第三章 機械加工表面質(zhì)量
第一節(jié) 概 述
評價零件是否合格的質(zhì)量指標除了機械加工精度外,，還有機械加工表面質(zhì)量,。機械加工表面質(zhì)量是指零件經(jīng)過機械加工后的表面層狀態(tài),。探討和研究機械加工表面，掌握機械加工過程中各種工藝因素對表面質(zhì)量的影響規(guī)律,，對于保證和提高產(chǎn)品的質(zhì)量具有十分重要的意義,。
一 機械加工表面質(zhì)量的含義
機械加工表面質(zhì)量又稱為表面完整性，其含義包括兩個方面的內(nèi)容：
1．表面層的幾何形狀特征
表面層的幾何形狀特征如圖3-1所示,，主要由以下幾部分組成：
⑴ 表面粗糙度 它是指加工表面上較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀特征,，即加工表面的微觀幾何形狀誤差，其評定參數(shù)主要有輪廓算術(shù)平均偏差Ra或輪廓微觀不平度十點平均高度Rz,；
⑵ 表面波度 它是介于宏觀形狀誤差與微觀表面粗糙度之間的周期性形狀誤差,，它主要是由機械加工過程中低頻振動引起的，應(yīng)作為工藝缺陷設(shè)法消除,。
⑶ 表面加工紋理 它是指表面切削加工刀紋的形狀和方向,，取決于表面形成過程中所采用的機加工方法及其切削運動的規(guī)律。
⑷ 傷痕 它是指在加工表面?zhèn)�別位置上出現(xiàn)的缺陷，如砂眼,、氣孔,、裂痕,、劃痕等,，它們大多隨機分布。
2．表面層的物理力學性能
表面層的物理力學性能主要指以下三個方面的內(nèi)容：
⑴ 表面層的加工冷作硬化,；
⑵ 表面層金相組織的變化,；
⑶ 表面層的殘余應(yīng)力。
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
零件的耐磨性是零件的一項重要性能指標,，當摩擦副的材料,、潤滑條件和加工精度確定之后，零件的表面質(zhì)量對耐磨性將起著關(guān)鍵性的作用,。由于零件表面存在著表面粗糙度,，當兩個零件的表面開始接觸時，接觸部分集中在其波峰的頂部,，因此實際接觸面積遠遠小于名義接觸面積,，并且表面粗糙度越大，實際接觸面積越小,。在外力作用下,，波峰接觸部分將產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力。當兩個零件作相對運動時,，開始階段由于接觸面積小,、壓應(yīng)力大，在接觸處的波峰會產(chǎn)生較大的彈性變形,、塑性變形及剪切變形,，波峰很快被磨平，即使有潤滑油存在,，也會因為接觸點處壓應(yīng)力過大,，油膜被破壞而形成干摩擦，導致零件接觸表面的磨損加劇,。當然,，并非表面粗糙度越小越好，如果表面粗糙度過小,，接觸表面間儲存潤滑油的能力變差,，接觸表面容易發(fā)生分子膠合、咬焊,，同樣也會造成磨損加劇,。
表面層的冷作硬化可使表面層的硬度提高，增強表面層的接觸剛度,，從而降低接觸處的彈性,、塑性變形,，使耐磨性有所提高。但如果硬化程度過大,，表面層金屬組織會變脆,，出現(xiàn)微觀裂紋，甚至會使金屬表面組織剝落而加劇零件的磨損,。
2．表面質(zhì)量對零件疲勞強度的影響
表面粗糙度對承受交變載荷的零件的疲勞強度影響很大,。在交變載荷作用下，表面粗糙度波谷處容易引起應(yīng)力集中,，產(chǎn)生疲勞裂紋,。并且表面粗糙度越大，表面劃痕越深,，其抗疲勞破壞能力越差,。
表面層殘余壓應(yīng)力對零件的疲勞強度影響也很大,。當表面層存在殘余壓應(yīng)力時,，能延緩疲勞裂紋的產(chǎn)生,、擴展,，提高零件的疲勞強度,；當表面層存在殘余拉應(yīng)力時,，零件則容易引起晶間破壞,，產(chǎn)生表面裂紋而降低其疲勞強度,。
表面層的加工硬化對零件的疲勞強度也有影響,。適度的加工硬化能阻止已有裂紋的擴展和新裂紋的產(chǎn)生,，提高零件的疲勞強度；但加工硬化過于嚴重會使零件表面組織變脆,，容易出現(xiàn)裂紋，從而使疲勞強度降低,。
3．表面質(zhì)量對零件耐腐蝕性能的影響
表面粗糙度對零件耐腐蝕性能的影響很大。零件表面粗糙度越大,，在波谷處越容易積聚腐蝕性介質(zhì)而使零件發(fā)生化學腐蝕和電化學腐蝕,。
表面層殘余壓應(yīng)力對零件的耐腐蝕性能也有影響。殘余壓應(yīng)力使表面組織致密，腐蝕性介質(zhì)不易侵入,，有助于提高表面的耐腐蝕能力,；殘余拉應(yīng)力的對零件耐腐蝕性能的影響則相反。
4．表面質(zhì)量對零件間配合性質(zhì)的影響
相配零件間的配合性質(zhì)是由過盈量或間隙量來決定的,。在間隙配合中,，如果零件配合表面的粗糙度大，則由于磨損迅速使得配合間隙增大,，從而降低了配合質(zhì)量,，影響了配合的穩(wěn)定性；在過盈配合中,，如果表面粗糙度大，則裝配時表面波峰被擠平,，使得實際有效過盈量減少,，降低了配合件的聯(lián)接強度，影響了配合的可靠性,。因此,，對有配合要求的表面應(yīng)規(guī)定較小的表面粗糙度值。
在過盈配合中,，如果表面硬化嚴重,，將可能造成表面層金屬與內(nèi)部金屬脫落的現(xiàn)象，從而破壞配合性質(zhì)和配合精度,。表面層殘余應(yīng)力會引起零件變形,，使零件的形狀、尺寸發(fā)生改變,，因此它也將影響配合性質(zhì)和配合精度,。
5．表面質(zhì)量對零件其他性能的影響
表面質(zhì)量對零件的使用性能還有一些其他影響。如對間隙密封的液壓缸,、滑閥來說,，減小表面粗糙度Ra可以減少泄漏、提高密封性能,；較小的表面粗糙度可使零件具有較高的接觸剛度,；對于滑動零件，減小表面粗糙度Ra能使摩擦系數(shù)降低,、運動靈活性增高,，減少發(fā)熱和功率損失；表面層的殘余應(yīng)力會使零件在使用過程中繼續(xù)變形,，失去原有的精度,，機器工作性能惡化等。
總之，提高加工表面質(zhì)量,，對于保證零件的的性能,、提高零件的使用壽命是十分重要的。
第二節(jié) 影響表面質(zhì)量的工藝因素
一 影響機械加工表面粗糙度的因素及降低表面粗糙度的工藝措施
⒈ 影響切削加工表面粗糙度的因素
在切削加工中,，影響已加工表面粗糙度的因素主要包括幾何因素,、物理因素和加工中工藝系統(tǒng)的振動。下面以車削為例來說明,。
