【正文】 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。 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，由于后刀面的擠、壓和摩擦作用，加大了表面層伸長的塑性變形，表面層的伸長變形受到基體金屬的限制，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： (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 切削過程結(jié)束時 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)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 g/cm3，奧氏體密度為 g/cm3， 珠光體密度為 g/cm3，鐵素體密度為 g/cm3； 切削時產(chǎn)生的高溫會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 淬火鋼原來的組織是馬氏體 g/cm3 磨削加工后 表層可能產(chǎn)生回火，馬氏體變?yōu)橹楣怏w 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 總結(jié) 熱因素主導(dǎo)： 表面發(fā)生熱塑性變形 —— 表層 拉伸 表面未發(fā)生熱塑性變形 —— 表層 壓縮 塑性變形（力因素）主導(dǎo) —— 表層壓縮 若金相組織變化： 產(chǎn)生淬火燒傷 —— 表層 壓縮 產(chǎn)生退（回）火 —— 表層 拉伸 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 一般來說， 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．滑動磨損 3．滾動磨損 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 滑動摩擦的機(jī)械作用 物理化學(xué)方面的綜合作用 2．滑動磨損 指的是兩個零件作相對滑動，滑動面逐漸磨損的現(xiàn)象。 滑動磨損機(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。 從抵抗粘接磨損、擴(kuò)散磨損、化學(xué)磨損考慮對殘余應(yīng)力的性質(zhì)無特殊要求時，應(yīng)盡量減小表面殘余應(yīng)力值。 滑動摩擦工作應(yīng)力分布如圖所示。 當(dāng)表面層的壓縮工作應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力時，將使表面層金屬磨損。 改善措施 3．滾動磨損 指的是兩個零件作相對滾動，滾動面將逐漸磨損的現(xiàn)象。 滾動磨損來自 滾動摩擦的機(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，對零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。這種方法工藝簡單、成本低廉，應(yīng)用廣泛。 噴丸強(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 ～ 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 35～ 50m／ s的速度噴出。 珠丸 (直徑為～ 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) ，表面租糙度 Ra值可由 減少到 ，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) ，表面租糙度 值可由 減少到 ，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，通常在臥式車床、轉(zhuǎn)塔車床或自動車床上進(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 3．液體磨料強(qiáng)化 如圖所示，液體和磨料在 400 ～ 800kPa下，經(jīng)過噴嘴高速噴出，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 167。 工藝系統(tǒng)的振動 1．自由振動 2．強(qiáng)迫振動 3．自激振動 一、機(jī)械加工中的振動現(xiàn)象 (一 ) 機(jī)械振動的分類 ??? 自由振動 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)力來維持的振動。 1．自由振動 在切削過程中，加工材料硬度不均或工件表面有缺陷，都會引起自由振動，但由于阻尼作用，振動將迅速減弱，因而對機(jī)械加工影響不大。 振動的頻率就是系統(tǒng)的固有頻率； 自由振動將逐漸衰減。 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)械加工過程中強(qiáng)迫振動和自激振動的規(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 強(qiáng)迫振動 由 外界 周期性激振力引起和維持的振動。 