机械制造工艺学机械加工表面质量及其控制教学PPT

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1、3.13.23.33.4表面质量对产品使用性能的影响影响表面粗糙度的工艺因素及其改进措施影响表面金属力学性能的工艺因素及改进措施机械加工过程中的振动第三章第三章 机械加工表面质量及其控制机械加工表面质量及其控制第三章第三章 机械加工表面质量及其控制机械加工表面质量及其控制概述概述 掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高产品性能的目的产品性能的目的。 实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的实践表明，零件的破坏一般总是

2、从表面层开始的。产品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取决工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量。于其主要零件的表面质量。研究机械加工表面质量的目的研究机械加工表面质量的目的机械产品的失效形式机械产品的失效形式因设计不周而导致强度不够；因设计不周而导致强度不够；磨损、腐蚀和疲劳破坏。磨损、腐蚀和疲劳破坏。少数少数多数多数任何机械加工方法获得的加工表面，都不是绝对理想的表面。任何机械加工方法获得的加工表面，都不是绝对理想的表面。既存在宏观几何形状误差既存在宏观几何形状误差，又存在微观表面粗糙度、波度又存在微观表面粗糙度、波度一、一、加工表面

3、质量的概念加工表面质量的概念第一节第一节 加工表面质量及其对使用性能的影响加工表面质量及其对使用性能的影响表面粗糙度表面粗糙度表面波度表面波度表面物理力学表面物理力学性能的变化性能的变化表面微观几表面微观几何形状特征何形状特征表面层冷作硬化表面层冷作硬化表面层残余应力表面层残余应力表面层金相组织的变化表面层金相组织的变化纹理方向纹理方向（一）（一）加工表面的几何形貌加工表面的几何形貌 加工后表面形状，总是以加工后表面形状，总是以“峰峰”、“谷谷”的形式偏离其的形式偏离其理想光滑表面。按偏离程度有理想光滑表面。按偏离程度有宏观和微观宏观和微观之分。之分。波距波距：峰与峰或谷与谷间的距离，峰与峰或

4、谷与谷间的距离， 以以L表示；表示；波高波高：峰与谷间的高度，以峰与谷间的高度，以H 表示。表示。波距与波高波距与波高L/H1000时，属于宏观几何形状误差；时，属于宏观几何形状误差；L/H0.15mm/r，进给量对表面粗糙度影响大； 当f0.15mm/r，则f的进一步减小，不能引起表面粗糙度明显下降； 当f0.02mm/r时，表面粗糙度主要取决于被加工面的金属塑性变形。（2 2）切削速度的影响）切削速度的影响）切削速度的影响）切削速度的影响 V愈高，切削过程中切屑和加工表面的塑性变形程度就愈轻，粗糙度愈小；刀瘤和鳞刺都是在较低速度范围内产生，V愈高可防止刀瘤和鳞刺的产生。提高切削速度既有利于

5、降低表面粗糙度，又有利于提高生产率。 加工脆性材料时，切削速度对表面粗糙度影响不大。比加工塑性材料容易达到表面粗糙度要求。 （3 3）切削深度的影响）切削深度的影响 切削深度对表面粗糙度的影响不大，但由于刀刃存在圆角半径，当切削深度小到一定程度后，不能进行正常切削，会出现刀具挤压打滑等现象，从而使表面粗糙度增大。 2 2、被加工材料性能的影响、被加工材料性能的影响 韧性较大的塑性材料加工后表面粗糙度大，脆性材料其加工粗糙度比较接近理论粗糙度。 对于同种材料，晶粒组织愈粗大，加工后粗糙度也愈大，为减小加工后的粗糙度,常在切削加工前进行调质或正火处理，以获得均匀细密的晶粒组织。3 3、刀具几何形状

6、、材料、刃磨质量的影响、刀具几何形状、材料、刃磨质量的影响、刀具几何形状、材料、刃磨质量的影响、刀具几何形状、材料、刃磨质量的影响 前角r0 增大，则塑性变形小、粗糙度小；r0为负，塑性变形大、粗糙度大。 不同刀具材料，其化学成分不同，其硬度、刀具材料与工件材料的亲和程度、以及前后刀面与切屑和已加工表面的磨擦系数不同。 硬质合金刀具加工所得的表面粗糙度比高速钢刀具加工所获得的小，金刚石刀具加工所得的表面粗糙度比硬质合金刀具加工所得的还要小。1）金刚石强度和硬度高，在高温下能保持其性能。刃口锋利，在切削过程中，其刀尖圆角半径和刃口半径保持不变。2）金刚石与金属材料的亲和力小，加工中不会产生积屑瘤

7、。3）金刚石刀具前后刀面的摩擦系数小，加工时的切削力及表层金属的塑性变形小，有利于降低表面粗糙度。 降低表面粗糙度措施 合理选择刀具的几何角度，适当增大刀具前角和刃倾角，提高刀具的刃磨质量，降低前刀面和后刀面的表面粗糙度，选择合适冷却润滑液，提高润滑效果（可以抑制刀瘤和鳞刺的产生），均有利于降低表面粗糙度。 在影响表面粗糙度的几何因素和物理因素中，何者占主导地位，这取决于不同情况。加工脆性材料以几何因素为主；而加工塑性材料、特别是韧性大的材料，以物理因素为主。二、磨削加工后的表面粗糙度 与车削不同，磨削加工表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的沟槽所形成，每单位面积上的刻痕数愈多，即通过单位面

