機(jī)械制造工程之12加工表面質(zhì)量2

1、第六章第六章 機(jī)械加工表面質(zhì)量機(jī)械加工表面質(zhì)量概概 述述 掌握機(jī)械加工中各種工藝因素對(duì)表面質(zhì)量影響的規(guī)律，并應(yīng)用這些規(guī)律控制加工過(guò)程，以達(dá)到提高加工表面質(zhì)量、提高產(chǎn)品性能的目的。 實(shí)踐表明，零件的破壞一般總是從表面層開(kāi)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(jī)械加工表面質(zhì)量的目的機(jī)械產(chǎn)品的失效形式因設(shè)計(jì)不周而導(dǎo)致強(qiáng)度不夠；磨損、腐蝕和疲勞破壞。 少數(shù)多數(shù)6.1 機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響一、機(jī)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(xué)、化學(xué)性能(1)表面粗糙度(2)表面波度(3)紋理方

2、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(yīng)力。 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(fǎng)表示；波高：峰與谷間的高度，以H 表示。 波距與波高L/H1000時(shí)，屬于宏觀幾何形狀誤差；L/H50時(shí)，屬于微觀形狀誤差，稱(chēng)作表面粗糙度；L/H=50 1000時(shí)，稱(chēng)作表面波度；主要是由機(jī)械加工過(guò)程中工藝系統(tǒng)低頻振動(dòng)所引起。 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(jī)械加工方法。一般運(yùn)動(dòng)副或密封件對(duì)紋理方向有要求。 傷痕 是指在加工表面?zhèn)€別位置

3、出現(xiàn)的缺陷，如沙眼、氣孔、裂痕等。2、表面層物理力學(xué)、化學(xué)性能表示方法(1)表面金屬層的冷作硬化 指工件在加工過(guò)程中，表面層金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，使工件加工表面層的強(qiáng)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：%1000 HHN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)表面層金相組織變化(3)表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)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(shí)常發(fā)生的磨削燒傷，大大降低表面層的物理機(jī)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(yīng)力的現(xiàn)象。殘余應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度極限

4、就會(huì)產(chǎn)生表面裂紋。二、加工表面質(zhì)量對(duì)機(jī)器零件使用性能的影晌1表面質(zhì)量對(duì)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(gè)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(gè)最佳表面粗糙度值，表面粗糙度Ra值約為0.320.25m較好。表面粗糙度對(duì)摩擦副的影響 重裁情況下，由于壓強(qiáng)、分子親和力和潤(rùn)滑液的儲(chǔ)存等因素的變化，其規(guī)律與上述有所不同。表面紋理方向?qū)δ湍バ缘挠绊懕砻婕y理方向影響金屬表面的實(shí)際接觸面積和潤(rùn)滑液的存留情況。 輕載時(shí)，兩表面的紋理方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向一致時(shí)，磨損最??；當(dāng)兩表面紋理方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向垂直時(shí)，磨損

5、最大。 過(guò)度的加工硬化會(huì)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(duì)耐磨性的影響 由于加工硬化提高了表面層的強(qiáng)度，減少了表面進(jìn)一步塑性變形和咬焊的可能。一般能提高耐磨性0.5 1倍。一般地，加工精度要求 ，加工成本 ，生產(chǎn)效率 。2表面質(zhì)量對(duì)零件疲勞強(qiáng)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(yīng)力集中，并發(fā)展成疲勞裂紋，導(dǎo)致零件疲勞破壞。因此，對(duì)于重要零件表面如連桿、曲軸等，應(yīng)進(jìn)行光整加工，減小表面粗糙度值，提高其疲勞強(qiáng)度。 適當(dāng)?shù)募庸び不茏璧K已有裂紋的繼續(xù)擴(kuò)大和新裂紋的產(chǎn)生，有助于提高疲勞強(qiáng)度。但加工硬化程度過(guò)大，反而易產(chǎn)生

6、裂紋，故加工硬化程度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。拉應(yīng)力加劇疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展；殘余壓應(yīng)力，能延緩疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展，而使零件疲勞強(qiáng)度提高。表面殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)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(duì)疲勞強(qiáng)度影響3表面質(zhì)量對(duì)零件耐腐蝕性的影響殘余壓應(yīng)力使零件表面緊密，腐蝕性物質(zhì)不易進(jìn)入，可增強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)力對(duì)零件耐腐蝕性影響拉應(yīng)力則降低耐腐蝕性 4表面質(zhì)量對(duì)配合性質(zhì)的影響 表面殘余應(yīng)力會(huì)引起零件變形，使零件形狀和尺寸發(fā)生變化，因此對(duì)配合性質(zhì)有一

