李伯民：现代磨削技术第六章-磨加工表面质量

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6.2磨削表面纹理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机械加工方法导致工件存在问题微观不平度加工中冷作硬化表层残留应力金相组织变化现代磨削技术的发展趋势高精度低表面粗糙度值低残余应力低硬化层实现零件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。磨削表面质量指标表面纹理指标表面层物理力学性能指标表面粗糙度波度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4.对零件的其它影响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。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s2R6.2.1磨削表面的创成机理砂轮的速度为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。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：式中，——与被磨材料物理力学性能有关的参数——与砂轮粒度有关的系数——与无火花磨削次数有关的系数——与磨削液有关的系数123axypRwpaazqnsssCvafKKKRvdBaRC1K2K3K6.3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工件材料磨削表面磨削力磨削热加工硬化(或称强化)表面硬度提高，塑性降低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温度磨削力愈大，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很高的磨削温度，工件表层的金相组织产生变化工件表面呈现氧化膜的颜色磨削烧伤实质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：磨削烧伤的分类回火烧伤淬火烧伤退火烧伤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•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马氏体二次淬火马氏体索氏体2.影响磨削烧伤的工艺因素磨削温度高磨削烧伤（工艺因素）磨削用量加工材料砂轮参数磨削液工件表面层的温度ta可表示为：0.20.350.30.25awpstCvafv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。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和膜厚数值的大小来判断磨削烧伤回火处理的AISID2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磨削表面与二次回火后试样表面的氧化膜颜色对比氧化膜颜色预测磨削区平均温度100°C200°C300°C400°C500°C600°C700°C800°C900°C不同二次回火温度时AISID2钢试样块表面氧化颜色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磨削表面二次回火试样表面286.3.3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。残余应力的分类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。2.表面残余应力的产生的原因表面残余应力的产生的原因冷态塑性变形热态塑性变形金相组织变化表面层受磨削力的作用热的作用•温度的作用不同的磨削方式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。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：磨削裂纹磨削用量被加工材料热处理•提高工件速度，减少残余拉应力，消除烧伤与裂纹•降低砂轮速度可以得到残余压应力，消除烧伤、裂纹•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•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•提高砂轮速度同时提高工件速度，得到好的表面质量•减少磨削深度，可以减少残余应力•磨削淬火钢易产生裂纹•磨削碳钢时，钢中含碳量愈高，亦易产生裂纹4.改善磨削表层残余应力的措施：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残余应力的测量方法物理化学法X光法磁粉探伤法机械法声发射检测显微分析法涡流探伤法超声波探伤法裂纹的测量方法5.残余应力及裂纹的测量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磨削表面缺陷磨削表面缺陷微裂纹表面层污染表面划伤金相组织变化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。表面粗糙度增大硬化层深度及程度均增大残余应力增大裂纹增加残余应力加工硬化层如磨削淬火钢，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改善磨削加工零件表面完整性措施低应力磨削合理选择Vw／Vs之比保持砂轮间隙和锋利修整砂轮，保持磨具的锋利性。注意解决砂轮的自动修整与补偿供给充分的磨削液选择合适的磨削条件，注意操作规范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磨削区的温度，减少烧伤降低砂轮与工件接触区的磨削温度，减少磨削表面的损伤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。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。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。强迫振动的特点强迫振动的稳态过程是简谐振动，外界力存在，就存在振动。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。强迫振动的频率等于外界支持振动交变力的频率消除强迫颤振的途径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。再生颤振的特点易形成倾斜的条状花纹加大进给量，不易产生颤振低速稳定性效应可以防止颤振产生刀瘤时，动态切削力系数降低，不易产生再生颤振切削力只产生小的振动时不易引起再生颤振决定了机床强力切削性能的界限上述特征巳成为实际解决颤振时区别再生颤振和共他种类颤振的判别根据，是抑制和消除颤振的有效途径。磨削加工时，由于被磨金属层比较薄，大约60-95%的热被传入工件，仅有不到10％的热量被磨屑带走。这些传入工件的热量在磨削过程中来不及传入工件深处，而聚集在表面层里形成局部高温。工件表面温度可高达1000℃以上，易引起表面热烧伤。1.磨削的热效应对工件表面质量和使用性能影响极大。2.磨削区的磨削热影响到砂轮的使用寿命。6.4磨削温度磨削热来源于磨削功率的消耗。磨削加工时，磨除单位体积（或质量）金属所消耗的