8、积的磨粒数愈多，刻痕的等高性越好，则粗糙度愈小。 磨削表面粗糙度与几何因素、物理因素和振动有关。（一）几何因素的影响： 1、磨削用量对表面粗糙度的影响、磨削用量对表面粗糙度的影响 1）砂轮的速度：）砂轮的速度： 提高砂轮速度，单位时间内通过被加提高砂轮速度，单位时间内通过被加工表面的磨粒数越多，同时塑性变形造成的隆起量随砂轮工表面的磨粒数越多，同时塑性变形造成的隆起量随砂轮速度的增大而下降，有利于降低表面粗糙度。速度的增大而下降，有利于降低表面粗糙度。 2）工件速度和进给量的影响 提高工件速度和进给量,单位时间内通过被磨表面的磨粒数减少，会增大表面粗糙度；3）磨削深度）磨削深度 增增大大磨磨削

9、削深深度度，将将增增加加塑塑性性变变形形程程度度，从从而而增增大粗糙度大粗糙度。 2 2、砂轮粒度和砂轮修整对表面粗糙度的影响、砂轮粒度和砂轮修整对表面粗糙度的影响： 1）砂轮的粒度愈细，则砂轮工作面的单位面积上的磨粒愈多，在工件上的刻痕愈密愈细，所以粗糙度愈小。因此，选择粒度号大的砂轮有利于降低表面粗糙。 但如果但如果粒度号过大，则只能采用很小的磨削深度粒度号过大，则只能采用很小的磨削深度，还，还需要很长时间的空行程，否则砂轮容易堵塞，造成表面烧需要很长时间的空行程，否则砂轮容易堵塞，造成表面烧伤。一般磨削其粒度号不超过伤。一般磨削其粒度号不超过80，常用，常用46-60号。号。 2）砂轮的

10、修整： 如果砂轮工作表面修整不好，则表面上的磨粒不处在同一高度，其中高度较低的磨粒不能起到磨削作用，加工时会使单位面积上的磨粒数减少，从而增大表面粗糙度。因此在磨削加工最后几次行程前，应精细修整砂轮。 砂轮修整时导程和切深越小，磨粒的微刃等高性越好，相当于选用大粒度号砂轮，磨削表面粗糙度越小。 砂轮修整时常用金刚石修整器。 在磨削过程中，通常在开始时采用较大的磨削深度，以提高生产率而最后采用小切深或无进给磨削以降低粗糙度。（二）物理因素的影响（二）物理因素的影响 由于磨削速度比切削加工的速度高很多，且磨粒大多为负前角，磨削比压大，磨削区域的温度很高（有时达900度）工件容易产生相变而烧伤，同时

11、产生比切削加工更大的塑性变形，增大表面粗糙度。1、磨削用量 1）砂轮的速度： 砂轮速度越高，工件材料来不及塑性变形，因而表面层金属的塑性变形减小，表面粗糙度将明显减小； 2）工件速度：工件速度增加，塑性变形增加，表面粗糙度增大； 3）进给量：进给量增大，塑性变形增大，表面粗糙度增大 2 2、砂轮的选择、砂轮的选择 粒度、硬度、组织和材料对磨削表面粗糙度影响很大。 粒度：粒度越细，磨削表面粗糙度越小，但如果磨粒太小，砂轮容易堵塞，引起表面烧伤，使表面粗糙度增大。 硬度：砂轮的硬度是指磨粒在磨削力作用下从砂轮表面上脱落的难易程度。砂轮太硬，钝化了的磨粒不能及时被新磨粒替代，使表面粗糙度增大；砂轮太

12、软，磨粒易脱落，磨削作用减弱，也会使表面粗糙度增大。 组织：指磨粒、结合剂和气孔的比例关系。组织细密，能获得高精度和较小表面粗糙度，组织疏松，不易堵塞，适于磨削软金属材料，如：磁钢、不锈钢和耐热钢。 材料：氧化物（刚玉）砂轮用于磨钢类零件；碳化物砂轮（碳化硅）用于磨铸铁和硬质合金等材料，人造金刚石和立方氮化硼，可获得很少的表面粗糙度，但成本较高。第三节、影响表面层物理力学性能的工艺因第三节、影响表面层物理力学性能的工艺因第三节、影响表面层物理力学性能的工艺因第三节、影响表面层物理力学性能的工艺因素及其改措施素及其改措施素及其改措施素及其改措施 在在切切削削力力和和切切削削热热作作用用下下，加加