7、定的影響。相配零件間的配合關(guān)系是用過(guò)盈量或間隙值來(lái)表示的。表面粗糙度的影響 對(duì)間隙配合而言，表面粗糙度值太大，會(huì)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(duì)過(guò)盈配合而言，裝配時(shí)配合表面的波峰被擠平，減小實(shí)際過(guò)盈量，降低了連接強(qiáng)度，影響了配合的可靠性。表面殘余應(yīng)力的影響刀尖圓弧半徑主偏角副偏角進(jìn)給量 6.2 影響表面粗糙度的工藝因素及其改善措施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)量圖p233幾何原因塑性變形機(jī)械加工振動(dòng)二、磨削

8、過(guò)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(duì)表面粗糙度的影響砂輪的速度 ，單位時(shí)間內(nèi)的磨削量 ，粗糙度 ；工件的速度 ，單位時(shí)間內(nèi)的磨削量 ，粗糙度 ；砂輪縱向進(jìn)給速度 ，每部位重復(fù)磨削次數(shù) ，粗糙度。2）砂輪的粒度和砂輪的修整對(duì)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(hào) ，參與磨削的磨粒 ，粗糙度 ；砂輪的粒度號(hào)越大，磨粒和磨粒間離越小修整砂輪時(shí)，縱向進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響甚大；縱向進(jìn)給量 ，砂輪表面的等高性越好 ，粗糙度 ；（2）金屬表面層的塑性變形 在磨削過(guò)程中，由于磨粒大多具有很大的負(fù)前角，很不鋒利，所以大多數(shù)磨

9、粒在磨削時(shí)只是對(duì)表面產(chǎn)生擠壓作用而使表面出現(xiàn)塑性變形，磨削時(shí)的高溫更加劇了塑性變形，增大了表面粗糙度值。 砂輪轉(zhuǎn)速 ，切削速度 ，工件材料來(lái)不及變形，塑性變形，粗糙度 ；工件轉(zhuǎn)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： 對(duì)磨削表面粗糙度來(lái)說(shuō)，振動(dòng)是主要影響因素。振動(dòng)產(chǎn)生的原因很多，將在后面講述。3加工時(shí)的振動(dòng)二、影響表面粗糙度的因素及其改進(jìn)措施第一類(lèi)是與磨削砂輪有關(guān)的因素第二類(lèi)是與工件材質(zhì)有關(guān)的因素第三類(lèi)是與加工條件有關(guān)的因素影響表面粗糙度的因素 砂輪太硬，磨粒磨損后不易脫落，使工件表面受到強(qiáng)

10、烈的摩擦和擠壓，增加了塑性變形，表面粗糙度值增大，同時(shí)還容易引起燒傷； 砂輪太軟，磨粒易脫落，磨削作用減弱，也會(huì)增大表面粗糙度值。(1)與磨削砂輪有關(guān)的因素主要是砂輪的粒度、硬度以及對(duì)砂輪的修整等。 砂輪的粒度越細(xì)，則砂輪單位面積上的磨粒數(shù)越多，磨削表面的刻痕越細(xì)，表面粗糙度值越??；但較度過(guò)細(xì)，砂輪易堵塞，使表面組糙度值增大，同時(shí)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。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(jìn)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

11、鋒利，降低磨削表面的表面粗糙度值。與這兩者有密切關(guān)系鋁、銅合金等軟材料易堵塞砂輪，比較難磨。塑性大、導(dǎo)熱性差的耐熱合金易使砂粒早期崩落，導(dǎo)致磨削表面粗糙度值增大。 (2)與工件樹(shù)質(zhì)有關(guān)的因素 包括材料的硬度、塑性、導(dǎo)熱性等。對(duì)表面粗糙度有顯著影響(3)與加工條件有關(guān)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。 除了從上述幾個(gè)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(shí)溫度高，熱的作用占主導(dǎo)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(dāng)?shù)睦鋮s方法和切削液。減

