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 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。 机械加工表面质量是以机械零件的加工表面和表面层作为分析和研究对象的。 本章旨在研究零件表面层在加工中的变化和发生变化的机理，掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量的影响规律，运用这些规律来控制加工中的各种影响因素，以满足表面质量的要求。 8.1 机械加工后的表面质量 Influence of the machined surface qualities on part performances 8.2 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 Physical and mechanical properties of the machined surface layer machined 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 Technical approach of controlling the machined surface quality machined surface quality 8.5 机械加工过程中的振动问题 Vibration and chatter振颤） in machining operations 8.1 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是指指机机器器零零件件加加工工后后表表面面层层的的状状态态。表表面面质质量量的的主主要要内内容面两部分：容面两部分：（1 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：是是指指表表面面微微观观几几何何形形状状误误差差，其其波波高高与与波波长长的的比比值值在在L1L1H1H14040的范围内。的范围内。 表表面面波波度度：是是介介于于加加工工精精度度宏宏观观几几何何形形状状误误差差L3/H31000L3/H31000和和表表面面粗粗糙糙度度之之间间的的一一种种带带有有周周期期性性的的几几何何形形状状误误差差，其其波波高高与与波波长长的的比值在比值在4040L2L2H2H210001000的范围。如图的范围。如图8 8l l所示。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 表面层冷作硬化简称冷硬）：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。 表面层金相组织的变化：由于切削热引起工件表面温升过高，表面层金属发生金相组织变化的现象。 表面层残余应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 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 对零件疲劳强度的影响 在在周周期期性性的的交交变变载载荷荷作作用用下下，零零件件表表面面微微观观不不平平与与表表面面的的缺缺陷陷一一样样都都会会产产生生应应力力集集中中现现象象，而而且且表表面面粗粗糙糙度度值值越越大大，即即凹凹陷陷越越深深和和越越尖尖，应应力力集集中中越越严严重重，越越容容易易形形成成和和扩扩展展疲疲劳劳裂裂纹纹而而造造成成零零件件的的疲疲劳劳损坏。损坏。零零件件表表面面的的冷冷硬硬层层能能够够阻阻碍碍裂裂纹纹的的扩扩大大和和新新裂裂纹纹的的出出现现，冷冷硬硬可可以以提提高高零零件件的的疲疲劳劳强强度度。但但冷冷硬硬层层过过深深或或过过硬硬则则容容易易产产生生裂裂纹纹，反反而而会降低疲劳强度。所以冷硬要适当。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。表面层的内应力对疲劳强度的影响很大。表表面面层层残残余余的的压压应应力力能能够够部部分分地地抵抵消消工工作作载载荷荷施施加加的的拉拉应应力力，延延缓缓疲疲劳劳裂裂纹纹扩扩展展，而而残残余余拉拉应应力力容容易易使使已已加加工工表表面面产产生生裂裂纹纹而而降降低低疲疲劳强度。劳强度。 8.1.2.3 对零件抗腐蚀性能的影响零零件件表表面面粗粗糙糙度度值值越越大大，潮潮湿湿空空气气和和腐腐蚀蚀介介质质越越容容易易堆堆积积在在零零件件表表面面四四处处而而发发生生化化学学腐腐蚀蚀，或或在在凸凸峰峰间间产产生生电电化化学学作作用用而而引引起起电电化化学学腐蚀，故抗腐蚀性能越差。腐蚀，故抗腐蚀性能越差。表表面面冷冷硬硬和和金金相相组组织织变变化化都都会会产产生生内内应应力力。