13、工工表表面面的的机机械械物物理理性性能能会会发发生生变变化化，与与基基体体材材料料性性能能有有很很大大不不同同，主主要要变变化化：表表层层金金相组织的变化，微观硬度变化和在表层中产生残余应力。相组织的变化，微观硬度变化和在表层中产生残余应力。一、加工表面的冷作硬化一、加工表面的冷作硬化 冷作硬化冷作硬化：在切削（磨削）过程中，如果加工表面层产生：在切削（磨削）过程中，如果加工表面层产生的塑性变形使的塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格严重扭曲晶体间产生剪切滑移，晶格严重扭曲，并产，并产生晶粒的拉长、破碎和纤维化，引起材料表层强度和硬度生晶粒的拉长、破碎和纤维化，引起材料表层强度和硬度提高，这种现

14、象称冷作硬化。提高，这种现象称冷作硬化。 冷硬的结果冷硬的结果：变形阻力增大、塑性降低，导电性、导热性：变形阻力增大、塑性降低，导电性、导热性发生变化。发生变化。弱化：弱化：冷作硬化使金属处于高能位的不稳定状态，在冷作硬化使金属处于高能位的不稳定状态，在温度较高时会本能向低能位的稳定状态转变。温度较高时会本能向低能位的稳定状态转变。冷作硬化的评定指标：冷作硬化的评定指标：1）表层金属的显微硬度，用HV表示2）硬化层深度h3）硬化程度N 硬化程度越大，则硬化层的深度越大。硬化程度取决于硬化程度取决于： 1）产生塑性变形的力产生塑性变形的力： 力越大，塑性变形越大，硬化程度越大。力越大，塑性变形越

15、大，硬化程度越大。 2）变形速度变形速度： 变形速度越快，变形越不充分，硬化程度越小。变形速度越快，变形越不充分，硬化程度越小。 3）变形温度变形温度： 变形的温度影响金相组织的恢复，当温度在变形的温度影响金相组织的恢复，当温度在0.250.3T范围，产生恢复现象，部分消除冷作硬化。范围，产生恢复现象，部分消除冷作硬化。（二）影响切削加工表面冷作硬化的因素（二）影响切削加工表面冷作硬化的因素（二）影响切削加工表面冷作硬化的因素（二）影响切削加工表面冷作硬化的因素 1、切削用量的影响、切削用量的影响 切削用量中以切削用量中以f 、 V影响最大影响最大 f增增大大，切切削削力力增增大大，塑塑性性变

16、变形形程程度度也也增增大大，因因此此硬硬化化现象增大，但在现象增大，但在f较小时刀刃园角在表面上挤在使硬化增加。较小时刀刃园角在表面上挤在使硬化增加。 V增增大大，则则硬硬化化层层的的深深度度和和硬硬度度都都减减小小，因因为为V增增大大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，同同时时V增增大大，使使刀刀具具与与工工件件的接触时间缩短，塑性变形减少；的接触时间缩短，塑性变形减少；切削深度对表面层切削深度对表面层金属的冷作硬化影金属的冷作硬化影响不大。响不大。 2、刀具几何形状的影响、刀具几何形状的影响 刀刀具具前前角角减减小小，刃刃口口圆圆角角和和后后刀刀面面的的磨磨损损量量增

17、增大大时时，冷作硬化程度和深度增大。冷作硬化程度和深度增大。 刃刃口口圆圆角角半半径径增增大大，则则径径向向切切削削分分力力增增大大，塑塑性性变变形形加剧，引起冷硬增大加剧，引起冷硬增大. 前角增大、切削力减小，塑性变形减小前角增大、切削力减小，塑性变形减小, 冷硬减小冷硬减小 刀刀具具磨磨损损对对表表层层金金属属冷冷硬硬影影响响很很大大。后后刀刀面面磨磨损损量量小小时，随磨损增大冷硬增大，磨损量很大时，软化作用增强。时，随磨损增大冷硬增大，磨损量很大时，软化作用增强。 3、被加工材料性能的影响、被加工材料性能的影响 材料的塑性越大、硬度越低，则材料冷硬越严重。材料的塑性越大、硬度越低，则材料

18、冷硬越严重。 碳钢含碳量越高，强度越大，其塑性越小，冷硬越轻。碳钢含碳量越高，强度越大，其塑性越小，冷硬越轻。 有色金属，熔点低，易弱化，其冷作硬化比钢轻得多。有色金属，熔点低，易弱化，其冷作硬化比钢轻得多。减少切削加工表面冷作硬化的措施1）合理选择刀具角度，前角大，刃口半径小。2）限制后刀面的磨损。3）合理选择切削用量，V大f小。4）进行有效冷却。( (三三三三) )影响磨削加工表面冷作硬件的因素影响磨削加工表面冷作硬件的因素影响磨削加工表面冷作硬件的因素影响磨削加工表面冷作硬件的因素1、工件材料性能的影响、工件材料性能的影响 从材料塑性和导热性两个方面考虑从材料塑性和导热性两个方面考虑 磨

