第八章機械加工表面質(zhì)量

第一節(jié)概述零件的機械加工質(zhì)量不僅指加工精度，而且包括加工表面質(zhì)量。機械加工后的零件表面實際上不是理想的光滑表面，它存在著不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂紋等表面缺陷。雖然只有極薄的一層（幾微米~幾十微米），但都錯綜復(fù)雜地影響著機械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蝕性和疲勞強度等，從而影響產(chǎn)品的使用性能和壽命，因此必須加以足夠的重視。第八章機械加工表面質(zhì)量一、表面質(zhì)量的基本概念機械加工表面質(zhì)量包含以下兩個方面的內(nèi)容：1．

表面粗糙度及波度

根據(jù)加工表面不平度的特性（波距L與波高H的比值），可將不平度分為以下三種類型，如圖8-1(p196)所示。

L/H>1000，稱為宏觀幾何形狀誤差。如圓度誤差、圓柱度誤差等，它們屬于加工精度范疇，不在本章討論之列。

L/H=50~1000，稱為波度。它是由機械加工中的振動引起的，這部分內(nèi)容將在本章第五節(jié)中討論。

L/H<50，稱為微觀幾何形狀誤差，常被稱為表面粗糙度。2．表面層物理力學(xué)性能的變化

零件在機械加工中由于受切削過程中力和熱的綜合作用，表面層金屬的物理力學(xué)性能和基體金屬大不相同，主要有以下三方面的內(nèi)容：（1）表面層因塑性變形引起的冷作硬化；（2）表面層中的殘余應(yīng)力；（3）表面層因切削熱引起的金相組織變化。二、表面質(zhì)量對零件使用性能的影響

1．表面質(zhì)量對零件耐磨性的影響

（1）表面粗糙度對零件耐磨性的影響

表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如圖8-2(p197)所示，表面粗糙度太大，接觸表面的實際壓強增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、擠裂、切斷，故磨損加?。槐砻娲植诙忍?，也會導(dǎo)致磨損加劇。因為表面太光滑，存不住潤滑油，接觸面間不易形成油膜，容易發(fā)生分子粘結(jié)而加劇磨損。表面粗糙度的最佳值與機器零件的工作情況有關(guān)，載荷加大時，磨損曲線向上、向右移動，最佳表面粗糙度值也隨之右移。

（2）表面層的冷作硬化對零件耐磨性的影響

加工表面的冷作硬化，使磨擦副表面層金屬的顯微硬度提高，塑性降低，減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和塑性變形，故一般能提高零件的耐磨性。但也不是冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。這是因為過分的冷作硬化，將引起金屬組織過度“疏松”，在相對運動中可能會產(chǎn)生金屬剝落，在接觸面間形成小顆粒，使零件加速磨損。2．表面質(zhì)量對零件疲勞強度的影響（1）表面粗糙度對零件疲勞強度的影響表面粗糙度對承受交變載荷零件的疲勞強度影響很大。在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲勞性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的紋痕越深，紋底半徑越小，其抗疲勞破壞的能力越差。（2）表面層冷作硬化與殘余應(yīng)力對零件疲勞強度的影響

適度的表面層冷作硬化能提高零件的疲勞強度。冷硬層不但能防止疲勞裂紋的產(chǎn)生，而且能阻止已有的裂紋擴大。但加工表面在發(fā)生冷作硬化的同時，會伴隨產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力有拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之分，殘余拉應(yīng)力容易使已加工表面產(chǎn)生裂紋并使其擴展而降低疲勞強度，而殘余壓應(yīng)力則能夠部分地抵消工作載荷施加的拉應(yīng)力，延緩疲勞裂紋的擴展，從而提高零件的疲勞強度。3.表面質(zhì)量對零件工作精度的影響（1）表面粗糙度對零件配合精度的影響

在間隙配合中，若配合表面粗糙度較大，則初期磨損量較大，從而使配合間隙增大，降低了配合精度。對于過盈配合，若配合表面粗糙度過大，裝配時部分凸峰會被擠平，致使實際過盈量減小，降低了過盈配合表面的結(jié)合強度。因此對有配合要求的表面，必須規(guī)定較小的表面粗糙度。（2）表面殘余應(yīng)力對零件工作精度的影響

表面殘余應(yīng)力雖然在零件內(nèi)部是平衡的，但由于金屬材料的蠕變作用，殘余應(yīng)力在經(jīng)過一段時間后會自行減弱以至消失。同時零件也隨之變形，引起零件尺寸和形狀誤差。對一些高精度零件，如精密機床的床身、精密量具等，如果表面層有較大的殘余應(yīng)力，就會影響它們精度的穩(wěn)定性。

