新版机械制造工艺课件ch5机械加工表面质量控制.ppt

第5章 机械加工表面质量控制,5.1 影响加工表面质量的因素 5.2 机械加工中的振动 5.3 控制机械加工表面质量的措施,5.1影响加工表面质量的因素,机械加工表面质量对机器零件的使用性能，甚至整机的工作性能都有很大影响。 深入研究影响加工表面质量的各种因素及其规律，探究提高和保证加工表面质量的措施和方法是机械制造工艺学研究的重要内容。,5.1.1影响表面粗糙度的工艺因素,影响加工表面粗糙度的工艺因素主要有几何因素和物理因素两个方面。加工方式不同，影响的工艺因素也各不相同。 1. 切削加工的表面粗糙度 1）几何因素 影响表面粗糙度的几何因素是指刀具相对工件作进给运动时，由于刀具的几何形状、几何参数、进给运动及切削刃本身的粗糙度等影响，未能完全将加工余量切除，在加工表面留下残留面积，形成表面粗糙度。,以车削或刨削加工零件表面为例。 切削残留面积的高度与下列因素有关 刀尖圆弧半径 re 主偏角 Kr 副偏角 Kr 进给量 f 刀刃本身的粗糙度等因素有关。,切削深度较大且刀尖圆弧半径很小时，或者采用尖刀刃具切削时，如图5.1(a)所示，残留面积的高度为,圆弧刀刃切削加工时，残留面积的高度与刀尖圆弧半径re和进给量f有关，图5.1(b)所示的几何关系可近似为,减小进给量、增大刀尖圆弧半径、减小主偏角或副偏角都会使表面粗糙度得到改善，但以进给量和刀尖圆弧半径的影响最为明显。 实际加工表面的粗糙度总是大于上面两个残留面积高度公式的理论计算值，只有切削脆性材料或高度切削塑性材料时，计算结果才比较接近实际。,2）物理因素 在切削过程中刀具对工件的挤压和摩擦等物理因素使金属材料发生塑性变形，从而影响理论残留部分的轮廓以及表面粗糙度。加工获得的表面粗糙度轮廓形状是几何因素和物理因素综合作用的结果。 影响表面粗糙度的物理因素可归结为以下几个方面： （1） 刀具几何参数及刀具材料 刀具的几何参数对切削加工表面粗糙度影响很大。刀具的主偏角、副偏角和刀尖圆弧半径影响较为显著。 适当增大刀具前角可以有效改善加工表面粗糙度。而刀具后角的大小与已加工表面的摩擦有关，后角大的刀具有利于改善表面粗糙度。但后角过大，对刀刃强度不利，易产生切削振动，表面粗糙度反而增大。 选用强度好，特别是热硬性高的材料制造的刀具，易于保持刃口锋利，而且摩擦系数小、耐磨性好，在切削加工时则能获得较小的表面粗糙度。,（2）工件的材料及热处理 工件材料的品种、成分和性质，以及热处理方法的不同，加工表面的粗糙度也存在一定差别。 塑性材料切削加工过程中，如低碳钢、耐热钢、铝合金和高温合金等，在一定切速下会在刀面形成硬度很高的积屑瘤，从而改变刀具的几何形状和加工进给量，使加工表面的粗糙度严重恶化。而脆性材料加工后，一般其表面粗糙度易于达到要求。 对于同样的工件材料，若金相组织的晶粒粗大，则切削加工获得的表面粗糙度越差。因此，为减小切削加工的表面粗糙度值，常在加工前对工件材料进行调质处理，以获得较均匀的、细密的晶粒组织和较高的硬度。,（3）切削用量 一般来说，切削深度对加工表面粗糙度影响不明显，但过小的切削深度无法维持正常切削，常会引起刀刃与工件相互挤压、摩擦，使加工表面质量恶化。 切削速度、进给量对表面粗糙度影响较大。较小的切削进给量可减少残留面积的高度，减轻切削力和工件材料的塑性变形程度，从而获得较低的表面粗糙度值。但进给量过小，刀刃不能进行切削而仅形成挤压，致使工件的塑性变形程度增大，使表面粗糙度变大。切削过程中，切削速度越高，则被加工表面的塑性变形程度越小，表面粗糙度越好。 （4）刀具的刃磨 考虑到刀具刃口表面粗糙度在工件表面的复映效果，提高刀具的刃磨质量也能改善表面粗糙度。 （5）润滑冷却液 切削过程中，润滑冷却液可吸收、传递切削区内的热量，减小摩擦、促进切屑分离，减轻力、热的综合作用，抑制刀瘤和鳞刺的产生，减少切削的塑性变形，利于改善加工表面的粗糙度。,2. 磨削加工表面粗糙度 磨削是较为常见的精加工方法，其表面粗糙度的形成也是由几何因素和物理因素决定的，但磨削过程较切削过程复杂。 1）磨削加工表面粗糙度的形成 磨削加工是通过砂轮和工件的相对运动，使得分布在砂轮表面上的磨粒对工件表面进行磨削加工。 砂轮的磨粒分布存在很大的不均匀性和不规则性，尖锐且突出的磨粒可产生切削作用，而不足以形成切削的磨粒可产生刻划作用，形成划痕并引起塑性变形，更低而钝的磨粒则在工件表面引起弹性变形，产生滑擦作用。因此磨削加工的表面是砂轮上大量的磨粒刻划出的无数极细的刻痕形成的。 