⑴ 幾何因素 切削加工時表面粗糙度的值主要取決于切削面積的殘留高度,。下面兩式為車削時殘留面積高度的計算公式：
當?shù)都鈭A弧半徑rε=0時，殘留面積高度H為
（3—1）
當?shù)都鈭A弧rε＞0時,，殘留面積高度H為
（3—2）
從上面兩式可知,，進給量f、主偏角kr,、副偏角kr’和刀尖圓弧半徑rε對切削加工表面粗糙度的影響較大,。減小進給量f、減小主偏角kr和副偏角kr’,、增大刀尖圓弧半徑rε,，都能減小殘留面積的高度H，也就減小了零件的表面粗糙度,。
⑵ 物理因素 在切削加工過程中,，刀具對工件的擠壓和摩擦使金屬材料發(fā)生塑性變形，引起原有的殘留面積扭曲或溝紋加深,，增大表面粗糙度,。當采用中等或中等偏低的切削速度切削塑性材料時，在前刀面上容易形成硬度很高的積屑瘤,，它可以代替刀具進行切削,，但狀態(tài)極不穩(wěn)定，積屑瘤生成,、長大和脫落將嚴重影響加工表面的表面粗糙度值,。另外，在切削過程中由于切屑和前刀面的強烈摩擦作用以及撕裂現(xiàn)象,，還可能在加工表面上產(chǎn)生鱗刺,，使加工表面的粗糙度增加。
⑶ 動態(tài)因素——振動的影響 在加工過程中,，工藝系統(tǒng)有時會發(fā)生振動,，即在刀具與工件間出現(xiàn)的除切削運動之外的另一種周期性的相對運動。振動的出現(xiàn)會使加工表面出現(xiàn)波紋,，增大加工表面的粗糙度,，強烈的振動還會使切削無法繼續(xù)下去,。
除上述因素外，造成已加工表面粗糙不平的原因還有被切屑拉毛和劃傷等,。
2. 減小表面粗糙度的工藝措施
⑴ 在精加工時,，應(yīng)選擇較小的進給量f、較小的主偏角kr和副偏角kr’,、較大的刀尖圓弧半徑rε,，以得到較小的表面粗糙度。
⑵ 加工塑性材料時,，采用較高的切削速度可防止積屑瘤的產(chǎn)生,，減小表面粗糙度。
⑶ 根據(jù)工件材料,、加工要求,，合理選擇刀具材料，有利于減小表面粗糙度,。
⑷ 適當?shù)脑龃蟮毒咔敖呛腿袃A角,，提高刀具的刃磨質(zhì)量，降低刀具前,、后刀面的表面粗糙度均能降低工件加工表面的粗糙度。
⑸ 對工件材料進行適當?shù)臒崽幚�,，以細化晶粒,，均勻晶粒組織，可減小表面粗糙度,。
⑹ 選擇合適的切削液,，減小切削過程中的界面摩擦，降低切削區(qū)溫度,，減小切削變形,，抑制鱗刺和積屑瘤的產(chǎn)生，可以大大關(guān)小表面粗糙度,。
二 影響表面物理力學性能的工藝因素
1．表面層殘余應(yīng)力
外載荷去除后,，仍殘存在工件表層與基體材料交界處的相互平衡的應(yīng)力稱為殘余應(yīng)力。產(chǎn)生表面殘余應(yīng)力的原因主要有：
⑴ 冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力 切削加工時,，加工表面在切削力的作用下產(chǎn)生強烈的塑性變形,，表層金屬的比容增大，體積膨脹,，但受到與它相連的里層金屬的阻止,，從而在表層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，在里層產(chǎn)生了殘余拉應(yīng)力,。當?shù)毒咴诒患庸け砻嫔锨谐饘贂r,，由于受后刀面的擠壓和摩擦作用,，表層金屬纖維被嚴重拉長，仍會受到里層金屬的阻止,，而在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,，在里層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。
⑵ 熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力 切削加工時,，大量的切削熱會使加工表面產(chǎn)生熱膨脹,，由于基體金屬的溫度較低，會對表層金屬的膨脹產(chǎn)生阻礙作用,，因此表層產(chǎn)生熱態(tài)壓應(yīng)力,。當加工結(jié)束后，表層溫度下降要進行冷卻收縮,，但受到基體金屬阻止,，從而在表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,。
⑶ 金相組織變化引起的殘余應(yīng)力 如果在加工中工件表層溫度超過金相組織的轉(zhuǎn)變溫度,，則工件表層將產(chǎn)生組織轉(zhuǎn)變，表層金屬的比容將隨之發(fā)生變化,，而表層金屬的這種比容變化必然會受到與之相連的基體金屬的阻礙,，從而在表層、里層產(chǎn)生互相平衡的殘余應(yīng)力,。例如在磨削淬火鋼時,，由于磨削熱導致表層可能產(chǎn)生回火，表層金屬組織將由馬氏體轉(zhuǎn)變成接近珠光體的屈氏體或索氏體,，密度增大,，比容減小，表層金屬要產(chǎn)生相變收縮但會受到基體金屬的阻止,，而在表層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力,，里層金屬產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。如果磨削時表層金屬的溫度超過相變溫度,，且冷卻以充分,，表層金屬將成為淬火馬氏體，密度減小,，比容增大,，則表層將產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，里層則產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力,。
2．表面層加工硬化
⑴ 加工硬化的產(chǎn)生及衡量指標 機械加工過程中,，工件表層金屬在切削力的作用下產(chǎn)生強烈的塑性變形，金屬的晶格扭曲,，晶粒被拉長,、纖維化甚至破碎而引起表層金屬的強度和硬度增加,，塑性降低，這種現(xiàn)象稱為加工硬化（或冷作硬化）,。另外,，加工過程中產(chǎn)生的切削熱會使得工件表層金屬溫度升高，當升高到一定程度時,，會使得已強化的金屬回復到正常狀態(tài),，失去其在加工硬化中得到的物理力學性能，這種現(xiàn)象稱為軟化,。因此,，金屬的加工硬化實際取決于硬化速度和軟化速度的比率。
評定加工硬化的指標有下列三項：
① 表面層的顯微硬度HV,；
② 硬化層深度h（μm）,；
③ 硬化程度N
（3—3）
式中：HV——金屬原來的顯微硬度。