4．表面質(zhì)量對零件耐腐蝕性能的影響（1）表面粗糙度對零件耐腐蝕性能的影響

零件表面越粗糙，越容易積聚腐蝕性物質(zhì)，凹谷越深，滲透與腐蝕作用越強烈。因此減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能。（2）表面殘余應(yīng)力對零件耐腐蝕性能的影響

零件表面殘余壓應(yīng)力使零件表面緊密，腐蝕性物質(zhì)不易進(jìn)入，可增強零件的耐腐蝕性，而表面殘余拉應(yīng)力則降低零件耐腐蝕性。表面質(zhì)量對零件使用性能還有其它方面的影響：如減小表面粗糙度可提高零件的接觸剛度、密封性和測量精度；對滑動零件，可降低其摩擦系數(shù)，從而減少發(fā)熱和功率損失。

第二節(jié)影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制機械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可歸納為幾何因素和物理力學(xué)因素兩個方面。一、切削加工表面粗糙度1.刀具幾何形狀切削加工表面粗糙度值主要取決于切削殘留面積的高度。影響殘留面積高度的因素主要包括：刀尖圓弧半徑rε、主偏角κr、副偏角κr′及進(jìn)給量f等。如圖8-3(p198)所示，圖8-3a為用尖刀切削的情況，切削殘留面積的高度為

H=f/(cotκr+cotκr′)(8-1)圖8-3b為用圓弧刀刃切削的情況，切削殘留面積的高度為

H=f2/(8rε)(8-2)進(jìn)給量和刀尖圓弧半徑對切削加工表面粗糙度的影響比較明顯。切削加工時，選擇較小的進(jìn)給量和較大的刀尖圓弧半徑，可減小表面粗糙度。

2．物理力學(xué)因素（1）工件材料的影響

切削加工后表面粗糙度的實際輪廓形狀不同于純幾何因素所形成的理論輪廓，其原因是由于切削加工中發(fā)生了塑性變形。加工塑性材料時，刀具對金屬擠壓產(chǎn)生的塑性變形和刀具迫使切屑與工件分離的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。工件材料韌性愈好，金屬塑性變形愈大，加工表面愈粗糙。故對中碳鋼和低碳鋼材料的工件，為改善切削性能，減小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或調(diào)質(zhì)處理。加工脆性材料時，其切削呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點，使表面粗糙。（2）切削速度的影響

如圖8-4(p199)所示，加工塑性材料時，切削速度vc處于20~50m/min時，表面粗糙度值最大，因為此時容易出現(xiàn)積屑瘤，使加工表面質(zhì)量惡化；當(dāng)切削速度vc超過100m/min時，表面粗糙度減小，并趨于穩(wěn)定。選擇低速寬刀精切和高速精切，可以得到較小的表面粗糙度。此外，合理使用冷卻潤滑液，適當(dāng)增大刀具的前角，提高刀具的刃磨質(zhì)量等，均能有效地減小表面粗糙度值。二、磨削加工的表面粗糙度1.砂輪磨削中影響粗糙度的幾何因素

工件的磨削表面是由砂輪上大量磨?？虅澇鰺o數(shù)極細(xì)的刻痕形成的，工件單位面積上通過的砂粒數(shù)越多，則刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。（1）砂輪粒度和砂輪修整

在相同的磨削條件下，砂輪的粒度號數(shù)越大，單位面積上參加磨削的磨粒越多，表面的刻痕越細(xì)密，表面粗糙度值就越小。

（2）磨削用量

砂輪轉(zhuǎn)速越高，單位時間內(nèi)通過被磨表面的磨粒數(shù)越多，表面粗糙度值就越小。工件轉(zhuǎn)速對表面粗糙度值的影響剛好與砂輪轉(zhuǎn)速的影響相反。工件的轉(zhuǎn)速增大，通過加工表面的磨粒數(shù)減少，因此表面粗糙度值增大。砂輪的縱向進(jìn)給量小于砂輪的寬度時，工件表面將被重疊切削，而被磨次數(shù)越多，工件表面粗糙度值就越小。2．磨削中影響粗糙度的物理因素

磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多數(shù)是負(fù)前角，切削刃又不銳利，大多數(shù)磨粒在磨削過程中只是對被加工表面擠壓，沒有切削作用。加工表面在多次擠壓下出現(xiàn)溝槽與隆起，又由于磨削時的高溫更加劇了塑性變形，故表面粗糙度值增大。(1)磨削用量