19、高碳钢：硬化程度磨高碳钢：硬化程度60-65%，个别达，个别达100%。塑性差。塑性差 磨纯铁：硬化程度磨纯铁：硬化程度75-80%，可达，可达140-150%。因为塑性好，导。因为塑性好，导热性好，弱化倾向小。热性好，弱化倾向小。2、磨削用量的影响、磨削用量的影响背吃刀量：背吃刀量：吃刀量大，磨削力大，塑性变形加剧，冷硬增大吃刀量大，磨削力大，塑性变形加剧，冷硬增大纵向进给速度：纵向进给速度：进给速度大，切屑的厚大，磨削力，冷硬增大；进给速度大，切屑的厚大，磨削力，冷硬增大；另一方面，温度升高，弱化作用增强。两者综合作用。另一方面，温度升高，弱化作用增强。两者综合作用。工件转速工件转速：转速

20、增大，接触时间短，弱化的能力降低，冷硬增大。：转速增大，接触时间短，弱化的能力降低，冷硬增大。磨削速度磨削速度：砂轮速度增大：砂轮速度增大,切削厚度减小，磨削温度升高，冷硬切削厚度减小，磨削温度升高，冷硬降低。降低。 3、砂轮粒度的影响 粒度越大，每颗磨粒的载荷减小，冷硬减小。（四）冷作硬化的测量方法 主要测量表层的显微硬度和硬化层深度，硬化程度可通过计算得出。 显微硬度：显微硬度计二、表面金相组织的变化二、表面金相组织的变化二、表面金相组织的变化二、表面金相组织的变化 （一）、机械加工表面金相组织的转变 加工过程消耗的能量绝大多数转化成热能, 在切削热作用下，表面温度会高，当温度升高到一定程

21、度后则产生金相组织变化。切削加工一般不会严重到如此程度，但对磨削来说由于消耗的功率大，可能出现这种情况。1、磨削温度 磨削时，速度高，磨粒带有很大的负前角，除起切削作用外，还括擦挤压工件表面，因而产生的磨削热比切削时大得多，加上有80%的磨削热传入工件，只有少部分通过切屑、砂轮、冷却液带走，而切削时只有约5%的热量进入工件，致使磨削时工件表面温度比切削时高得多。2 2、磨削烧伤、磨削烧伤 磨削表层温度一般高达500600有时甚至达700以上，这样工件表面层产生金相组织变化，并使表层金属硬度下降，并呈现氧化膜颜色，这种现象称磨削烧伤。 淬火钢磨削可能产生三种烧伤：淬火钢磨削可能产生三种烧伤：回回

22、火火烧烧伤伤：当当磨磨削削区区温温度度没没有有超超过过相相变变温温度度但但超超过过马马氏氏体体转转变变温温度度（250300）时时，马马氏氏体体转转变变成成回回火火或或索索氏氏体体等与回火退火相近的组织，硬度低于回火马氏体。等与回火退火相近的组织，硬度低于回火马氏体。淬淬火火烧烧伤伤：当当磨磨削削区区温温度度超超过过相相变变临临界界温温度度（720）时时，马马氏氏体体转转变变成成奥奥氏氏体体，又又由由于于冷冷却却液液的的急急剧剧冷冷却却，会会发发生生二二次淬火现象，其硬度比回火马氏体的硬度高。次淬火现象，其硬度比回火马氏体的硬度高。退火烧伤：如果不用冷却液进行干磨，如温度超过相变临界温度，由于

23、冷却速度较慢，表面硬度下降。 表面烧伤以后在光线的照射下呈一定的颜色，从烧伤色可以判断出表面层发生金相组织变化的程度。褐色、紫色、青色都是淬火烧伤。黄、浅黄回火烧伤。 但表面没有烧伤颜色并不等于表面不存在损伤。如在磨削中，采用过大的磨削用量，造成很深的热变质层，以后的无进给磨削仅磨去表面烧伤色，但还并不意味着这层金属没有烧伤。3 3、烧伤颜色、烧伤颜色（二）减小磨削烧伤的工艺途径（二）减小磨削烧伤的工艺途径（二）减小磨削烧伤的工艺途径（二）减小磨削烧伤的工艺途径 烧伤主要原因是磨削区域中温度过高。为此应尽量烧伤主要原因是磨削区域中温度过高。为此应尽量减少磨削时产生的磨削热，并迅速将磨削热传走，

24、以降减少磨削时产生的磨削热，并迅速将磨削热传走，以降低工件表层温度。措施如下：低工件表层温度。措施如下：1、正确选择砂轮、正确选择砂轮 对于导热性差的材料对于导热性差的材料，如耐热钢、轴承钢和不锈钢，如耐热钢、轴承钢和不锈钢，容易产生烧伤，容易产生烧伤，应选择较软的砂轮，使磨粒钝化后尽快应选择较软的砂轮，使磨粒钝化后尽快脱离脱离。同时可选择具有一定弹性的结合剂（如橡胶结合。同时可选择具有一定弹性的结合剂（如橡胶结合剂或树脂结合剂），也可避免烧伤。剂或树脂结合剂），也可避免烧伤。2、合理选择磨削用量、合理选择磨削用量 在磨削过程中，当增大磨削深度、砂轮转速和工件转在磨削过程中，当增大磨削深度、砂