⑵ 影響加工硬化的因素
① 切削用量的影響力 切削用量中進給量和切削速度對加工硬化的影響較大,。增大進給量,，切削力隨之增大，表層金屬的塑性變形程度增大,，加工硬化程度增大,；增大切削速度，刀具對工件的作用時間減少，塑性變形的擴展深度減小，故而硬化層深度減小,。另外，增大切削速度會使切削區(qū)溫度升高,，有利于減少加工硬化,。
② 刀具幾何形狀的影響 刀刃鈍圓半徑對加工硬化影響最大,。實驗證明,，已加工表面的顯微硬度隨著刀刃鈍圓半徑的加大而增大,，這是因為徑向切削分力會隨著刀刃鈍圓半徑的增大而增大,，使得表層金屬的塑性變形程度加劇,，導致加工硬化增大,。此外,，刀具磨損會使得后刀面與工件間的摩擦加劇,，表層的塑性變形增加,，導致表面冷作硬化加大。
③ 加工材料性能的影響 工件的硬度越低、塑性越好,，加工時塑性變形越大，冷作硬化越嚴重,。
第三節(jié) 控制表面質(zhì)量的工藝途徑
隨著科學技術(shù)的發(fā)展,，對零件的表面質(zhì)量的要求已越來越高,。為了獲得合格零件,，保證機器的使用性能,，人們一直在研究控制和提高零件表面質(zhì)量的途徑,。提高表面質(zhì)量的工藝途徑大致可以分為兩類：一類是用低效率、高成本的加工方法,，尋求各工藝參數(shù)的優(yōu)化組合,，以減小表面粗糙度；另一類是著重改善工件表面的物理力學性能,，以提高其表面質(zhì)量,。
一、降低表面粗糙度的加工方法
1．超精密切削和低粗糙度磨削加工
⑴ 超精密切削加工 超精密切削是指表面粗糙度為Ra0.04μm以下的切削加工方法,。超精密切削加工最關(guān)鍵的問題在于要在最后一道工序切削0.1μm的微薄表面層,，這就既要求刀具極其鋒利，刀具鈍圓半徑為納米級尺寸,，又要求這樣的刀具有足夠的耐用度,，以維持其鋒利。目前只有金剛石刀具才能達到要求,。超精密切削時,，走刀量要小，切削速度要非常高,，才能保證工件表面上的殘留面積小,，從而獲得極小的表面粗糙度。
⑵ 小粗糙度磨削加工 為了簡化工藝過程,，縮短工序周期,，有時用小粗糙度磨削替代光整加工。小粗糙度磨削除要求設(shè)備精度高外,，磨削用量的選擇最為重要,。在選擇磨削用量時，參數(shù)之間往往會相互矛盾和排斥,。例如,，為了減小表面粗糙度,，砂輪應(yīng)修整得細一些，但如此卻可能引起磨削燒傷,；為了避免燒傷,，應(yīng)將工件轉(zhuǎn)速加快，但這樣又會增大表面粗糙度,，而且容易引起振動；采用小磨削用量有利于提高工件表面質(zhì)量,，但會降低生產(chǎn)效率而增加生產(chǎn)成本,；而且工件材料不同其磨削性能也不一樣，一般很難憑手冊確定磨削用量,，要通過試驗不斷調(diào)整參數(shù),，因而表面質(zhì)量較難準確控制。近年來,，國內(nèi)外對磨削用量最優(yōu)化作了不少研究,，分析了磨削用量與磨削力、磨削熱之間的關(guān)系,，并用圖表表示各參數(shù)的最佳組合,，加上計算機的運用，通過指令進行過程控制,，使得小粗糙度磨削逐步達到了應(yīng)有的效果,。
2．采用超精密加工、珩磨,、研磨等方法作為最終工序加工
超精密加工,、珩磨等都是利用磨條以一定壓力壓在加工表面上，并作相對運動以降低表面粗糙度和提高精度的方法,，一般用于表面粗糙度為Ra0.4μm以下的表面加工,。該加工工藝由于切削速度低、壓強小,，所以發(fā)熱少,，不易引起熱損傷，并能產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,，有利于提高零件的使用性能,；而且加工工藝依靠自身定位，設(shè)備簡單,，精度要求不高,，成本較低，容易實行多工位,、多機床操作,，生產(chǎn)效率高,，因而在大批量生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。
⑴ 珩磨 珩磨是利用珩磨工具對工件表面施加一定的壓力,，同時珩磨工具還要相對工件完成旋轉(zhuǎn)和直線往復運動,，以去除工件表面的凸峰的一種加工方法。珩磨后工件圓度和圓柱度一般可控制在0.003~0.005mm,，尺寸精度可達IT6~IT5,，表面粗糙度在Ra0.2~0.025μm之間。
珩磨工作原理如圖3-2所示,，它是利用安裝在珩磨頭圓周上的若干條細粒度油石,，由漲開機構(gòu)將油石沿徑向漲開，使其壓向工件孔壁形成一定的接觸面,，同時珩磨頭作回轉(zhuǎn)和軸向往復運動以實現(xiàn)對孔的低速磨削,。油石上的磨粒在工件表面上留下的切削痕跡為交叉的且不重復的網(wǎng)紋，有利于潤滑油的貯存和油膜的保持,。
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（沿用吳拓主編《機械制造工程》（第2版）機械工業(yè)出版社2005年9月圖3-36）
圖3-2 珩磨原理及磨粒運動軌跡 |
由于珩磨頭和機床主軸是浮動聯(lián)接,，因此機床主軸回轉(zhuǎn)運動誤差對工件的加工精度沒有影響。因為珩磨頭的軸線往復運動是以孔壁作導向的,，即是按孔的軸線進行運動的,，故在珩磨時不能修正孔的位置偏差，工件孔軸線的位置精度必須由前一道工序來保證,。
珩磨時,，雖然珩磨頭的轉(zhuǎn)速較低，但其往復速度較高,，參予磨削的磨粒數(shù)量大,，因此能很快地去除金屬，為了及時排出切屑和冷卻工件,，必須進行充分冷卻潤滑,。珩磨生產(chǎn)效率高，可用于加工鑄鐵,、淬硬或不淬硬鋼,，但不宜加工易堵塞油石的韌性金屬。
⑵ 超精加工 超精加工是用細粒度油石,，在較低的壓力和良好的冷卻潤滑條件下,，以快而短促的往復運動，對低速旋轉(zhuǎn)的工件進行振動研磨的一種微量磨削加工方法,。
超精加工的工作原理如圖3-3所示,，加工時有三種運動，即工件的低速回轉(zhuǎn)運動,、磨頭的軸向進給運動和油石的往復振動,。三種運動的合成使磨粒在工件表面上形成不重復的軌跡,。超精加工的切削過程與磨削、研磨不同,，當工件粗糙表面被磨去之后,，接觸面積大大增加，壓強極小,，工件與油石之間形成油膜,，二者不再直接接觸，油石能自動停止切削,。
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（沿用吳拓主編《機械制造工程》（第2版）機械工業(yè)出版社2005年9月圖3-37）