提高砂輪的轉(zhuǎn)速，在高速下塑性變形的傳播速度小于磨削速度，材料來不及變形即被加工，故表面粗糙度值將減小。

增大磨削深度和工件速度，將使塑性變形加劇，使表面粗糙度值增大。為提高磨削效率，通常在開始磨削時采用較大的徑向進(jìn)給量，而在磨削后期采用較小的徑向進(jìn)給量或無進(jìn)給量磨削，以減小表面粗糙度值。(2)工件材料性質(zhì)工件材料的硬度、塑性、熱導(dǎo)率對表面粗糙度都有顯著影響，太硬、太軟、太韌的材料都不容易磨光。太硬易使磨粒磨鈍；太軟容易堵塞砂輪；韌性太大，熱導(dǎo)率差會使磨粒早期崩落，破壞砂輪表面微刃的等高性，從而使表面粗糙度值增大。(3)砂輪的粒度與硬度

單純從幾何因素考慮，砂輪粒度越細(xì)，磨削的表面粗糙度值越小。但磨粒太細(xì)，不僅砂輪易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，若導(dǎo)熱情況不好，還會燒傷工件表面。因此，砂輪粒度常取為46~60號。

砂輪的硬度是指磨粒在磨削力作用下從砂輪上脫落的難易程度。砂輪太硬，磨粒不易脫落，磨鈍了的磨粒不能及時被新磨粒替代，使表面粗糙度增大。砂輪選得太軟，磨粒容易脫落，磨削作用減弱，也會使表面粗糙度值增大。通常選用中軟砂輪。第三節(jié)影響表面層物理力學(xué)性能的主要因素及其控制

機械加工中，工件受切削力和切削熱的作用，其表面層金屬的物理力學(xué)性能會發(fā)生很大變化，造成與里層材料性能的差異。這些差異主要表現(xiàn)為表面層金屬顯微硬度的變化、產(chǎn)生殘余應(yīng)力和金相組織的變化。一、影響表面層加工硬化的因素

1.表面層加工硬化的產(chǎn)生

機械加工時，工件表面層金屬受到切削力的作用產(chǎn)生強烈的塑性變形，使晶格扭曲，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，晶粒被拉長、纖維化甚至碎化，從而使表面層的硬度增加，這種現(xiàn)象稱為加工硬化，又稱冷作硬化和強化。2．衡量表面層加工硬化的指標(biāo)衡量表面層加工硬化程度的指標(biāo)有下列三項：1）表面層的顯微硬度HV；2）硬化層深度h；3）硬化程度NN=(HV-HV0)/HV0×100％（8-3）式中HV0——工件原表面層的顯微硬度。3．影響表面層加工硬化的因素（1）刀具幾何形狀的影響

切削刃鈍圓半徑增大，徑向切削分力也隨之增大，表層金屬的塑性變形程度加劇，導(dǎo)致冷硬增大。如圖8-5(P201)所示，刀具后刀面磨損寬度VB從0增大到0.2mm，表層金屬的顯微硬度由220HV增大到340HV，這是由于磨損寬度加大之后，刀具后刀面與被加工工件的摩擦加劇，塑性變形增大，導(dǎo)致表面冷硬增大。但磨損寬度繼續(xù)加大，摩擦熱急劇增大，弱化趨勢明顯增大，表層金屬的顯微硬度逐漸下降，直至穩(wěn)定在某一水平上。（2）切削用量的影響

在進(jìn)給量比較大時，進(jìn)給量增大，切削力也增大，表層金屬的塑性變形加劇，冷硬程度增加，如圖8-6所示。但在進(jìn)給量很小時，若繼續(xù)減小進(jìn)給量，則表層金屬的冷硬程度反而會增大。當(dāng)切削速度增大時，刀具與工件的作用時間減少，使塑性變形的擴展深度減小，因而冷硬深度減小。（3）工件材料性能的影響

工件材料的塑性越大，冷硬傾向越大，冷硬程度也越嚴(yán)重。二、影響表面層殘余應(yīng)力的因素

1．表面層殘余應(yīng)力的產(chǎn)生

機械加工中工件表面層組織發(fā)生變化時，在表面層及其與基體材料的交界處會產(chǎn)生互相平衡的彈性力。這種應(yīng)力即為表面層的殘余應(yīng)力。

（1）冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力

在切削或磨削加工中，工件表面受到刀具或砂輪磨粒后刀面的擠壓與摩擦，表面層產(chǎn)生伸長塑性變形，此時基體金屬仍處于彈性變形狀態(tài)。切削后，基體金屬趨于彈性恢復(fù)，但受到已產(chǎn)生塑性變形的表面層金屬的牽制，則在表面層產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，而在里層產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力。