另外，磨削加工时的速度较高，砂轮磨粒大多具有较大的负前角，磨粒与表面间的相互作用较强，将造成磨削比压大、磨削区的温度较高。如果工件表层温度过高，则表层金属易软化、微熔或产生相变。而且，每个磨粒所切削的厚度仅为0.2m左右，大多数磨粒在磨削加工过程中仅起到挤压作用，磨削余量是在磨粒的多次挤压作用下经过充分塑性变形出现疲劳剥落产生的，因而磨削加工的塑性变形一般要比切削加工大。,2）影响磨削加工表面粗糙度的工艺因素 影响磨削表面粗糙度的主要工艺因素有如下几个方面： (1) 砂轮的选择 砂轮的粒度、硬度、组织、材料及旋转质量平衡等因素都会影响磨削表面粗糙度，在选择时应综合考虑。 单纯从几何因素考虑，在相同的磨削条件下，砂轮的粒度细，则单位面积上的磨粒多，加工表面上的刻痕细密均匀，磨削获得的表面粗糙度值小。但磨粒太细时，砂轮容易被磨屑堵塞。 通常磨粒的大小和磨粒之间的距离用粒度表示，一般常取46号60号。 砂轮的硬度是指磨粒从砂轮上脱落的难以程度。 砂轮选择过硬，则磨粒钝化后不易脱落，使得工件表面受到强烈的摩擦和挤压作用，致使塑性变形的程度增加，增大表面粗糙度。反之，砂轮选择太软，则磨粒易于脱落，产生磨损不均匀，从而磨削作用减弱，难以保证工件表面的粗糙度。因此，砂轮硬度选择要适当，通常选用中软砂轮。,砂轮的组织是指磨粒、结合剂和气孔的比例关系。 紧密组织能获得高精度和较小的表面粗糙度值，而疏松组织的砂轮不易阻塞，适合加工软金属、非金属软材料和热敏性材料。 砂轮的材料，即磨料的选择要综合考虑加工质量和成本。 高硬磨料的砂轮可获得较小的表面粗糙度，但加工成本很高。,(2)磨削用量 磨削用量主要指砂轮速度、工件速度、进给量和磨削深度等，即磨削加工的条件。 提高砂轮速度，则通过被磨削表面单位面积上的磨粒数和划痕增加。与此同时，每个磨粒的负荷小，热影响区浅，工件材料的塑性变形的传播速度可能大于磨削速度，工件来不及产生塑性变形，使得表面层金属的塑性变形现象减轻，磨削表面的粗糙度值将明显减小。 工件速度对表面粗糙度值的影响与砂轮速度的影响相反，增大工件速度时，单位时间内通过被磨表面的磨粒数减少，工件表面粗糙度值将增加。 砂轮纵向进给量减少，工件表面被砂轮重复磨削的次数将增加，表面粗糙度值会减小；而轴向进给量减小时，单位时间内加工的长度短，表面粗糙度值也会减小。 磨削深度对表面粗糙度的影响很大。减小磨削深度，工件材料的塑性变形减弱，被磨表面的粗糙度值会减小，但也会降低生产率。,(3) 砂轮的修整 修整砂轮是改善磨削表面粗糙度的重要措施，因为砂轮表面的不平整在磨削时将被复映到被加工表面。 修整砂轮的目的是使砂轮具有正确的几何形状和获得具有磨削性能的锐利微刃。 砂轮的修整与修整工具、修整砂轮纵向进给量等有密切关系。以单颗金刚石笔修整砂轮时，金刚石笔纵向进给量越小，金刚石越锋利，修出的砂轮表面越光滑，磨粒微刃的等高性越好，磨出的工件表面粗糙度越小。 此外，工件材料的性质、磨削液等对磨削表面粗糙度的影响也很明显。,影响磨削加工表面粗糙度的因素,砂轮粒度,工件材料性质,砂轮修正,磨削用量,砂轮硬度,影响磨削加工表面粗糙度的因素,5.1.2影响零件表层物理力学性能的因素,机械加工过程中，工件表层在力、热的综合作用下，表面层的物理力学性能会发生变化，使其与金属基体材料性能有所不同。 最主要的变化是表层金属显微硬度的改变，金相组织的变化和在表层金属中产生残余应力和表面强化现象。 不同的工件材料，不同的加工条件，会产生不同的表面层特性。在磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比切削加工时更严重，因而磨削加工表面层的上述三项物理力学性能的变化会很大。,影响表面层物理力学性能的主要因素,表面物理力学性能,影响金相组织变化因素,影响显微硬度因素,影响残余应力因素,1. 加工表面的冷作硬化 磨削和切削加工中，若加工工件表面层产生的塑性变形使表面层材料沿晶面产生剪切滑移，使晶格扭曲、畸变，产生晶粒拉长、破碎和纤维化，这将引起材料的强化，使工件表面层的强度和硬度增加，这种现象称为冷作硬化。 评定表面层冷作硬化的指标主要以硬化层深度、表面层金属的显微硬度和硬化程度表示。一般硬化程度越大，硬化深度也越大。 硬化程度的表达式如下， 式中 HV 加工后表面层显微硬度，单位GPa； HV0 基体材料的显微硬度，单位GPa。,表面层冷作硬化的程度取决于产生塑性变形的力、变形速度和变形时的温度。 