零零件件在在应应力力状状态态下下工工作作时时，会会产产生生应应力力腐腐蚀蚀，若若有有裂裂纹纹，则则更更增增加加了了应应力力腐腐蚀蚀的的敏敏感感性性。因因此表面内应力会降低零件的抗腐蚀性能。此表面内应力会降低零件的抗腐蚀性能。8.1.2.4对零件的其它影响对零件的其它影响表表面面质质量量对对零零件件的的配配合合质质量量、密密封封性性能能及及摩摩擦擦系系数数都都有有很很大大的的影影响。响。零件表面层状态对其使用性能也有如此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 Analysis and Control of Machining QualityMachining 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 Factors Technological Factors Influencing RoughnessInfluencing 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 切切削削速速度度影影响响最最大大：v v = = 101050m/min50m/min范范围围，易易产产生生积积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差图屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差图5-535-53） 。 其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等其他影响因素：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100120vm/min）020406080140表面粗糙度Rzm）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度 hm） 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）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 Analysis and Control of Machining QualityMachining 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 Technological Factors Influencing Physics Influencing Physics Properties of Surface Properties of Surface LayerLayer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 f，冷硬程度，冷硬程度(图图4-64) 4-64) 切削用量影响切削用量影响 刀具影响刀具影响刀刀尖尖圆圆弧弧半半径径 rr，冷冷硬硬程度程度 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 工件材料工件材料 材料塑性材料塑性 ，冷硬倾向，冷硬倾向 切切削削速速度度影影响响复复杂杂力力与与热综合作用结果）热综合作用结果） 切削深度影响不大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)(m/min)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） 磨削用量磨削用量 砂轮砂轮 砂轮粒度砂轮粒度冷硬程度冷硬程度 砂轮硬度、组织影响不显著砂轮硬度、组织影响不显著工件材料工件材料 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） 切削用量切削用量 刀具刀具前角前角+，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)0.2000.200100200300400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 ff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 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 切切削削加加工工时时表表面面粗粗糙糙度度的的形形成成，大大致致可可归归纳纳为为三方面的原因：几何因素、物理因素和工艺系统的振动。三方面的原因：几何因素、物理因素和工艺系统的振动。