（2）熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力

在切削或磨削加工中，工件表面在切削熱作用下產(chǎn)生熱膨脹，此時基體溫度較低，如圖8-7a(P202)所示為工件上溫度分布示意圖。tp點相當(dāng)于金屬具有高塑性的溫度，溫度高于tp的表層金屬不會有殘余應(yīng)力產(chǎn)生。tn為標(biāo)準(zhǔn)室溫，tm為金屬熔化溫度。如圖8-7b所示，表層金屬1的溫度超過tp，表層金屬1處于沒有殘余應(yīng)力作用的完全塑性狀態(tài)中；金屬層2的溫度在tn和tp之間，這層金屬受熱之后體積要膨脹，由于表層金屬1處于完全塑性狀態(tài)，故它對金屬層2的受熱膨脹不起任何阻止作用。但金屬層2的膨脹要受到處于室溫狀態(tài)的里層金屬3的阻止，金屬層2由于膨脹受阻將產(chǎn)生瞬時壓縮殘余應(yīng)力，而金屬層3則受金屬層2的牽連產(chǎn)生瞬時拉伸殘余應(yīng)力。

切削過程結(jié)束后，工件表面的溫度開始下降。如圖8-7c所示，當(dāng)金屬層1的溫度低于tp時，金屬層1將從完全塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌耆苄誀顟B(tài)。金屬層1的冷卻使其體積收縮，但它的收縮受到金屬層2的阻礙，這樣金屬層1內(nèi)就產(chǎn)生了拉伸殘余應(yīng)力，而在金屬層2內(nèi)的壓縮殘余應(yīng)力將進(jìn)一步增大。如圖8-7d所示，表層金屬繼續(xù)冷卻，表層金屬1繼續(xù)收縮，它仍受到里層金屬的阻礙，因此金屬層1的拉伸應(yīng)力還要繼續(xù)加大，而金屬層2的壓縮應(yīng)力則擴展到金屬層2和金屬層3內(nèi)。

（3）金相組織變化引起的殘余應(yīng)力

在切削或磨削加工中，當(dāng)工件表面溫度高于材料的相變溫度，則會引起表面層的金相組織變化。不同的金相組織有不同的密度，馬氏體密度γ馬=7.75g/cm3，奧氏體密度γ奧=7.96g/cm，珠光體密度γ珠=7.78g/cm，鐵素體密度γ鐵=7.88g/cm。以淬火鋼磨削為例，淬火鋼原來的組織是馬氏體，磨削加工后，表層可能產(chǎn)生回火，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏楣怏w的屈氏體或索氏體，密度增大而體積減小，工件表面層產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力，里層金屬則產(chǎn)生與之相平衡的壓縮殘余應(yīng)力。如果磨削時工件表層金屬的溫度超過相變溫度，且冷卻又充分，則工件表層將因急冷形成淬火馬氏體，體積膨脹，表層產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，而里層則產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力。

2．磨削裂紋的產(chǎn)生磨削裂紋和殘余應(yīng)力有著十分密切的關(guān)系。在磨削過程中，當(dāng)工件表面層產(chǎn)生的殘余應(yīng)力超過工件材料的強度極限時，工件表面就會產(chǎn)生裂紋。磨削裂紋常與燒傷同時出現(xiàn)。3.

影響表面殘余應(yīng)力的主要因素機械加工后工件表面層的殘余應(yīng)力是冷態(tài)塑性變形、熱態(tài)塑性變形和金相組織變化的綜合結(jié)果。切削加工時起主要作用的往往是冷態(tài)塑性變形，表面層常產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力。磨削加工時起主要作用的通常是熱態(tài)塑性變形或金相組織變化引起的體積變化，表面層常產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力。三、影響表面層金相組織變化與磨削燒傷的因素1.

表面層金相組織變化與磨削燒傷的產(chǎn)生切削加工中，由于切削熱的作用，在工件的加工區(qū)及其鄰近區(qū)域產(chǎn)生了一定的溫升。當(dāng)溫度超過金相組織變化的臨界點時，金相組織就會發(fā)生變化。對于一般的切削加工，溫度一般不會上升到如此高的程度。但在磨削加工時，磨粒的切削、刻劃和滑擦作用，以及大多數(shù)磨粒的負(fù)前角切削和很高的磨削速度，使加工表面層有很高的溫度，當(dāng)溫度達(dá)到相變臨界點時，表層金屬就發(fā)生金相組織變化，強度和硬度降低、產(chǎn)生殘余應(yīng)力、甚至出現(xiàn)微觀裂紋。這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。淬火鋼在磨削時，由于磨削條件不同，產(chǎn)生的磨削燒傷有三種形式。（1）淬火燒傷

磨削時，當(dāng)工件表面層溫度超過相變臨界溫度Ac3時，則馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。若此時有充分的冷卻液，工件最外層金屬會出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織。其硬度比原來的回火馬氏體高，但很薄，只有幾個微米厚，其下為硬度較低的回火索氏體和屈氏體。由于二次淬火層極薄，表面層總的硬度是降低的，這種現(xiàn)象稱為淬火燒傷。（2）回火燒傷

