李伯民：现代磨削技术第六章-磨加工表面质量

6.5.2 强迫颤振 1.力引起的强迫颤振 ：强迫振动是由外界周期性的干扰力所 支持的不衰减振动，如冲床、气锤工作的周期性干扰，电动 机转子、砂轮不平衡产生的周期干扰力。 强迫 振动 的特 点 消除 强迫 颤振 的途 径
强迫振动的稳态过程是简谐振动，外界力存在，就存在振 动。 强迫振动的频率等于外界支持振动交变力的频率 当阻尼较小，而外界交变力频率又接近振动系统的固有频 率时，系统易出现共振。
很高的磨削温度，工件表 层的金相组织产生变化 实质
工件 表面 呈现 氧化 膜的 颜色 磨削 烧伤
6.3.2 磨削表面金相组织变化——磨削烧伤 磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下几种：
磨削区温度超过了马氏体转变温度而未超过相 变温度，则马氏体 回火组织（索氏体或者 屈氏体）。 磨削区的温度超过了相变温度,马氏体 奥氏 体，又由于冷却液的急冷作用，表层会出现二 次淬火马氏体 干磨削时，磨削区温度超过了相变温度，马氏 体 奥氏体，因工件冷却缓慢工件表层被退火
现代磨削技术
•李伯民 赵波 主编
第６章
磨削加工表面质量
第六章
6.2 磨削表面纹理
磨削加工表面质量
6.1 磨削加工表面质量的含义及其对使用性能的影响
6.3 磨削表面层物理力学性能
6.4 磨削表面完整性参数综合影响及改善措施
6.5 磨削加工中的振动
6.1 磨削加工表面质量的含义及其对使用性能的影响
最有效的途径
找出外界干扰力(根源)并 把它去除
2.位移引起的强迫振动（颤振） 对于有粘性阻尼的单自由度系统，力不直接加在质量上，依靠 基础的运动，力通过弹簧和阻尼器间接地作用给质量时，这就 是由位移引起的强迫振动。
6.5.3 再生颤振 再生颤振是自激颤振一种形式，如磨削时，由于某种原因使的 砂轮在半径方向上有微小位移，则砂轮轴就随之作短时间的 振动，在工件表面残余一系列波纹，工件继续回转，波纹表 面再次与砂轮接触时，砂轮产生交变力作用。 再生效应：由于前一次磨削的振动的原因残留在加工表面上的 波纹，在下一次再磨削到同一个地力时使磨削力发生变动， 再一次发生振动，而又产生新的波纹的现象称之为再生效应。
它是整个工件内互相平衡的残余应力， 由力、热作用产生塑性变形不均匀而引 起，引起零件变形，产生裂纹。 晶粒范围内平衡的残余应力,它只存在 于多晶体金属中，是由于各晶粒变形程 度不同而产生的，产生微观裂纹。 在原始晶胞内平衡的残余应力，它是工 件受到冷作硬化所产生的，产生微观裂 纹。
残 余 应 力 的 分 类
2.磨削加工表面层加工硬化的影响因素
加 工 硬 化 的 影 响 因 素
磨削径向 力
磨削力愈大，塑性变形大，硬化程度愈 大，硬化层深度也愈大
磨削温度
磨削温度愈高，软化作用增大，使冷硬 作用减少，硬化深度和程度都减少
3.加工硬化层深度测量方法 金相法 测量显微硬度法 X光法 激光全息摄影法
6.3.2 磨削表面金相组织变化——磨削烧伤 1.磨削烧伤的产生与实质 负前 角的 磨粒 在高 速磨 削的 条件 下
微裂纹 磨 削 表 面 缺 陷
表面层污染
表面划伤
金相组织变化
6.4.2 磨削表面完整性参数间关系
磨削表面完整性是由表面粗糙度、波度、加工硬化、残余应力， 金相组织相变、烧伤与裂纹各因素参数组成的，各因素之间有一 定的关系。
表面粗糙度增大 裂纹增加 残余应力 硬化层深度及程度均增大 残余应力增大 加工硬化层
改善 磨削 加工 零件 表面 完整 性措 施
合理选择Vw／Vs 之比
保持砂轮间隙和 锋利 供给充分的磨削 液
修整砂轮，保持磨具的锋利性。注意解决砂轮的自动修整 与补偿 选择合适的磨削条件，注意操作规范
6.5 磨削加工中的振动
6.5.1 磨削加工中的颤振现象 颤振 : 在磨削加工中产生了振动，加工就不能进行，即使加工进 行下去，也不能得到良好的加工表面。 从产生颤振的机理来分：强迫颤振和自激颤振。 强迫颤振：由于某种强制性的振动原因的影响而产生的，分为外 力干扰型强迫颤振和位移干扰型强迫颤振。
微观不平度
加工中冷作硬化
机械加工方法导致工 件存在问题
表层残留应力
金相组织变化
高精度
