機械制造工藝學-機械加工表面質(zhì)量課件

第三章機械加工表面質(zhì)量概述

掌握機械加工中各種工藝因素對表面質(zhì)量影響的規(guī)律，并應用這些規(guī)律控制加工過程，以達到提高加工表面質(zhì)量、提高產(chǎn)品性能的目的。

實踐表明，零件的破壞一般總是從表面層開始的。產(chǎn)品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取決于其主要零件的表面質(zhì)量。研究機械加工表面質(zhì)量的目的機械產(chǎn)品的失效形式因設計不周而導致強度不夠；磨損、腐蝕和疲勞破壞。少數(shù)多數(shù)第三章機械加工表面質(zhì)量概述掌握§3.1機械加工表面質(zhì)量對零件使用性能的影響一、機械加工表面質(zhì)量的含義1．表面的幾何特征2．表面層物理力學、化學性能(1)表面粗糙度(2)表面波度(3)紋理方向(1)表面層加工硬化(冷作硬化)。(2)表面層金相組織變化。(3)表面層產(chǎn)生殘余應力。§3.1機械加工表面質(zhì)量對零件使用性能的影響一、機械加1、表面的幾何形狀特征

加工后表面形狀，總是以“峰”、“谷”的形式偏離其理想光滑表面。按偏離程度有宏觀和微觀之分。波距：峰與峰或谷與谷間的距離，以L表示；波高：峰與谷間的高度，以H表示。波距與波高L/H>1000時，屬于宏觀幾何形狀誤差；L/H<50時，屬于微觀形狀誤差，稱作表面粗糙度；L/H=50～1000時，稱作表面波度；主要是由機械加工過程中工藝系統(tǒng)低頻振動所引起。1、表面的幾何形狀特征加工后表面形狀，總是

紋理方向是指表面刀紋的方向，取決于表面形成所采用的機械加工方法。一般運動副或密封件對紋理方向有要求。

傷痕是指在加工表面?zhèn)€別位置出現(xiàn)的缺陷，如沙眼、氣孔、裂痕等。紋理方向是指表面刀紋的方向，取決于表面2、表面層物理力學、化學性能表示方法(1)表面金屬層的冷作硬化指工件在加工過程中，表面層金屬產(chǎn)生強烈的塑性變形，使工件加工表面層的強度和硬度都有所提高的現(xiàn)象。冷硬層深度h硬化程度N硬化程度：其中：H——加工后表面層的顯微硬度H0——材料原有的顯微硬度2、表面層物理力學、化學性能表示方法(1)表面金屬層的冷作硬(2)表面層金相組織變化(3)表面層產(chǎn)生殘余應力

指的是加工中，由于切削熱的作用引起表層金屬金相組織發(fā)生變化的現(xiàn)象。如磨削時常發(fā)生的磨削燒傷，大大降低表面層的物理機械性能。

指的是加工中，由于切削變形和切削熱的作用，工件表層及其基體材料的交界處產(chǎn)生相互平衡的彈性應力的現(xiàn)象。殘余應力超過材料強度極限就會產(chǎn)生表面裂紋。(2)表面層金相組織變化(3)表面層產(chǎn)生殘余應力二、加工表面質(zhì)量對機器零件使用性能的影晌1．表面質(zhì)量對零件耐磨性的影響第一階段初期磨損階段第二階段正常磨損階段第三階段急劇磨損階段零件的磨損可分為三個階段

不是表面粗糙度值越小越耐磨，在一定工作條件下，摩擦副表面總是存在一個最佳表面粗糙度值，表面粗糙度Ra值約為0.32～0.25μm較好。表面粗糙度對摩擦副的影響二、加工表面質(zhì)量對機器零件使用性能的影晌1．表面質(zhì)量對零件耐

重裁情況下，由于壓強、分子親和力和潤滑液的儲存等因素的變化，其規(guī)律與上述有所不同。表面紋理方向對耐磨性的影響表面紋理方向影響金屬表面的實際接觸面積和潤滑液的存留情況。

輕載時，兩表面的紋理方向與相對運動方向一致時，磨損最??；當兩表面紋理方向與相對運動方向垂直時，磨損最大。

過度的加工硬化會使金屬組織疏松，甚至出現(xiàn)疲勞裂紋和產(chǎn)生剝落現(xiàn)象，從而使耐磨性下降。表面層的加工硬化對耐磨性的影響

由于加工硬化提高了表面層的強度，減少了表面進一步塑性變形和咬焊的可能。一般能提高耐磨性0.5～1倍。重裁情況下，由于壓強、分子親和力和潤滑液的儲

刀具主、副偏角表層殘余面積高度值；一般地，加工精度要求↑

，加工成本↑

，生產(chǎn)效率↓

。刀具主、副偏角表2．表面質(zhì)量對零件疲勞強度的影響

在交變載荷作用下，零件表面粗糙度、劃痕、裂紋等缺陷員易形成應力集中，并發(fā)展成疲勞裂紋，導致零件疲勞破壞。因此，對于重要零件表面如連桿、曲軸等，應進行光整加工，減小表面粗糙度值，提高其疲勞強度。

適當?shù)募庸び不茏璧K已有裂紋的繼續(xù)擴大和新裂紋的產(chǎn)生，有助于提高疲勞強度。但加工硬化程度過大，反而易產(chǎn)生裂紋，故加工硬化程度應控制在一定范圍內(nèi)。拉應力加劇疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展；殘余壓應力，能延緩疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴展，而使零件疲勞強度提高。表面殘余應力對疲勞強度的影響影響極大表面粗糙度的影響表面層的加工硬化對疲勞強度影響2．表面質(zhì)量對零件疲勞強度的影響在交變載荷作3．表面質(zhì)量對零件耐腐蝕性的影響殘余壓應力使零件表面緊密，腐蝕性物質(zhì)不易進入，可增強零件的耐腐蝕性；表面粗糙度的影響表面粗糙度值越大，越容易積聚腐蝕性物質(zhì)；波谷越深，滲透與腐蝕作用越強烈。零件的耐腐蝕性在很大程度上取決于表面粗糙度表面殘余應力對零件耐腐蝕性影響拉應力則降低耐腐蝕性3．表面質(zhì)量對零件耐腐蝕性的影響殘余壓應力使零件表面緊密，腐4．表面質(zhì)量對配合性質(zhì)的影響

表面殘余應力會引起零件變形，使零件形狀和尺寸發(fā)生變化，因此對配合性質(zhì)有一定的影響。相配零件間的配合關系是用過盈量或間隙值來表示的。表面粗糙度的影響

對間隙配合而言，表面粗糙度值太大，會使配合表面很快磨損而增大配合間隙，改變配合性質(zhì)，降低配合精度。

對過盈配合而言，裝配時配合表面的波峰被擠平，減小實際過盈量，降低了連接強度，影響了配合的可靠性。表面殘余應力的影響4．表面質(zhì)量對配合性質(zhì)的影響表面殘余應力刀尖圓弧半徑主偏角副偏角進給量

§3.2影響表面粗糙度的工藝因素及其改善措施表面粗糙度的形成和影響因素幾何因素物理因素兩方面一、切削加工表面粗糙度切削殘留面積的高度金相組織金相組織越大，粗糙度也越大；切削液的選用及刀具刃磨質(zhì)量刀尖圓弧半徑§3.2影響表面粗糙度的工藝因素及其改善幾何原因塑性變形機械加工振動二、磨削過程中表面粗糙度的形成1、形成因素切削用量砂輪的粒度和砂輪的修整情況(1)幾何原因1）切削用量對表面粗糙度的影響砂輪的速度↑

，單位時間內(nèi)的磨削量↑

，粗糙度↓

；工件的速度↑

，單位時間內(nèi)的磨削量↓

，粗糙度↑；砂輪縱向進給速度↑

，每部位重復磨削次數(shù)↑

，粗糙度↓。幾何原因二、磨削過程中表面粗糙度的形成1、形成因素切削用量(2）砂輪的粒度和砂輪的修整對表面粗糙度的影響砂輪的粒度磨粒的大小磨粒間的距離砂輪的粒度號↑

，參與磨削的磨粒↑

，粗糙度↓

；砂輪的粒度號越大，磨粒和磨粒間離越小修整砂輪時，縱向進給量對表面粗糙度的影響甚大；縱向進給量↓，砂輪表面的等高性越好，粗糙度↓；2）砂輪的粒度和砂輪的修整對表面粗糙度的影響砂輪的粒度磨粒的（2）金屬表面層的塑性變形

在磨削過程中，由于磨粒大多具有很大的負前角，很不鋒利，所以大多數(shù)磨粒在磨削時只是對表面產(chǎn)生擠壓作用而使表面出現(xiàn)塑性變形，磨削時的高溫更加劇了塑性變形，增大了表面粗糙度值。