产生塑性变形的力越大，塑性变形越大，硬化程度越大。 变形速度越大，则塑性变形越不充分，硬化程度反而减少。 变形时的温度会影响塑性变形的程度和变形后金相组织恢复的能力。冷作硬化的表面层金属处于高能位不稳定状态，在某些条件下(如温度变化在某范围内)，金属结构会向稳定的结构转化，从而部分地消除冷作硬化，即弱化。因此，工件加工后表面层的最终性质是强化和弱化作用的综合结果。 实际上，冷作硬化的程度和深度还与金属基体的性质、机械加工的方法和条件有关。,1）影响切削加工表面冷作硬化的因素 切削加工过程中，被加工材料、刀具几何参数和切削用量均在不同程度上影响表面层的冷作硬化程度。 (1)被加工材料的影响 工件材料的硬度越小、塑性越大，切削后的冷硬程度越严重。 就碳素结构钢而言，含碳量越低，强度越低，塑性越大，因表面层的而冷硬程度严重。 (2)刀具几何参数的影响 刀具的前角、刃钝圆半径和后面的磨损对冷硬程度有很大影响，而后角、主偏角、副偏角及刀尖圆弧半径等的影响不大。 刀具刃钝圆半径增大时，加工后表面的冷硬层深度和硬度也随之增大。原因在于切削刃钝圆半径增大会加大径向切削力，从而加剧塑性变形，导致硬化现象严重。 刀具后面的磨损量增加时，使得刀具后面与被加工表面的摩擦加剧，塑性变形增大，从而表层冷硬程度增大。,(3)切削用量的影响 在切削用量中，以切削速度和进给量影响较大。 在不致引起表层金相组织发生相变的范围内，增加切削速度时，刀具与工件的接触时间缩短，使得塑性变形程度减小，硬化层深度和硬度都有所减小。 进给量增大时，切削力增大，表层的塑性变形程度也增大，从而加剧表面层的冷作硬化程度。 进给量过小时，由于刀具刃口圆角在加工表面单位长度上的挤压次数增多，反而会增大硬化程度。,影响表面层加工硬化的因素,刀具几何形状 的影响,切削刃 r、前角、后面磨损量VB 表层金属的塑变加剧冷硬,切削用量的影响,切削速度v塑变冷硬 f切削力塑变冷硬,工件材料性能 的影响,材料塑性冷硬,2）影响磨削加工表面冷作硬化的因素 相比较而言，磨削加工的温度比切削加工温度高很多，磨削过程中的弱化作用或金相组织的变化起主导作用，使得磨削加工表面的硬化规律较为复杂。 (1) 被加工材料的影响 工件材料的塑性好，则磨削加工时塑性变形大，冷硬倾向大。导热性能佳的材料，磨削加工产生的热量不易集中于表面层，弱化倾向小。 例如 磨削高碳工具钢T8时，加工表面冷硬程度平均达60%65%； 磨削纯铁时，加工表面冷硬程度可达75%80%，甚至有时可达140%150%。 原因在于纯铁的塑性好，磨削时的塑性变形大，强化倾向大，而且纯铁的导热性比高碳钢高，热不易集中于表面层，弱化倾向小。,(2) 磨削用量的影响 磨削速度的提高会减弱塑性变形的程度，而且磨削区温度的增高会加强弱化作用。所以，高速磨削加工表面的冷硬程度一般比普通磨削低。 相对而言，工件速度对冷硬程度的影响与磨削速度的影响基本相反。 磨削加工的磨削力会随磨削深度的加大而增大，从而加工件表面的塑性变形程度，表面冷硬倾向增大。 加大纵向进给速度时，磨削加工的磨削力加大，冷硬倾向增大。但纵向进给速度的提高也可能使磨削区产生较大的热量而使冷硬减弱。因而加工表面的冷硬状况要考虑这两种因素的综合作用。,2. 加工表面的金相组织变化与磨削烧伤 1）表面层金相组织的变化及磨削烧伤的发生 机械加工过程中，加工时所消耗的能量绝大部分转化为热能，而使工件表面的加工区域及其附近区域的温度升高。当温升超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织的变化。 一般的切削加工不一定产生加工表面层金相组织的变化，原因是单位内切削截面所消耗的功率不是很大，温度升高一般不会达到相变温度。 磨削加工时，磨削比压和磨削速度较高，切除单位截面金属所消耗的功率大于其它加工方法。这些热量部分由切屑带走，很小一部分传给砂轮。假若冷却效果不好，则这些热量中的大部分(80%左右)将传给被加工工件表面，使工件表层金属强度和硬度降低，并伴有残余应力的产生，甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。 磨削加工是一种典型的、易使加工表面层产生金相组织变化的加工方法。,影响磨削加工时表面层金相组织变化的因素主要有工件材料、磨削温度、温度梯度及冷却速度等。然而，各种材料的金相组织及其转变特性是不同的。如轴承钢、高速钢及镍铬钢等高合金钢材料，磨削时若冷却不充分则容易使工件表面层上形成的瞬时高温，产生磨削烧伤。