（1 1） 几几何何因因素素 形形成成粗粗糙糙度度的的几几何何因因素素是是由由刀刀具具相相对对于于工工件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 由由图8.68.6可知，切削加工后可知，切削加工后表面的表面的实际粗糙度与理粗糙度与理论粗糙粗糙度有比度有比较大的差大的差别。 主要是与被加工材料的性能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及切削机理有关的物理因素的影响。切削影响。切削过程中刀具的刃口程中刀具的刃口圆角及后刀面角及后刀面对工件工件挤压与摩与摩擦而擦而产生塑性生塑性变形。形。韧性越好性越好的材料塑性的材料塑性变形就越大，且容形就越大，且容易出易出现积屑瘤与屑瘤与鳞刺，使粗糙刺，使粗糙度度严重重恶化。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 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与与磨磨削削过过程程和和砂砂轮轮结结构构有有关关的的几几何何因因素素，砂砂轮轮上上磨磨粒粒的的微微刃刃形形状状和分布对于磨削后的表面粗糙度是有影响的。和分布对于磨削后的表面粗糙度是有影响的。（2与与磨磨削削过过程程和和被被加加工工材材料料塑塑性性变变形形有有关关的的物物理理因因素素，大大多多数数磨磨粒粒只只有有滑滑擦擦、耕耕犁犁作作用用。磨磨削削量量是是经经过过很很多多后后继继磨磨粒粒的的多多次次挤挤压压因因疲疲劳劳而而断裂、零落，所以加工表面的塑性变形很大，表面粗糙度值就大。断裂、零落，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：为了降低表面粗糙度值，应考虑以下主要影响因素：砂砂轮轮的的粒粒度度、砂砂轮轮的的修修整整、砂砂轮轮速速度度、工工件件速速度度、径径向向进进给给量量、轴轴向进给量。向进给量。 8.3 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88），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表面面层层冷冷作作硬硬化化的的程程度度决决定定于于产产生生塑塑性性变变形形的的力力、变变形形速速度度及及变变形形时时的的温温度度。力力越越大大，塑塑性性变变形形越越大大，则则硬硬化化程程度度越越大大；速速度度越越大大，塑塑性性变变形形越越不不充充分分，则则硬硬化化程程度度越越小小；变变形形时时的的温温度度不不仅仅影影响响塑塑性性变变形形程程度度，还还会会影影响响变变形形后后金金相相组组织织的的恢恢复复程程度度。切切削削加加工工时时表表面面层层的的硬硬化化可可能能有有两种情况：完全强化和不完全强化两种情况：完全强化和不完全强化。机机械械加加工工时时表表面面层层的的冷冷作作硬硬化化就就是是强强化化作作用用和和回回复复作作用用的的综综合合结结果果。切切削削温温度度越越高高、高高温温持持续续时时间间越越长长、强强化化程程度度越越大大，则则回回复复作作用用也也就就越越强。强。 8.3.1.2 影响冷作硬化的主要因素 刀具刀具 刀刀具具的的切切削削刃刃口口圆圆角角和和后后刀刀面面的的磨磨损损量量对对于于冷冷硬硬层层有有很很大大的的影影响响，此此两两值值增增大大时时，冷冷硬硬层层深深度度和和硬硬度度也也随之增大。前角减少时，冷硬也增大。随之增大。前角减少时，冷硬也增大。 被加工材料被加工材料 被被加加工工材材料料硬硬度度愈愈低低、塑塑性性愈愈大大，切切削削后后的的冷冷硬硬现象愈严重。现象愈严重。 切削用量切削用量切切削削速速度度增增大大时时，刀刀具具与与工工件件接接触触时时间间短短，塑塑性性变变形形程程度度减减少少，同同时时会会使使温温度度增增高高，有有助助于于冷冷硬硬的的回回复复，所所以以硬硬化化层层深深度度和和硬硬度度都都有有所所减减少少。进进给给量量增增大大时时，切切削削力力增增大大，塑塑性性变变形形程程度度也也增增大大，因因此硬化现象增大。此硬化现象增大。但但在在进进给给量量较较小小时时，由由于于刀刀具具的的刀刀口口圆圆角角在在加加工工表表面面单单位位长长度度上上的的挤挤压压次次数数增增多多，因因此此硬硬化化倾倾向向也也会会增增大大。径径向向进进给给量量增增大大时时，冷硬层深度也有所增大，但其影响程度不显著。冷硬层深度也有所增大，但其影响程度不显著。 8.3.2 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) (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热性性差差、切切屑屑数数量量少少，磨磨削削过程中能量转化的热大部分都传给了工件。过程中能量转化的热大部分都传给了工件。 