砂輪轉速↑

，切削速度↑

，工件材料來不及變形，塑性變形↓，粗糙度↓

；工件轉速↑

，工件材料塑性變形↑，粗糙度↑；切削深度↑

，工件材料塑性變形↑，粗糙度↑；合理選用砂輪和切削液，有利于減少塑性變形

，精度粗糙度

；另外：（2）金屬表面層的塑性變形在磨削過程中，由于磨

對磨削表面粗糙度來說，振動是主要影響因素。振動產(chǎn)生的原因很多，將在后面講述。3．加工時的振動二、影響表面粗糙度的因素及其改進措施第一類是與磨削砂輪有關的因素第二類是與工件材質(zhì)有關的因素第三類是與加工條件有關的因素影響表面粗糙度的因素對磨削表面粗糙度來說，振動是主要影響因素。振

砂輪太硬，磨粒磨損后不易脫落，使工件表面受到強烈的摩擦和擠壓，增加了塑性變形，表面粗糙度值增大，同時還容易引起燒傷；砂輪太軟，磨粒易脫落，磨削作用減弱，也會增大表面粗糙度值。(1)與磨削砂輪有關的因素主要是砂輪的粒度、硬度以及對砂輪的修整等。

砂輪的粒度越細，則砂輪單位面積上的磨粒數(shù)越多，磨削表面的刻痕越細，表面粗糙度值越?。坏^度過細，砂輪易堵塞，使表面組糙度值增大，同時還易產(chǎn)生波紋和引起燒傷。砂輪的粒度要適度砂輪硬度要合適砂輪的硬度是指磨粒受磨削力后從砂輪上脫落的難易程度。砂輪太硬，磨粒磨損后不易脫落，使工件表面受越小，修出的微刃越多，等高性越好，粗糙度值低。砂輪的修整質(zhì)量修整工具修整砂輪的縱向進給量砂輪的修整質(zhì)量

砂輪的修整是用金剛石除去砂輪外層己鈍化的磨粒，使磨粒切削刃鋒利，降低磨削表面的表面粗糙度值。與這兩者有密切關系鋁、銅合金等軟材料易堵塞砂輪，比較難磨。塑性大、導熱性差的耐熱合金易使砂粒早期崩落，導致磨削表面粗糙度值增大。(2)與工件材質(zhì)有關的因素

包括材料的硬度、塑性、導熱性等。對表面粗糙度有顯著影響越小，修出的微刃越多，等高性越好，粗糙度值低。砂輪的修整質(zhì)量(3)與加工條件有關的因素包括磨削用量、冷卻條件及工藝系統(tǒng)的精度與抗振性等。(3)與加工條件有關的因素包括磨削用量、冷卻條件及工藝系統(tǒng)的

除了從上述幾個方面考慮采取措施外，還可從加工方法上著手改善，如用研磨、珩磨、超精加工、拋光等。切削液

砂輪磨削時溫度高，熱的作用占主導地位。采用切削液可以降低磨削區(qū)溫度，減少燒傷，沖去脫落的砂粒和切屑，以免劃傷工件，從而降低表面粗糙度度值。但必須選擇適當?shù)睦鋮s方法和切削液。減少加工表面的表面粗糙度的其它方法除了從上述幾個方面考慮采取措施外，還可從加工

§3.3影響零件表面層物理力學性能的因素及其改善措施

加工表面除受力變形外，還受到機械加工中產(chǎn)生的切削熱的影響。切削熱在一定條件下會使金屬在塑性變形中產(chǎn)生回復現(xiàn)象，使金屬失去加工硬化中所得到的物理力學性能，這種現(xiàn)象稱為軟化。一、表面層的加工硬化1．加工硬化的產(chǎn)生硬化軟化

機械加工過程中，工件表面后金屬受切削力作用，產(chǎn)生強烈的塑性變形、使金屬的晶格扭曲，晶粒被拉長、纖維化甚至破碎而引起的表面層的強度和硬度增加，塑性降低，物理性能（如密度、導電性、導熱性等）也有所變化。這種現(xiàn)象稱為加工硬化，又稱作冷作硬化或強化。

因此，金屬在加工過程中最后的加工硬化，取決于硬化速度與軟化速度的比率?！?.3影響零件表面層物理力學性能的因素及其改善措施1)表面層的顯微硬度HV2)硬化層深度h03)硬化程度N2．加工硬化的衡量指標HV0——金屬內(nèi)部的顯微硬度

磨削時，磨削深度和縱向進給速度↑

，磨削力↑

，塑性變形加劇，表面冷硬趨向↑

。4．影響加工硬化的因素1)切削力↑，塑性變形↑

，硬化程度和硬化層深度↑。如：切削時進給量↑

，切削力↑

，塑性變形程度↑

，硬化程度↑

；

刀具的刃口圓角和后刀面的磨損量增大，塑性變形↑，冷硬層深度和硬化程度隨之↑。1)表面層的顯微硬度HV2．加工硬化的衡量指標HV0——

各種機械加工方法在加工鋼件時表面加工硬化的情況如下表所示。2)切削溫度↑，軟化作用↑，冷硬作用↓。如：切削速度增大，會使切削溫度升高，有利于軟化；

磨削時提高磨削速度和縱向進給速度，有時會使磨削區(qū)產(chǎn)生較大熱量而使冷硬減弱。3)被加工材料的硬度低、塑性好，則切削時塑性變形越大，冷硬現(xiàn)象就越嚴重。各種機械加工方法在加工鋼件時表面加工硬化的情機械制造工藝學——機械加工表面質(zhì)量課件

二、表面層的殘余應力(1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應力(2)熱態(tài)塑性變形引起的殘余應力(3)金相組織變化引起的殘余應力l、表面層殘余應力及其產(chǎn)生的原因

表面層殘余應力

外部載荷去除后，工件表面層及其與基體材料的交界處仍殘存的互相平衡的應力。表面層殘余應力產(chǎn)生的原因(4)冷態(tài)塑性變形后比容積增大引起的殘余應力二、表面層的殘余應力(1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應力l、表(1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應力

表層的冷態(tài)塑性變形主要發(fā)生在Py的方向(刀具是副前角),表層金屬被壓薄的,按一般變形的規(guī)律,壓薄后的金屬,其另外兩個角度(長度、寬度）比如要增大，由于基體金屬的限制，結果產(chǎn)生壓應力—磨削

表層金屬的冷態(tài)塑性變形與切削方向相同,則刀具把切屑切離后,基部金屬必然要阻止其表層在切削方向冷態(tài)塑性變形而造成的收縮,使其維持與基部金屬同長,產(chǎn)生拉應力—車削里層產(chǎn)生殘余拉應力表面層產(chǎn)生殘余壓應力結果：(1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應力表層的冷態(tài)塑性變(2)熱態(tài)塑性變形引起的殘余應力

磨削溫度越高，熱塑性變形越大，殘余拉應力也越大，有時甚至產(chǎn)生裂紋。在切削熱作用下產(chǎn)生熱膨脹金屬基體溫度較低工件加工表面表層產(chǎn)生熱壓應力切削時切削過程結束時溫度下降，已產(chǎn)生熱塑性變形的表層收縮基體表層收縮結果表面產(chǎn)生殘余拉應力(2)熱態(tài)塑性變形引起的殘余應力磨削溫度越高(3)金相組織變化引起的殘余應力

如：馬氏體密度為7.75g/cm3>

珠光體密度為7.78g/cm3>

鐵素體密度為7.88g/cm3>奧氏體密度為7.96g/cm3；

切削時產(chǎn)生的高溫會引起表面層金相組織變化。因為不同的金屬組織，它們的密度不同，因而引起的殘余應力。以淬火鋼磨削為例淬火鋼原來的組織是馬氏體7.75g/cm3磨削加工后表層可能產(chǎn)生回火，馬氏體變?yōu)榍象w或索氏體密度增大而體積減小表面產(chǎn)生殘余拉應力導致結果（接近珠光體）計算？(3)金相組織變化引起的殘余應力如：馬氏體密度（4）冷態(tài)塑性變形后比容積增大引起的表面層壓應力金屬密度下降，比容積增大。金屬經(jīng)過冷態(tài)塑性變形后有相當部分的原子從其穩(wěn)定平衡的晶格位置被移動，結晶格子中原子排列不如原來緊密冷態(tài)塑性變形后結晶格子被扭曲熱加工中的鍛壓，其塑性變形有助于消除晶格組織間的缺陷，而使密度提高；機械加工表面必然產(chǎn)生壓應力；？？如何計算（4）冷態(tài)塑性變形后比容積增大引起的表面層壓應力金屬密度下降2、影響表面層殘余應力及磨削裂紋的因素