低表面粗糙度值 现代磨削技术的发展 实现零件 趋势 低残余应力
低硬化层
6.1.1 表面质量的含义
表面质量是指机器零件加工后表面层的状态。 表面粗糙度 波度
表面纹理指标
磨削表面 质量指标 表面层物理力学 性能指标
纹理方向 表面瑕疵 表面层硬度 表面层组织 表面层残余 应力
如磨削淬火钢，在出现二次淬火马氏体时，产生残余压应力， 而回火组织中分布的是残余拉应力。组织不同，其硬度不同。 硬度最低时，应力最大。
6.4.3 改善磨削加工零件表面完整性措施
低应力磨削 减少变形和表面损伤，产生低应力 表面 提高表面完整性 降低砂轮与工件接触区的磨削温度， 减少磨削表面的损伤 降低磨削区的温度， 减少烧伤
磨 削 温 度 高
磨削 烧伤 （工 艺因 素）
耐热钢、不锈钢和轴承钢等传热性 能差的材料，磨削时易产生烧伤
软砂轮和粗砂轮可以减轻烧伤
磨削 液
磨削充分冷却有利于防止烧伤和裂纹
3. 表面层磨削烧伤的测定
磨削表面烧伤后，工件表面呈现氧化膜，随着温度的变化，氧化 膜呈现黄色、褐色、紫色、青色及灰色。
氧化膜颜色和膜 厚数值的大小
6.1.2 磨削表面粗糙度与磨削加工精度的关系
零件的精度
零件的表面 粗糙度
一定的精度应有相应的表面粗糙度，即一定的尺寸公差要有相 应的表面粗糙度。一般情况下，对尺寸要进行有效控制，表面粗 糙度Ra值应不超过尺寸公差的1/8。
1.对零件的耐磨性的影响
2.对零件的耐疲劳性影响
3.对零件的耐腐蚀性影响
6.2 磨削表面纹理
6.2.1 磨削表面的创成机理
根据磨削表面沟痕的构成来考察表面粗糙度的创 成机理。从磨削表面上方观察，众多的切削沟痕的棱线和磨 削方向倾斜 2 Rs 角。 其中， —磨粒切削刃圆弧半径
Rs —砂轮半径
S —沿磨削方向上切削沟痕的间隔
磨削表面上的切削沟痕
6.2.1 磨削表面的创成机理
热态塑 性变形 金相组 织变化
表面层易产生残 余拉应力 当残余拉应力超过材 料的强度极限时
磨削裂纹
6.3.3 表面层残余应力
影响磨削裂纹产生的因素主要有：
•提高工件速度，减少残余拉应力，消除烧伤与裂纹
•减少磨削深度，可以减少残余应力
磨削用量
•降低砂轮速度可以得到残余压应力，消除烧伤、裂纹 •提高砂轮速度同时提高工件速度，得到好的表面质量
磨 削 烧 伤 的 分 类
回火 烧伤 淬火 烧伤
退火 烧伤
马氏体
二次淬火马 氏体
索氏体
•暗层组织由回火屈氏体、 回火马氏体组成，其中靠 近白层处为回火屈氏体并 含少量的黑色团状索氏体
2.影响磨削烧伤的工艺因素
磨削 用量 加工 材料 砂轮 参数
工件表面层的温度 ta
可表示为：
0.2 0.35 0.3 0.25 ta Cvw a p f vs
宏观残余应力
晶粒范围内平衡的 残余应力 原始晶胞内平衡的 残余应力
2.表面残余应力的产生的原因
冷态塑性 变形
表面层受磨削 力的作用
表面 残余 应力 的产 生的 原因
不同的磨削方式 热态塑性 变形 金相组织 变化 热的作用
•温度的作用
3.磨削裂纹及影响因素 磨削加工中热态塑性变形和金相组织变化影响较大，故大多数 磨削零件的表面层往往有残余拉应力。当残余拉应力超过材料 的强度极限时，零件表面就会出现裂纹。
6.2.4 磨削加工表面粗糙度的经验公式
磨削条件与表面粗糙度Ra值间的经验公式：
x y CRa vw a p f ap K1K 2 K3
Ra
vsz d sq Bsn
式中， CR ——与被磨材料物理力学性能有关的参数
a
K1 ——与砂轮粒度有关的系数
K2 ——与无火花磨削次数有关的系数 K3 ——与磨削液有关的系数
自激颤振：是不存在强迫振源情况下，机械结构系统的动态特性 及切削过程的动态特性二者的耦合满足一定条件下所产生的动态 不稳定现象。
6.5.1 磨削加工中的颤振现象 外圆磨削过程中，工件转速高，且磨床系统固有频率低于200HZ 以下，很容易产生颤振，如砂轮不经修整，砂轮外圆磨损的波 纹，就会复印到工件表面，影响工件表面质量，即砂轮表面再 生效应。 外圆磨床的强迫振源是驱动砂轮旋转的电机，不同频率与机床 系统固有频率将近会发生共振，引起砂轮与工件之间产生相对 振动位移。 影响磨床的磨削性能的因素：砂轮轴的弯曲振动固有频率及动 刚度，磨床结构系统的固有频率与砂轮轴转速的相对关系，砂 轮轴的精度及动平衡，砂轮轴的轴承精度等。
