.2 8.3.2.2 影响磨削加工时金相组织变化的因素影响磨削加工时金相组织变化的因素 影响磨削加工时金相组织变化的因素有

25、工件材料、磨削温度、温度梯度及冷却速度等。(1)(1)工件材料工件材料工件材料为低碳钢时不会发生相变。高合金钢如轴承钢、高速钢、镍铬钢等传热性特别差，在冷却不充分时易出现磨削烧伤。未淬火钢为扩散度低的珠光体，磨削时间短时不会发生金相组织的变化。淬火钢极易相变。(2)(2)磨削温度、温度梯度及冷却速度等对金相磨削温度、温度梯度及冷却速度等对金相 组织变化的影响组织变化的影响图8.9 磨削高碳钢淬火时表面硬度分布观看动画磨削温度、温度梯度、冷却速度等对金相组织变化的影响可以从图8.9得到说明。图8.9所示，为高碳淬火钢在不同磨削条件下出现的表面层硬度分布情况。表面显微硬度表面深度 8.3.3 8.

26、3.3 机械加工后表面层的残余应力机械加工后表面层的残余应力 8.3.3.1 8.3.3.1 残余应力产生的原因残余应力产生的原因 !在机械加工中，工件表面层金属相对基体金属发生形状、体积的变化或金相组织变化时，工件表面层中将残留相互平衡的残余应力。产生表面层残余应力的原因：产生表面层残余应力的原因：（1 1）冷态塑性变形）冷态塑性变形 机械加工时，表层金属产生强烈的塑性变形。沿切削速度方向表面产生拉伸变形，晶粒被拉长，金属密度会下降，即比容增大，而里层材料则阻碍这种变形，因而：在表面层产生残余压应力残余压应力，在里层则产生残余拉应力残余拉应力。（2 2）热态塑性变形）热态塑性变形机械加工时，

27、切削或磨削热使工件表面局部温升过高，引起高温塑性变形,使得工件在冷却后从从内内到到外外分分别别产产生生拉拉应应力力、压压应应力力、和和拉拉应应力力。（3 3）金相组织变化）金相组织变化切削时产生高温，由于不同的金相组织有不同的比容，表面层金相变化的结果将造成体积的变化。表表面面层层体体积积膨膨胀胀时时，因因为为受受到到基基体体的的限限制，产生了压应力。反之，表面层体积缩小时，则产生拉应力。制，产生了压应力。反之，表面层体积缩小时，则产生拉应力。实际机械加工后的表面层残余应力及其分布，是上述三方面因素综合作用的结果，在一定条件下，其中某一或二种因素可能起主导作用。8.3.3.2 8.3.3.2

28、磨削裂纹的产生磨削裂纹的产生 !磨削加工中热态塑性变形和金相组织变化的影响较大，故大多数磨削零件的表面层往往有残余拉应力残余拉应力。当残残余余拉拉应应力力超超过过材材料料的的强强度度极极限限时，零件表面就会出现裂纹。有的磨削裂纹也可能不在工件的外表面，而是在表面层下成为肉眼难以发现的缺陷。磨削裂纹一般很浅，如图8.12所示。磨削裂纹的产生与材料性质及热处理工序有很大关系。磨削硬质合金时，由于其脆性大，抗拉强度低以及导热性差，所以特别容易产生磨削裂纹。磨削合碳量高的淬火钢时，由于其晶界脆弱，也容易产生磨削裂纹。图8.12 磨削裂纹 观看动画 8.4 8.4 控制加工表面质量的工艺途径控制加工表面

29、质量的工艺途径8.4.1 8.4.1 减减小小残残余余拉拉应应力力、防防止止磨磨削削烧烧伤伤和和磨磨削削裂裂纹纹的的工工艺艺途径途径对零件使用性能危害甚大的残余拉应力、磨削烧伤和磨削裂纹均起因于磨削热，所以如何降低磨削热并减少其影响是生产上的一项重要问题。解决的原则：解决的原则：一是减少磨削热的发生，一是减少磨削热的发生，二是加速磨削热的传出。二是加速磨削热的传出。8.4.1.1 8.4.1.1 选择合理的磨削参数选择合理的磨削参数生产中比较可行的办法是通过试验来确定磨削参数：先按初步选定的磨削参数试磨，检查工件表面热损伤情况，据此调整磨削参数直至最后确定下来。另一种方法是在磨削过程中连续测量