25、轮转速和工件转速时，均会引起表面温度升高。其中，速时，均会引起表面温度升高。其中，磨削深度影响最磨削深度影响最显著，应减少磨削切深显著，应减少磨削切深。 工件转速越大，表面的温度梯度越大，发生高温的表面层越薄。 由于金相组织转变需要一定时间，提高工件转速后，工件与砂轮的接触时间会极短，而一出磨削区域，马上冷却，故一般来不及回火。 在加工中，如果出现烧伤层很薄，在以后的无进给在加工中，如果出现烧伤层很薄，在以后的无进给磨削中会将其磨去。因此，问题不在于是否存在烧伤，磨削中会将其磨去。因此，问题不在于是否存在烧伤，而在于烧伤到底有多厚。而在于烧伤到底有多厚。 所以所以提高工件速度有利于减轻表面的烧

26、伤提高工件速度有利于减轻表面的烧伤。但提高。但提高工件转速后，会影响表面粗糙度，工件转速后，会影响表面粗糙度，故在生产中采用同时故在生产中采用同时提高砂轮与工件速度的方法来防止烧伤。提高砂轮与工件速度的方法来防止烧伤。3、改善冷却条件、改善冷却条件 1ml水变成水蒸汽可带走水变成水蒸汽可带走2512J.磨削区每秒的发热磨削区每秒的发热量在量在4187J以下，如果冷却水能进入到磨削区域，可避以下，如果冷却水能进入到磨削区域，可避免烧伤。免烧伤。（1）用高压大流量冷却。）用高压大流量冷却。（2）为减轻高速旋转砂轮表面高压附着气流的作用，可加）为减轻高速旋转砂轮表面高压附着气流的作用，可加装空气挡板

27、。装空气挡板。（3）采用内冷却，砂轮是多孔的，具有渗水能力。）采用内冷却，砂轮是多孔的，具有渗水能力。 因有水雾，工人操作条件差，且看不到火花，不便于因有水雾，工人操作条件差，且看不到火花，不便于磨削对刀。磨削对刀。图图图图5-195-194、选用开槽砂轮 增大磨削刃距离，使砂轮与工件间断接触，不仅改善散热条件，提高冷却效果，可大大减小烧伤。三、表面金属的残余应力三、表面金属的残余应力三、表面金属的残余应力三、表面金属的残余应力 在在切切削削和和磨磨削削加加工工中中，加加工工表表面面层层因因发发生生形形状状、体体积积或金相组织变化，使表层产生相互平衡的残余应力。或金相组织变化，使表层产生相互平

28、衡的残余应力。（一）表层金属产生残余应力的原因（一）表层金属产生残余应力的原因1、表层金属冷塑性变形所引起的残余应力、表层金属冷塑性变形所引起的残余应力 1）加加工工过过程程中中，因因塑塑性性变变形形会会发发生生晶晶格格移移动动，原原来来的的紧紧密密排排列列受受到到破破坏坏，引引起起容容积积增增大大比比重重下下降降，从从而而在在表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力。 2）在切削力作用下，已加工表面层受拉应力产）在切削力作用下，已加工表面层受拉应力产生伸长塑性变形，而里层仍处于弹性状态，切削生伸长塑性变形，而里层仍处于弹性状态，切削力去除后里层金属趋于复原

29、，但力去除后里层金属趋于复原，但受到已塑性变形受到已塑性变形的表层限制，不能回复到原状，因而在表面层产的表层限制，不能回复到原状，因而在表面层产生残余压应力生残余压应力，里存为拉应力。，里存为拉应力。2、局部温升过高而引起的残余应力、局部温升过高而引起的残余应力 加加工工过过程程产产生生大大量量切切削削热热。表表层层产产生生热热膨膨胀胀，而而基基体体温温度度较较低低，因因此此表表层层膨膨胀胀受受基基体体的的限限制制产产生生热热压压缩缩应应力力，当当表表层层温温度度超超过过弹弹性性变变形形范范围围就就产产生生塑塑性性变变形形（相相对对压压缩缩）；当当切切削削结结束束以以后后，温温度度下下降降，体

30、体积积要要收收缩缩，当当进进入入弹弹性性状状态态时时，表表层层因因产产生生热热塑塑变变形形，其其收收缩缩会会受受到到基基体体限限制制，故在表层产生拉应力，而在里层产生压应力。故在表层产生拉应力，而在里层产生压应力。 当当表表层层的的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，表表面面会会产生裂纹。产生裂纹。 故在磨削加工中表面容易出现裂纹。故在磨削加工中表面容易出现裂纹。3、金相组织变化所引起的残余应力 切切削削热热使使表表层层金金属属温温度度升升高高，甚甚至至达达到到相相变变温温度度，因因不不同同组组织织比比重重不不同同，相相变变的的结结果果会会造造成成体体积积变变化化，体