磨削時，如果工件表面層溫度只是超過原來的回火溫度，則表層原來的回火馬氏體組織將產(chǎn)生回火現(xiàn)象而轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕容^低的回火組織（索氏體或屈氏體），這種現(xiàn)象稱為回火燒傷。（3）退火燒傷磨削時，當(dāng)工件表面層溫度超過相變臨界溫度Ac3時，則馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。若此時無冷卻液，表層金屬空冷冷卻比較緩慢而形成退火組織。硬度和強度均大幅度下降。這種現(xiàn)象稱為退火燒傷。2.

影響磨削燒傷的因素及改善途徑

（1）磨削用量

1）徑向進(jìn)給量fp徑向進(jìn)給量增大，工件表面及表面下不同深度的溫度都將提高，容易造成磨削燒傷。圖8-8（p204)為徑向進(jìn)給量fp對磨削溫度分布的影響。

2）軸向進(jìn)給量fa

軸向進(jìn)給量增大，工件表面及表面下不同深度的溫度都將下降，可減輕磨削燒傷。圖8-9為軸向進(jìn)給量fa對磨削溫度分布的影響3）工件速度vw

工件速度增大，磨削區(qū)表面溫度會增高，但此時熱源作用時間減少，因而可減輕磨削燒傷。（2）砂輪與工件材料磨削時，砂輪表面上大部分磨粒只是與加工面磨擦而不是切削。加工表面上的金屬是在大量磨粒反復(fù)擠壓多次，其呈疲勞后才剝落。因此在切削抗力中絕大部分是摩擦力。如果砂輪表面上磨粒的切削刃口再鋒利些，磨削力就會下降，動力消耗也會減小，從而磨削區(qū)的溫度會下降。磨削導(dǎo)熱性差的材料（如耐熱鋼、軸承鋼及不銹鋼等），容易產(chǎn)生磨削燒傷，應(yīng)合理選擇砂輪的硬度、結(jié)合劑和組織。如選擇較軟的砂輪，使砂輪鈍化后容易脫落；選擇橡膠、樹脂等具有一定彈性的結(jié)合劑等，都有利于避免產(chǎn)生燒傷。此外在砂輪的孔隙內(nèi)浸入石蠟之類的潤滑物質(zhì)，可減少砂輪與工件之間的摩擦熱，對降低磨削區(qū)的溫度、防止工件燒傷也有一定效果。（3）改善冷卻條件現(xiàn)有冷卻方法往往效果很差，由于旋轉(zhuǎn)的砂輪表面上產(chǎn)生強大氣流層，使真正進(jìn)入磨削區(qū)的磨削液較少，大量的磨削液噴注在已經(jīng)離開磨削區(qū)的已加工表面上，而此時磨削熱量已進(jìn)入工件表面造成了熱損傷。內(nèi)冷卻是一種較為有效的冷卻方法。如圖8-10所示，砂輪是多孔隙能滲水的，冷卻液進(jìn)入砂輪中孔后，靠離心力的作用甩出并直接冷卻磨削區(qū)，起到有效的冷卻作用。由于冷卻時有大量的噴霧，機床應(yīng)加防護(hù)罩。切削液必須仔細(xì)過濾，防止堵塞砂輪孔隙。這一方法的缺點是操作者看不到磨削區(qū)的火花，在精密磨削時無法通過觀察火花試磨對刀。（4）采用開槽砂輪如圖8-11所示，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)，可有效改善冷卻條件。同時砂輪間斷磨削，工件受熱時間短，金相組織來不及轉(zhuǎn)變，可有效地防止燒傷現(xiàn)象的產(chǎn)生。第四節(jié)

提高表面層物理力學(xué)性能的加工方法

對于承受高應(yīng)力、交變載荷的零件可以采用滾壓、噴丸等強化工藝使表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力和冷作硬化并減小表面粗糙度。殘余壓應(yīng)力可抵消磨削等工序的殘余拉應(yīng)力，因此可以大大提高疲勞強度及抗應(yīng)力腐蝕能力。但是采用強化工藝時應(yīng)注意不要造成過度硬化，過度硬化的結(jié)果會使表面層完全失去塑性性質(zhì)甚至引起顯微裂紋和材料剝落，帶來不良后果。