磨磨削削时时，在在很很短短的的时时间间内内磨磨削削区区温温度度可可上上升升到到40040010001000，甚甚至至更更高高。这这样样大大的的加加热热速速度度，促促使使加加工工表表面面局局部部形形成成瞬瞬时时热热聚聚集集现现象象，有有很很高高温温升升和和很很大大的的温温度度梯梯度度，出出现现金金相相组组织织的的变变化化，强强度度和和硬硬度度下下降降，产产生生残残余余应应力力，甚甚至至引引起起裂纹，这就是磨削烧伤现象。裂纹，这就是磨削烧伤现象。 (2) 磨削淬火钢时表面层产生的烧伤 磨磨削削淬淬火火钢时极极易易发生生磨磨削削烧伤，磨磨削削淬淬火火钢时表表面面层产生生的的烧伤有以下三种：有以下三种： 回火回火烧伤 磨磨削削区区温温度度超超过马氏氏体体转变温温度度而而未未超超过相相变温温度度，则工工件件表表面面原原来来的的马氏氏作作组织将将产生生回回火火现象象，转化化成成硬硬度度降降低低的的回回火火组织索氏体或屈氏体。索氏体或屈氏体。 淬火淬火烧伤 磨磨削削区区温温度度超超过相相变温温度度，马氏氏体体转变为奥奥氏氏体体，由由于于冷冷却却液液的的急急冷冷作作用用，表表层会会出出现二二次次淬淬火火马氏氏体体，硬硬度度较原原来来的的回回火火马氏氏体体高，而它的下高，而它的下层则因因为冷却冷却缓慢成慢成为硬度降低的回人硬度降低的回人组织。 退火退火烧伤 不不用用冷冷却却液液进行行干干磨磨削削时，磨磨削削区区温温度度超超过相相变温温度度，马氏氏体体转变为奥氏作，因工件冷却奥氏作，因工件冷却缓慢慢测表表层硬度急硬度急剧下降，下降，这时工件表工件表层被退火。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： 黑黑 青青 淡青淡青 米黄米黄 淡淡黄黄 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 影影响响磨磨削削加加工工时时金金相相组组织织变变化化的的因因素素有有工工件件材材料料、磨磨削削温温度度、温度梯度及冷却速度等。温度梯度及冷却速度等。(1)工件材料工件材料工件材料为低碳钢时不会发生相变。工件材料为低碳钢时不会发生相变。高高合合金金钢钢如如轴轴承承钢钢、高高速速钢钢、镍镍铬铬钢钢等等传传热热性性特特别别差差，在在冷冷却却不充分时易出现磨削烧伤。不充分时易出现磨削烧伤。未未淬淬火火钢钢为为扩扩散散度度低低的的珠珠光光体体，磨磨削削时时间间短短时时不不会会发发生生金金相相组组织的变化。织的变化。淬火钢极易相变。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磨削削温温度度、温温度度梯梯度度、冷冷却却速速度度等等对对金金相相组组织织变变化化的影响可以从图的影响可以从图8.9得到说明。得到说明。图图8.9所所示示，为为高高碳碳淬淬火火钢钢在在不不同同磨磨削削条条件件下下出出现现的的表面层硬度分布情况表面层硬度分布情况。表面显微硬度表面深度 8.3.3 8.3.3 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。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，因此：阻碍这种变形，因此：在表面层产生残余压应力，在里层则产生残余拉应力。在表面层产生残余压应力，在里层则产生残余拉应力。（2 2热态塑性变形热态塑性变形机机械械加加工工时时，切切削削或或磨磨削削热热使使工工件件表表面面局局部部温温升升过过高高，引引起起高高温温塑塑性性变变形形,使使得得工工件件在在冷冷却却后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金相组织变化金相组织变化切切削削时时产产生生高高温温，由由于于不不同同的的金金相相组组织织有有不不同同的的比比容容，表表面面层层金金相相变变化化的的结结果果将将造造成成体体积积的的变变化化。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。实实际际机机械械加加工工后后的的表表面面层层残残余余应应力力及及其其分分布布，是是上上述述三三方方面面因因素素综综合合作作用用的的结结果果，在在一一定定条条件件下下，其其中中某某一一或或二二种种因因素素可可能能起起主主导导作作用用。 8.3.3.2 磨削裂纹的产生 ! 磨磨削削加加工工中中热热态态塑塑性性变变形形和和金金相相组组织织变变化化的的影影响响较较大大，故故大大多多数数磨磨削零件的表面层往往有残余拉应力。削零件的表面层往往有残余拉应力。当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时，零零件件表表面面就就会会出出现现裂裂纹纹。有有的的磨磨削削裂裂纹纹也也可可能能不不在在工工件件的的外外表表面面，而而是是在在表表面面层层下下成成为为肉肉眼眼难难以以发发现的缺陷。