30、磨削区温度，然后控制磨削参数。选择适宜的磨削液和有效的冷却方法，如采用高压大流量冷却、内冷却或为减轻高速旋转的砂轮表面的高压附着气流的作用，有利于冷却液能顺利地喷注到磨削区。8.4.1.2 8.4.1.2 选择有效的冷却方法选择有效的冷却方法（三）提高砂轮磨削性能三）提高砂轮磨削性能1、锐化磨粒，减小摩擦；2、砂轮硬度不宜过高，保持自锐性；3、砂轮应具一定弹性，避免过载；4、使用开槽砂轮；5、使用螺旋槽砂轮。8.4.2 8.4.2 采用冷压强化工艺采用冷压强化工艺 对于承受高应力、交变载荷的零件可以采用喷丸、液压、挤压等表面强化工艺使表面层产生残余压应力和冷硬层并降低表面粗糙度值，从而提高耐疲

31、劳强度及抗应力腐蚀性能。但是采用强化工艺时应很好控制工艺参数，不要造成过度硬化，否则会使表面完全失去塑性性质，甚至引起显微裂纹和材料剥落，带来不良的后果。8.4.2.1 8.4.2.1 喷丸喷丸喷丸是一种用压缩空气或离心力将大量直径细小的丸粒（钢丸、玻璃丸）以3550m/s的速度向零件表面喷射的方法。如图8.14（a），可以用于任何复杂形状的零件。喷丸的结果在表面层产生很大的塑性变形，造成表面的冷作硬化及残余压应力。8.4.2.2 8.4.2.2 滚压滚压 用工具钢淬硬制成的钢滚轮或钢珠在零件上进行滚压，如图8.14(b)，使表层材料产生塑性流动，形成新的光洁表面。图8.14 常用的冷压强化工

32、艺方法 (a)喷丸 (b)滚压观看动画 观看动画4.8.44.8.4表面强化工艺表面强化工艺表面强化工艺表面强化工艺 利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态挤压金属表面，将凸起部分下压下，凹下部分上凸，修正工件表面的微观几何形状,形成压缩残余应力，提高耐疲劳强度（图4-71）利用大量快速运动珠丸打击工件表面,使工件表面产生冷硬层和压应力,疲劳强度（图4-70）喷丸强化喷丸强化图4-71 滚压加工原理图 用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，例如板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等滚压加工滚压加工图4-70 珠丸挤压引起残余应力压缩拉伸塑性变形区域 8.4.3 8.4.3 采用精密和光整加

33、工工艺采用精密和光整加工工艺采用精密加工工艺能全面地提高加工精度和表面质量，而光整加工工艺主要是为了获得较高的表面质量。8.4.3.1 8.4.3.1 精密加工工艺精密加工工艺 精密加工工艺的加工精度主要由高精度的机床保证。精密加工切削效率不高，故加工余量不能太大，所以对前道工序有较高的要求。精密加工工艺方法有高速精螳、高速精车、宽刃精刨和细密磨削等。图8.15金刚石笔的安装观看动画 8.4.3.2 8.4.3.2 光整加工工艺光整加工工艺光整加工是用粒度很细的磨料对工件表面进行微量切削和挤压、擦光的过程。光整加工工艺所使用的工具都是浮动连接，由加工面自身导向，而相对于工件的定位基准没有确定的

34、位置，所使用的机床也不需要具有非常精确的成形运动。这些加工方法的主要作用是降低表面粗糙度，一般不能纠正形状和位置误差，加工精度主要由前面工序保证。光整加工工艺方法有衍磨、超精加工、研磨、抛光等。如图8.18为常用的研具。图8.18 外圆研具 (a)粗研具；(b)精研具 8.5 8.5 机械加工过程中的振动问题机械加工过程中的振动问题 8.5.1 8.5.1 振动的概念与类型振动的概念与类型 金属切削过程中，工件和刀具之间常常发生强烈的振动，这是一种破坏正常切削过程的极其有害的现象。当切削振动发生时，工件表面质量严重恶化，粗糙度增大，产生明显的表面振痕，这时不得不降低切削用量，使生产率的提高受到

35、限制。振动严重时，会产生崩刃现象，使加工过程无法进行下去。此外，振动将加速刀具和机床的磨损，从而缩短刀具和机床的使用寿命；振动噪音也危害工人的健康。机械加工过程中产生的振动，也和其它的机械振动一样，按其产生的原因可分为自由振动、强迫振动和自激振动自由振动、强迫振动和自激振动三大类。8.5.2 机械加工中的强迫振动机械加工中的强迫振动 强迫振动是工艺系统在一个稳定的外界周期性干扰力（激振力）作用下引起的振动。除了力之外，凡是随时间变化的位移、速度及加速度，也可以激起系统的振动。强迫振动产生的原因分工艺系统内部和外部两个方面。强迫振动产生的原因分工艺系统内部和外部两个方面。8.5.2.1 强迫振动