機械加上后表面層的殘余應力，是由冷態(tài)塑性變形、熱態(tài)塑性變形、冷態(tài)塑性變形比容積增大和金相組織變化這三方面原因引起的綜合結果。在一定條件下，其中某種或兩種因素可能起主導作用。磨削時起主導作用的是“熱”。磨削用量工件材料及熱處理規(guī)范首要因素影響磨削裂紋的因素2、影響表面層殘余應力及磨削裂紋的因素機械磨削碳鋼時，含碳量越高，越容易產(chǎn)生裂紋；當碳的質(zhì)量小于0.6％至0.7％時，幾乎不產(chǎn)生裂紋；淬火鋼晶界脆弱，滲碳、滲氮鋼受溫度影響大，磨削時易產(chǎn)生裂紋。

磨削用量對磨削裂紋影響

粗磨時，表面產(chǎn)生極淺的殘余壓應力，接著就是較深且較大的殘余拉應力，這說明表面產(chǎn)生了一薄層一次淬火層，下層是回火組織。

精細磨削時，溫度影響很小、更沒有金相組織變化，主要是冷態(tài)塑性變形的影響，故表面產(chǎn)生淺而小的殘余壓應力；

精磨時，熱塑性變形起了主導作用，表面產(chǎn)生很淺的殘余拉應力；磨削裂紋與工件材料及熱處理規(guī)范的關系磨削碳鋼時，含碳量越高，越容易產(chǎn)生裂紋；磨削用量對磨削裂紋三、表面層金相組織變化與磨削燒傷

對于磨削加工來說，由于單位面積上產(chǎn)生的切削熱比一般切削方法要大幾十倍，易使工件表面層的金相組織發(fā)生變化，從而使表面層的硬度和強度下降，產(chǎn)生殘余應力甚至引起顯微裂紋。這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。1．表面層金相組織變化與磨削燒傷原因

機械加工過積中，在工件的加工區(qū)及其鄰近的區(qū)域，溫度會急劇升高，當溫度超過工件材料金相組織變化的臨界點，就會發(fā)生金相組織變化。對于一般切削加工而言，溫度還不會上升到如此程度。磨削燒傷將嚴重地影響零件的使用性能。三、表面層金相組織變化與磨削燒傷對于磨削加工

1)如果工件表面層溫度未超過相變溫度。(一般中碳鋼為720℃，但超過馬氏體的轉變溫度(一般中碳鋼為300℃)，這時馬氏體將轉變?yōu)橛捕容^低的回火屈氏體或索氏體，這叫回火燒傷。

2)當工件表面層溫度超過相變溫度，如果這時有充分的切削液，則表面層將急冷形成二次淬火馬氏體，硬度比回火馬氏體高，但很薄，只有幾微米厚。其下為硬度較低的回火索氏體和屈氏體，導致表面層總的硬度降低，這稱為淬火燒傷。

3)當工件表面層溫度超過相變溫度，則馬氏體轉變?yōu)閵W氏體、如果這時無切削液，則表面硬度急劇下降，工件表層被退火，這種現(xiàn)象稱為退火燒傷。磨削時很容易產(chǎn)生這種現(xiàn)象。

磨淬火鋼時，在工件表面層上形成的瞬時高溫將使表面金屬產(chǎn)生以下三種金相組織變化：1)如果工件表面層溫度未超過相變溫度。(一般中碳鋼為2、影響磨削燒傷的因素及其改善措施盡可能減少磨削熱的產(chǎn)生；改善冷卻條件，盡量使產(chǎn)生的熱量少傳入工件。磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷可有兩個途徑：(1)合理選擇磨削用量(2)工件材料(3)砂輪的選擇(4)冷卻條件改善措施2、影響磨削燒傷的因素及其改善措施盡可能減少磨削熱的產(chǎn)生；磨

磨削深度↓，工件縱向進給量和工件速度↑

，砂輪與工件表面接觸時間相對↓，因而熱的作用時間↓

，磨削燒傷↓

。

為減輕燒傷而同時又保持高的生產(chǎn)率、一般選用較大的工件速度和較小的磨削深度。同時，為了彌補因增大工件速度而造成表面粗糙度值增大的缺陷，可以提高砂輪速度。(1)合理選擇磨削用量但：磨削深度↓，生產(chǎn)率↓；工件縱向進給量和工件速度↑，表面粗糙度值↑。實踐證明，同時提高砂輪速度和工件速度，可以避免燒傷。解決辦法：磨削深度↓，工件縱向進給量和工件速度↑，砂(2)工件材料

工件材料對磨削區(qū)溫度的影響主要取決于它的硬度、強度、韌性和熱導性。硬度、強度越高，韌性越大，磨削熱量越多；導熱性差的材料，如耐熱鋼、軸承鋼、不銹鋼等。在磨削時易產(chǎn)生燒傷

軟砂輪較好，對于硬度太高的砂輪，鈍化砂粒不易脫落，容易產(chǎn)生燒傷。(3)砂輪的選擇一般來說，選用粗粒度砂輪磨削，不容易產(chǎn)生燒傷。

砂輪結合劑最好采用具有一定彈性的材料，如樹脂、橡膠等。(2)工件材料工件材料對磨削區(qū)溫度的影響主要采用切削液帶走磨削區(qū)的熱量可以避免燒傷。(4)冷卻條件磨削時，一般冷卻效果較差，由于高速旋轉的砂輪表面上產(chǎn)生強大氣流層，實際上沒有多少切削液能進入磨削區(qū)。增加切削液的流量和壓力采用特殊噴嘴采用多孔性砂輪比較有效的冷卻方法將切削液大量地噴注在已經(jīng)離開磨削區(qū)的工件表面上。采用切削液帶走磨削區(qū)的熱量可以避免燒傷。(4)冷卻條件磨削時四、提高和改善零件表面層的物理力學性能的措施

因此，最終工序加工方法的選擇，須考慮零件的具體工作條件及零件可能產(chǎn)生的破壞形式。(一)零件破壞形式和最終工序的選擇

一般來說，零件表面殘余應力的數(shù)值及性質(zhì)主要取決于零件最終工序加工方法的選擇。1．疲勞破壞2．滑動磨損3．滾動磨損零件破壞形式零件表面層金屬的殘余應力將直接影響機器零件的使用性能。四、提高和改善零件表面層的物理力學性能的措施

從提高零件抵抗疲勞破壞的角度考慮，最終工序應選擇能在加工表面產(chǎn)生殘余壓應力的加工方法。1.疲勞破壞機器零件表面上局部產(chǎn)生微觀裂紋在交變載荷的作用下拉應力作用下原生裂紋擴大導致零件破壞滑動摩擦的機械作用物理化學方面的綜合作用2．滑動磨損指的是兩個零件作相對滑動，滑動面逐漸磨損的現(xiàn)象?；瑒幽p機理粘接磨損擴散磨損化學磨損從提高零件抵抗疲勞破壞的角度考慮，最終工序應

從提高零件抵抗滑動摩擦引起的磨損考慮，最終工序應選擇能在加工表面產(chǎn)生殘余拉應力的加工方法。從抵抗粘接磨損、擴散磨損、化學磨損考慮對殘余應力的性質(zhì)無特殊要求時，應盡量減小表面殘余應力值。滑動摩擦工作應力分布如圖所示。

當表面層的壓縮工作應力超過材料的許用應力時，將使表面層金屬磨損。改善措施從提高零件抵抗滑動摩擦引起的磨損考慮，最終工3．滾動磨損指的是兩個零件作相對滾動，滾動面將逐漸磨損的現(xiàn)象。滾動磨損來自滾動摩擦的機械作用物理化學方面綜合作用

從提高零件抵抗?jié)L動摩擦引起的磨損考慮，最終工序應選擇能在表面層下深h處產(chǎn)生壓應力的加工方法。

滾動磨損的決定性因素是表面層下深h處的最大拉應力。最終工序加工方法的選擇可參考下表3．滾動磨損指的是兩個零件作相對滾動，滾動面將逐漸磨損的現(xiàn)各種加工方法在工件表面殘留的內(nèi)應力情況。各種加工方法在工件表面殘留的內(nèi)應力情況。(二)表面強化工藝

由前述可知，表面質(zhì)量尤其是表面層的物理力學性能，對零件的使用性能及壽命影響很大，如果最終工序不能保證零件表面獲得預期的表面質(zhì)量要求，則可在工藝過程中增設表面強化工序，以改善表面性能。

表面強化工藝是指通過冷壓加工方法使表面層金屬發(fā)生冷態(tài)塑性變形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面層產(chǎn)生殘余壓應力。這種方法工藝簡單、成本低廉，應用廣泛。噴九強化滾壓加工液體磨料強化等表面強化常用工藝方法(二)表面強化工藝由前述可知，表面質(zhì)量尤其1．噴九強化

利用壓縮空氣或離心力將大量的珠丸(直徑為0.4～4mm)以高速打擊被加工零件表面，使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應力，可以顯著提高零件的疲勞強度。珠丸可以是鑄鐵或砂石，鋼丸更好。噴丸所用設備是壓縮空氣噴丸裝置或機械離心式噴丸裝置，這些裝置使珠丸能以35～50m／s的速度噴出。珠丸(直徑為0.4～4mm)高速(35～50m/s)打擊被加工零件表面使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應力應用