磨削裂纹一般很浅现的缺陷。磨削裂纹一般很浅，如图，如图8.12所示。所示。磨磨削削裂裂纹纹的的产产生生与与材材料料性性质质及及热热处处理理工工序序有有很很大大关关系系。磨磨削削硬硬质质合合金金时时，由由于于其其脆脆性性大大，抗抗拉拉强强度度低低以以及及导导热热性性差差，所所以以特特别别容容易易产产生生磨磨削削裂裂纹纹。磨磨削削合合碳碳量量高高的的淬淬火火钢钢时时，由由于于其其晶晶界界脆脆弱弱，也也容容易易产产生生磨磨削削裂裂纹。纹。图8.12 磨削裂纹 观看动画 8.4 控制加工表面质量的工艺途径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 对对零零件件使使用用性性能能危危害害甚甚大大的的残残余余拉拉应应力力、磨磨削削烧烧伤伤和和磨磨削削裂裂纹纹均均起起因因于于磨磨削削热热，所所以以如如何何降降低低磨磨削削热热并并减减少其影响是生产上的一项重要问题。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 选择合理的磨削参数生生产产中中比比较较可可行行的的办办法法是是通通过过试试验验来来确确定定磨磨削削参参数数：先先按按初初步步选选定定的的磨磨削削参参数数试试磨磨，检检查查工工件件表表面面热热损损伤伤情情况况，据据此此调调整整磨磨削削参参数数直直至至最最后后确确定定下下来来。另另一一种种方方法法是是在在磨磨削削过过程程中中连连续续测测量量磨磨削削区区温温度度，然然后后控制磨削参数。控制磨削参数。选选择择适适宜宜的的磨磨削削液液和和有有效效的的冷冷却却方方法法，如如采采用用高高压压大大流流量量冷冷却却、内内冷冷却却或或为为减减轻轻高高速速旋旋转转的的砂砂轮轮表表面面的的高高压压附附着着气气流流的的作作用用，有有利利于于冷冷却却液液能能顺顺利利地地喷喷注注到到磨削区。磨削区。 8.4.1.2 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；、锐化磨粒，减小摩擦；2、砂轮硬度不宜过高，保持自锐性；、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；、砂轮应具一定弹性，避免过载；4、使用开槽砂轮；、使用开槽砂轮；5、使用螺旋槽砂轮。、使用螺旋槽砂轮。 8.4.2 采用冷压强化工艺 对对于于承承受受高高应应力力、交交变变载载荷荷的的零零件件可可以以采采用用喷喷丸丸、液液压压、挤挤压压等等表表面面强强化化工工艺艺使使表表面面层层产产生生残残余余压压应应力力和和冷冷硬硬层层并并降降低低表表面面粗粗糙糙度度值，从而提高耐疲劳强度及抗应力腐蚀性能。值，从而提高耐疲劳强度及抗应力腐蚀性能。但但是是采采用用强强化化工工艺艺时时应应很很好好控控制制工工艺艺参参数数，不不要要造造成成过过度度硬硬化化，否否则则会会使使表表面面完完全全失失去去塑塑性性性性质质，甚甚至至引引起起显显微微裂裂纹纹和和材材料料剥剥落落，带带来不良的后果。来不良的后果。 8.4.2.1 喷丸喷喷丸丸是是一一种种用用压压缩缩空空气气或或离离心心力力将将大大量量直直径径细细小小的的丸丸粒粒钢钢丸丸、玻玻璃璃丸丸以以3550m/s的的速速度度向向零零件件表表面面喷喷射射的的方方法法。如如图图8.14a），可可以以用用于于任任何何复复杂杂形形状状的的零零件件。喷喷丸丸的的结结果果在在表表面面层层产产生生很很大大的的塑塑性性变变形，造成表面的冷作硬化及残余压应力。形，造成表面的冷作硬化及残余压应力。8.4.2.2滚压滚压用用工工具具钢钢淬淬硬硬制制成成的的钢钢滚滚轮轮或或钢钢珠珠在在零零件件上上进进行行滚滚压压，如如图图8.14(b)，使表层材料产生塑性流动，形成新的光洁表面，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 利利用用淬淬硬硬和和精精细细研研磨磨过过的的滚滚轮轮或或滚滚珠珠，在在常常温温状状态态挤挤压压金金属属表表面面，将将凸凸起起部部分分下下压压下下，凹凹下下部部分分上上凸凸，修修正正工工件件表表面面的的微微观观几几何何形形状状, ,形形成成压压缩缩残残余余应应力力，提提高耐疲劳强度图高耐疲劳强度图4-714-71） 利利用用大大量量快快速速运运动动珠珠丸丸打打击击工工件件表表面面, , 使使工工件件表表面面产产生生冷冷硬硬层层和和 压压 应应 力力 , ,疲疲 劳劳 强强 度度 图图 4-4-7070）喷丸强化喷丸强化图4-71 滚压加工原理图 用用于于强强化化形形状状复复杂杂或或不不宜宜用用其其它它方方法法强强化化的的工工件件，例例如如板板弹弹簧簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等螺旋弹簧、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 紧缩拉伸塑性变形区域 8.4.3 采用精密和光整加工工艺采采用用精精密密加加工工工工艺艺能能全全面面地地提提高高加加工工精精度度和和表表面面质质量量，而而光光整整加工工艺主要是为了获得较高的表面质量。