1．滾壓加工

滾壓加工是利用經(jīng)過淬火和精細(xì)研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)下對金屬表面進(jìn)行擠壓，使受壓點產(chǎn)生彈性和塑性變形，表層的凸起部分向下壓，凹下部分向上擠，逐漸將前工序留下的波峰壓平，降低了表面粗糙度；同時它還能使工件表面產(chǎn)生硬化層和殘余壓應(yīng)力。因此提高了零件的承載能力和疲勞強度。滾壓加工可以加工外圓、孔、平面及成型表面，通常在普通車床、轉(zhuǎn)塔車床或自動車床上進(jìn)行。如圖8-12為典型的滾壓加工示意圖。

2.噴丸強化

噴丸強化是利用大量快速運動的珠丸打擊被加工工件表面，使工件表面產(chǎn)生冷硬層和壓縮殘余應(yīng)力，如圖8-13所示為珠丸擠壓工件表面的狀態(tài),可顯著提高零件的疲勞強度。珠丸可以是鑄鐵的，也可以是切成小段的鋼絲（使用一段時間后，自然變成球狀）。對于鋁質(zhì)工件，為避免表面殘留鐵質(zhì)微粒而引起電解腐蝕，宜采用鋁丸或玻璃丸。珠丸的直徑一般為0.2~4mm，對于尺寸較小、表面粗糙度值較小的工件，采用直徑較小的珠丸。噴丸強化主要用于強化形狀復(fù)雜或不宜用其它方法強化的工件，如板彈簧、螺旋彈簧、連桿、齒輪、焊縫等。經(jīng)噴丸加工后的表面，硬化層深度可達(dá)0.7mm，零件表面粗糙度值可由Ra5~2.5μm減小到Ra0.63~0.32μm，可幾倍甚至幾十倍地提高零件的使用壽命。第五節(jié)機械加工中的振動

一、機械加工中的振動現(xiàn)象1．振動對機械加工的影響機械加工過程中，刀具和工件之間常常產(chǎn)生振動，它使正常的切削過程受到干擾和破壞，會在工件加工表面出現(xiàn)振紋，降低了工件的加工精度和表面質(zhì)量。強烈的振動會使切削過程無法進(jìn)行，甚至?xí)鸬毒弑廊写虻冬F(xiàn)象。振動的產(chǎn)生加速了刀具或砂輪的磨損，使機床連接部分松動，影響運動副的工作性能，并導(dǎo)致機床喪失精度。此外，強烈的振動及伴隨而來的噪聲，還會污染環(huán)境，危害操作者的身心健康。為減小加工過程中的振動，有時不得不降低切削用量，使機械加工生產(chǎn)率降低。

2．機械加工中振動的種類及其主要特點

機械加工中產(chǎn)生的振動，按其產(chǎn)生的原因可分為自由振動、強迫振動和自激振動三種類型。（1）自由振動當(dāng)系統(tǒng)受到初始干擾力激勵破壞了其平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)僅靠彈性恢復(fù)力來維持的振動稱為自由振動。由于系統(tǒng)中總存在有阻尼，自由振動將逐漸衰減，如圖8-14a所示。（2）強迫振動系統(tǒng)在周期性變化的激振力（干擾力）持續(xù)作用下所產(chǎn)生的振動，稱為強迫振動。強迫振動的穩(wěn)態(tài)過程是簡諧振動，只要有激振力存在振動系統(tǒng)就不會被阻尼衰減掉。如圖8-14b所示。

（3）自激振動在沒有周期性干擾力作用的情況下，由振動系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力所激發(fā)和維持的振動，稱為自激振動。切削過程中產(chǎn)生的自激振動也稱為顫振。自激振動也屬于不衰減的振動，對機械加工的影響較大。

二、機械加工中的強迫振動與控制

1．

強迫振動的產(chǎn)生原因

（1）系統(tǒng)外部的周期性干擾力工作機床附近其它機器的工作振動經(jīng)過地基傳入正在進(jìn)行加工的機床。（2）旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量偏心工藝系統(tǒng)中的高速旋轉(zhuǎn)零件，如電動機轉(zhuǎn)子、帶輪、工件、卡盤、飛輪、砂輪、聯(lián)軸器等，它們在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心慣性力也是引起系統(tǒng)振動的外界激振力。（3）傳動機構(gòu)的缺陷齒輪的齒距誤差會使齒輪傳動時齒與齒發(fā)生沖擊，而引起強迫振動。平帶傳動中，帶厚不均勻或接口處的突變，會引起帶張力的周期性變化，產(chǎn)生干擾力，引起強迫振動。（4）切削過程的間隙特性常見的銑、拉、滾齒等加工，由于切削的不連續(xù)，導(dǎo)致切削力的周期性改變而產(chǎn)生強迫振動。