噴九加工主要用于強化形狀復雜的零件，如齒輪、連桿、曲軸等。零件經(jīng)噴九強化后，硬化層深度可達0.7mm，表面租糙度Ra值可由3.2減少到0.4，使用壽命可提高幾倍到幾十倍。1．噴九強化利用壓縮空氣或離心力將大量的珠2．滾壓加工

利用淬硬的滾壓工具(滾輪或滾珠)在常溫下對工件表面施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形，工件表面上原有的波峰被填充到相鄰的波谷中，以減小表面粗糙度值，并使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應力，從而提高零件的承裁能力和疲勞強度。方法滾壓工具波峰被填充到相鄰的波谷中表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應力

滾壓可以加工外圓、孔、平面及成形表面，通常在臥式車床、轉塔車床或自動車床上進行。功效表面層硬度一般可提高20％～40％；表面層金屬的耐疲勞強度可提高30％～50％。應用2．滾壓加工利用淬硬的滾壓工具(滾輪或滾珠滾壓加工應用實例1.彈性外圓滾壓工具彈簧主要用于控制壓力的大小為了提高強化效率，可以采用雙排滾壓工具，第一排滾珠直徑較小，作粗加工用，第二排滾珠直徑較大，作精加工用。2.孔滾壓工具小滾珠作粗加工用大滾珠作精加工用滾壓加工應用實例1.彈性外圓滾壓工具彈簧主要用于控制壓力的3．液體磨料強化

如圖所示，液體和磨料在400～800kPa下，經(jīng)過噴嘴高速噴出，射向工件表面，借磨粒的沖擊作用，磨平工件表面的表面粗糙度并碾壓金屬表面。液體磨料強化是利用液體和磨料的混合物強化工件表面的方法。方法

由于磨粒的沖擊和微量切削作用，使工件表面產(chǎn)生幾十微米的塑性變形層。加工后的工件表面層具有殘余壓應力，提高了工件的耐磨性、抗蝕性和疲勞強度。效果

液體磨料強化工藝最宜于加工復雜型面，如鍛摸、汽輪機葉片、螺旋槳、儀表零件和切削刀具等。應用3．液體磨料強化如圖所示，液體和磨料在400～§3.4工藝系統(tǒng)的振動1．自由振動2．強迫振動3．自激振動一、機械加工中的振動現(xiàn)象(一)機械振動的分類

自由振動指的是當系統(tǒng)受到初始干擾力作用而破壞了其平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)僅靠彈性恢復力來維持的振動。1．自由振動

在切削過程中，加工材料硬度不均或工件表面有缺陷，都會引起自由振動，但由于阻尼作用，振動將迅速減弱，因而對機械加工影響不大。振動的頻率就是系統(tǒng)的固有頻率；自由振動將逐漸衰減。由于系統(tǒng)中總存在阻尼特點產(chǎn)生原因本節(jié)主要討論機械加工過程中強迫振動和自激振動的規(guī)律。§3.4工藝系統(tǒng)的振動1．自由振動一、機械加工中的振既可指工藝系統(tǒng)以外也可指工藝系統(tǒng)內(nèi)部由刀具和工件組成的切削系統(tǒng)2．強迫振動強迫振動

由外界周期性激振力引起和維持的振動。外界

在—定條件下，由振動系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力激發(fā)和維持的一種穩(wěn)定的周期性振動稱為自激振動。質(zhì)量、彈簧和阻尼以外3．自激振動既可指工藝系統(tǒng)以外2．強迫振動強迫振動由外界周期性激(二)振動對機械加工的影響

(1)影響零件的表面質(zhì)量振動破壞了工藝系統(tǒng)的各種成形運動，使工件與刀具的相對位置發(fā)生周期性的改變，因而振動頻率低時產(chǎn)生波度，振動頻率高時將增大表面粗糙度值。

(2)影響生產(chǎn)率為了避免發(fā)生振動或減小振動，有時不得不降低切削用置，從而限制和影響生產(chǎn)率的提高。

(3)影響機床、夾具和刀具壽命振動使刀具受到附加動載荷，加速刀具磨損，有時甚至發(fā)生崩刃；同時振動使機床、夾具等零件的連接部分松動，從而增大間隙，降低剛度和精度，縮短其使用壽命。

(4)振動噪聲污染工作環(huán)境由于高頻振動會發(fā)出刺耳的尖叫聲，造成噪聲污染，危害操作者的身心健康。振動對加工質(zhì)量和生產(chǎn)率有很大影響，主要表現(xiàn)在:(二)振動對機械加工的影響(1)影響零件的表面質(zhì)量

通常，機械加工過程中產(chǎn)生的振動對機械加工來講是十分有害的。近來，對切削機理進行研究得到這樣的觀點，即在切削過程中，切屑不是根據(jù)刀尖與工件間的靜力學關系形成，而是由連續(xù)地產(chǎn)生與一次沖擊破壞機理相類似的動力學關系而形成的。因此，有人利用振動來更好地切削，如振動磨削、振動研拋、超聲波加工等，都是利用振動來提高表面質(zhì)量或生產(chǎn)率。振動的利用通常，機械加工過程中產(chǎn)生的振動對機械加工來講二、強迫振動如其它機床或機器的振動通過地基傳給正在進行加工的機床，引起工藝系統(tǒng)振動。1．強迫振動產(chǎn)生的原因強迫振動是由于機床外部和內(nèi)部振源的激振力所引發(fā)的振動。(1)系統(tǒng)外部的周期性激振力如齒輪嚙合時的沖擊、帶傳動中的帶厚不均或接頭不良、滾動軸承滾動體誤差、液壓系統(tǒng)中的沖擊現(xiàn)象以及往復運動部件換向時的慣性力等，都會引起強迫振動。(2)高速回轉零件的質(zhì)量不平衡引起的振動如砂輪、齒輪、電動機轉子、帶輪、聯(lián)軸器等旋轉件不平衡產(chǎn)生離心力而引起強迫振動。(3)傳動機構的缺陷和往復運動部件的慣性力引起的振動

有些加工方法如銑削、拉削及滾齒等，由于切削的不連續(xù)，導致切削力的周期性變化，引起強迫振動。(4)切削過程的間歇性

二、強迫振動如其它機床或機器的振動通過地基傳給正在進行加工的2．強迫振動的數(shù)學描述及特性

工藝系統(tǒng)是多自由度的振動系統(tǒng)，振動形態(tài)非常復雜。要精確地描述和解決多自由度的振動系統(tǒng)是很困難的，但就其某一特定的自由度而言，其振動特性與相應頻率的單自由度振動可簡化為單自由度系統(tǒng)來分析。

如圖，在加工中磨頭受周期性變化的干擾力產(chǎn)生擾動，由于磨頭系統(tǒng)的剛度遠比工件的剛度低，故可把磨削系統(tǒng)簡化為一個單自由度系統(tǒng)。以內(nèi)圓磨削為例2．強迫振動的數(shù)學描述及特性工藝系統(tǒng)是多自由度的振

m的受力情況如圖c所示，作用在m上的力有：與位移成正比的彈性恢復力kx，與運動速度成正比的粘性阻尼力δx’，簡諧激振力Fsinωt，則該系統(tǒng)的運動方程式為：磨頭簡化為一個等效質(zhì)量m；把質(zhì)量m支承在剛度為k的等效彈簧上；系統(tǒng)中存在的阻尼δ相當于與等效彈簧并聯(lián)；作用在m上的交變力假設為簡諧激振力Fsinωt。這樣就可以得到單自由度系統(tǒng)典型的動力學模型，如圖b所示。m的受力情況如圖c所示，作用在m上的

第一項(通解)為有阻尼的自由振動過程，如圖a所示，經(jīng)過一段時間后，這部分振動衰減為零。

第二項(特解)如圖b所示，是圓頻率等于激振圓頻率的強迫振動。第一項(通解)為有阻尼的自由振動過程，如圖a所

圖c為兩種解疊加后的振動過程。可以看到經(jīng)歷過渡過程以后，強迫振動是穩(wěn)定的振動過程。進入穩(wěn)態(tài)后的振動方程為：圖c為兩種解疊加后的振動過程?？梢钥吹浇?jīng)歷過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，而與系統(tǒng)的固有頻率無關。(3)強迫振動的幅值既與激振力的幅值有關，又與工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性有關。強迫振動的特性是：(1)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。強迫振動的特性是：(1)強迫振動機械制造工藝學——機械加工表面質(zhì)量課件

三、自激振動

切削加工時，在沒有周期性外力作用的情況下，有時刀具與工件之間也可能產(chǎn)生強烈的相對振動，并在工件的加工表面上殘留下明顯的、有規(guī)律的振紋。這種由振動系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力激發(fā)和維持的振動稱為自激振動，通常也稱為顫振。(一)自激振動的產(chǎn)生條件和特性處于切削過程中的工藝系統(tǒng)作用干擾力產(chǎn)生自由振動引起刀具和工件相對位置的變化切削力的波動這變化又引起工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動導致1、自激振動的產(chǎn)生三、自激振動切削加工時，在沒有周期性外力作用