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 精精密密加加工工工工艺艺的的加加工工精精度度主主要要由由高高精精度度的的机机床床保保证证。精精密密加加工工切切削削效效率率不不高高，故故加加工工余余量量不不能能太太大大，所所以以对对前前道道工工序序有有较较高高的的要要求求。精精密密加加工工工工艺艺方方法法有有高高速速精精螳螳、高高速速精精车车、宽宽刃刃精精刨刨和和细细密密磨磨削削等。等。 图8.15金刚石笔的安装观看动画 8.4.3.2 光整加工工艺光光整整加加工工是是用用粒粒度度很很细细的的磨磨料料对对工工件件表表面面进进行行微微量量切切削削和和挤挤压压、擦擦光的过程。光的过程。光光整整加加工工工工艺艺所所使使用用的的工工具具都都是是浮浮动动连连接接，由由加加工工面面自自身身导导向向，而而相相对对于于工工件件的的定定位位基基准准没没有有确确定定的的位位置置，所所使使用用的的机机床床也也不不需需要要具具有有非非常常精精确确的的成成形形运运动动。这这些些加加工工方方法法的的主主要要作作用用是是降降低低表表面面粗粗糙糙度度，一一般般不不能能纠纠正正形形状状和和位位置置误误差差，加加工工精精度度主主要要由由前前面面工工序序保保证证。光光整整加加工工工工艺方法有衍磨、超精加工、研磨、抛光等。如图艺方法有衍磨、超精加工、研磨、抛光等。如图8.18为常用的研具。为常用的研具。图8.18 外圆研具 (a)粗研具；(b)精研具 8.5 机械加工过程中的振动问题 8.5.1 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三大类。 8.5.2 机械加工中的强迫振动 强强迫迫振振动动是是工工艺艺系系统统在在一一个个稳稳定定的的外外界界周周期期性性干干扰扰力力激激振振力力作作用用下下引引起起的的振振动动。除除了了力力之之外外，凡凡是是随随时时间间变变化化的的位位移移、速速度度及及加加速速度度，也也可以激起系统的振动。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强迫振动的运动方程式强迫振动的运动方程式工工艺艺系系统统是是个个多多自自由由度度的的振振动动系系统统，其其振振动动形形态态是是很很复复杂杂的的，但但就就某某一一特特定定情情况况而而言言，其其振振动动特特性性与与相相应应频频率率的的单单自自由由度度系系统统有有近近似似之之处处，因因此可以简化为单自由度系统来分析。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。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频率与系统固有强迫振动的振幅大小在很大程度上取决于干扰力的频率与系统固有频率的比值。当这个频率比等于或接近频率的比值。当这个频率比等于或接近1时，振幅达到最大值，出现时，振幅达到最大值，出现“共振景象。干扰力越大，系统刚度及阻尼系数越小，则强迫振动共振景象。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。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。可举日常生活中常见的电铃为例来说明。如图如图8.24电铃的结构。电铃的结构。（2 2自激振动示例说明自激振动示例说明 振振动元元件件对调节元元件件产生生反反馈作作用用，以以便便产生生持持续的的交交变力力。如如图8.248.24中中，小小锤敲敲击电铃的的频率率是是由由弹簧簧片片、小小锤、衔铁的的本本身身参数参数刚度、度、质量、阻尼所决定的量、阻尼所决定的 。 阻尼及运阻尼及运动摩擦所摩擦所损耗的能量由本身耗的能量由本身维持。持。 这个个过程程就就是是区区别于于强迫迫振振动的的自自激激振振动。只只要要停停止止切切削削过程程，即即使使机机床床仍仍继续空空运运转，自激振自激振动也就停止了。也就停止了。 所所以以可可通通过切切削削试验来来研研究究工工艺系系统的的自自激激振振动。同同时，也也可可以以通通过改改变对切切削削过程程有有影影响响的的工工艺参参数数来来控控制制切切削削过程程，从从而而限限制自激振制自激振动的的产生。生。 