12、少加工表面的表面粗糙度的其它方法 6.3 影響零件表面層物理力學(xué)性能的因素及其改善措施影響零件表面層物理力學(xué)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(jī)械加工中產(chǎn)生的切削熱的影響。切削熱在一定條件下會(huì)使金屬在塑性變形中產(chǎn)生回復(fù)現(xiàn)象，使金屬失去加工硬化中所得到的物理力學(xué)性能，這種現(xiàn)象稱(chēng)為軟化。一、表面層的加工硬化一、表面層的加工硬化1加工硬化的產(chǎn)生硬化軟化 機(jī)械加工過(guò)程中，工件表面后金屬受切削力作用，產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形、使金屬的晶格扭曲，晶粒被拉長(zhǎng)、纖維化甚至破碎而引起的表面層的強(qiáng)度和硬度增加，塑性降低，物理性能（如密度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等）也有所變化。這種現(xiàn)象稱(chēng)為加工硬化，又稱(chēng)作冷作硬

13、化或強(qiáng)化。 因此，金屬在加工過(guò)程中最后的加工硬化，取決于硬化速度與軟化速度的比率。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(biāo) HV0 金屬原來(lái)的顯微硬度 磨削時(shí)，磨削深度和縱向進(jìn)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(shí)進(jìn)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 。 各種機(jī)械加工方法在加工鋼件時(shí)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(huì)使切削溫度升高

14、，有利于軟化； 磨削時(shí)提高磨削速度和縱向進(jìn)給速度，有時(shí)會(huì)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(shí)塑性變形越大，冷硬現(xiàn)象就越嚴(yán)重。 二、表面層的殘余應(yīng)力二、表面層的殘余應(yīng)力(1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力 (2)熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力(3)金相組織變化引起的殘余應(yīng)力l、表面層殘余應(yīng)力及其產(chǎn)生的原因 表面層殘余應(yīng)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(yīng)力。表面層殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因(1)冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力 當(dāng)?shù)毒邚谋患庸け砻嫔先コ饘贂r(shí)，由于后刀面的擠、壓和摩擦作用，加大了表面層伸長(zhǎng)的塑性變形，表面層的伸長(zhǎng)變形受到基體金

15、屬的限制，也在表面層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力。 在切削力作用下，已加工表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形。表面層金屬比容增大，體積膨脹，與它相連的里層金屬的阻止其體積膨脹；里層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力結(jié)果：結(jié)果：(2)熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力 磨削溫度越高，熱塑性變形越大，殘余拉應(yīng)力也越大，有時(shí)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(yīng)力切削時(shí)切削過(guò)程結(jié)束時(shí)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(jié)結(jié)果果表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力(3)金相組織變化引起的殘余應(yīng)力 如：馬氏體密度為7.75 g/cm3，奧氏體密度為7.96 g/cm3， 珠光體密度為7.78 g/c

16、m3，鐵索體密度為7.88 g/cm3； 切削時(shí)產(chǎn)生的高溫會(huì)引起表面層金相組織變化。因?yàn)椴煌慕饘俳M織，它們的密度不同，因而引起的殘余應(yīng)力。以淬火鋼磨削為例淬火鋼原來(lái)的組織是馬氏體7.75 g/cm3磨削加工后表層可能產(chǎn)生回火，馬氏體變?yōu)橹楣怏w7.78 g/cm3密度增大而體積減小表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)果2 、 影響表面層殘余應(yīng)力及磨削裂紋的因素 機(jī)械加上后表面層的殘余應(yīng)力，是由冷態(tài)塑性變形、熱態(tài)塑性變形和金相組織變化這三方面原因引起的綜合結(jié)果。在一定條件下，其中某種或兩種因素可能起主導(dǎo)作用。磨削時(shí)起主導(dǎo)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磨削碳鋼時(shí)，含碳量

17、越高，越容易產(chǎn)生裂紋；當(dāng)碳的質(zhì)量小于0.6至0.7時(shí)，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(shí)易產(chǎn)生裂紋。 磨削用量對(duì)磨削裂紋影響 粗磨時(shí)，表面產(chǎn)生極淺的殘余壓應(yīng)力，接著就是較深且較大的殘余拉應(yīng)力，這說(shuō)明表面產(chǎn)生了一薄層一次淬火層，下層是回火組織。 精細(xì)磨削時(shí)，溫度影響很小、更沒(méi)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(yīng)力； 精磨時(shí)，熱塑性變形起了主導(dǎo)作用，表面產(chǎn)生很淺的殘余拉應(yīng)力；磨削裂紋與工件材料及熱處理規(guī)范的關(guān)系三、表面層金相組織變化與磨削燒傷 對(duì)于磨削加工來(lái)說(shuō)，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