磨削淬火钢时，根据温度的不同一般分为三种烧伤： (1) 回火烧伤 如果磨削区的温度超过马氏体的转变温度(中碳钢为350)，但末超过淬火钢的相变临界温度(碳钢的相变温度约为720)时，则工件表面层金属的马氏体组织会产生回火现象，转变成硬度较低的回火组织(索氏体或托氏体) 。这种烧伤称为回火烧伤。 (2) 淬火烧伤 如果磨削区温度超过了相变温度，且在冷却液的急冷作用下，表面会出现二次淬火马氏体组织，硬度比原来的回火马氏体高，但其厚度很薄。在它的下层，因冷却较慢会出现硬度比原来回火马氏体低的回火索氏体或托氏体。这称为淬火烧伤。 (3) 退火烧伤 如果磨削区温度超过相变温度，但磨削过程没有冷却液，这时工件表层金属将被退火，表面硬度急剧下降。这称为退火烧伤。一般干磨时很容易产生这种情况。,淬火烧伤,回火烧伤,退火烧伤,磨削时工件表面温度超过相变临界 温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。在 冷却液作用下，工件最外层金属会出现二 次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火 马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回 火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极薄， 表面层总的硬度是降低的，这种现象称为 淬火烧伤。,磨削时，如果工件表面层温度只 是超过原来的回火温度，则表层原来 的回火马氏体组织将产生回火现象而 转变为硬度较低的回火组织（索氏体 或屈氏体），这种现象称为回火烧伤。,磨削时，当工件表面层温度超过 相变临界温度Ac3时，则马氏体转变 为奥氏体。若此时无冷却液，表层金 属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织。 硬度和强度均大幅度下降。这种现象 称为退火烧伤。,磨削烧伤的 三种形式,2）防止磨削烧伤的工艺措施 如果在磨削加工中出现磨削烧伤现象，零件的使用性能将会受到严重影响。 磨削热是磨削烧伤的根源 改善磨削烧伤的途径主要有两个：一是减少磨削热的产生；二是改善冷却条件。 通常采用以下工艺途径改善磨削烧伤的程度。 合理选择砂轮 砂轮的硬度、粒度、结合剂和组织等对磨削烧伤有很大影响。磨削导热性差的材料(如耐热钢、轴承钢及不锈钢等)，或干磨、磨削空心薄壁零件以及工件与砂轮接触弧较长时，更易产生烧伤现象。为避免产生烧伤，应选择较软的砂轮。具有一定弹性的结合剂(如橡胶结合剂，树脂结合剂)，或组织疏松的砂轮，利于减轻烧伤。 在砂轮的孔隙内浸入石蜡之类的润滑物质，对降低磨削区的温度、防止工件烧伤也有一定效果。,控制磨削用量 一般情况下，提高工件回转速度具有减小烧伤层深度的作用，同时相应提高砂轮速度可避免烧伤，并能兼顾工件的表面粗糙度。 减小磨削深度和加大纵向进给量，也能够降低表面层温度改善烧伤，但会导致表面粗糙度值增大。一般采用提高砂轮转速或较宽砂轮来弥补。 改善冷却条件 改善冷却条件可将磨削产生的热量迅速带走，从而降低磨削区的温度，有效地防止烧伤现象的产生。 磨削冷却液能降低温度、减少烧伤、冲去脱落的砂粒和切屑，既能改善烧伤又能减小表面粗糙度。选取比热大的磨削冷却液，加大磨削液的压力和流量，能够提高热传递效率，利于避免烧伤。,目前通用的冷却方法较差，由于砂轮的高速旋转，圆周方向产生强大气流，使得磨削液很难直接送入磨削区，冷却效果很差。而内冷却是一种较为有效的方法，如图5.2所示。,内冷却工作原理是将严格过滤后的冷却液通过中空主轴法兰套引入砂轮的中心腔内，在离心力的作用下冷却液会通过砂轮内部的孔隙向砂轮四周的边缘洒出，冷却液就有可能直接注入磨削区。 内冷却装置会产生大量水雾，影响加工条件，而且磨削冷却液必须严格过滤，要求杂质不超过0.02%，以防止堵塞砂轮内部孔隙。所以，其应用不广。,实际中多采用开槽砂轮，即在砂轮的圆周上开一些横槽，开槽砂轮的形状如图所示，这就能使砂轮将冷却液带入磨削区；同时，开槽可使砂轮间断磨削，工件受热时间缩短，金相组织来不及转变，开槽砂轮还能起到风冷作用，改善散热条件。 因此，开槽砂轮可有效地防止烧伤现象产生。开槽的形状主要有两种形式：均匀等距开槽和变距开槽。,(4) 回火工序处理 对某些塑性低、导热系数小的材料，如淬火高碳钢、渗碳钢、耐热合金、球墨铸铁等，磨削前在适当的温度下安排回火工序处理，可减少裂纹的产生。