图8.24 电铃的自激振动观看动画 8.5.4 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 Analysis and Control of Machining QualityMachining Quality机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动Vibrations in machining Vibrations in machining ProcessProcess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，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：v 1回转零部件质量的不平衡v 2机床传动件的制造误差和缺陷v 3切削过程中的冲击v 频率特征：与干扰力的频率相同，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）自自 激激 振振 动动 的的 特特 征征 p229p229 再生机理：再生机理： 切切削削过过程程，由由于于偶偶然然干干扰扰，使使加加工工系系统统产产生生振振动动并并在在加加工工表表面面上上留留下振纹。下振纹。 第第二二次次走走刀刀时时，刀刀具具将将在在有有振振纹纹的的表表面面上上切切削削，使使切切削削厚厚度度发发生生变变化化，导导致致切切削削力力周周期期性性地变化，产生自激振动地变化，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 ab bc c系统无能量获得；系统无能量获得；d dy(y(本本次次振振动动) ) 滞滞后后于于y0 y0 ( (上上次次振振动动) ) ，即即 0 0 - - ，此此时时切切出出比比切切入入半半周周期期中中的的平平均均切切削削厚厚度度大大，切切出出时时切切削削力力所所作作正正功功获获得得能能量量大大于于切切入入时时所所作作负负功功，系系统统有有能能量量获获得得，产生自激振动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 振振型型耦耦合合机机理理：将将车车床床刀刀架架简简化化为为两两自自由由度度振振动动系系统统，等等效效质质量量mm用用相相互互垂垂直直的的等等效效刚刚度度分分别别为为k1k1、k2k2两两组组弹弹簧簧支支撑撑设设x1x1为低刚度主轴，图为低刚度主轴，图4-754-75）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=k2k1=k2，x1x1与与x2x2无无相相位位差差, , 轨轨迹迹为为直直线线，无无能能量量输输入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：调整振源的频率，一般要求： 调调整整振振动动系系统统小小刚刚度度主主轴轴的的位位置置图图4-764-76）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减小切削或磨削时的重叠系数图4-774-77）式中 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 增加切削阻尼例采用倒棱车刀，图增加切削阻尼例采用倒棱车刀，图4-784-78） 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 提高工艺系统刚度提高工艺系统刚度 增大工艺系统阻尼增大工艺系统阻尼 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 本本章章主主要要阐阐述述：机机械械加加工工表表面面质质量量的的基基本本概概念念及及其其对对机机械械零零件件、对整台机器的使用性能和使用寿命的影响。对整台机器的使用性能和使用寿命的影响。 详详细细地地分分析析了了影影响响机机械械加加工工表表面面质质量量的的各各种种因因素素，着着重重讨讨论论了了如如何何提提高高机机械械加加工工表表面面质质量量的的途途径径，特特别别是是对对工工艺艺系系统统的的振振动动问问题题作作了了较较详细的分析研究。详细的分析研究。 本章应着重理解和掌握表面质量的一些基本概念。本章应着重理解和掌握表面质量的一些基本概念。 重重点点掌掌握握：冷冷作作硬硬化化、金金相相组组织织的的变变化化和和残残余余应应力力产产生生的的机机理理和和磨削烧伤、磨削裂纹产生的机理。磨削烧伤、磨削裂纹产生的机理。 应应对对生生产产现现场场中中发发生生的的一一些些表表面面质质量量问问题题从从理理论论上上作作出出解解释释，学学会会分分析析表表面面质质量量的的方方法法，能能采采取取改改善善表表面面质质量量的的工工艺艺实实施施，解解决决生生产产实实际问题。际问题。 学学会会识识别别和和区区分分机机械械加加工工中中的的强强迫迫振振动动和和自自激激振振动动，了了解解一一些些基基本本的消振方法。的消振方法。