圖3-3 超精加工的工作原理 |
超精加工的加工余量一般為3~10μm,，所以它難以修正工件的尺寸誤差及形狀誤差，也不能提高表面間的相互位置精度,，但可以降低表面粗糙度值，能得到表面粗糙度為Ra0.1~0.01μm的表面,。目前,，超精加工能加工各種不同材料，如鋼,、鑄鐵,、黃銅、鋁,、陶瓷,、玻璃、花崗巖等,，能加工外圓,、內(nèi)孔、平面及特殊輪廓表面,，廣泛用于對曲軸,、凸輪軸、刀具,、軋輥,、軸承、精密量儀及電子儀器等精密零件的加工,。
⑶ 研磨 研磨是利用研磨工具和工件的相對運動,，在研磨劑的作用下，對工件表面進行光整加工的一種加工方法,。研磨可采用專用的設(shè)備進行加工,，也可采用簡單的工具，如研磨心棒,、研磨套,、研磨平板等對工件表面進行手工研磨,。研磨可提高工件的形狀精度及尺寸精度，但不能提高表面位置精度,，研磨后工件的尺寸精度可達0.001mm,，表面粗糙度可達Ra0.025~0.006μm。
現(xiàn)以手工研磨外圓為例說明研磨的工作原理,，如圖3-4所示,，工件支承在機床兩頂尖之間作低速旋轉(zhuǎn)，研具套在工件上,，在研具與工件之間加入研磨劑,，然后用手推動研具作軸向往復運動實現(xiàn)對工件的研磨。研磨外圓所用的研具如圖3-5所示,，其中圖a）為粗研套,，孔內(nèi)有油槽可存研磨劑；圖b）為精研套,，孔內(nèi)無油槽,。
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（沿用吳拓主編《機械制造工程》（第2版）機械工業(yè)出版社2005年9月圖3-38）
圖3-4 在車床上研磨外圓 |
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（沿用吳拓主編《機械制造工程》（第2版）機械工業(yè)出版社2005年9月圖3-39）
圖3-5 外圓研具 |
研磨的適用范圍廣，既可加工金屬,，又可加工非金屬,，如光學玻璃、陶瓷,、半導體,、塑料等；一般說來,，剛玉磨料適用于對碳素工具鋼,、合金工具鋼、高速鋼及鑄鐵的研磨,，碳化硅磨料和金剛石磨料適用于對硬質(zhì)合金,、硬鉻等高硬度材料的研磨。
⑷ 拋光 拋光是在布輪,、布盤等軟性器具涂上拋光膏,，利用拋光器具的高速旋轉(zhuǎn)，依靠拋光膏的機械刮擦和化學作用去除工件表面粗糙度的凸峰,，使表面光澤的一種加工方法,。拋光一般不去除加工余量，因而不能提高工件的精度,，有時可能還會損壞已獲得的精度,；拋光也不可能減小零件的形狀和位置誤差。工件表面經(jīng)拋光后,，表面層的殘余拉應(yīng)力會有所減少,。
二,、改善表面物理力學性能的加工方法
如前所述，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,，如果在最終工序中不能保證零件表面獲得預期的表面質(zhì)量要求,，則應(yīng)在工藝過程中增設(shè)表面強化工序來保證零件的表面質(zhì)量。表面強化工藝包括化學處理,、電鍍和表面機械強化等幾種,。這里僅討論機械強化工藝問題。機械強化是指通過對工件表面進行冷擠壓加工,，使零件表面層金屬發(fā)生冷態(tài)塑性變形,，從而提高其表面硬度并在表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的無屑光整加工方法。采用表面強化工藝還可以降低零件的表面粗糙度值,。這種方法工藝簡單,、成本低，在生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛,，用得最多的是噴丸強化和滾壓加工,。
1．噴丸強化
噴丸強化是利用壓縮空氣或離心力將大量直徑為0.4~4mm的珠丸高速打擊零件表面，使其產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力,，可顯著提高零件的疲勞強度。珠丸可以采用鑄鐵,、砂石以及鋼鐵制造,。所用設(shè)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35~50mm／s的速度噴出,。噴丸強化工藝可用來加工各種形狀的零件,，加工后零件表面的硬化層深度可達0.7 mm，表面粗糙度值Ra可由3.2μm減小到0.4μm,，使用壽命可提高幾倍甚至幾十倍,。
2．滾壓加工
滾壓加工是在常溫下通過淬硬的滾壓工具（滾輪或滾珠）對工件表面施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形,，將工件表面上原有的波峰填充到相鄰的波谷中,，從而以減小了表面粗糙度值，并在其表面產(chǎn)生了冷硬層和殘余壓應(yīng)力,，使零件的承載能力和疲勞強度得以提高,。滾壓加工可使表面粗糙度Ra值從1.25~5μm減小到0.8~0.63μm，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%,。滾壓用的滾輪常用碳素工具鋼T12A或者合金工具鋼CrWMn、Cr12,、CrNiMn等材料制造,，淬火硬度在62~64HRC,；或用硬質(zhì)合金YG6、YT15等制成,；其型面在裝配前需經(jīng)過粗磨,，裝上滾壓工具后再進行精磨。圖3-6為典型滾壓加工示意圖,，圖3-7為外圓滾壓工具,。
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圖3-7 外圓滾壓工具
a) 彈性滾壓工具 b) 剛性滾壓工具 |
3．金剛石壓光
金剛石壓光是一種用金剛石擠壓加工表面的新工藝，國外已在精密儀器制造業(yè)中得到較廣泛的應(yīng)用,。壓光后的零件表面粗糙度可達Ra0.4~0.02μm,，耐磨性比磨削后的提高1.5~3倍，但比研磨后的低20~40%,，而生產(chǎn)率卻比研磨高得多,。金剛石壓光用的機床必須是高精度機床，它要求機床剛性好,、抗振性好,，以免損壞金剛石。此外,，它還要求機床主軸精度高,，徑向跳動和軸向竄動在0.01mm以內(nèi)，主軸轉(zhuǎn)速能在2500~6000 r/min的范圍內(nèi)無級調(diào)速,。機床主軸運動與進給運動應(yīng)分離,，以保證壓光的表面質(zhì)量。
4．液體磨料強化