18、發(fā)生變化，從而使表面層的硬度和強(qiáng)度下降，產(chǎn)生殘余應(yīng)力甚至引起顯微裂紋。這種現(xiàn)象稱(chēng)為磨削燒傷磨削燒傷。 1表面層金相組織變化與磨削燒傷原因 機(jī)械加工過(guò)積中，在工件的加工區(qū)及其鄰近的區(qū)域，溫度會(huì)急劇升高，當(dāng)溫度超過(guò)工件材料金相組織變化的臨界點(diǎn)，就會(huì)發(fā)生金相組織變化。對(duì)于一般切削加工而言，溫度還不會(huì)上升到如此程度。磨削燒傷將嚴(yán)重地影響零件的使用性能。 1)如果工件表面層溫度未超過(guò)相變溫度。(一般中碳鋼為720 ，但超過(guò)馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度(一般中碳鋼為300)，這時(shí)馬氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕容^低的回火屈氏體或索氏體，這叫回火燒傷。 2)當(dāng)工件表面層溫度超過(guò)相變溫度，如果這時(shí)有充分的切削液，則表面層將急冷形成二次

19、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(dǎo)致表面層總的硬度降低，這稱(chēng)為淬火燒傷。 3)當(dāng)工件表面層溫度超過(guò)相變溫度，則馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體、如果這時(shí)無(wú)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(chēng)為退火燒傷。磨時(shí)很容易產(chǎn)生這種現(xiàn)象。 磨淬火鋼時(shí)，在工件表面層上形成的瞬時(shí)高溫將使表面金屬產(chǎn)生以下三種金相組織變化：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(gè)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

20、磨削深度，工件縱向進(jìn)給量和工件速度 ，砂輪與工件表面接觸時(shí)間相對(duì)，因而熱的作用時(shí)間 ，磨削燒傷 。 為減輕燒傷而同時(shí)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(shí)，為了彌補(bǔ)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(jìn)給量和工件速度，表面粗糙度值。實(shí)踐證明，同時(shí)提高砂輪速度和工件速度，可以避免燒傷。解決辦法：(2)工件材料 工件材料對(duì)磨削區(qū)溫度的影響主要取決于它的硬度、強(qiáng)度、韌性和熱導(dǎo)性。硬度、強(qiáng)度越高，韌性越大，磨削熱量越多；導(dǎo)熱性差的材料，如耐熱鋼、軸承鋼、不銹鋼等。在磨削時(shí)易產(chǎn)生燒傷 軟砂輪較好，對(duì)于硬

21、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(lái)說(shuō)，選用粗粒度砂輪磨削，不容易產(chǎn)生燒傷。 砂輪結(jié)合劑最好采用具有一定彈性的材料，如樹(shù)脂、橡膠等。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(shí)，一般冷卻效果較差，由于高速旋轉(zhuǎn)的砂輪表面上產(chǎn)生強(qiáng)大氣流層，實(shí)際上沒(méi)有多少切削液能進(jìn)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(kāi)磨削區(qū)的工件表面上。四、提高和改善零件表面層的物理力學(xué)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(lái)

22、說(shuō)，零件表面殘余應(yīng)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(dòng)磨損3滾動(dòng)磨損零件破壞形式零件表面層金屬的殘余應(yīng)力將直接影響機(jī)器零件的使用性能。 從提高零件抵抗疲勞破壞的角度考慮，最終工序應(yīng)選擇能在加工表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的加工方法。1. 疲勞破壞機(jī)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(yīng)力作用下原生裂紋擴(kuò)大導(dǎo)致零件破壞滑動(dòng)摩擦的機(jī)械作用物理化學(xué)方面的綜合作用2滑動(dòng)磨損指的是兩個(gè)零件作相對(duì)滑動(dòng)，滑動(dòng)面逐漸磨損的現(xiàn)象?；瑒?dòng)磨損機(jī)理粘接磨損擴(kuò)散磨損化學(xué)磨損 從提高零件抵抗滑動(dòng)摩擦引起的磨損考慮，最終工序應(yīng)選擇能在加工表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的加工方法。 從