2.強迫振動的特征（1）強迫振動的振動頻率與干擾力的頻率相同，或是干擾力頻率的整數(shù)倍。（2）強迫振動的振幅主要取決于干擾力的幅值、頻率λ和阻尼比ζ。當(dāng)系統(tǒng)受周期性動載荷作用時，產(chǎn)生單位振幅所需要激振力的大小稱為動剛度kd。kd=Fp/A。詳細(xì)內(nèi)容參見p209。

3．減小強迫振動的途徑強迫振動是由周期性變化的激振力所引起的，其振動頻率等于激振力的頻率，可根據(jù)振動頻率找出振源，并采取適當(dāng)措施加以消除。（1）減小激振力工藝系統(tǒng)中的回轉(zhuǎn)零部件，由于質(zhì)量不平衡，當(dāng)其高速旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生離心力（即激振力），引起系統(tǒng)振動。對這類振源，主要是通過靜平衡或動平衡加以消除。傳動機構(gòu)的缺陷和往復(fù)運動機構(gòu)的慣性沖擊也是使系統(tǒng)產(chǎn)生振動的重要原因之一。因此應(yīng)提高傳動元件的制造和裝配精度。

（2）調(diào)整振源頻率由強迫振動的特性可知，當(dāng)激振力的頻率接近系統(tǒng)固有頻率時，會發(fā)生共振。因此，可通過改變電機轉(zhuǎn)速或傳動比，使激振力的頻率遠(yuǎn)離系統(tǒng)固有頻率，避免共振。（3）提高工藝系統(tǒng)的剛度和阻尼提高剛度、增大阻尼是增強系統(tǒng)抗振能力的基本措施。（4）采取隔振措施。（5）采用減振裝置。三、機械加工中的自激振動與控制1．自激振動的產(chǎn)生及特征

（1）自激振動的產(chǎn)生既然沒有周期性外力的作用，那么激發(fā)自激振動的交變力是怎樣產(chǎn)生的呢？用傳遞函數(shù)的概念來分析，機械加工系統(tǒng)是一個由振動系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成的閉環(huán)系統(tǒng)，如圖8-18(p210)所示。激勵工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動運動的交變力是由切削過程產(chǎn)生的，而切削過程同時又受工藝系統(tǒng)的振動的控制，工藝系統(tǒng)的振動一旦停止，動態(tài)切削力也就隨之消失。

如果切削過程很平穩(wěn)，即使系統(tǒng)存在產(chǎn)生自激振動的條件，也因切削過程沒有交變的動態(tài)切削力，使自激振動不可能產(chǎn)生。但在實際加工過程中，偶然性的外界干擾（如工件材料硬度不均、加工余量有變化等）總是存在的，這種偶然性外界干擾所產(chǎn)生的切削力變化，作用在工藝系統(tǒng)上，會使系統(tǒng)產(chǎn)生振動。系統(tǒng)的振動將引起工件、刀具間的相對位置發(fā)生周期性變化，使切削過程產(chǎn)生維持振動的動態(tài)切削力。（2）自激振動的特征與強迫振動相比，自激振動具有以下特征：1）機械加工中的自激振動是在沒有外力干擾下所產(chǎn)生的振動，這與強迫振動有明顯的區(qū)別；2）自激振動的頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率，即顫振頻率取決于振動系統(tǒng)的固有特性。這與自由振動相似，而與強迫振動根本不同；3）自由振動受阻尼作用將迅速衰減，而自激振動不會因阻尼存在而衰減。

2．產(chǎn)生自激振動的條件

如圖8-19a(p211)所示為單自由度機械加工振動模型。設(shè)工件系統(tǒng)為絕對剛體，振動系統(tǒng)與刀架相連，且只在y方向作單自由度振動。為分析簡便，暫不考慮阻尼力的作用。在切削力Fp作用下，刀架向外作振出運動y振出，刀架振動系統(tǒng)將有一個反向的彈性恢復(fù)力F彈作用在它上面。y振出越大，F(xiàn)彈也越大，當(dāng)Fp=F彈時，刀架的振出運動停止（因為實際振動系統(tǒng)中有阻尼力作用）。對上述振動系統(tǒng)而言，切削力Fp是外力。Fp對振動系統(tǒng)作功，刀架振動系統(tǒng)則從切削過程中吸收一部分能量W振出（這時刀架振動作正功），貯存在振動系統(tǒng)中，如圖8-19b所示。刀架的振入運動則是在彈性恢復(fù)力F彈作用下產(chǎn)生的，振入運動與切削力方向相反，振動系統(tǒng)對切削過程作功，即刀架振動系統(tǒng)要消耗能量W振入（此時刀架振動作負(fù)功）。