液體磨料強化是利用液體和磨料的混合物高速噴射到已加工表面,，以強化工件表面,，提高工件的耐磨性、抗蝕性和疲勞強度的一種工藝方法,。如圖3-8所示,，液體和磨料在400~800Pa壓力下，經(jīng)過噴嘴高速噴出,，射向工件表面,，借磨粒的沖擊作用，碾壓加工表面,，工件表面產(chǎn)生塑性變形,，變形層僅為幾十微米。加工后的工件表面具有殘余壓應(yīng)力,，提高了工件的耐磨性,、抗蝕性和疲勞強度。
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（沿用吳拓主編《機械制造工程》（第2版）機械工業(yè)出版社2005年9月圖3-40）
圖3-8 液體磨料噴射加工原理圖
1—壓氣瓶 2—過濾器 3—磨料室 4—導管 5—噴嘴 6—集收器 7—工件 8—控制閥 9—振動器 |
第四節(jié) 機械加工振動對表面質(zhì)量的影響及其控制
一、機械振動現(xiàn)象及分類
1．機械振動現(xiàn)象及其對表面質(zhì)量的影響
在機械加工過程中,，工藝系統(tǒng)有時會發(fā)生振動（人為地利用振動來進行加工服務(wù)的振動車削,、振動磨削、振動時效,、超聲波加工等除外）,，即在刀具的切削刃與工件上正在切削的表面之間，除了名義上的切削運動之外,，還會出現(xiàn)一種周期性的相對運動,。這是一種破壞正常切削運動的極其有害的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在：
1）振動使工藝系統(tǒng)的各種成形運動受到干擾和破壞,，使加工表面出現(xiàn)振紋,，增大表面粗糙度值，惡化加工表面質(zhì)量,；
2）振動還可能引起刀刃崩裂,，引起機床、夾具連接部分松動,，縮短刀具及機床,、夾具的使用壽命；
3）振動限制了切削用量的進一步提高,，降低切削加工的生產(chǎn)效率,，嚴重時甚至還會使切削加工無法繼續(xù)進行；
4）振動所發(fā)出的噪聲會污染環(huán)境,，有害工人的身心健康,。
研究機械加工過程中振動產(chǎn)生的機理，探討如何提高工藝系統(tǒng)的抗振性和消除振動的措施,，一直是機械加工工藝學的重要課題之一。
2．機械振動的基本類型
機械加工過程的振動有三種基本類型：
⑴ 強迫振動 強迫振動是指在外界周期性變化的干擾力作用下產(chǎn)生的振動,。磨削加工中主要會產(chǎn)生強迫振動,。
⑵ 自激振動 自激振動是指切削過程本身引起切削力周期性變化而產(chǎn)生的振動。切削加工中主要會產(chǎn)生自激振動,。
⑶ 自由振動 自由振動是指由于切削力突然變化或其它外界偶然原因引起的振動,。自由振動的頻率就是系統(tǒng)的固有頻率，由于工藝系統(tǒng)的阻尼作用,，這類振動會在外界干擾力去除后迅速自行衰減,，對加工過程影響較小。
機械加工過程中振動主要是強迫振動和自激振動,。據(jù)統(tǒng)計,，強迫振動約占30%，自激振動約占65%，自由振動所占比重則很小,。
二,、機械加工中的強迫振動及其控制
1．機械加工過程中產(chǎn)生強迫振動的原因
機械加工過程中產(chǎn)生的強迫振動，其原因可從機床,、刀具和工件三方面去分析,。
⑴ 機床方面 機床中某些傳動零件的制造精度不高，會使機床產(chǎn)生不均勻運動而引起振動,。例如齒輪的周節(jié)誤差和周節(jié)累積誤差,，會使齒輪傳動的運動不均勻，從而使整個部件產(chǎn)生振動,。主軸與軸承之間的間隙過大,、主軸軸頸的橢圓度、軸承制造精度不夠,，都會引起主軸箱以及整個機床的振動,。另外，皮帶接頭太粗而使皮帶傳動的轉(zhuǎn)速不均勻,，也會產(chǎn)生振動,。機床往復機構(gòu)中的轉(zhuǎn)向和沖擊也會引起振動。至于某些零件的缺陷,，使機床產(chǎn)生振動則更是明顯,。
⑵ 刀具方面 多刃、多齒刀具如銑刀,、拉刀和滾刀等,，切削時由于刃口高度的誤差或因斷續(xù)切削引起的沖擊，容易產(chǎn)生振動,。
⑶ 工件方面 被切削的工件表面上有斷續(xù)表面或表面余量不均,、硬度不一致，都會在加工中產(chǎn)生振動,。如車削或磨削有鍵槽的外圓表面就會產(chǎn)生強迫振動,。
工藝系統(tǒng)外部也有許多原因造成切削加工中的振動，例如一臺精密磨床和一臺重型機床相鄰,，這臺磨床就有可能受重型機床工作的影響而產(chǎn)生振動,，影響其加工表面的粗糙度。
2．強迫振動的特點
1）強迫振動的穩(wěn)態(tài)過程是諧振,，只要干擾力存在,，振動就不會被阻尼衰減掉，去除干擾力,，振動就停止,。
2）強迫振動的頻率等于干擾力的頻率。
3）阻尼愈小，振幅愈大,，諧波響應(yīng)軌跡的范圍愈大,；增加阻尼，能有效地減小振幅,。
4）在共振區(qū),，較小的頻率變化會引起較大的振幅和相位角的變化。
3．消除強迫振動的途徑
強迫振動是由于外界干擾力引起的,，因此必須對振動系統(tǒng)進行測振試驗,，找出振源，然后采取適當措施加以控制,。消除和抑制強迫振動的措施主要有：
1）改進機床傳動結(jié)構(gòu),，進行消振與隔振 消除強迫振動最有效的辦法是找出外界的干擾力（振源）并去除之。如果不能去除,，則可以采用隔絕的方法,，如機床采用厚橡皮或木材等將機床與地基隔離，就可以隔絕相鄰機床的振動影響,。精密機械,、儀器采用空氣墊等也是很有效的隔振措施。
2）消除回轉(zhuǎn)零件的不平衡 機床和其他機械的振動,，大多數(shù)是由于回轉(zhuǎn)零件的不平衡所引起,，因此對于高速回轉(zhuǎn)的零件要注意其平衡問題，在可能條件下,，最好能做動平衡,。
3）提高傳動件的制造精度 傳動件的制造精度會影響傳動的平衡性，引起振動,。在齒輪嚙合,、滾動軸承以及帶傳動等傳動中，減少振動的途徑主要是提高制造精度和裝配質(zhì)量,。
4）提高系統(tǒng)剛度,，增加阻尼 提高機床、工件,、刀具和夾具的剛度都會增加系統(tǒng)的抗振性,。增加阻尼是一種減小振動的有效辦法,，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)該考慮到,，但也可以采用附加高阻尼板材的方法以達到減小振動的效果。