23、抵抗粘接磨損、擴(kuò)散磨損、化學(xué)磨損考慮對(duì)殘余應(yīng)力的性質(zhì)無(wú)特殊要求時(shí)，應(yīng)盡量減小表面殘余應(yīng)力值?；瑒?dòng)摩擦工作應(yīng)力分布如圖所示。 當(dāng)表面層的壓縮工作應(yīng)力超過(guò)材料的許用應(yīng)力時(shí)，將使表面層金屬磨損。改善措施 3滾動(dòng)磨損指的是兩個(gè)零件作相對(duì)滾動(dòng)，滾動(dòng)面將逐漸磨損的現(xiàn)象。滾動(dòng)磨損來(lái)自滾動(dòng)摩擦的機(jī)械作用物理化學(xué)方面綜合作用 從提高零件抵抗?jié)L動(dòng)摩擦引起的磨損考慮，最終工序應(yīng)選擇能在表面層下深h處產(chǎn)生壓應(yīng)力的加工方法。 滾動(dòng)磨損的決定性因素是表面層下深h處的最大拉應(yīng)力。最終工序加工方法的選擇可參考下表各種加工方法在工件表面殘留的內(nèi)應(yīng)力情況。 (二)表面強(qiáng)化工藝 由前述可知，表面質(zhì)量尤其是表面層的物理力學(xué)性能，對(duì)零

24、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(yù)期的表面質(zhì)量要求，則可在工藝過(guò)程中增設(shè)表面強(qiáng)化工序，以改善表面性能。 表面強(qiáng)化工藝是指通過(guò)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(yīng)力。這種方法工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，應(yīng)用廣泛。噴九強(qiáng)化滾壓加工液體磨料強(qiáng)化等表面強(qiáng)化常用工藝方法 1噴九強(qiáng)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(yīng)力，可以顯著提高零件的疲勞強(qiáng)度。珠丸可以是鑄鐵或砂石，鋼丸更好。噴丸所用設(shè)備是壓縮空氣噴丸裝置或機(jī)械離心式噴丸裝置，這些裝置使珠丸能以3

25、5 50ms的速度噴出。珠丸(直徑為0.4 4mm)高速(35 50 m/s)打擊被加工零件表面使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力方法概要 噴九加工主要用于強(qiáng)化形狀復(fù)雜的零件，如齒輪、連桿、曲軸等。零件經(jīng)噴九強(qiáng)化后，硬化層深度可達(dá)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。應(yīng)用 噴九加工主要用于強(qiáng)化形狀復(fù)雜的零件，如齒輪、連桿、曲軸等。零件經(jīng)噴九強(qiáng)化后，硬化層深度可達(dá)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。 2滾壓加工 利用淬硬的滾壓工具(滾輪或滾珠)在常溫下對(duì)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

26、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(yīng)力，從而提高零件的承裁能力和疲勞強(qiáng)度。F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(yīng) 力 滾壓可以加工外圓、孔、平面及成形表面，通常在臥式車(chē)床、轉(zhuǎn)塔車(chē)床或自動(dòng)車(chē)床上進(jìn)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(qiáng)度可提高30 50。應(yīng)用滾壓加工應(yīng)用實(shí)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(qiáng)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3液體磨料強(qiáng)化 如圖所示，液體和磨料在4

27、00 800kPa下，經(jīng)過(guò)噴嘴高速?lài)姵?，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(qiáng)化是利用液體和磨料的混合物強(qiáng)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(yīng)力，提高了工件的耐磨性、抗蝕性和疲勞強(qiáng)度。效果 液體磨料強(qiáng)化工藝最宜于加工復(fù)雜型面，如鍛摸、汽輪機(jī)葉片、螺旋槳、儀表零件和切削刀具等。應(yīng)用12.4 工藝系統(tǒng)的振動(dòng)工藝系統(tǒng)的振動(dòng)1自由振動(dòng)2強(qiáng)迫振動(dòng)3自激振動(dòng)一、機(jī)械加工中的振動(dòng)現(xiàn)象(一) 機(jī)械振動(dòng)的分類(lèi) 自由振動(dòng)指的是當(dāng)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(fù)