31、体积积膨膨胀则产生残余压应力胀则产生残余压应力，体积缩小则产生残余拉应力体积缩小则产生残余拉应力。 如：马氏体密度为如：马氏体密度为7.75 g/cm3，奥氏体密度为奥氏体密度为7.96 g/cm3， 珠光体密度为珠光体密度为7.78 g/cm3，铁索体密度为铁索体密度为7.88 g/cm3；以淬火钢磨削为例淬火钢原来的组织是马氏体淬火钢原来的组织是马氏体7.75 g/cm3磨削加工后磨削加工后表层可能产生回火，马氏体变为珠光体可能产生回火，马氏体变为珠光体7.78 g/cm3密度增大而体积减小密度增大而体积减小表面产生残余拉应力表面产生残余拉应力导致导致结果结果 表面残余应力是上述三个方面综

32、合作用的结果，在一定条件下，其中一种两种原因可能起主导作用。 切削加工中，如果切削热不高，以冷塑性变形为主表层产生压应力，如果切削热较高以后在表层中产生热塑性变形。热塑拉应力与冷塑压应力抵销一部分。 当冷塑占主导地位表面层产生残余压应力。 当热塑占主导地位表面层产生残余拉应力。 在磨削时，一般磨削热较高，常以相变和热塑性变形产生的拉应力为主，所以表面层常带有残余拉应力。 4、机械加工后表面层的实际残余应力（二）影响表层金属残余应力的工艺因素（二）影响表层金属残余应力的工艺因素（二）影响表层金属残余应力的工艺因素（二）影响表层金属残余应力的工艺因素 1、切削速度和被加工材料的影响、切削速度和被加

33、工材料的影响 45#钢，在各种切削速度下均产生残余拉应力，说钢，在各种切削速度下均产生残余拉应力，说明切削热起主要作用。明切削热起主要作用。 18CrNiMoA在切削速度较低时产生残余拉应力（切在切削速度较低时产生残余拉应力（切削热起主要作用），在高速切削时产生残余压应力（发削热起主要作用），在高速切削时产生残余压应力（发生了金相组织转变）。生了金相组织转变）。2 2、前角的影响、前角的影响、前角的影响、前角的影响（三）影响磨削残余应力的工艺因素（三）影响磨削残余应力的工艺因素1、磨削用量的影响1）磨削深度（背吃刀量） 磨纯铁，吃刀量很少时，以塑性变形为主，产生为压力应；吃刀量增大，温度影响为

34、主要因素，为拉应力；再增大，塑性变形加剧，又为压力。2）磨削速度 增大砂轮速度，产生拉应力的倾向增大。 增大工件转速和进给速度，热因素的影响减小，而塑性变形的影响增大，产生压应力趋势增大。2、工件材料的影响 工件材料的强度越高，导热性越差，塑性越低，在磨削时越容易产生残余拉应力。（四）工件最终加工工序的选择（四）工件最终加工工序的选择1）受交变载荷的零件，最终工序选择可产生残余压应力的加工方法2）对相对滑动的零件，从提高零件抵抗滑动摩擦引起的磨损来考虑，最终工序选择可产生残余拉应力的加工方法。从抵抗扩散磨损、化学磨损、粘接磨损来考虑，残余应力的性质无特殊要求，但残余应力的数值越小越好。3）对相

35、对滚动的零件，从提高搞滚动磨损能力来考虑，最终工序选择可产生残余压应力的加工方法。 工件的残余应力直接影响到其工作性能。因此最终工序加工方法的选择，须考虑零件具体工作条件及零件可能产生的破坏形式。各种加工方法在工件上产生的残余应力各种加工方法在工件上产生的残余应力四、表面强化工艺四、表面强化工艺四、表面强化工艺四、表面强化工艺 通通过过冷冷压压加加工工使使表表面面层层金金属属发发生生冷冷态态塑塑性性变变形形，以以降降低低表表面面粗粗糙糙度度，提提高高表表面面硬硬度度，并并在在表表面面层层中中产产生生残残余余压压应应力力。强强化化工工艺艺可可提提高高零零件件抗抗疲疲劳劳强强度度和和使使用用寿寿命

36、命，借借助强化工艺还可以用次等材料代替优质材料。助强化工艺还可以用次等材料代替优质材料。 常用表面强化工艺方法有：常用表面强化工艺方法有：喷丸、滚压、辗光喷丸、滚压、辗光 1 1喷丸强化喷丸强化 用压缩空气或离心力将大量的珠丸用压缩空气或离心力将大量的珠丸(直径为直径为0.4 4mm)以高速打击以高速打击被加工零件表面，使表面产生冷硬层和残余压应力，可以显著提高零被加工零件表面，使表面产生冷硬层和残余压应力，可以显著提高零件的疲劳强度。珠丸可以是铸铁或砂石，钢丸更好。喷丸所用设备是件的疲劳强度。珠丸可以是铸铁或砂石，钢丸更好。喷丸所用设备是压缩空气喷丸装置或机械离心式喷丸装置，这些装置使珠丸能