自激振動系統(tǒng)是一個閉環(huán)反饋自控系統(tǒng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)把持續(xù)作用的能源能量轉變?yōu)榻蛔兞φ駝酉到y(tǒng)進行激振，振動系統(tǒng)的振動又控制切削過程產(chǎn)生激振力，以反饋制約進入振動系統(tǒng)的能量。組成的一個閉環(huán)系統(tǒng)2、自激振動的組成振動系統(tǒng)(工藝系統(tǒng))調(diào)節(jié)系統(tǒng)(切削過程)自激振動系統(tǒng)是一個閉環(huán)反饋自控系統(tǒng)，調(diào)節(jié)系3、自激振動的特性1)自激振動的頻率等于或接近系統(tǒng)的固有頻率，即由系統(tǒng)本身的參數(shù)所決定。2)自激振動是由外部激振力的偶然觸發(fā)而產(chǎn)生的一種不衰減運動，維持振動所需的交變力是由振動過程本身產(chǎn)生的，在切削過程中，停止切削運動，交變力也隨之消失，自激振動也就停止。3)自激振動能否產(chǎn)生和維持取決于每個振動周期內(nèi)攝入和消耗的能量。自激振動系統(tǒng)維持穩(wěn)定振動的條件是，在—個振動周期內(nèi)，從能源輸入到系統(tǒng)的能量(E＋)等于系統(tǒng)阻尼所消耗的能量(E－)。如果吸收能量大于消耗能量，則振動會不斷加強；如果吸收能量小于消耗能量．則振動將不斷衰減而被抑制。3、自激振動的特性1)自激振動的頻率等于或接近系統(tǒng)的固有頻率(二)自激振動的激振學說

切削過程中產(chǎn)生顫振的原因及機理很復雜，雖經(jīng)長期研究，目前尚無一種能闡明各種情況下產(chǎn)生顫振的理論。1．負摩擦激振學說2．再生顫振學說3．坐標聯(lián)系學說下面扼要介紹幾種比較公認的學說。(二)自激振動的激振學說切削過程中產(chǎn)生顫振的1．負摩擦激振學說

當?shù)毒哂捎谂既辉虍a(chǎn)生振動時，它將在平衡位置y0附近作往復運動，刀具與工件相對趨近時稱為切入（圖b中的ABC段)，相對脫離時稱為切出(圖b中的CDA段)。切人與切出時的最大和最小滑動速度分別為、和，它們各自對應的徑向切削分力分別為Fy1和Fy2。以車削加工為例將切削模型簡化為單自由度振動系統(tǒng)。刀具——等效質(zhì)量m、只作y方向運動。刀架等系統(tǒng)——剛度k。建立模型依據(jù)：負摩擦特性負摩擦特性曲線切削力隨滑動速度的增加而下降的特性。負摩擦特性用能量關系說明顫振的產(chǎn)生

穩(wěn)定切削時：刀尖處于y0位置，刀具和切屑的相對滑動速度為v1。F出＞

F入刀具作往復運動1．負摩擦激振學說當?shù)毒哂捎谂既辉虍a(chǎn)生振動時，

在切入的半個周期中，刀具運動方向與徑向切削分力Fy的方向(切屑流出方向)相反，故切屑對刀具做負功；

在切出的半個周期中，切屑對刀具做正功。

振動的形成

由圖b右下角可知，正功大于負功，其差值即為橢圓的面積。此即為一個振動周期中系統(tǒng)所獲得的能量補充，因而使振動得以維持。在切入的半個周期中，刀具運動方向與徑向切削分力2．再生顫振學說

在切削加工中，由于刀具的進給量一般不大，而刀具的副偏角又較小，因此，刀具必然與已切過的上一轉表面接觸，即產(chǎn)生重疊切削。

設砂輪寬度為B，工件進給量為f，工件前后相鄰兩轉的磨削區(qū)有重疊部分，其大小用重疊系數(shù)表示：正交切削時：2．再生顫振學說在切削加工中，由于刀具的進給

在穩(wěn)定切削過程中，由于偶然的擾動(如材料的硬疵點、加工余量不均勻或沖擊等)，工藝系統(tǒng)會產(chǎn)生一次自由振動，并在被加上表面上留下相應的振紋。當工件轉至下一轉時，由于切削到重疊部分的振紋使切削厚度發(fā)生變化，從而引起切削力的周期改變，使刀具產(chǎn)生振動，在加工表面留下新的振紋；這個振紋又影響到下一轉的切削，從而引起持續(xù)的再生顫振。再生顫振的產(chǎn)生過程類似于加工精度中毛坯誤差的復映在穩(wěn)定切削過程中，由于偶然的擾動(如材料的硬四、機械加工中振動的控制1、強迫振動的診斷方法消除或減弱產(chǎn)生機械振動的條件；改善工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性，增強工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性；采取各種消振減振裝置。機械加工中控制振動的途徑:(一)消除或減弱產(chǎn)生強迫振動的條件診斷依據(jù)強迫振動的頻率與激振力的頻率相等或是它的整數(shù)倍?；就緩?/p>

測出振動的頻率。四、機械加工中振動的控制1、強迫振動的診斷方法消除或減弱產(chǎn)生

較完善的方法：

對機床的振動信號進行功率譜分析、功率譜中的尖峰點對應的頻率就是機床振動的主要頻率。測定振動頻率的方法

簡單方法：數(shù)出工件表面的波紋數(shù)，然后根據(jù)切削速度計算出振動頻率。

高轉速（600r／min以上）零件必須進行平衡以減小和消除激振力；如砂輪、卡盤、電動機轉子及刀盤等。提高帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動及其他傳動結構的穩(wěn)定性，如采用完善的帶接頭、以斜齒輪或人字齒輪代替直齒輪等；使動力源與機床本體放在兩個分離的基礎上。2．消除或減弱產(chǎn)生強迫振動的條件1)減小激振力較完善的方法：對機床的振動信號進行功率

在選擇轉速時，盡可能使引起強迫振動的振源的頻率避開共振區(qū)。使工藝系統(tǒng)部件在準靜態(tài)區(qū)或慣性區(qū)運行，以免發(fā)生共振。2)調(diào)整振源頻率

不論哪種方式，都是用彈性隔振裝置將需防振的機床或部件與振源之間分開，使大部分振動被吸收，從而達到減小振源危害的目的，常用的隔振材料有橡皮、金屬彈簧、空氣彈簧、泡沫、乳膠、軟木、礦渣棉、木屑等。3)采取隔振措施隔振方式主動隔振阻止機床振源通過地基外傳；被動隔振阻止外干擾力通過地基傳給機床。在選擇轉速時，盡可能使引起強迫振動的振源的頻率(二)消除或減弱產(chǎn)生自激振動的條件切削進給量和切削深度與振幅的關系曲線表明，選較大的進給量和較小的切削深度有利于減小振動。1、合理選擇切削用量

從切削速度與振幅的關系曲線，可看出在低速或高速切削時，振動較小。(二)消除或減弱產(chǎn)生自激振動的條件切削進給量和切削深度與振幅2．合理選擇刀具幾何參數(shù)刀具幾何參數(shù)中對振動影響最大的是主偏角和前角。

主偏角增大，則垂直于加工表面方向的切削分力減小，實際切削寬度減小，故不易產(chǎn)生自振。如左圖所示，前角越大，切削力越小，振幅也小。

如右圖所示，主偏角＝90o時，振幅最??；主偏角＞90o，振幅增大。2．合理選擇刀具幾何參數(shù)刀具幾何參數(shù)中對振動影響最大的是主

適當減小刀具后角(a0＝2o～3o)，可以增大工件和刀具后刀面之間的摩擦阻尼；在后刀面磨出帶有負后角的消振棱，如圖所示。3．增加切削阻尼消振棱適當減小刀具后角(a0＝2o～3o)，可以(三)增強工藝系統(tǒng)抗振性和穩(wěn)定性的措施

首先要提高工藝系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的剛度，合理配置剛度主軸的位置，使小剛度主軸位于切削力和加工表面法線方向的夾角范圍之外。如調(diào)整主軸系統(tǒng)、進給系統(tǒng)的間隙，合理改變機床的結構，減小工件和刀具安裝中的懸伸長，車刀反裝切削等。1、提高工藝系統(tǒng)的剛度

其次是減輕工藝系統(tǒng)中各構件的質(zhì)量，因為質(zhì)量小的構件在受動載荷作用時慣力小。(三)增強工藝系統(tǒng)抗振性和穩(wěn)定性的措施首先要