28、力來(lái)維持的振動(dòng)。 1自由振動(dòng) 在切削過(guò)程中，加工材料硬度不均或工件表面有缺陷，都會(huì)引起自由振動(dòng)，但由于阻尼作用，振動(dòng)將迅速減弱，因而對(duì)機(jī)械加工影響不大。振動(dòng)的頻率就是系統(tǒng)的固有頻率；自由振動(dòng)將逐漸衰減。由于系統(tǒng)中總存在阻尼特點(diǎn)產(chǎn)生原因本節(jié)主要討論機(jī)械加工過(guò)程中強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的規(guī)律。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(qiáng)迫振動(dòng)強(qiáng)迫振動(dòng) 由外界周期性激振力引起和維持的振動(dòng)。外界 在定條件下，由振動(dòng)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(dòng)稱(chēng)為自激振動(dòng)。質(zhì)量、彈簧和阻尼以外3自激振動(dòng)(二)振動(dòng)對(duì)機(jī)械加工的影響 (1)影響零件的表面質(zhì)量 振動(dòng)破壞了工藝系統(tǒng)的各

29、種成形運(yùn)動(dòng)，使工件與刀具的相對(duì)位置發(fā)生周期性的改變，因而振動(dòng)頻率低時(shí)產(chǎn)生波度，振動(dòng)頻率高時(shí)將增大表面粗循度值。 (2)影響生產(chǎn)率 為了避免發(fā)生振動(dòng)或減小振動(dòng)，有時(shí)不得不降低切削用置，從而限制和影內(nèi)生產(chǎn)率的提高。 (3)影響機(jī)床、夾具和刀具壽命 振動(dòng)使刀具受到附加動(dòng)載荷，加速刀具磨損，有時(shí)甚至發(fā)生崩刃；同時(shí)振動(dòng)使機(jī)床、夾具等零件的連接部分松動(dòng)，從而增大間隙，降低剛度和精度，縮短其使用壽命。 (4)振動(dòng)噪聲污染工作環(huán)境 由于高頻振動(dòng)會(huì)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(dòng)對(duì)加工質(zhì)量和生產(chǎn)率有很大影響，主要表現(xiàn)在: 通常，機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)機(jī)械加工來(lái)講是十分有害的。 近來(lái)

30、，對(duì)切削機(jī)理進(jìn)行研究得到這樣的觀點(diǎn)，即在切削過(guò)程中，切屑不是根據(jù)刀尖與工件問(wèn)的靜力學(xué)關(guān)系形成，而是由連續(xù)地產(chǎn)生與一次沖擊破壞機(jī)理相類(lèi)似的動(dòng)力學(xué)關(guān)系而形成的。因此，有人利用振動(dòng)來(lái)更好地切削，如振動(dòng)磨削、振動(dòng)研拋、超聲波加工等，都是利用振動(dòng)來(lái)提高表面質(zhì)量或生產(chǎn)率。振動(dòng)的利用二、強(qiáng)迫振動(dòng)如其它機(jī)床或機(jī)器的振動(dòng)通過(guò)地基傳給正在進(jìn)行加工的機(jī)床，引起工藝系統(tǒng)振動(dòng)。1強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生的原因強(qiáng)迫振動(dòng)是由于機(jī)床外部和內(nèi)部振源的激振力所引發(fā)的振動(dòng)。(1)系統(tǒng)外部的周期性激振力如齒輪嚙合時(shí)的沖擊、帶傳功中的帶厚不均或接頭不良、滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體誤差、液壓系統(tǒng)中的沖擊現(xiàn)象以及往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件換向時(shí)的慣性力等，都會(huì)引起強(qiáng)迫振動(dòng)。(

31、2)高速回轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)如砂輪、齒輪、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、帶輪、聯(lián)鈾器等旋轉(zhuǎn)件不平衡產(chǎn)生離心力而引起強(qiáng)迫振動(dòng)。 (3)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的缺陷和往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件的慣性力引起的振動(dòng) 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(dǎo)致切削力的周期性變化，引起強(qiáng)迫振動(dòng)。 (4)切削過(guò)程的間歇性 2強(qiáng)迫振動(dòng)的數(shù)學(xué)描述及特性 工藝系統(tǒng)是多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，振動(dòng)形態(tài)非常復(fù)雜。要精確地描述和解決多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)是很困難的，但就其某一特定的自由度而言，其振動(dòng)特性與相應(yīng)頻率的單自由度振動(dòng)可簡(jiǎn)化為單自由度系統(tǒng)來(lái)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(dòng)，由于磨頭系統(tǒng)的剛度遠(yuǎn)比工件的剛度低，故可把磨削系