,磨削用量,砂轮与工件材料,改善冷却条件,1）砂轮转速 磨削烧伤 2）径向进给量fp 磨削烧伤 3） 轴向进给量fa磨削烧伤 4）工件速度vw 磨削烧伤,1)磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃 口锋利磨削力磨削区的温度 2)磨削导热性差的材料(耐热钢、轴承 钢、不锈钢)磨削烧伤 3)应合理选择砂轮的硬度、结合剂和 组织磨削烧伤,采用内冷却法 磨削烧伤 图,影响磨削烧伤的因素及改善途径,采用开槽砂轮,间断磨削受热 磨削烧伤 图,1) 表面层产生残余应力的原因 表面层产生残余应力的原因主要有以下三方面： 冷塑性变形的影响 机械加工过程中，被加工工件表面在切削里的作用下会产生强烈的塑性交形，使表面层金属的比容增大、体积膨胀。而基体金属受应力较小，处于弹性变形状态。因此，表面层金属的变形受到与它相连的里层基体金属的阻碍，从而在表面层内产生了残余压应力，里层产生残余拉应力。 当刀具切离后，里层基体金属的弹性变形将逐渐恢复，而表面层金属的塑性变形不能恢复。趋向复原的内层基体金属将受到表面层已塑性变形金属的限制，故而表面层有残余压应力，里层有残余拉应力与之平衡。,热塑性变形的影响 机械加工时，工件表面层受切削热的作用而产生热膨胀。由于表面层金属的温度比里层基体金属的温度高，表面层的热膨胀会被里层基体金属的膨胀所阻碍，因而表面层产生压缩应力，而在里层产生热态拉应力。 若表面层产生的压缩应力没有超过材料的屈服极限，不会产生塑性变形； 若表面层在加工时温度很高，产生的压缩应力超过材料的屈服极限时，就会产生热塑性变形。 加工时温度越高，发生热塑性变形的倾向越大，产生的残余应力也越大。残余应力的大小，除与温度有关外，也与材料的特性有关，即与屈服极限的曲线及温度升降的斜率有关。,(3) 金相组织的变化 不同的金相组织，具有不同的密度和比容。机械加工过程中，如果工件表面层的金相组织发生变化，则工件表面层金属的比容也会发生变化。这种比容的变化必然受到里层基体金属的阻碍，从而产生残余应力。如果金相组织的变化引起表面层金属的比容减小，则表面层金属产生拉应力，而里层产生压应力；反之，若金属的比容减小，表面层金属将产生压应力，而里层产生拉应力。如在磨削淬火钢时，由于磨削热导致表层可能产生回火，表层金属组织将由马氏体转变为接近珠光体的屈氏体或索氏体，密度增大，比热容减小，表层金属要产生相变收缩但会受到基体金属的阻止，从而在表层金属产生残余拉应力，里层金属产生残余压应力。如果磨削时表层金属的温度超过相变温度且冷却已充分，则表层金属将转变为淬火马氏体，密度减小，比热容增大，则表层金属产生残余压应力，里层金属产生残余拉应力。 实际上，机械加工后表面层的残余应力是上述三方面原因综合作用的结果。,2）影响残余应力的工艺因素 影响残余应力的主要工艺因素有工件材料的性质、刀具(砂轮)、切削用量及冷却润滑液等方面。具体情况要根据切削的塑性变形、切削温度和金相组织变化的影响程度而定。 (1) 切削加工影响残余应力的工艺因素 刀具的后角、刀尖的圆角半径及刃钝圆半径对表面层残余应力的影响不大，这是因为后角受到刀刃强度的制约变化不大，而刀尖的圆角半径和刃钝圆半径在刃磨后很小。刀具几何参数中前角的残余应力影响较大。实际上当刀具磨损到一定程度时，切削力以及刀具和工件的摩擦会显著增加，使表面层温度会升高，表面层的塑性变形加剧，因而刀具的磨损对残余应力影响较大。,加工用量对残余应力的影响比较复杂，它与工件的材料、原来的状态以及具体的加工条件等有关。 在一般情况下，残余应力的数值和方向与切削速度有关。以较低的速度切削时，工件表面层会产生残余拉应力。但随着切削速度的增大，拉应力值将逐渐减小，并在一定切削速度以上转变为残余压应力。 低速切削时切削热的作用占主导作用，表层产生残余拉应力。而随着切削速度的提高，表层温度逐渐提高至淬火温度，表层金属的金相组织发生变化，使残余拉应力的数值逐渐减小。 高速切削时，表层金属的金相组织变化起主导作用，因而表层产生残余压应力。进给量增加时，残余应力的数值及扩展深度均随进给量的增加而增加。增加切削深度，残余应力也会随之稍有增加。,(2) 磨削加工影响残余应力的工艺因素 一般而言，工件材料的硬度越高、塑性越低、导热性能越差，则表面金属产生残余拉应力的倾向越大。磨削导热性能差的高强度合金钢时，表面层的残余拉应力很可能超过材料的强度极限，表面甚至会产生裂纹。 磨削用量是影响残余应力的首要因素。