外界 ? 在 — 定條件下，由 振動系統(tǒng)本身 產(chǎn)生的交變力激發(fā)和維持的一種穩(wěn)定的周期性振動稱為自激振動。 質(zhì)量、彈簧和阻尼以外 3．自激振動 (二 )振動對機(jī)械加工的影響 (1)影響零件的表面質(zhì)量 振動破壞了工藝系統(tǒng)的各種成形運(yùn)動，使工件與刀具的相對位置發(fā)生周期性的改變，因而振動頻率低時產(chǎn)生波度，振動頻率高時將增大表面粗糙度值。 (2)影響生產(chǎn)率 為了避免發(fā)生振動或減小振動，有時不得不降低切削用量，從而限制和影響生產(chǎn)率的提高。 (3)影響機(jī)床、夾具和刀具壽命 振動使刀具受到附加動載荷，加速刀具磨損，有時甚至發(fā)生崩刃；同時振動使機(jī)床、夾具等零件的連接部分松動，從而增大間隙，降低剛度和精度，縮短其使用壽命。 (4)振動噪聲污染工作環(huán)境 由于高頻振動會發(fā)出刺耳的尖叫聲，造成噪聲污染，危害操作者的身心健康。 振動對加工質(zhì)量和生產(chǎn)率有很大影響，主要表現(xiàn)在 : 二、強(qiáng)迫振動 如其它機(jī)床或機(jī)器的振動通過地基傳給正在進(jìn)行加工的機(jī)床，引起工藝系統(tǒng)振動。 1．強(qiáng)迫振動產(chǎn)生的原因 強(qiáng)迫振動是由于機(jī)床外部和內(nèi)部振源的激振力所引發(fā)的振動。 (1)系統(tǒng)外部的周期性激振力 如齒輪嚙合時的沖擊、帶傳功中的帶厚不均或接頭不良、滾動軸承滾動體誤差、液壓系統(tǒng)中的沖擊現(xiàn)象以及往復(fù)運(yùn)動部件換向時的慣性力等，都會引起強(qiáng)迫振動。 (2)高速回轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量不平衡引起的振動 如砂輪、齒輪、電動機(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。 (3)傳動機(jī)構(gòu)的缺陷和往復(fù)運(yùn)動部件的慣性力引起的振動 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。 (4)切削過程的間歇性 ???????????強(qiáng)迫振動的特征 ? 1）干擾力：強(qiáng)迫振動是在外界周期性干擾力作用下產(chǎn)生的，但振動本身并不能引起干擾力的變化。 ? 2）頻率：強(qiáng)迫振動的頻率總與外界干擾力的頻率相同或成倍數(shù)關(guān)系 ? 3）幅值：強(qiáng)迫振動振幅的大小在很大程度上取決于干擾力的頻率與加工系統(tǒng)固有頻率的比值，若比值為 1，振幅達(dá)到最大值，此現(xiàn)象稱為共振。 三、自激振動 切削加工時，在沒有周期性外力作用的情況下，有時 刀具與工件之間 也可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的相對振動，并在工件的加工表面上殘留明顯的、有規(guī)律的振紋。這種 由振動系統(tǒng)本身 產(chǎn)生的交變力激發(fā)和維持的振動稱為 自激振動 ，通常也稱為 顫振 。 沒有周期性外力，激發(fā)自激振動的交變力是怎樣產(chǎn)生的？ 自激振動的特性 1)自激振動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)自激振動是在沒有外力干擾下產(chǎn)生的一種不衰減運(yùn)動 ， 維持振動所需的交變力是由振動過程本身產(chǎn)生的， 在切削過程中，停止切削運(yùn)動，交變力也隨之消失，自激振動也就停止。 3)自激振動能否產(chǎn)生和維持取決于每個振動周期內(nèi)攝入和消耗的能量。 自激振動系統(tǒng)維持穩(wěn)定振動的條件 是，在 — 個振動周期內(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，則振動會不斷加強(qiáng)；如果吸收能量小于消耗能量．則振動將不斷衰減而被抑制。 (三 )自激振動的激振原理 切削過程中產(chǎn)生顫振的原因及機(jī)理很復(fù)雜，雖經(jīng)長期研究，目前尚無一種能闡明各種情況下產(chǎn)生顫振的理論。 1．再生原理 2．振型耦合原理 3．負(fù)摩擦原理 4. 切削力滯后原理 ???下面扼要介紹幾種比較公認(rèn)的學(xué)說。 在穩(wěn)定切削過程中，由于偶然的擾動(如材料的硬疵點(diǎn)、加工余量不均勻或沖擊等 )，工藝系統(tǒng)會產(chǎn)生一次自由振動，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，由于切 削到重疊部分的振紋使切削厚度發(fā)生變化，從而引起切削力的周期改變，使刀具產(chǎn)生振動，在加工表面留下新的振紋；這個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。 （ 1）再生顫振的產(chǎn)生過程 類似于加工精度中毛坯誤差的復(fù)映 1．再生原理 在實(shí)際的切削加工中，不是只有橫向進(jìn)給，還有縱向進(jìn)給，因此，刀具與已切過的上一轉(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： 重疊系數(shù)越小，越不容易產(chǎn)生再生顫振