工藝系統(tǒng)的阻尼主要來自零部件材料的內(nèi)阻尼、結合面上的摩擦阻尼以及其他附加阻尼。2．增大系統(tǒng)的阻尼選用阻尼比大的材料制造零件；把高阻尼的材料附加到零件上去，如圖所示的薄壁封砂的床身結構，可提高抗振性。增大系統(tǒng)的阻尼的方法增加摩擦阻尼，對于機床的活動結合面，可通過間隙調(diào)整施加預緊力增大摩擦；對于固定結合面應增加摩擦阻尼，如選用合理的加工方法、表面粗糙度等級、結合面上的比壓以及固定方式等。工藝系統(tǒng)的阻尼主要來自零部件材料的內(nèi)阻尼、(四)采用各種消振減振措施

如果不能從根本上消除產(chǎn)生機械振動的條件，又不能有效地提高工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性，為保證加工質(zhì)量和生產(chǎn)率，就要采用消振減振裝置。

(1)摩擦式減振器它是利用固體或液體的摩擦阻尼來消耗振動的能量。常用的減振裝置有：

如圖所示，通過阻尼套和主軸間隙中的粘性油的阻尼作用來減振。(四)采用各種消振減振措施如果不能從根本上

它是用彈性元件把一個附加質(zhì)量塊連接到振動系統(tǒng)中，利用附加質(zhì)量的動力作用，使彈性元件加在系統(tǒng)上的力與系統(tǒng)的激振力相抵消。(2)動力式消振器

如圖所示：在振動系統(tǒng)中增加了附加系統(tǒng)m2后，則變?yōu)閮勺杂啥认到y(tǒng)。只要參數(shù)m2、δ2及k2選取得合適，原系統(tǒng)的m1就不再振動，只有附加系統(tǒng)(減振器)m2在振動，從而達到減振目的。它是用彈性元件把一個附加質(zhì)量塊連接到振動系統(tǒng)(3)沖擊式減振器

它是由一個與振動系統(tǒng)剛性連接的殼體和一個在殼體內(nèi)自由沖擊的質(zhì)量塊所組成，當系統(tǒng)振動時，自由質(zhì)量塊反復沖擊殼體，以消耗振動能量，達到減振的目的。(3)沖擊式減振器它是由一個與振動系統(tǒng)剛

為了獲得最佳碰撞條件，希望振動體和沖擊塊都以最大的速度運動時碰撞，這樣會造成最大的能量損失。為達到成振的最佳效果，應保證質(zhì)量塊在殼體內(nèi)的間隙Δ，沖擊的材料要選密度大、彈性恢復系數(shù)大的材料制造。

沖擊式減振器雖有因碰撞產(chǎn)生噪聲的缺點，但由于具有結構簡單、質(zhì)量輕、體積小以及在較大的頻率范圍內(nèi)都適用的優(yōu)點，所以應用較廣。為了獲得最佳碰撞條件，希望振動體和沖擊塊都以第三章機械加工表面質(zhì)量概述

掌握機械加工中各種工藝因素對表面質(zhì)量影響的規(guī)律，并應用這些規(guī)律控制加工過程，以達到提高加工表面質(zhì)量、提高產(chǎn)品性能的目的。

實踐表明，零件的破壞一般總是從表面層開始的。產(chǎn)品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取決于其主要零件的表面質(zhì)量。研究機械加工表面質(zhì)量的目的機械產(chǎn)品的失效形式因設計不周而導致強度不夠；磨損、腐蝕和疲勞破壞。少數(shù)多數(shù)第三章機械加工表面質(zhì)量概述掌握§3.1機械加工表面質(zhì)量對零件使用性能的影響一、機械加工表面質(zhì)量的含義1．表面的幾何特征2．表面層物理力學、化學性能(1)表面粗糙度(2)表面波度(3)紋理方向(1)表面層加工硬化(冷作硬化)。(2)表面層金相組織變化。(3)表面層產(chǎn)生殘余應力?！?.1機械加工表面質(zhì)量對零件使用性能的影響一、機械加1、表面的幾何形狀特征

加工后表面形狀，總是以“峰”、“谷”的形式偏離其理想光滑表面。按偏離程度有宏觀和微觀之分。波距：峰與峰或谷與谷間的距離，以L表示；波高：峰與谷間的高度，以H表示。波距與波高L/H>1000時，屬于宏觀幾何形狀誤差；L/H<50時，屬于微觀形狀誤差，稱作表面粗糙度；L/H=50～1000時，稱作表面波度；主要是由機械加工過程中工藝系統(tǒng)低頻振動所引起。1、表面的幾何形狀特征加工后表面形狀，總是

紋理方向是指表面刀紋的方向，取決于表面形成所采用的機械加工方法。一般運動副或密封件對紋理方向有要求。

傷痕是指在加工表面?zhèn)€別位置出現(xiàn)的缺陷，如沙眼、氣孔、裂痕等。紋理方向是指表面刀紋的方向，取決于表面2、表面層物理力學、化學性能表示方法(1)表面金屬層的冷作硬化指工件在加工過程中，表面層金屬產(chǎn)生強烈的塑性變形，使工件加工表面層的強度和硬度都有所提高的現(xiàn)象。冷硬層深度h硬化程度N硬化程度：其中：H——加工后表面層的顯微硬度H0——材料原有的顯微硬度2、表面層物理力學、化學性能表示方法(1)表面金屬層的冷作硬(2)表面層金相組織變化(3)表面層產(chǎn)生殘余應力

指的是加工中，由于切削熱的作用引起表層金屬金相組織發(fā)生變化的現(xiàn)象。如磨削時常發(fā)生的磨削燒傷，大大降低表面層的物理機械性能。

指的是加工中，由于切削變形和切削熱的作用，工件表層及其基體材料的交界處產(chǎn)生相互平衡的彈性應力的現(xiàn)象。殘余應力超過材料強度極限就會產(chǎn)生表面裂紋。(2)表面層金相組織變化(3)表面層產(chǎn)生殘余應力二、加工表面質(zhì)量對機器零件使用性能的影晌1．表面質(zhì)量對零件耐磨性的影響第一階段初期磨損階段第二階段正常磨損階段第三階段急劇磨損階段零件的磨損可分為三個階段

不是表面粗糙度值越小越耐磨，在一定工作條件下，摩擦副表面總是存在一個最佳表面粗糙度值，表面粗糙度Ra值約為0.32～0.25μm較好。表面粗糙度對摩擦副的影響二、加工表面質(zhì)量對機器零件使用性能的影晌1．表面質(zhì)量對零件耐

重裁情況下，由于壓強、分子親和力和潤滑液的儲存等因素的變化，其規(guī)律與上述有所不同。表面紋理方向對耐磨性的影響表面紋理方向影響金屬表面的實際接觸面積和潤滑液的存留情況。

輕載時，兩表面的紋理方向與相對運動方向一致時，磨損最?。划攦杀砻婕y理方向與相對運動方向垂直時，磨損最大。

過度的加工硬化會使金屬組織疏松，甚至出現(xiàn)疲勞裂紋和產(chǎn)生剝落現(xiàn)象，從而使耐磨性下降。表面層的加工硬化對耐磨性的影響

由于加工硬化提高了表面層的強度，減少了表面進一步塑性變形和咬焊的可能。一般能提高耐磨性0.5～1倍。重裁情況下，由于壓強、分子親和力和潤滑液的儲

刀具主、副偏角表層殘余面積高度值；一般地，加工精度要求↑

，加工成本↑

，生產(chǎn)效率↓

。刀具主、副偏角表2．表面質(zhì)量對零件疲勞強度的影響

在交變載荷作用下，零件表面粗糙度、劃痕、裂紋等缺陷員易形成應力集中，并發(fā)展成疲勞裂紋，導致零件疲勞破壞。因此，對于重要零件表面如連桿、曲軸等，應進行光整加工，減小表面粗糙度值，提高其疲勞強度。

適當?shù)募庸び不茏璧K已有裂紋的繼續(xù)擴大和新裂紋的產(chǎn)生，有助于提高疲勞強度。但加工硬化程度過大，反而易產(chǎn)生裂紋，故加工硬化程度應控制在一定范圍內(nèi)。拉應力加劇疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展；殘余壓應力，能延緩疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴展，而使零件疲勞強度提高。表面殘余應力對疲勞強度的影響影響極大表面粗糙度的影響表面層的加工硬化對疲勞強度影響2．表面質(zhì)量對零件疲勞強度的影響在交變載荷作3．表面質(zhì)量對零件耐腐蝕性的影響殘余壓應力使零件表面緊密，腐蝕性物質(zhì)不易進入，可增強零件的耐腐蝕性；表面粗糙度的影響表面粗糙度值越大，越容易積聚腐蝕性物質(zhì)；波谷越深，滲透與腐蝕作用越強烈。零件的耐腐蝕性在很大程度上取決于表面粗糙度表面殘余應力對零件耐腐蝕性影響拉應力則降低耐腐蝕性3．表面質(zhì)量對零件耐腐蝕性的影響殘余壓應力使零件表面緊密，腐4．表面質(zhì)量對配合性質(zhì)的影響