通过提高工件速度、减小磨削深度，均可减小残余应力。当磨削深度减小到一定程度，可获得较低残余应力的表面。而增大工件速度和进给速度，将使表面金属的塑性变形程度加剧，从而表层金属中产生残余拉应力的趋势减小，产生残余压应力的趋势增大。 磨削时，轻磨削条件下因没有金相组织变化，温度影响也很小，主要是塑性变形的影响在起作用，因而产生浅而小的残余压应力；中等磨削条件下，产生浅而大的拉应力；重磨条件下，如磨削淬火钢，则产生深而大的拉应力(最外表面可能出现小而浅的压应力)，是热态塑性变形和金相组织变化起主导作用。,3）零件加工后表面层的残余应力 在不同的条件下，表面层残余应力的可能所差别。例如：切削加工中，切削热不多时则以冷态塑性变形为主；若切削热多则以热态塑性变形为主。加工方法的不同，也可能某一种或两种因素占主导地位。如图5.4为三类磨削条件下产生的工件表面层残余应力：,(1) 精细磨削条件下产生浅而小的残余压应力，因为表层金属的金相组织没有变化，主要是塑性变形的影响起主导作用； (2) 精磨条件下则产生浅而大的拉应力； (3) 粗磨条件下产生深而大的拉应力，原因在于热态塑性变形和金相组织的变化影响占据主导作用。,4）零件加工后表面层的磨削裂纹的产生 表面层存在残余压应力时，可使工件的疲劳强度和耐磨性能提高； 表面层存在残余拉应力时，会使工件的疲劳强度和耐磨性能降低。 当残余应力值超过材料的疲劳极限时，工件表面层就会出现磨削裂纹。 磨削裂纹一般很浅(约0.250.50mm)，基本垂直于磨削方向或呈网状。 磨削裂纹的产生常与磨削烧伤同时出现。 当零件加工表面层存在磨削烧伤和磨削裂纹时，将使零件的疲劳强度和使用寿命受到严重影响。因此，在磨削加工中应严格控制表面层残余拉应力，以免产生磨削裂纹。,5.2 机械加工中的振动,机械加工过程中常产生振动，振动对于加工质量和生产效率都有很大影响。 新型的、难加工材料的加工过程中工艺系统更易产生振动。所以研究振动产生的诱因及机理，进而避免、抑制或消除振动是非常有意义的。,5.2.1 机械加工动力学系统,1. 振动对机械加工过程的影响 工艺系统的振动影响主要表现在： (1) 振动使工艺系统的正常切削过程受到干扰和破坏，工件及切削工具等的正常相对运动会叠加振动，使零件加工表面产生振痕，恶化零件的加工精度和表面质量。 (2) 振动会使刀具极易磨损，振动严重时甚至使刀具出现崩刃、打刀现象，影响机械加工的正常进行。磨削加工时的振动虽不如切削剧烈，但可能出现振动烧伤，严重影响表面质量。 (3) 机床连接特性受到振动可能遭到破坏，进而产生部分松动，影响轴承的工作性能，缩短刀具的耐用度和机床的使用寿命。 (4) 振动限制了切削用量的进一步提高，致使机床、刀具的工作性能偏离最佳工作区，制约了生产率的提高。 (5) 振动所发出的刺耳噪声，也会污染环境，影响人的身心健康，不符合绿色环保的发展要求。 随着机械加工工艺的发展，振动问题愈发突出，因此分析振动的产生机理、消除和抑制振动是一个重要的课题。,2. 机械振动的基本类型 根据工艺系统振动产生的原因，大致可分为自由振动、受迫振动和自激振动三类。 (1) 自由振动 系统在外界干扰力作用下会产生振动，振动频率是系统的固有频率，而外力消除后由于系统中存在阻尼的能量耗散作用，振动会逐渐衰减。这种振动称为自由振动。 (2) 受迫振动 机械加工过程中，工艺系统由外界周期性干扰力的作用而被迫产生的振动，称为受迫振动。 (3) 自激振动 机械加工过程中，在未受到外界周期性干扰力作用下工艺系统产生持续振动，维持振动的交变力是振动系统在自身运动中激发产生的。这种由系统内部激发反馈而引起的持续性周期性振动，称为自激振动，简称为颤振。 由于实际的工艺系统存在阻尼作用，自由振动会在外界干扰力去除后迅速衰减，因而对加工过程影响较小。机械加工过程中产生的振动主要是受迫振动和自激振动。据统计，受迫振动约占65%，自激振动约占30%，自由振动所占比例则很小。,机械加工中振动的种类及其主要特点,机械加工振动,自激振动,自由振动,强迫振动,当系统受到初始干扰力激励破 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。由于总存在阻尼， 自由振动将逐渐衰减。(占5%),系统在周期性激振力(干扰力)持 续作用下产生的振动，称为强迫 振动。强迫振动的稳态过程是谐 振动，只要有激振力存在振动系 统就不会被阻尼衰减掉。(占35%),在没有周期性干扰力作用的情 况下，由振动系统本身产生的 交变力所激发和维持的振动， 称为自激振动。