36、的运动方程式强迫振动的运动方程式工艺系统是个多自由度的振动系统，其振动形态是很复杂的，但就某一特定情况而言，其振动特性与相应频率的单自由度系统有近似之处，因此可以简化为单自由度系统来分析。8.5.2.2 强迫振动的特性（1 1）幅频特性曲线和相频特性曲线）幅频特性曲线和相频特性曲线（2 2）振动系统的动态刚度和动态柔度）振动系统的动态刚度和动态柔度（3 3）强迫振动的主要特性）强迫振动的主要特性 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。不管振动系统本身的固有频率如何，强迫振动的固有频率总是与外界干扰力的频率相同。强迫振动的振幅大小在很大程度上取决于干扰力的

37、频率与系统固有频率的比值。当这个频率比等于或接近1时，振幅达到最大值，出现“共振”现象。干扰力越大，系统刚度及阻尼系数越小，则强迫振动的振幅就越大。8.5.3 8.5.3 机械加工中的自激振动机械加工中的自激振动（1）自激振动是由振动过程本身引起切削力周期性变化，又由这个周期性变化的切削力反过来加强和维持振动，使振动系统补充了由阻尼作用消耗的能量，让振动维持下去。切削过程中的自激振动可举日常生活中常见的电铃为例来说明。如图8.24电铃的结构。（2 2）自激振动示例说明）自激振动示例说明 振动元件对调节元件产生反馈作用，以便产生持续的交变力。如图8.24中，小锤敲击电铃的频率是由弹簧片、小锤、衔

38、铁的本身参数（刚度、质量、阻尼）所决定的。阻尼及运动摩擦所损耗的能量由本身维持。这个过程就是区别于强迫振动的自激振动。只要停止切削过程，即使机床仍继续空运转，自激振动也就停止了。所以可通过切削试验来研究工艺系统的自激振动。同时，也可以通过改变对切削过程有影响的工艺参数来控制切削过程，从而限制自激振动的产生。图8.24 电铃的自激振动观看动画 8.5.4 8.5.4 减少工艺系统振动的途径减少工艺系统振动的途径 当加工中出现振动影响加工质量时要根据振动产生的原因、运动规律和特性来寻求控制的途径。对于自激振动经过许多试验研究和生产实践有了一些相当有效的抑制措施，例如：合理选择切削用量；合理选择刀具

39、的几何角度；提高机床、工件、刀具自身的抗振性及采用减振装置等。一般提高工艺系统的刚度和安装减振装置对提高工艺系统的抗振性有显著效果。机械制造技术基础机械制造技术基础 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制Analysis and Control of Machining Quality机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动Vibrations in machining Process概概概概 述述述述 机械加工过程中振动的危害机械加工过程中振动的危害v 影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度v 影响生产效率 v 加速刀具磨损，易引起崩刃v 影响机床、夹具的使用寿命v 产生噪声污染

40、，危害操作者健康v 工艺系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。v 由于系统中总存在由阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。机械加工过程中振动的类型机械加工过程中振动的类型自由振动自由振动自由振动强迫振动自激振动机械加工过程中强迫振动机械加工过程中强迫振动机械加工过程中强迫振动机械加工过程中强迫振动强迫振动产生原因强迫振动产生原因v 由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起v 强迫振动振源：机外机内。机外振源均通过地基把振动传给机床。机内：1）回转零部件质量的不平衡 2）机床传动件的制造误差和缺陷 3）切削过程中的冲击v 频率特征：与干扰力的频率相

41、同，或是干扰力频率整倍数v 幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振v 相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。强迫振动的特征强迫振动的特征机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动自激振动的概念自激振动的概念 在在没没有有周周期期性性外外力力作作用用下下，由由系系统统内内部部激激发发反反馈馈产生的周期性振动产生的周期性振动 自自激激振振动动过过程程可可用用传传递递函数概念说明（图函数概念说明（图4-724-72）自激振动是一种不衰减振动