5）合理安排固有頻率,，避開共振區(qū) 根據(jù)強迫振動的特性,，一方面是改變激振力的頻率，使它避開系統(tǒng)的固有頻率；另一方面是在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,，使工藝系統(tǒng)各部件的固有頻率遠離共振區(qū),。
三、機械加工中的自激振動及其控制
1．自激振動產(chǎn)生的機理
機械加工過程中,，還常常出現(xiàn)一種與強迫振動完全不同形式的強烈振動,，這種振動是當系統(tǒng)受到外界或本身某些偶然的瞬時干擾力作用而觸發(fā)自由振動后，由振動過程本身的某種原因使得切削力產(chǎn)生周期性變化,，又由這個周期性變化的動態(tài)力反過來加強和維持振動,，使振動系統(tǒng)補充了由阻尼作用消耗的能量，這種類型的振動被稱為自激振動,。切削過程中產(chǎn)生的自激振動是頻率較高的強烈振動,，通常又稱為顫振。自激振動常常是影響加工表面質(zhì)量和限制機床生產(chǎn)率提高的主要障礙,。磨削過程中,，砂輪磨鈍以后產(chǎn)生的振動也往往是自激振動。
為了 解釋切削過程中的自激振動現(xiàn)象,，現(xiàn)以電鈴的工作原理加以說明,。圖3-9所示的電鈴系統(tǒng)中，電池1為能源,。按下按鈕2時,，電流通過觸點3—彈簧片7—電磁鐵5與電池構(gòu)成回路。電磁鐵產(chǎn)生磁力吸引銜鐵4,，帶動小錘6,。而當彈簧片被吸引時，觸點3處斷電,，電磁鐵失去磁性,，小錘靠彈簧片彈回至原處，于是重復剛才所述的過程,。這個過程顯然不存在外來周期性干擾,，而是由系統(tǒng)內(nèi)部的調(diào)節(jié)元件產(chǎn)生交變力，由這種交變力產(chǎn)生并維持振動,，這就是自激振動,。
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圖3-9 電鈴的自激振動原理
a) 電鈴的自激振動 b) 電鈴的自激振動系統(tǒng) |
金屬切削過程中自激振動的原理如圖3-10所示，它也有兩個基本部分：切削過程產(chǎn)生的交變力ΔP激勵工藝系統(tǒng),，工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動位移ΔY再反饋給切削過程,。維持振動的能量來源于機床的能量。
2．自激振動的特點
自激振動的特點可簡要地歸納如下：
1）自激振動是一種不衰減的振動,。振動過程本身能引起某種力周期地變化,，振動系統(tǒng)能通過這種力的變化,，從不具備交變特性的能源中周期性地獲得能量補充，從而維持這個振動,。外部的干擾有可能在最初觸發(fā)振動時起作用,，但是它不是產(chǎn)生這種振動的直接原因。
2）自激振動的頻率等于或接近于系統(tǒng)的固有頻率,，也就是說,，由振動系統(tǒng)本身的參數(shù)所決定，這是與強迫振動的顯著差別,。
3）自激振動能否產(chǎn)生以及振幅的大小,，取決于每一振動周期內(nèi)系統(tǒng)所獲得的能量與所消耗的能量的對比情況。當振幅為某一數(shù)值時,，如果所獲得的能量大于所消耗的能量,，則振幅將不斷增大；相反,，如果所獲得的能量小于所消耗的能量,，則振幅將不斷減小，振幅一直增加或減小到所獲得的能量等于所消耗的能量時為止,。當振幅在任何數(shù)值時獲得的能量都小于消耗的能量,，則自激振動根本就不可能產(chǎn)生。
4）自激振動的形成和持續(xù),，是由于過程本身產(chǎn)生的激振和反饋作用,，所以若停止切削或磨削過程，即使機床仍繼續(xù)空運轉(zhuǎn),，自激振動也就停止了,，這也是與強迫振動的區(qū)別之處，所以可以通過切削或磨削試驗來研究工藝系統(tǒng)或機床的自激振動,，同時也可以通過改變對切削或磨削過程有影響的工藝參數(shù),，如切削或磨削用量，來控制切削或磨削過程,，從而限制自激振動的產(chǎn)生,。
3．消除自激振動的途徑
由通過試驗研究和生產(chǎn)實踐產(chǎn)生的關(guān)于自激振動的幾種學說可知，自激振動與切削過程本身有關(guān),，與工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能也有關(guān),，因此控制自激振動的基本途徑是減小和抵抗激振力的問題，具體說來可以采取以下一些有效的措施：
⑴ 合理選擇與切削過程有關(guān)的參數(shù) 自激振動的形成是與切削過程本身密切有關(guān)的,，所以可以通過合理地選擇切削用量,、刀具幾何角度和工件材料的可切削性等途徑來抑制自激振動。
1）合理選擇切削用量 如車削中,，切削速度v在20~60m／min范圍內(nèi),，自激振動振幅增加很快，而當v超過此范圍以后,，則振動又逐漸減弱了,，通常切削速度v在50~60m／min左右時切削穩(wěn)定性最低，最容易產(chǎn)生自激振動,，所以可以選擇高速或低速切削以避免自激振動,。關(guān)于進給量f，通常當f較小時振幅較大,，隨著f的增大振幅反而會減小,，所以可以在表面粗糙度要求許可的前提下選取較大的進給量以避免自激振動。背吃刀量ap愈大,，切削力愈大,，愈易產(chǎn)生振動。
2）合理選擇刀具的幾何參數(shù) 適當?shù)卦龃笄敖?/SPAN>γo,、主偏角kc,，能減小切削力而減小振動。后角αo可盡量取小,，但精加工中由于背吃刀量ap較小,，刀刃不容易切入工件，而且αo過小時,，刀具后刀面與加工表面間的摩擦可能過大,，這樣反而容易引起自激振動。通常在刀具的主后刀面下磨出一段αo角為負值的窄棱面,，如圖3-11就是一種很好的防振車刀,。另外，實際生產(chǎn)中還往往用油石使新刃磨的刃口稍稍鈍化,，也很有效,。關(guān)于刀尖圓弧半徑，它本來就和加工表面粗糙度有關(guān),，對加工中的振動而言,，一般不要取得太大，如車削中當?shù)都鈭A弧半徑與背吃刀量近似相等時,，則切削力就很大,，容易振動。車削時裝刀位置過低或鏜孔時裝刀位置過高,，都易于產(chǎn)生自激振動,。
使用“油”性非常高的潤滑劑也是加工中經(jīng)常使用的一種防振辦法。
⑵ 提高工藝系統(tǒng)本身的抗振性
1）提高機床的抗振性 機床的抗振性能往往占主導地位,，可以從改善機床的剛性,、合理安排各部件的固有頻率,、增大阻尼以及提高加工和裝配的質(zhì)量等來提高其抗振性。如圖3-12就是具有顯著阻尼特性的薄壁封砂結(jié)構(gòu)床身,。