1．當(dāng)W振出<W振入時，由于刀架振動系統(tǒng)吸收的能量小于消耗的能量，故不會產(chǎn)生自激振動。2．當(dāng)W振出=W振入時，因?qū)嶋H機械加工系統(tǒng)中存在阻尼，刀架系統(tǒng)在振入過程中，為克服阻尼還需消耗能量W摩阻（振入），故刀架振動系統(tǒng)每振動一次，刀架系統(tǒng)便會損失一部分能量。因此，刀架系統(tǒng)也不會有自激振動產(chǎn)生。3．當(dāng)W振出>W振入時，刀架振動系統(tǒng)將有持續(xù)的自激振動產(chǎn)生。

3．產(chǎn)生自激振動的學(xué)說

（1）再生顫振1）再生原理

如圖8-20a(p212)所示，車刀只做橫向進(jìn)給。

圖8-20b所示，在穩(wěn)定的切削過程中，刀架系統(tǒng)因材料的硬疵點，加工余量不均勻，或其它原因的沖擊等，受到偶然的擾動。

圖8-20c所示，刀架系統(tǒng)因此產(chǎn)生了一次自由振動，并在被加工表面留下相應(yīng)的振紋。

圖8-20d所示，當(dāng)工件轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，刀具要在留有振紋的表面上切削，因切削厚度發(fā)生了變化，所以引起了切削力周期性的變化。如果切削過程中各種條件的匹配是促進(jìn)振動的，刀架系統(tǒng)將會進(jìn)一步發(fā)展到如圖8-20e所示的顫振狀態(tài)。

通常，將這種由于切削厚度的變化而引起的自激振動，稱為“再生顫振”。

2）再生顫振產(chǎn)生的條件

如果工藝系統(tǒng)穩(wěn)定，也不一定會產(chǎn)生自激振動。

在一個振動周期內(nèi)，只有切削力所作的正功大于負(fù)功，有多余的能量輸入到系統(tǒng)中去才能維持和加強自激振動。圖8-21表示了四種情況。圖中實線表示前一轉(zhuǎn)切削的工件表面振紋，虛線表示后一轉(zhuǎn)切削的表面。

其中圖8-21a表示前后兩轉(zhuǎn)的振紋沒有相位差（ψ=0），這時切入、切出（切離）時切削厚度沒有變化，切削力也就沒有變化，因此不會產(chǎn)生自激振動。

圖8-21b表示前后兩轉(zhuǎn)的振紋相位差為ψ=π，這時切入、切出的平均切削厚度不變，兩者沒有能量差，也不可能產(chǎn)生自激振動。

圖8-21c表示后一轉(zhuǎn)的振紋相位超前，即0<ψ<π，切入的平均切削厚度大于切出的平均切削厚度，負(fù)功大于正功，也不可能產(chǎn)生自激振動。圖8—21d表示后一轉(zhuǎn)的振紋相位滯后，即0>ψ>-π，這時切出比切入時有較大的切削力，推動刀架后移，使刀架儲能，正功大于負(fù)功，即可產(chǎn)生自激振動。所以在再生顫振中，只有當(dāng)后一轉(zhuǎn)的振紋的相位滯后于前一轉(zhuǎn)振紋時才有可能產(chǎn)生再生顫振。

（2）振型耦合顫振1）振型耦合原理

當(dāng)縱車方牙螺紋的外圓表面如圖8-22（p214）所示，刀具并未發(fā)生重疊切削，若按再生顫振原理，則不應(yīng)該產(chǎn)生顫振。但在實際加工中，當(dāng)切削深度達(dá)到一定值時，仍會發(fā)生顫振，這可以用振型耦合原理來解釋。

圖8-23是兩個自由度振型耦合顫振動力學(xué)模型，刀具等效質(zhì)量為m，由相互垂直的等效剛度系數(shù)分別為k1、k2（設(shè)k1<k2）的兩組彈簧支承。為使兩個自由度系統(tǒng)的振型能很好分開，最簡單的形式是兩個振型x1和x2互相垂直，剛度低的方向振型為x1，剛度高的方向振型為x2。

當(dāng)?shù)都芟到y(tǒng)以ω的頻率振動時，質(zhì)量m在x1、x2兩個方向上以不同的振幅和相位進(jìn)行振動，其合成運動軌跡近似橢圓E。

若刀具沿順時針方向由A到B再回到A，則在前半周刀具由A到B（切入）時，位移與切削力方向相反，作負(fù)功，振動系統(tǒng)消耗能量；

由B到A（切出）時，位移與切削力方向相同，作正功，系統(tǒng)儲存能量。由于切出時的平均切削厚度大于切入時的平均切削厚度，正功大于負(fù)功，在一個振動周期內(nèi)，有多余的能量輸入振動系統(tǒng)。因此，振動得以維持。

4．控制自激振動的途徑

（1）合理選擇切削用量