表面殘余應力會引起零件變形，使零件形狀和尺寸發(fā)生變化，因此對配合性質(zhì)有一定的影響。相配零件間的配合關系是用過盈量或間隙值來表示的。表面粗糙度的影響

對間隙配合而言，表面粗糙度值太大，會使配合表面很快磨損而增大配合間隙，改變配合性質(zhì)，降低配合精度。

對過盈配合而言，裝配時配合表面的波峰被擠平，減小實際過盈量，降低了連接強度，影響了配合的可靠性。表面殘余應力的影響4．表面質(zhì)量對配合性質(zhì)的影響表面殘余應力刀尖圓弧半徑主偏角副偏角進給量

§3.2影響表面粗糙度的工藝因素及其改善措施表面粗糙度的形成和影響因素幾何因素物理因素兩方面一、切削加工表面粗糙度切削殘留面積的高度金相組織金相組織越大，粗糙度也越大；切削液的選用及刀具刃磨質(zhì)量刀尖圓弧半徑§3.2影響表面粗糙度的工藝因素及其改善幾何原因塑性變形機械加工振動二、磨削過程中表面粗糙度的形成1、形成因素切削用量砂輪的粒度和砂輪的修整情況(1)幾何原因1）切削用量對表面粗糙度的影響砂輪的速度↑

，單位時間內(nèi)的磨削量↑

，粗糙度↓

；工件的速度↑

，單位時間內(nèi)的磨削量↓

，粗糙度↑；砂輪縱向進給速度↑

，每部位重復磨削次數(shù)↑

，粗糙度↓。幾何原因二、磨削過程中表面粗糙度的形成1、形成因素切削用量(2）砂輪的粒度和砂輪的修整對表面粗糙度的影響砂輪的粒度磨粒的大小磨粒間的距離砂輪的粒度號↑

，參與磨削的磨?！?/p>

，粗糙度↓

；砂輪的粒度號越大，磨粒和磨粒間離越小修整砂輪時，縱向進給量對表面粗糙度的影響甚大；縱向進給量↓，砂輪表面的等高性越好，粗糙度↓；2）砂輪的粒度和砂輪的修整對表面粗糙度的影響砂輪的粒度磨粒的（2）金屬表面層的塑性變形

在磨削過程中，由于磨粒大多具有很大的負前角，很不鋒利，所以大多數(shù)磨粒在磨削時只是對表面產(chǎn)生擠壓作用而使表面出現(xiàn)塑性變形，磨削時的高溫更加劇了塑性變形，增大了表面粗糙度值。

砂輪轉速↑

，切削速度↑

，工件材料來不及變形，塑性變形↓，粗糙度↓

；工件轉速↑

，工件材料塑性變形↑，粗糙度↑；切削深度↑

，工件材料塑性變形↑，粗糙度↑；合理選用砂輪和切削液，有利于減少塑性變形

，精度粗糙度

；另外：（2）金屬表面層的塑性變形在磨削過程中，由于磨

對磨削表面粗糙度來說，振動是主要影響因素。振動產(chǎn)生的原因很多，將在后面講述。3．加工時的振動二、影響表面粗糙度的因素及其改進措施第一類是與磨削砂輪有關的因素第二類是與工件材質(zhì)有關的因素第三類是與加工條件有關的因素影響表面粗糙度的因素對磨削表面粗糙度來說，振動是主要影響因素。振

砂輪太硬，磨粒磨損后不易脫落，使工件表面受到強烈的摩擦和擠壓，增加了塑性變形，表面粗糙度值增大，同時還容易引起燒傷；砂輪太軟，磨粒易脫落，磨削作用減弱，也會增大表面粗糙度值。(1)與磨削砂輪有關的因素主要是砂輪的粒度、硬度以及對砂輪的修整等。

砂輪的粒度越細，則砂輪單位面積上的磨粒數(shù)越多，磨削表面的刻痕越細，表面粗糙度值越小；但較度過細，砂輪易堵塞，使表面組糙度值增大，同時還易產(chǎn)生波紋和引起燒傷。砂輪的粒度要適度砂輪硬度要合適砂輪的硬度是指磨粒受磨削力后從砂輪上脫落的難易程度。砂輪太硬，磨粒磨損后不易脫落，使工件表面受越小，修出的微刃越多，等高性越好，粗糙度值低。砂輪的修整質(zhì)量修整工具修整砂輪的縱向進給量砂輪的修整質(zhì)量

砂輪的修整是用金剛石除去砂輪外層己鈍化的磨粒，使磨粒切削刃鋒利，降低磨削表面的表面粗糙度值。與這兩者有密切關系鋁、銅合金等軟材料易堵塞砂輪，比較難磨。塑性大、導熱性差的耐熱合金易使砂粒早期崩落，導致磨削表面粗糙度值增大。(2)與工件材質(zhì)有關的因素

包括材料的硬度、塑性、導熱性等。對表面粗糙度有顯著影響越小，修出的微刃越多，等高性越好，粗糙度值低。砂輪的修整質(zhì)量(3)與加工條件有關的因素包括磨削用量、冷卻條件及工藝系統(tǒng)的精度與抗振性等。(3)與加工條件有關的因素包括磨削用量、冷卻條件及工藝系統(tǒng)的

除了從上述幾個方面考慮采取措施外，還可從加工方法上著手改善，如用研磨、珩磨、超精加工、拋光等。切削液

砂輪磨削時溫度高，熱的作用占主導地位。采用切削液可以降低磨削區(qū)溫度，減少燒傷，沖去脫落的砂粒和切屑，以免劃傷工件，從而降低表面粗糙度度值。但必須選擇適當?shù)睦鋮s方法和切削液。減少加工表面的表面粗糙度的其它方法除了從上述幾個方面考慮采取措施外，還可從加工

§3.3影響零件表面層物理力學性能的因素及其改善措施

加工表面除受力變形外，還受到機械加工中產(chǎn)生的切削熱的影響。切削熱在一定條件下會使金屬在塑性變形中產(chǎn)生回復現(xiàn)象，使金屬失去加工硬化中所得到的物理力學性能，這種現(xiàn)象稱為軟化。一、表面層的加工硬化1．加工硬化的產(chǎn)生硬化軟化

機械加工過程中，工件表面后金屬受切削力作用，產(chǎn)生強烈的塑性變形、使金屬的晶格扭曲，晶粒被拉長、纖維化甚至破碎而引起的表面層的強度和硬度增加，塑性降低，物理性能（如密度、導電性、導熱性等）也有所變化。這種現(xiàn)象稱為加工硬化，又稱作冷作硬化或強化。

因此，金屬在加工過程中最后的加工硬化，取決于硬化速度與軟化速度的比率。§3.3影響零件表面層物理力學性能的因素及其改善措施1)表面層的顯微硬度HV2)硬化層深度h03)硬化程度N2．加工硬化的衡量指標HV0——金屬內(nèi)部的顯微硬度

磨削時，磨削深度和縱向進給速度↑

，磨削力↑

，塑性變形加劇，表面冷硬趨向↑

。4．影響加工硬化的因素1)切削力↑，塑性變形↑

，硬化程度和硬化層深度↑。如：切削時進給量↑

，切削力↑

，塑性變形程度↑

，硬化程度↑

；

刀具的刃口圓角和后刀面的磨損量增大，塑性變形↑，冷硬層深度和硬化程度隨之↑。1)表面層的顯微硬度HV2．加工硬化的衡量指標HV0——

各種機械加工方法在加工鋼件時表面加工硬化的情況如下表所示。2)切削溫度↑，軟化作用↑，冷硬作用↓。如：切削速度增大，會使切削溫度升高，有利于軟化；

磨削時提高磨削速度和縱向進給速度，有時會使磨削區(qū)產(chǎn)生較大熱量而使冷硬減弱。3)被加工材料的硬度低、塑性好，則切削時塑性變形越大，冷硬現(xiàn)象就越嚴重。各種機械加工方法在加工鋼件時表面加工硬化的情機械制造工藝學——機械加工表面質(zhì)量課件

二、表面層的殘余應力(1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應力(2)熱態(tài)塑性變形引起的殘余應力(3)金相組織變化引起的殘余應力l、表面層殘余應力及其產(chǎn)生的原因

表面層殘余應力

外部載荷去除后，工件表面層及其與基體材料的交界處仍殘存的互相平衡的應力。表面層殘余應力產(chǎn)生的原因(4)冷態(tài)塑性變形后比容積增大引起的殘余應力二、表面層的殘余應力(1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應力l、表(1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應力

表層的冷態(tài)塑性變形主要發(fā)生在Py的方向(刀具是副前角),表層金屬被壓薄的,按一般變形的規(guī)律,壓薄后的金屬,其另外兩個角度(長度、寬度）比如要增大，由于基體金屬的限制，結果產(chǎn)生壓應力—磨削