2）提高刀具的抗振性 通過刀桿等的慣性矩,、彈性模量和阻尼系數(shù)，使刀具具有高的彎曲與扭轉(zhuǎn)剛度,、高的阻尼系數(shù),，例如硬質(zhì)合金雖有高彈性模量，但阻尼性能較差,，因此可以和鋼組合使用,，以發(fā)揮鋼和硬質(zhì)合金兩者之優(yōu)點。
3）提高工件安裝時的剛性 主要是提高工件的彎曲剛度,，如細長軸的車削中,，可以使用中心架、跟刀架,，當用撥盤傳動銷撥動夾頭傳動時要保持切削中傳動銷和夾頭不發(fā)生脫離等,。
⑶ 使用消振器裝置 圖3-13是車床上使用的沖擊消振器，圖中6是消振器座,，螺釘1上套有質(zhì)量塊4,、彈簧3和套2，當車刀發(fā)生強烈振動時,，4就在6和1的頭部之間作往復運動,，產(chǎn)生沖擊，吸收能量,。圖3-14是鏜孔用的沖擊消振器,。圖中1為鏜桿，2為鏜刀,，3為工件,，4為沖擊塊（消振質(zhì)量），5為塞蓋,。沖擊塊安置在鏜桿的空腔中,，它與空腔間保持0.05~0.10mm的間隙。當鏜桿發(fā)生振動時,，沖擊塊將不斷撞擊鏜桿吸收振動能量,，因此能消除振動。這些消振裝置經(jīng)生產(chǎn)使用證明,，都具有相當好的抑振效果,，并且可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整，所以使用上也較方便,。
圖3-15為一利用多層彈簧片間的相互摩擦來消除振動的干摩擦阻尼裝置,。圖3-16為一利用液體流動阻力的阻尼作用消除振動的液體阻尼裝置,。
第五節(jié) 磨削的表面質(zhì)量
一、磨削加工的特點
磨削精度高,，通常作為終加工工序,。但磨削過程比切削復雜。磨削加工采用的工具是砂輪,。磨削時，雖然單位加工面積上磨粒很多,，本應(yīng)表面粗糙度很小,，但在實際加工中，由于磨粒在砂輪上分布不均勻,，磨粒切削刃鈍圓半徑較大,，并且大多數(shù)磨粒是負前角，很不鋒利,，加工表面是在大量磨粒的滑擦,、耕犁和切削的綜合作用下形成的，磨粒將加工表面刻劃出無數(shù)細微的溝槽,，并伴隨著塑性變形,，形成粗糙表面。同時,，磨削速度高,，通常v砂=40~50m/s，目前甚至高達v砂=80~200m/s,，因而磨削溫度很高,，磨削時產(chǎn)生的高溫會加劇加工表面的塑性變形，從而更加增大了加工表面的粗糙度值,；有時磨削點附近的瞬時溫度可高達800~1000℃,，這樣的高溫會使加工表面金相組織發(fā)生變化，引起燒傷和裂紋,。另外,，磨削的徑向切削力大，會引起機床發(fā)生振動和彈性變形,。
二,、影響磨削加工表面粗糙度的因素
影響磨削加工表面粗糙度的因素有很多，主要的有：
⑴ 砂輪的影響 砂輪的粒度越細,，單位面積上的磨粒數(shù)越多,，在磨削表面的刻痕越細，表面粗糙度越�,�,；但若粒度太細,，加工時砂輪易被堵塞反而會使表面粗糙度增大，還容易產(chǎn)生波紋和引起燒傷,。砂輪的硬度應(yīng)大小合適,，其半鈍化期愈長愈好；砂輪的硬度太高,，磨削時磨粒不易脫落,，使加工表面受到的摩擦、擠壓作用加劇,，從而增加了塑性變形,，使得表面粗糙度增大，還易引起燒傷,；但砂輪太軟,，磨粒太易脫落，會使磨削作用減弱,，導致表面粗糙度增加,，所以要選擇合適的砂輪硬度。砂輪的修整質(zhì)量越高,，砂輪表面的切削微刃數(shù)越多,、各切削微刃的等高性越好，磨削表面的粗糙度越小,。
⑵ 磨削用量的影響 增大砂輪速度,，單位時間內(nèi)通過加工表面的磨粒數(shù)增多，每顆磨粒磨去的金屬厚度減少,，工件表面的殘留面積減少,；同時提高砂輪速度還能減少工件材料的塑性變形，這些都可使加工表面的表面粗糙度值降低,。降低工件速度,，單位時間內(nèi)通過加工表面的磨粒數(shù)增多，表面粗糙度值減�,�,；但工件速度太低，工件與砂輪的接觸時間長,，傳到工件上的熱量增多,，反面會增大粗糙度，還可能增加表面燒傷,。增大磨削深度和縱向進給量,，工件的塑性變形增大，會導致表面粗糙度值增大。徑向進給量增加,，磨削過程中磨削力和磨削溫度都會增加,，磨削表面塑性變形程度增大，從而會增大表面粗糙度值,。為在保證加工質(zhì)量的前提下提高磨削效率,，可將要求較高的表面的粗磨和精磨分開進行，粗磨時采用較大的徑向進給量,，精磨時采用較小的徑向進給量,，最后進行無進給磨削，以獲得表面粗糙度值很小的表面,。
⑶ 工件材料 工件材料的硬度,、塑性、導熱性等對表面粗糙度的影響較大,。塑性大的軟材料容易堵塞砂輪,，導熱性差的耐熱合金容易使磨料早期崩落,，都會導致磨削表面粗糙度增大,。
另外，由于磨削溫度高,，合理使用切削液既可以降低磨削區(qū)的溫度,，減少燒傷，還可以沖去脫落的磨粒和切屑,，避免劃傷工件,，從而降低表面粗糙度值。
三,、磨削表面層的殘余應(yīng)力——磨削裂紋問題
磨削加工比切削加工的表面殘余應(yīng)力更為復雜,。一方面，磨粒切削刃為負前角,，法向切削力一般為切向切削力的2~3倍,，磨粒對加工表面的作用引起冷塑性變形，產(chǎn)生壓應(yīng)力,；另一方面,，磨削溫度高，磨削熱量很大,，容易引起熱塑性變形,，表面出現(xiàn)拉應(yīng)力。當殘余拉應(yīng)力超過工件材料的強度極限時,，工件表面就會出現(xiàn)磨削裂紋,。磨削裂紋有的在外表層，有的在內(nèi)層下；裂紋方向常與磨削方向垂直,，或呈網(wǎng)狀,；裂紋常與燒傷同現(xiàn)。
磨削用量是影響磨削裂紋的首要因素,，磨削深度和縱向走刀量大,，則塑性變形大，切削溫度高,，拉應(yīng)力過大,，可能產(chǎn)生裂紋。此外,，工件材料含碳量高者易裂紋,。磨削裂紋還與淬火方式、淬火速度及操作方法等熱處理工序有關(guān),。
為了消除和減少磨削裂紋,，必須合理選擇工件材料、合理選擇砂輪,；正確制訂熱處理工藝,；逐漸減小切除量；積極改善散熱條件,，加強冷卻效果,，設(shè)法降低切削熱。
四,、磨削表面層金相組織變化——磨削燒傷問題
1．磨削表面層金相組織變化與磨削燒傷