42、自激振动是一种不衰减振动 自自激激振振动动的的频频率率等等于于或或接接近近于系统的固有频率于系统的固有频率 自自激激振振动动能能否否产产生生及及振振幅幅的的大大小小取取决决于于振振动动系系统统在在每每一一个个周周期期内内获获得得和和消消耗耗的的能能量量对对比比情况（图情况（图4-734-73）。）。图4-73 自激振动系统能量关系A B C能量EQEE0振幅电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)图4-72 自激振动闭环系统机床振动系统（弹性环节）调节系统（切削过程）自激振动的特征自激振动的特征 p229p229 再生机理：再生机理：切削过程，由于偶然干扰，使加工系统产生振动并在加工表

43、面上留下振纹。第二次走刀时，刀具将在有振纹的表面上切削，使切削厚度发生变化，导致切削力周期性地变化，产生自激振动 自激振动机理自激振动机理图4-74 再生自激振动原理图f切入 切出y0ya）b）y0y切入 切出fc）fy0y切入 切出d）切入 切出fy0y 产生条件（图产生条件（图4-744-74）：a）b）c）系统无能量获得；d）y(本次振动)滞后于y0(上次振动)，即 0-，此时切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出时切削力所作正功（获得能量）大于切入时所作负功，系统有能量获得，产生自激振动机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动 振振型型

44、耦耦合合机机理理：将车床刀架简化为两自由度振动系统，等效质量m用相互垂直的等效刚度分别为k1、k2两组弹簧支撑（设x1为低刚度主轴，图4-75）图4-75 车床刀架振型耦合模型Fmabcdx1x1x2x2k2k112X 自激振动的产生：自激振动的产生：k1=k2，x1与x2无相位差,轨迹为直线，无能量输入机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动 k1k2，x1超前x2，轨迹dcba为一椭圆，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的大，系统无能量输入 k1k2，x1滞后于x2，轨迹为一顺时针方向椭圆，即：abcd。此时，切入半周期内的平均切削厚度

45、比切出半周期内的小，有能量获得，振动能够维持。机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治 减小机内干扰力的幅值减小机内干扰力的幅值 调整振源的频率，一般要求：调整振动系统小刚度主轴的位置（图4-76）消除或减弱产生强迫振动的条件消除或减弱产生强迫振动的条件式中 f 和 fn 分别为振源频率和系统固有频率 隔振隔振x2x2x1x1x1x1x2x2图4-76 两种尾座结构消除或减弱产生自激振动的条件消除或减弱产生自激振动的条件（4-33）机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治 减小切削或磨削时的重叠系数（图4-77）式

46、中 bd 等效切削宽度，即本次切削实际切到上次切削残留振纹 在垂直于振动方向投影宽度；b 本次切削在垂直于振动方向上的切削宽度；B,fa 砂轮宽度与轴向进给量。图4-77 重叠系数apfaB振动方向XDfbbda）切削b）磨削rr，（4-34）v 减小重叠系数方法图4-78 车刀消振棱0.10.3-5-2023 增加切削阻尼增加切削阻尼（例采用倒棱车刀，图4-78）增加主偏角增加主偏角 增大进给量增大进给量机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治 提高工艺系统刚度 增大工艺系统阻尼 改善工艺系统动态特性改善工艺系统动态特性机械加工中振动的防治机械加工中振

47、动的防治机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治阻尼材料铸铁环铸铁套筒图4-79 零件上加阻尼材料图4-80 摩擦式减振器1飞轮 2摩擦盘 3摩擦垫 4螺母 5弹簧v动力减振器 v摩擦式减振器（图4-80）v冲击式减振器（图4-81）机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治采用减振装置采用减振装置图4-81 冲击式减振镗刀与减振镗杆1冲击块 2紧定螺钉a）减振镗刀 b）减振镗杆 本章小结本章小结 本章主要阐述：机械加工表面质量的基本概念及其对机械零件、对整台机器的使用性能和使用寿命的影响。详细地分析了影响机械加工表面质量的各种因素，着重讨论了如何提高机械加工表面质量的途径，特别是对工艺系统的振动问题作了较详细的分析研究。本章应着重理解和掌握着重理解和掌握表面质量的一些基本概念。表面质量的一些基本概念。重重点点掌掌握握：冷作硬化、金相组织的变化和残余应力产生的机理和磨削烧伤、磨削裂纹产生的机理。应对生产现场中发生的一些表面质量问题从理论上作出解释，学会分析表面质量的方法，能采取改善表面质量的工艺实施，解决生产实际问题。学会识别和区分机械加工中的强迫振动和自激振动，了解一些基本的消振方法。