表層金屬的冷態(tài)塑性變形與切削方向相同,則刀具把切屑切離后,基部金屬必然要阻止其表層在切削方向冷態(tài)塑性變形而造成的收縮,使其維持與基部金屬同長,產(chǎn)生拉應力—車削里層產(chǎn)生殘余拉應力表面層產(chǎn)生殘余壓應力結果：(1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應力表層的冷態(tài)塑性變(2)熱態(tài)塑性變形引起的殘余應力

磨削溫度越高，熱塑性變形越大，殘余拉應力也越大，有時甚至產(chǎn)生裂紋。在切削熱作用下產(chǎn)生熱膨脹金屬基體溫度較低工件加工表面表層產(chǎn)生熱壓應力切削時切削過程結束時溫度下降，已產(chǎn)生熱塑性變形的表層收縮基體表層收縮結果表面產(chǎn)生殘余拉應力(2)熱態(tài)塑性變形引起的殘余應力磨削溫度越高(3)金相組織變化引起的殘余應力

如：馬氏體密度為7.75g/cm3>

珠光體密度為7.78g/cm3>

鐵素體密度為7.88g/cm3>奧氏體密度為7.96g/cm3；

切削時產(chǎn)生的高溫會引起表面層金相組織變化。因為不同的金屬組織，它們的密度不同，因而引起的殘余應力。以淬火鋼磨削為例淬火鋼原來的組織是馬氏體7.75g/cm3磨削加工后表層可能產(chǎn)生回火，馬氏體變?yōu)榍象w或索氏體密度增大而體積減小表面產(chǎn)生殘余拉應力導致結果（接近珠光體）計算？(3)金相組織變化引起的殘余應力如：馬氏體密度（4）冷態(tài)塑性變形后比容積增大引起的表面層壓應力金屬密度下降，比容積增大。金屬經(jīng)過冷態(tài)塑性變形后有相當部分的原子從其穩(wěn)定平衡的晶格位置被移動，結晶格子中原子排列不如原來緊密冷態(tài)塑性變形后結晶格子被扭曲熱加工中的鍛壓，其塑性變形有助于消除晶格組織間的缺陷，而使密度提高；機械加工表面必然產(chǎn)生壓應力；？？如何計算（4）冷態(tài)塑性變形后比容積增大引起的表面層壓應力金屬密度下降2、影響表面層殘余應力及磨削裂紋的因素

機械加上后表面層的殘余應力，是由冷態(tài)塑性變形、熱態(tài)塑性變形、冷態(tài)塑性變形比容積增大和金相組織變化這三方面原因引起的綜合結果。在一定條件下，其中某種或兩種因素可能起主導作用。磨削時起主導作用的是“熱”。磨削用量工件材料及熱處理規(guī)范首要因素影響磨削裂紋的因素2、影響表面層殘余應力及磨削裂紋的因素機械磨削碳鋼時，含碳量越高，越容易產(chǎn)生裂紋；當碳的質(zhì)量小于0.6％至0.7％時，幾乎不產(chǎn)生裂紋；淬火鋼晶界脆弱，滲碳、滲氮鋼受溫度影響大，磨削時易產(chǎn)生裂紋。

磨削用量對磨削裂紋影響

粗磨時，表面產(chǎn)生極淺的殘余壓應力，接著就是較深且較大的殘余拉應力，這說明表面產(chǎn)生了一薄層一次淬火層，下層是回火組織。

精細磨削時，溫度影響很小、更沒有金相組織變化，主要是冷態(tài)塑性變形的影響，故表面產(chǎn)生淺而小的殘余壓應力；

精磨時，熱塑性變形起了主導作用，表面產(chǎn)生很淺的殘余拉應力；磨削裂紋與工件材料及熱處理規(guī)范的關系磨削碳鋼時，含碳量越高，越容易產(chǎn)生裂紋；磨削用量對磨削裂紋三、表面層金相組織變化與磨削燒傷

對于磨削加工來說，由于單位面積上產(chǎn)生的切削熱比一般切削方法要大幾十倍，易使工件表面層的金相組織發(fā)生變化，從而使表面層的硬度和強度下降，產(chǎn)生殘余應力甚至引起顯微裂紋。這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。1．表面層金相組織變化與磨削燒傷原因

機械加工過積中，在工件的加工區(qū)及其鄰近的區(qū)域，溫度會急劇升高，當溫度超過工件材料金相組織變化的臨界點，就會發(fā)生金相組織變化。對于一般切削加工而言，溫度還不會上升到如此程度。磨削燒傷將嚴重地影響零件的使用性能。三、表面層金相組織變化與磨削燒傷對于磨削加工

1)如果工件表面層溫度未超過相變溫度。(一般中碳鋼為720℃，但超過馬氏體的轉變溫度(一般中碳鋼為300℃)，這時馬氏體將轉變?yōu)橛捕容^低的回火屈氏體或索氏體，這叫回火燒傷。

2)當工件表面層溫度超過相變溫度，如果這時有充分的切削液，則表面層將急冷形成二次淬火馬氏體，硬度比回火馬氏體高，但很薄，只有幾微米厚。其下為硬度較低的回火索氏體和屈氏體，導致表面層總的硬度降低，這稱為淬火燒傷。

3)當工件表面層溫度超過相變溫度，則馬氏體轉變?yōu)閵W氏體、如果這時無切削液，則表面硬度急劇下降，工件表層被退火，這種現(xiàn)象稱為退火燒傷。磨削時很容易產(chǎn)生這種現(xiàn)象。

磨淬火鋼時，在工件表面層上形成的瞬時高溫將使表面金屬產(chǎn)生以下三種金相組織變化：1)如果工件表面層溫度未超過相變溫度。(一般中碳鋼為2、影響磨削燒傷的因素及其改善措施盡可能減少磨削熱的產(chǎn)生；改善冷卻條件，盡量使產(chǎn)生的熱量少傳入工件。磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷可有兩個途徑：(1)合理選擇磨削用量(2)工件材料(3)砂輪的選擇(4)冷卻條件改善措施2、影響磨削燒傷的因素及其改善措施盡可能減少磨削熱的產(chǎn)生；磨

磨削深度↓，工件縱向進給量和工件速度↑

，砂輪與工件表面接觸時間相對↓，因而熱的作用時間↓

，磨削燒傷↓

。

為減輕燒傷而同時又保持高的生產(chǎn)率、一般選用較大的工件速度和較小的磨削深度。同時，為了彌補因增大工件速度而造成表面粗糙度值增大的缺陷，可以提高砂輪速度。(1)合理選擇磨削用量但：磨削深度↓，生產(chǎn)率↓；工件縱向進給量和工件速度↑，表面粗糙度值↑。實踐證明，同時提高砂輪速度和工件速度，可以避免燒傷。解決辦法：磨削深度↓，工件縱向進給量和工件速度↑，砂(2)工件材料

工件材料對磨削區(qū)溫度的影響主要取決于它的硬度、強度、韌性和熱導性。硬度、強度越高，韌性越大，磨削熱量越多；導熱性差的材料，如耐熱鋼、軸承鋼、不銹鋼等。在磨削時易產(chǎn)生燒傷

軟砂輪較好，對于硬度太高的砂輪，鈍化砂粒不易脫落，容易產(chǎn)生燒傷。(3)砂輪的選擇一般來說，選用粗粒度砂輪磨削，不容易產(chǎn)生燒傷。

砂輪結合劑最好采用具有一定彈性的材料，如樹脂、橡膠等。(2)工件材料工件材料對磨削區(qū)溫度的影響主要采用切削液帶走磨削區(qū)的熱量可以避免燒傷。(4)冷卻條件磨削時，一般冷卻效果較差，由于高速旋轉的砂輪表面上產(chǎn)生強大氣流層，實際上沒有多少切削液能進入磨削區(qū)。增加切削液的流量和壓力采用特殊噴嘴采用多孔性砂輪比較有效的冷卻方法將切削液大量地噴注在已經(jīng)離開磨削區(qū)的工件表面上。采用切削液帶走磨削區(qū)的熱量可以避免燒傷。(4)冷卻條件磨削時四、提高和改善零件表面層的物理力學性能的措施

因此，最終工序加工方法的選擇，須考慮零件的具體工作條件及零件可能產(chǎn)生的破壞形式。(一)零件破壞形式和最終工序的選擇

一般來說，零件表面殘余應力的數(shù)值及性質(zhì)主要取決于零件最終工序加工方法的選擇。1．疲勞破壞2．滑動磨損3．滾動磨損零件破壞形式零件表面層金屬的殘余應力將直接影響機器零件的使用性能。四、提高和改善零件表面層的物理力學性能的措施

從提高零件抵抗疲勞破壞的角度考慮，最終工序應選擇能在加工表面產(chǎn)生殘余壓應力的加工方法。1.疲勞破壞機器零件表面上局部產(chǎn)生微觀裂紋在交變載荷的作用下拉應力作用下原生裂紋擴大導致零件破壞滑動摩擦的機械作用物理化學方面的綜合作