機械加工過程中產(chǎn)生的切削熱會使得工件的加工表面產(chǎn)生劇烈的溫升,，當溫度超過工件材料金相組織變化的臨界溫度時，將發(fā)生金相組織轉(zhuǎn)變,。在磨削加工中,，由于多數(shù)磨粒為負前角切削，磨削溫度很高,，產(chǎn)生的熱量遠遠高于切削時的熱量,，而且磨削熱有60~80%傳給工件，所以極容易出現(xiàn)金相組織的轉(zhuǎn)變,，使得表面層金屬的硬度和強度下降,，產(chǎn)生殘余應(yīng)力甚至引起顯微裂紋，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷,。產(chǎn)生磨削燒傷時,，加工表面常會出現(xiàn)黃、褐,、紫,、青等燒傷色,，這是磨削表面在瞬時高溫下的氧化下膜顏色。不同的燒傷色,，表明工件表面受到的燒傷程度不同,。
磨削淬火鋼時，工件表面層由于受到瞬時高溫的作用,，將可能產(chǎn)生以下三種金相組織變化：
1）如果磨削表面層溫度未超過相變溫度,，但超過了馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度，這時馬氏體將轉(zhuǎn)變成為硬度較低的回火屈氏體或索氏體,，這叫回火燒傷,。
2）如果磨削表面層溫度超過相變溫度，則馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體,，這時若無切削液,，則磨削表面硬度急劇下降，表層被退火,，這種現(xiàn)象稱為退火燒傷,。干磨時很容易產(chǎn)生這種現(xiàn)象。
3）如果磨削表面層溫度超過相變溫度,，但有充分的切削液對其進行冷卻,，則磨削表面層將急冷形成二次淬火馬氏體，硬度比回火馬氏體高,，不過該表面層很薄,，只有幾微米厚,，其下為硬度較低的回火索氏體和屈氏體,，使表面層總的硬度仍然降低，稱為淬火燒傷,。
2．磨削燒傷的改善措施
影響磨削燒傷的因素主要是磨削用量,、砂輪、工件材料和冷卻條件,。由于磨削熱是造成磨削燒傷的根本原因,，因此要避免磨削燒傷，就應(yīng)盡可能減少磨削時產(chǎn)生的熱量及盡量減少傳入工件的熱量,。具體可采用下列措施：
1）合理選擇磨削用量 不能采用太大的磨削深度,，因為當磨削深度增加時，工件的塑性變形會隨之增加,，工件表面及里層的溫度都將升高,，燒傷亦會增加；工件速度增加,，磨削區(qū)表面溫度會增高,，但由于熱作用時間減少，因而可減輕燒傷。
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,、韌性和熱導率。工件材料硬度,、強度越高,，韌性越大，磨削時耗功越多,，產(chǎn)生的熱量越多,，越易產(chǎn)生燒傷；導熱性較差的材料,，在磨削時也容易出現(xiàn)燒傷,。
3）砂輪的選擇 硬度太高的砂輪，鈍化后的磨粒不易脫落,，容易產(chǎn)生燒傷,，因此用軟砂輪較好；選用粗粒度砂輪磨削,，砂輪不易被磨削堵塞,，可減少燒傷；結(jié)合劑對磨削燒傷也有很大影響,，樹脂結(jié)合劑比陶瓷結(jié)合劑容易產(chǎn)生燒傷,，橡膠結(jié)合劑比樹脂結(jié)合劑更易產(chǎn)生燒傷。
4）冷卻條件 為降低磨削區(qū)的溫度,，在磨削時廣泛采用切削液冷卻,。為了使切削液能噴注到工件表面上，通常增加切削液的流量和壓力并采用特殊噴嘴,，圖3-17所示為采用高壓大流量切削液,，并在砂輪上安裝帶有空氣擋板的切削液噴嘴，這樣既可加強冷卻作用,，又能減輕高速旋轉(zhuǎn)砂輪表面的高壓附著作用,，使切削液順利地噴注到磨削區(qū)。此外,，還可采用多孔砂輪,、內(nèi)冷卻砂輪和浸油砂輪，圖3-18所示為一內(nèi)冷卻砂輪結(jié)構(gòu),，切削液被引入砂輪的中心腔內(nèi),，由于離心力的作用，切削液再經(jīng)過砂輪內(nèi)部的孔隙從砂輪四周的邊緣甩出,，這樣切削液即可直接進入磨削區(qū),，發(fā)揮有效的冷卻作用,。
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圖3-17 帶有空氣擋板的切削液噴嘴
1—液流導管 2—可調(diào)氣流擋板 3—空腔區(qū) 4—噴嘴罩 5—磨削區(qū) 6—排液區(qū) 7—液嘴 |
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圖3-18 內(nèi)冷卻砂輪結(jié)構(gòu)
1—錐形蓋 2—切削液通孔 3—砂輪中心腔 4—有徑向小孔的薄壁套 |
習題與思考題
3-1 機械加工表面質(zhì)量包括哪些內(nèi)容？它們對產(chǎn)品的使用性能有何影響,？
3-2 為何機器上許多靜止連接的接觸表面往往要求較小的表面粗糙度值,，而相對運動的表面卻不能對表面粗糙度值要求過小,？
3-3 表面粗糙度與加工公差等級有什么關(guān)系,？試舉例說明機器零件的表面粗糙度對其使用壽命及工作精度的影響。
3-4 車削一鑄鐵零件的外圓表面,，若走刀量f=0.5mm/r,，車刀刀尖圓弧半徑r=4mm，試計算能達到的表面粗糙度為多少,？
3-5 高速精鏜內(nèi)孔時,，采用鋒利的尖刀，刀具的主偏角kr=45˚,，副偏角kr’=20˚,，要求加工表面的Ra=0.8μm。試求：
⑴ 當不考慮工件材料塑性變形對粗糙度的影響時,，計算應(yīng)采用的走刀量為多少,？
⑵ 分析實際加工表面的粗糙度與計算所得的結(jié)果是否會相同？為什么,？
3-6 工件材料為15鋼,，經(jīng)磨削加工后要求表面粗糙度達Ra0.04μm，是否合理,？若要滿足加工要求,，應(yīng)采取什么措施？
3-7 為什么有色金屬用磨削加工得不到低表面粗糙度,？通常為獲得低表面粗糙度的加工表面應(yīng)采用哪些加工方法,？若需要磨削有色金屬,，為提高表面質(zhì)量應(yīng)采取什么措施,？
3-8 機械加工過程中為什么會造成被加工零件表面層物理力學性能的改變？這些變化對產(chǎn)品質(zhì)量有何影響,？
3-9 什么是加工硬化,？影響加工硬化的因素有哪些？
3-10 磨削淬火鋼時,，加工表面層的硬度可能升高或降低,，試分析其原因,。
3-11 為何會產(chǎn)生磨削燒傷？減少的磨削燒傷方法有哪些,？
3-14 機械加工過程中經(jīng)常出現(xiàn)的機械振動有哪些,？各有何特性？其相互間的區(qū)別何在,？
3-15 試討論：在車床上采用彈簧車刀還是采用剛性車刀切削抗振性好,？在刨床上采用彎頭刨刀還是采用直頭刨刀切削抗振性好？為什么,？