37、以压缩空气喷丸装置或机械离心式喷丸装置，这些装置使珠丸能以35 50ms的速度喷出。的速度喷出。珠丸(直径为0.4 4mm)高 速(35 50 m/s)打击被加工零件表面使表面产生冷硬层和残余压应力方法概要 喷九主要用于强化形状复杂零件，如齿轮、弹簧、连杆、曲轴喷九主要用于强化形状复杂零件，如齿轮、弹簧、连杆、曲轴等。零件经喷九强化后，硬化层深度可达等。零件经喷九强化后，硬化层深度可达0.7mm，表面租糙度表面租糙度Ra值可由值可由3.2 减少到减少到0.4 ，使用寿命可提高几倍到几十倍。使用寿命可提高几倍到几十倍。应用（二）（二）滚压强化滚压强化 用用工工具具钢钢制制成成的的钢钢滚滚轮轮或或

38、钢钢珠珠在在零零件件表表面面上上进进行行滚滚压压、辗辗光光，使使表表层层材材料料产产生生塑塑性性流流动动，从从而而形形成成新新的的光光洁洁表表面面。粗粗糙糙度度Ra从从1.6降降至至0.1um将将表表面面凸凸起起部部分分往往下下压压，凹凹下下的的部部分分往往上上挤挤，修修正正微微观观误误差差，形形成成残残余余压应力达到表面强化的目的。压应力达到表面强化的目的。 硬度提高硬度提高1040% 疲劳强度提高疲劳强度提高3050%。 该方法使用简单，无需特该方法使用简单，无需特殊设备，在普通车床、镗床、殊设备，在普通车床、镗床、钻床、刨床上即可进行。钻床、刨床上即可进行。 五、五、光整加工方法光整加工

39、方法光整加工方法光整加工方法 光光整整加加工工方方法法主主要要是是降降低低表表面面粗粗糙糙度度，而而尺尺寸寸精精度度一一般般由由前前道道工工序序保保证证。利利用用磨磨粒粒切切除除金金属属，但但是是没没有有与与磨磨削削深深度度相相对对应的参数，一般只规定加工时的压强。应的参数，一般只规定加工时的压强。（一）超精加工（一）超精加工 也称超精研，是一种也称超精研，是一种降低表面粗糙度的一种有效方法降低表面粗糙度的一种有效方法。1、工作原理 超精研是用细粒度的磨条，在一定压力和切削速度下压在被加工表面上并作轴向往复振荡，从而进行微量切除的光整加工方法。包括三种运动：工件回转、磨条轴向进给和磨条往复振摆

40、运动。超精加工、研磨、珩磨和抛光加工超精加工、研磨、珩磨和抛光加工2 2、超精加工的切削过程、超精加工的切削过程、超精加工的切削过程、超精加工的切削过程分为四个阶段：分为四个阶段： 1）强烈切削阶段强烈切削阶段：开始时表面粗糙凸峰处：开始时表面粗糙凸峰处 比压大，切削作用强磨粒易产生破碎脱落，磨粒切刃锋利。比压大，切削作用强磨粒易产生破碎脱落，磨粒切刃锋利。2）正正常常切切削削阶阶段段：粗粗糙糙部部分分磨磨去去后后，油油石石磨磨粒粒不不易易破破碎碎脱脱落落，但仍有切削作用，随着加工的进行，工件表面逐渐平滑。但仍有切削作用，随着加工的进行，工件表面逐渐平滑。3）微微弱弱切切削削阶阶段段：此此时时

41、磨磨粒粒进进变变钝钝，切切削削作作用用微微弱弱，切切下下的的微微细切屑嵌在油石中起抛光作用。细切屑嵌在油石中起抛光作用。4）自自动动停停止止切切削削阶阶段段：表表面面磨磨平平后后，单单位位面面积积上上的的压压力力极极低低，磨条与工件之间形成油膜，切削作用停止。磨条与工件之间形成油膜，切削作用停止。3 3、超精加工的特点、超精加工的特点、超精加工的特点、超精加工的特点1）与与磨磨削削比比，压压力力和和速速度度均均比比较较低低，表表面面几几乎乎不不产产生变质层生变质层。2）稍稍有有修修正正上上道道工工序序几几何何形形状状误误差差和和振振动动波波纹纹的的能能力，但修正尺寸误差的能力差。力，但修正尺寸

42、误差的能力差。3）加加工工效效率率高高，一一般般零零件件几几分分钟钟可可完完成成，太太长长时时间间对加工质量不会有好处。对加工质量不会有好处。4）油石与工件没有刚性联系，故所机床简单油石与工件没有刚性联系，故所机床简单。（二）研磨（二）研磨（二）研磨（二）研磨 研磨是一种光整加工和精密加工方研磨是一种光整加工和精密加工方法。当采用精密的定型研磨工具时，可法。当采用精密的定型研磨工具时，可获得很高的尺寸精度和形状精度。获得很高的尺寸精度和形状精度。1、工作原理、工作原理 将将研磨剂涂研磨剂涂 （干式）或浇注在研具与工件（干式）或浇注在研具与工件间，工件与研具在一定压力下作不断变更方向的间，工件与