切削过程中产 生的自激振动也称为颤振。 (占65%),3. 机械加工系统的动力学特性 机械加工过程中产生的振动与机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统动力学特性有关。实际工艺系统的动力学特性极为复杂，精确地分析和解算工艺系统动力学模型是极为困难的，通常根据系统本身的结构特点、所研究振动问题的性质、要求的精度和实际振动状况将其简化为有限个自由度的振动系统。,单自由度系统是最简单的振动系统。下面以图5.5(a)内圆磨削加工为例，讨论单自由度受迫振动情况。 磨削加工过程中磨头受周期性变化的干扰力作用会产生振动。 当工件的刚度远大于磨头系统的刚度时，可简化为如图5.5(b)所示质量弹簧阻尼的单自由度系统。 磨头系统的等效质量是m， 等效弹簧刚度为K， 等效黏性阻尼系数为c。 将作用在磨头与工件之间的激振力取定为简谐激振力， Fsint 简谐激振力的幅值 F,角频率,系统的运动方程式为,两边分别除以m，则有,二阶常系数线性非齐次微分方程式的解为,上式的第一项(齐次方程的通解)表示为有阻尼的、逐渐衰减的自由振动过程，如图 (a)所示； 第二项(非齐次方程的特解)表示由激振力引起的频率等于激振力频率的受迫振动，如图 (b)所示。 这两部分振动的叠加为振动的响应，如图 (c)所示。,经历过渡过程后的稳定振动，即受迫振动的稳态过程。 稳态振动方程为,A是受迫振动响应的幅值,是振动响应幅值与激振力的相位差,在力作用下产生的静位移 频率比值 阻尼比,动态放大系数的概念。动态放大系数V定义为受迫振动的振动幅值与系统静位移的比值，,静位移A0反映了激振力的影响，说明振动幅值与激振力幅值成正比。 频率比对振动的影响比较复杂，可用动态放大系数与频率特性曲线表示，如图5.7所示。,（1）0时，激振力频率极低，相当于激振力作为静载荷作用系统上，从而使系统产生的位移等于静位移，V1。0 0.7为准静态区。 （2） 接近或等于1时，振幅急剧增加，这种现象称为共振。 0.7 1.3称为共振区。工程上常把系统的固有频率作为共振频率，而把固有频率前后20%30%的区域作为禁区，避免产生共振。 （3） 1 时，V 0 ，振幅迅速下降，甚至消失。这表明振动系统的惯性跟不上快速变化的激振力。 1.3称为惯性区。,图5.7也反映了阻尼比对振动的影响。在共振区域增加阻尼比对抑制振动的效果较为明显，而其它区域阻尼比对振动的影响作用不大。当时，阻尼几乎不起作用。,动刚度和动柔度是一对很重要的概念。二者能够表示激振力与系统响应之间的关系，描述系统的动态特性。 动刚度KD在数值上等于系统产生单位振幅所需的动态力。 动柔度G是动刚度的倒数，表示单位激振力产生振幅的大小。,（1）激振频率= 0时，系统受到静载荷作用，动刚度等于静刚度，； （2） 0时，系统将发生共振，此时系统动刚度值最小； （4）相同频率比的条件下，随着阻尼比的增大，系统的动刚度增大； （3）=0，且= 0时，系统动刚度，失去物理意义。 显然，系统的动刚度越大或系统阻尼比越大，表明产生一定振幅或动态位移的激振力越大，即振动激励能量要求越大，说明系统的抗振能力强。 提高工艺系统的动态刚度和阻尼比，能够提高工艺系统的动态特性。,5.2.2 机械加工中的受迫振动,机械加工中的受迫振动与一般机械振动中的受迫振动没有本质上的区别，但其对机械加工的影响较大。 受迫振动产生的原因可从机床、刀具和工件三方面入手分析，找出振源后，可采取适当措施加以控制。 1. 受迫振动产生的振源 机械加工过程中产生受迫振动的振源主要有两种： 来自机床内部的机内振源； 来自机床外部的机外振源。 机外振源较多，但它们都是通过地基传递给机床的，通过一定的隔振措施可以消除，如加设隔振地基或采用隔振设备等。,机内振源主要有以下几种： （1）高速旋转零件的不平衡 各种旋转零件，如砂轮、齿轮、带轮、电动机转子、轴、联轴器或离合器等，因其形状不对称、材质不均匀、加工误差或装配误差等原因，旋转件质量分布不均，旋转运动的不平衡会产生离心力，从而引起受迫振动。 （2）传动机构的缺陷 齿轮啮合的冲击、带传动中的带厚不均或带接头不良、轴承滚动体尺寸及形状误差等，都会引起受迫振动。 （3）过程的间歇性 有些加工方法，如铣削、拉削、车削带有沟槽的工件表面及滚齿等，由于切削的不连续，导致切削力产生的周期性变化，引起受迫振动。 （4）往复运动部件的惯性力。 （5）液压及气压动力系统的动态扰动 液压及气压的传动及控制中，存在压力脉动、冲击现象以及管路动态特性，这些因素容易引起振动。,2. 受迫振动的特性 受迫振动主要具有如下特点： （1）受迫振动在外界周期性干扰力作用下产生，其振动本身并不能引起干扰力的变化； （2）受迫振动的振动频率与干扰力的频率相同，与工艺系统的固有频率无关； （3）受迫振动的幅值与干扰力的幅值有关，还与工艺系统的动态特性有关。 一般来说，在干扰力频率不变的情况下，干扰力的幅值越大，受迫振动的幅值越大。如果干扰力的频率与工艺系统各阶模态的固有频率相差甚远，则受迫振动响应将处于动态响应的衰减区，振动幅值很小。若干扰力频率接近工艺系统某一固有频率时，受迫振动的幅值将明显增大，一旦干扰力频率和工艺系统某一固有频率相同，系统将产生共振。如果工艺系统阻尼较小，则共振幅值将很大。,由于机械加工中产生的受迫振动频率与干扰力频率存在对应关系，因而可作为诊断机械加工中所产生的振动是否为受迫振动的主要依据，并可利用此频率特征去分析、查找受迫振动的振源。 根据受迫振动的响应特征，可通过改变干扰力的频率或者改变工艺系统的结构，使得干扰力的频率远离工艺系统的固有频率，可在一定程度上减小受迫振动的强度。 上一节论述的振动系统分析方法，完全适用于受迫振动。但需要注意的是，受迫振动的振源来自振动系统外部的、周期性的激振力，要根据实际振动状况及分析问题的要求进行合理处理，这里不予赘述。,5.2.3 机械加工中的自激振动,机械加工过程中，还常常出现一种与受迫振动形式完全不同的强烈振动。 这种振动是当工艺系统在外界或系统本身某些偶然的瞬时干扰力作用下而触发自由振动后，由振动过程本身的某些原因使得切削力产生周期性变化，并由这个周期性变化的动态力反过来加强和维持振动，使振动系统补充了由阻尼消耗的能量，这种类型的振动称为自激振动。 强烈的自激振动又称为颤振。,1. 自激振动的原因及特征 机械加工系统是一个由振动系统(工艺系统)和调节系统(切削过程)两个环节组成的闭环系统，如图5.9所示。 以切削加工为例，振动系统的运动控制着调节系统的振动，而调节系统所产生的交变切削力反过来控制着振动系统的运动。二者相互作用，相互制约，形成了闭环的自激振动系统。维持振动的能量来源于系统工作的能源。,自激振动与自由振动和受迫振动不同，具有以下特征 自激振动是没有周期性外力干扰下所产生的振动，这与受迫振动有本质区别。 自激振动的频率等于或接近系统的低阶固有频率，即由系统本身固有的物理特性所决定。这与受迫振动根本不同，受迫振动的频率取决于外界干扰力的频率。 自激振动是一种不衰减的运动，振动过程本身能引起周期性变化的力，能量来源于非交变特性的能源，以维持这个振动。而自由振动会因存在阻尼作用而衰减。 自激振动的振幅大小取决于每个振动周期内振动系统所获得和消耗能量情况。如果吸收能量大于消耗能量，则振幅会不断加强；反之，如果吸收能量小于消耗能量，则振幅将不断衰减。,2. 自激振动的产生机理 自激振动的产生机理非常复杂，针对某些特定问题，许多学者提出了一些解释自激振动的学说，比较公认的理论有再生颤振机理、负摩擦机理及振型耦合机理等。这些学说都是从振动维持的能量补偿来源及规律这一最基本、最必要的物理条件进行分析和研究的。,(1) 再生颤振机理 切削加工过程中，多数情况下刀具总是完全重复或部分重复地切削已加工的表面，见图5.10。,再生颤振机理 假定切削过程在某一时刻受到瞬时的偶然性扰动，则刀具和工件会发生相对振动，并在加工表面留下振纹，见图5.11(b)。 当再次切削残留振纹的表面时，切削厚度将发生波动，见图5.11(c)，从而引起切削力的周期性变化。 如果动态变化的切削力在一定条件下是促进和维持振动的，这种切削力和振纹相互作用引起的自激振动将进一步发展为颤振，称为再生颤振，见图5.11(d)。,(2) 振型耦合机理 实际的机械加工系统是由不同刚度和阻尼组成的多自由度系统。 振型耦合机理认为各个自由度上的振动是相互影响、相互耦合的，满足一定组合条件就会产生自激振动，这种自激振动称为振型耦合颤振。,(3) 负摩擦原理 径向切削力Fy主要决定于切削加工过程中切屑和刀具相对运动时产生的摩擦力。 径向切削力Fy起初时随切削速度的增大而增大，自某一速度开始随切削速度增加而下降。 上述现象说明切削过程中存在负摩擦特性。 依据控制理论可知负摩擦特性会引起振动。,3. 自激振动的产生条件 实际加工中，重复切削是极为常见、不可避免的，但不一定产生能自激振动。如果工艺系统是稳定的，非但不会产生