32、統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由度系統(tǒng)。以?xún)?nèi)圓磨削為例 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(fù)力kx，與運(yùn)動(dòng)速度成正比的粘性阻尼力x ，簡(jiǎn)諧激振力Fsint ，則該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為：為此，把磨頭簡(jiǎn)化為一個(gè)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)中存在的阻尼相當(dāng)于與等效彈簧并聯(lián) ；作用在m上的交變力假設(shè)為簡(jiǎn)諧激振力Fsint。這樣就可以得到單自由度系統(tǒng)典型的動(dòng)力學(xué)模型，如圖b所示。 第一項(xiàng)(通解)為有阻尼的自由振動(dòng)過(guò)程，如圖a所示，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，這部分振動(dòng)衰減為零。 第二項(xiàng)(特解)如圖b所示，是圓頻率等于激振圓頻率的強(qiáng)迫振動(dòng)。 圖c為兩種解疊加后的振動(dòng)過(guò)程?？梢钥吹?/p>

33、經(jīng)歷過(guò)渡過(guò)程以后，強(qiáng)迫振動(dòng)是穩(wěn)定的振動(dòng)過(guò)程。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的振動(dòng)力程為：振動(dòng)本身也不能使激振力變化。 (2)強(qiáng)迫振動(dòng)的振動(dòng)頻率與外界激振力的頻率相同，而與系統(tǒng)的固有頻率無(wú)關(guān)。 (3)強(qiáng)迫振動(dòng)的幅值既與激振力的幅值有關(guān)，又與工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有關(guān)。由此可見(jiàn)，強(qiáng)迫振動(dòng)的特性是：(1)強(qiáng)迫振動(dòng)是由周期性激振力引起的，不會(huì)被阻尼衰減掉， 三、自激振動(dòng) 切削加工時(shí)，在沒(méi)有周期性外力作用的情況下，有時(shí)刀具與工件之間也可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的相對(duì)振動(dòng)，并在工件的加工表面上殘留嚴(yán)明顯的、有規(guī)律的振紋。這種由振動(dòng)系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力激發(fā)和維持的振動(dòng)稱(chēng)為自激振動(dòng)自激振動(dòng)，通常也稱(chēng)為顫振顫振。(一)自激振動(dòng)的產(chǎn)生條件和特性處于切

34、削過(guò)程中的工藝系統(tǒng)作用干擾力產(chǎn)生自由振動(dòng)引起刀具和工件相對(duì)位置的變化切削力的波動(dòng)這變化又引起工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)導(dǎo)致1、自激振動(dòng)的產(chǎn)生 自激振動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)反饋?zhàn)钥叵到y(tǒng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)把持續(xù)工作用的能源能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔兞?duì)振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行激振，振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)又控制切削過(guò)程產(chǎn)生激振力，以反饋制約進(jìn)入振動(dòng)系統(tǒng)的能量。組成的一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。2、自激振動(dòng)的組成振動(dòng)系統(tǒng)(工藝系統(tǒng))調(diào)節(jié)系統(tǒng)(切削過(guò)程)3、自激振動(dòng)的特性1)自激振動(dòng)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(dòng)是由外部激振力的偶然觸發(fā)而產(chǎn)生的一種不衰減運(yùn)動(dòng)，維持振動(dòng)所需的交變力是由振動(dòng)過(guò)程本身產(chǎn)生的，在切削過(guò)程中，停止切削運(yùn)動(dòng)，交

35、變力也隨之消失，自激振動(dòng)也就停止。3)自激振動(dòng)能否產(chǎn)生和維持取決于每個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)攝入和消耗的能量。自激振動(dòng)系統(tǒng)維持穩(wěn)定振動(dòng)的條件是，在個(gè)振動(dòng)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(dòng)會(huì)不斷加強(qiáng)；如果吸收能量小于消耗能量則振動(dòng)將不斷衰減而被抑制。(二)自激振動(dòng)的激振學(xué)說(shuō) 切削過(guò)程中產(chǎn)生顫振的原因及機(jī)理很復(fù)雜，雖經(jīng)長(zhǎng)期研究，目前尚無(wú)一種能闡明各種情況下產(chǎn)生顫振的理論。1負(fù)摩擦激振學(xué)說(shuō)2再生顫振學(xué)說(shuō)3坐標(biāo)聯(lián)系學(xué)說(shuō)下面扼要介紹幾種比較公認(rèn)的學(xué)說(shuō)。1負(fù)摩擦激振學(xué)說(shuō) 當(dāng)?shù)毒哂捎谂既辉虍a(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，它將在平衡位置y0附近作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，刀具與工件相對(duì)趨近