来判断
磨削烧伤
常用的测量表面磨削烧伤的方法有： 氧化膜颜色法 显微硬度法 金相组织法 酸洗法
氧化膜颜色预测磨削区平均温度
回火处理的AISI D2钢磨削加工＝二次回火空冷热处理 根据不同温度二次回火试样的氧化膜颜色近似估计磨削中所能达到的平均温 度
100°C
200°C
300°C
400°C
500°C
6.2.2 磨削表面粗糙度的理论分析
1.以磨粒切削刃路径几何学为基础的理论
外圆切入磨削表面理论粗糙度的最大值的理论公式为：
第一项为沿磨削 方向上的粗糙度
第二项为垂直于磨削 方向断面中的粗糙度
2.以菱形切削沟模型为基础的理论公式
实际磨削粗糙度高度处于hmin-hmax范围内。
6.2.3 影响磨削加工表面粗糙度的因素
磨 削 裂 纹
被加工材料
•磨削导热性能差的材料(如高强度合金钢、不锈钢等)及 脆性大材料时，在磨削加工中表面易产生裂纹
•磨削碳钢时，钢中含碳量愈高，亦易产生裂纹 •磨削淬火钢易产生裂纹 热处理
•渗碳钢和渗氮钢受温度影响易在晶界面析出脆性碳化 物和氧化物，故在磨削时易出现网状裂纹
4.改善磨削表层残余应力的措施：
5.残余应力及裂纹的测量
6.4 磨削表面完整性参数综合影响及改善措施
6.4.1磨削表面缺陷
磨削裂纹在磨削表面上表现为微裂纹，呈不 规则的网状，大体上与磨削方向垂直．它的 形成与残余应力、热处理引起的内应力有关 磨削钢时，由于磨削热作用下，除发生烧伤 与裂纹外，还会产生氧化膜。热作用时间越 长，氧化膜厚度越大 光磨时由于磨粒脱落、尘埃等原因，容易出 现表面划伤
4.对零件的其它影响
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6.1.3 表面质量对零件使用性能的影响
零件表面层状态对其使用性能主要是因为： 1. 承受载荷应力的最大表面层是金属的边界，机械加工后破 坏了晶粒的完整性，从而降低了表面的某些机械性能。 2. 表面层有裂纹、加工痕迹等各种缺陷，在动载荷的作用下， 可能引起应力集中而导致破坏。 3.零件表面进行加工后，表面层的物理、机械、冶金和化学 性能都变得和基体材料不同了。
砂轮的速度为Vs，工件的速度为Vw,砂轮工作表面每单位面积上切 削刃数为Ce,则切削沟痕的长度和宽度可由几何关系求得：
其中菱形切削沟痕模型的深度h为：
磨粒切削微刃都在同一高度情况磨削表面创成后，可以以切削沟 痕深度h为基础，能够确定磨削表面最大粗糙度值。但实际上切削 刃高度不在同一高度上，其磨削表面的创成生成切削沟痕深度h的 变化大，从而使得表面粗糙度值增大。
600°C
700°C
800°C
900°C
不同二次回火温度时AISI D2钢试样块表面氧化颜色
磨削表面
二次回火试样表面
60#氧化铝砂轮，磨削深度15μm， 砂轮转速2000rev/min，工件进给速度0.06m/s
磨削表面与二次回火后试样表面的氧化膜颜色对比
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6.3.3 表面层残余应力 1.表面层残余应力的产生 磨削加工时，残余应力是指在没有外力作用情况下 , 在物体 内部保持平衡而存在的残余应力，有残余压应力与拉应力。
6.3 磨削表面层物理力学性能
6.3.1 磨削表面加工硬化层的产生
1.加工硬化的产生及其指标
加工硬化(或称 强化)
磨削力
工件材料
表面硬度提高， 塑性降低
磨削表面 磨削热
使塑性变形产生 恢复和再结晶
失去加工硬化— —软化
衡量加工硬化的指标：
表面层显微硬度—— HV 硬化层深度—— h（mm） 硬化程度—— N 其中： N=（ HV- HV0)/HV0 式中的HV0为金属原来的显微硬度
无火花磨削 对被磨表面进行滚光 加工 使用珩磨工艺 低应力磨削，选择合 适的磨削参数
可以 很好 地改 善表 层残 余应 力
5.残余应力及裂纹的测量
显微分析法 残余 应力 的测 量方 法 物理化学法 裂纹 的测 量方 法 磁粉探伤法
X光法
机械法
涡流探伤法
超声波探伤法 声发射检测
5.残余应力及裂纹的测量