43、研具在一定压力下作不断变更方向的相对运动。磨粒在工件表面切除微量的金属层。相对运动。磨粒在工件表面切除微量的金属层。精度达精度达5级以上，粗糙度级以上，粗糙度Ra0.16um2、研磨类型研磨类型 手工研磨和机械研磨手工研磨和机械研磨。 (应用实例：机械密封）应用实例：机械密封）3、研磨加工的特点、研磨加工的特点 1）所有研具均用较软的材料制成。）所有研具均用较软的材料制成。 2）研磨加工既有机械加工作用，也有化学作用。）研磨加工既有机械加工作用，也有化学作用。 3）磨粒很少重复运动轨迹）磨粒很少重复运动轨迹 4）可可获获得得很很高高的的尺尺寸寸精精度度和和很很低低的的表表面面粗粗糙糙度度，还还

44、可可提提高形状精度。高形状精度。4、研具、研具 研研具具的的材材料料较较软软，一一般般选选用用比比工工件件材材料料软软且且具具有有均均匀匀组组织织的的材材料料作作研研具具。如如铸铸铁铁（最最常常用用）、铜铜、铝铝、巴巴氏氏合合金金等等。铜铜、铝铝因因容容易易嵌嵌入入较较大大的的磨磨粒粒，适适用用于于粗粗研研；铸铸铁铁适用于精研。适用于精研。5 5、研磨剂、研磨剂 研磨剂由磨料和研磨液混合而成。 研磨液是由煤油与机油按1：1的比例混合而成。 磨料：金刚石粉、碳化硼（研磨硬质合金）；氧化铬、氧化铁（粗糙度要求低的表面）；碳化硅、氧化铝(常用)。1）研磨速度低，塑性变形小，切削热量小，变形层薄。2）

45、不但可改善加工表面的表面质量，还可以得到很高的尺寸精度和形状精度，但不能改善加工表面的位置精度。3）劳动量大，生产效率低。4）对设备条件要求不高。5）既可加工金属材料也可加工非金属材料。6 6、研磨的工艺特点、研磨的工艺特点、研磨的工艺特点、研磨的工艺特点（三）珩磨（三）珩磨 1、工作原理、工作原理 珩珩磨磨头头园园周周上上安安装装油油石石，由由膨膨开开机机构构将将砂砂条条沿沿径径向向胀胀开开，压压向向工工件件孔孔壁壁，珩珩磨磨头头作作回回转转运运动动和和直直线线往往复复运运动动，实实现现对对孔孔的的低低速速磨磨削削和和摩摩擦抛光。擦抛光。(应用实例：气缸套）应用实例：气缸套） 珩珩磨磨应应使

46、使用用冷冷却却润润滑滑液液，冲冲去去切切屑屑和和磨磨粒粒碎碎末末，冷冷却却表表面面，常常用用煤煤油加入少量（油加入少量（2030%）锭子油。）锭子油。 为为使使整整个个孔孔壁壁能能得得到到均均匀匀加加工工砂砂条条在在孔孔的的两两端端都都要要伸伸出出一一段段越越程程量量，伸伸出出量量大大小小产产生生腰腰鼓鼓形形误误差差，伸出量太大产生喇叭口误差伸出量太大产生喇叭口误差。2 2、特点：、特点：、特点：、特点： 1）能能获获得得较较高高的的尺尺寸寸精精度度和和形形状状精精度度，加加工工精精度度IT67级，但珩磨不能提高位置精度。级，但珩磨不能提高位置精度。 2）能获得较高的表面质量，粗糙度为：）能获

47、得较高的表面质量，粗糙度为：0.4Ra0.32 3）珩珩磨磨生生产产率率：珩珩磨磨不不适适于于加加工工软软韧韧性性的的有有色色金金属属，也也不能加工带键槽的孔和花键孔。不能加工带键槽的孔和花键孔。（四）抛光（四）抛光 是是利利用用高高速速旋旋转转布布轮轮或或布布盘盘等等软软的的研研具具，涂涂上上抛抛光光膏膏接接触触工工件件表表面面，或或者者工工件件高高速速回回转转用用细细粒粒度度砂砂带带或或涂涂有有抛抛光光膏膏的的砂砂带带与与工工件件接接触触，磨磨粒粒在在工工件件表表面面上上切切去去粗粗糙糙的的凸峰，凸峰，使工件表面获得光泽。使工件表面获得光泽。 (实例：手柄手轮等）实例：手柄手轮等） 抛抛光

48、光不不能能修修正正工工件件的的尺尺寸寸和和形形状状误误差差，只只能能减减小小表表面粗糙度提高表面质量。面粗糙度提高表面质量。一、机械加工过程中振动的危害一、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。二、机械加工过程中振动的类型二、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第四节第四节第

49、四节第四节 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动机械加工过程中的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自

50、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3-323-32） 自激振动是一种不衰减振动自激振动是一种不衰减振动 自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率 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在每一个周期内获得和消耗的能量对比情况统在每一个周期内获得和消耗的能量对比情况电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)图3-32 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