36、時(shí)稱(chēng)為切入（圖b中的ABC段)，相對(duì)脫離時(shí)稱(chēng)為切出(圖b中的CDA段)。切人與切出時(shí)的最大和最小滑動(dòng)速度分別為、 和 ，它們各自對(duì)應(yīng)的徑向切削分力分別為Fy1和Fy2。以車(chē)削加工為例將切削模型簡(jiǎn)化為單自由度振動(dòng)系統(tǒng)。刀具等效質(zhì)量m、只作y方向運(yùn)動(dòng)。刀架等系統(tǒng)剛度k。建立模型依據(jù)：負(fù)摩擦特性負(fù)摩擦特性曲線(xiàn)切削力隨滑動(dòng)速度的增加而下降的特性。負(fù)摩擦特性用能量關(guān)系說(shuō)明顫振的產(chǎn)生 穩(wěn)定切削時(shí)：刀尖處于y0位置，刀具和切屑的相對(duì)滑動(dòng)速度為v1。 yv1 yv1F出 F入 刀具作往復(fù)運(yùn)動(dòng) 在切人的半個(gè)周期中，刀具運(yùn)動(dòng)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(duì)刀具做負(fù)功； 在切出的半個(gè)周期中

37、，切屑對(duì)刀具做正功。 振動(dòng)的形成 由圖b右下角可知，正功大于負(fù)功，其差值即為橢圓的面積。此即為一個(gè)振動(dòng)周期中系統(tǒng)所獲得的能量補(bǔ)充，因而使振動(dòng)得以維持。2再生顫振學(xué)說(shuō) 在切削加工中，由于刀具的進(jìn)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(guò)的上一轉(zhuǎn)表面接觸，即產(chǎn)生重疊切削。 設(shè)砂輪寬度為B，工件進(jìn)給量為f，工件前后相鄰兩轉(zhuǎn)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(shí)： 在穩(wěn)定切削過(guò)程中，由于偶然的擾動(dòng)(如材料的硬疵點(diǎn)、加工余量不均勻或沖擊等)，工藝系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一次自由振動(dòng)，并在被加上表面上留下相應(yīng)的振紋。當(dāng)工件轉(zhuǎn)至下一轉(zhuǎn)時(shí)，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

38、削力的周期改變，使刀具產(chǎn)生振動(dòng)，在加工表面留下新的振紋；這個(gè)振紋又影響到下一轉(zhuǎn)的切削，從而引起持續(xù)的再生顫振。再生顫振的產(chǎn)生過(guò)程類(lèi)似于加工精度中毛坯誤差的復(fù)映四、機(jī)械加工中振動(dòng)的控制1、強(qiáng)迫振動(dòng)的診斷方法消除或減弱產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的條件；改善工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，增強(qiáng)工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性；采取各種消振減振裝置。機(jī)械加工中控制振動(dòng)的途徑(一)消除或減弱產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的條件診斷依據(jù) 強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率與激振力的頻率相等或是它的整數(shù)倍?；就緩?測(cè)出振動(dòng)的頻率。 較完善的方法： 對(duì)機(jī)床的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行功率譜分析、功率譜中的尖峰點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率就是機(jī)床振動(dòng)的主要頻率。測(cè)定振動(dòng)頻率的方法 簡(jiǎn)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(jì)算出振動(dòng)頻率。 高轉(zhuǎn)速（600rmin以上）零件必須進(jìn)行平衡以減小和消除激振力；如砂輪、卡盤(pán)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子及刀盤(pán)等。 提高帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)及其他傳動(dòng)結(jié)構(gòu)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(dòng)力源與機(jī)床本體放在兩個(gè)分離的基礎(chǔ)上。2消除或減弱產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的條件1)減小激振力 在選擇轉(zhuǎn)速時(shí)，盡可能使引起強(qiáng)迫振動(dòng)的振源的頻率避開(kāi)共振區(qū)。使工藝系統(tǒng)部件在準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)或慣性區(qū)運(yùn)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(jī)床或部件與振源之間分開(kāi)，使大部分振動(dòng)被吸收，從而達(dá)到減小振源危害的目的，常用的隔振材料有橡皮、金屬