磨加工表面质量PPT课件

第章磨削加工表面质量第章磨削加工表面质量第1页/共82页 第六章第六章 磨削加工表面质量磨削加工表面质量6.1 6.1 磨削加工表面质量的含义及其对使用性能的影响磨削加工表面质量的含义及其对使用性能的影响6.2 6.2 磨削表面纹理磨削表面纹理6.3 6.3 磨削表面层物理力学性能磨削表面层物理力学性能6.4 6.4 磨削表面完整性参数综合影响及改善措施磨削表面完整性参数综合影响及改善措施6.5 6.5 磨削加工中的振动磨削加工中的振动第2页/共82页6.1 6.1 磨削加工表面质量的含义及其对使用性能的影响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机械加工方法导致工件存在问题问题微观不平度微观不平度加工中冷作硬化加工中冷作硬化表层残留应力表层残留应力金相组织变化金相组织变化第3页/共82页现代磨削技术的发展趋势现代磨削技术的发展趋势高精度高精度低表面粗糙度值低表面粗糙度值低残余应力低残余应力低硬化层低硬化层实现零件实现零件第4页/共82页表面质量的含义表面质量的含义 表面质量是指机器零件加工后表面层的状态。表面质量是指机器零件加工后表面层的状态。磨削表面质量磨削表面质量指标指标表面纹理指标表面纹理指标表面层物理力学性能表面层物理力学性能指标指标表面粗糙度表面粗糙度波度波度纹理方向纹理方向表面瑕疵表面瑕疵表面层硬度表面层硬度表面层组织表面层组织表面层残余应力表面层残余应力第5页/共82页磨削表面粗糙度与磨削加工精度的关系磨削表面粗糙度与磨削加工精度的关系 零件的精度零件的精度零件的表面粗糙零件的表面粗糙度度 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，表面粗糙度情况下，对尺寸要进行有效控制，表面粗糙度RaRa值应不超过尺寸公差的值应不超过尺寸公差的1/81/8。第6页/共82页1.1.对零件的耐磨性的影响对零件的耐磨性的影响第7页/共82页 2.2.对零件的耐疲劳性影响对零件的耐疲劳性影响第8页/共82页3.3.对零件的耐腐蚀性影响对零件的耐腐蚀性影响第9页/共82页4.4.对零件的其它影响对零件的其它影响第10页/共82页表面质量对零件使用性能的影响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：零件表面层状态对其使用性能主要是因为： 1.1.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。坏了晶粒的完整性，从而降低了表面的某些机械性能。 2.2.表面层有裂纹、加工痕迹等各种缺陷，在动载荷的作用下，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。可能引起应力集中而导致破坏。 3. 3.零件表面进行加工后，表面层的物理、机械、冶金和化学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。性能都变得和基体材料不同了。第11页/共82页6.2 6.2 磨削表面纹理磨削表面纹理 磨削表面的创成机理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削方向倾斜 角。角。 其中，其中， 磨粒切削刃圆弧半径磨粒切削刃圆弧半径 Rs Rs 砂轮半径砂轮半径 S S 沿磨削方向上切削沟痕的间隔沿磨削方向上切削沟痕的间隔 磨削表面上的切削沟痕磨削表面上的切削沟痕s2R第12页/共82页 磨削表面的创成机理磨削表面的创成机理 砂轮的速度为砂轮的速度为Vs s，工件的速度为，工件的速度为Vw,w,砂轮工作表面每单位面积上切砂轮工作表面每单位面积上切削刃数为削刃数为Ce,Ce,则切削沟痕的长度和宽度可由几何关系求得：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其中菱形切削沟痕模型的深度h h为：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 h为基础，能够为基础，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生成切削沟痕深度h h的变化大，从而使得表面粗糙度值增大。的变化大，从而使得表面粗糙度值增大。第13页/共82页磨削表面粗糙度的理论分析磨削表面粗糙度的理论分析 1.1.以磨粒切削刃路径几何学为基础的理论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：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第一项为沿磨削方向上的粗糙度上的粗糙度第二项为垂直于磨削方向断面第二项为垂直于磨削方向断面中的粗糙度中的粗糙度第14页/共82页2 2. .以菱形切削沟模型为基础的理论公式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实际磨削粗糙度高度处于hmin-hmaxhmin-hmax范围内。范围内。 第15页/共82页影响磨削加工表面粗糙度的因素影响磨削加工表面粗糙度的因素 第16页/共82页磨削加工表面粗糙度的经验公式磨削加工表面粗糙度的经验公式 磨削条件与表面粗糙度磨削条件与表面粗糙度RaRa值间的经验公式：值间的经验公式： 式中，式中， 与被磨材料物理力学性能有关的参数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砂轮粒度有关的系数 与无火花磨削次数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与磨削液有关的系数123axypRwpaazqnsssCv afK K KRv d BaRC1K2K3K第17页/共82页6.3 6.3 磨削表面层物理力学性能磨削表面层物理力学性能 磨削表面加工硬化层的产生磨削表面加工硬化层的产生 1.1.加工硬化的产生及其指标加工硬化的产生及其指标工件材料工件材料磨削表面磨削表面磨削力磨削力磨削热磨削热加工硬化加工硬化( (或称或称强化强化) )表面硬度提高，表面硬度提高，塑性降低塑性降低使塑性变形产生使塑性变形产生恢复和再结晶恢复和再结晶失去加工硬化失去加工硬化软化软化第18页/共82页 衡量加工硬化的指标：衡量加工硬化的指标： 表面层显微硬度表面层显微硬度 HV HV 硬化层深度硬化层深度 h h（mmmm） 硬化程度硬化程度 N N 其中：其中： N=N=（ HV- HVHV- HV0 0)/HV)/HV0 0 式中的式中的HVHV0 0为金属原来的显微硬度为金属原来的显微硬度第19页/共82页2.2.磨削加工表面层加工硬化的影响因素磨削加工表面层加工硬化的影响因素加加工工硬化的影响因素磨削径向磨削径向力力磨削温度磨削温度磨削力愈大，塑性变形大，硬化程度愈磨削力愈大，塑性变形大，硬化程度愈大，硬化层深度也愈大大，硬化层深度也愈大磨削温度愈高，软化作用增大，使冷硬磨削温度愈高，软化作用增大，使冷硬作用减少，硬化深度和程度都减少作用减少，硬化深度和程度都减少第20页/共82页 3.3.加工硬化层深度测量方法加工硬化层深度测量方法 金相法金相法 测量显微硬度法测量显微硬度法 X X光法光法 激光全息摄影法激光全息摄影法第21页/共82页磨削表面金相组织变化磨削表面金相组织变化磨削烧伤磨削烧伤 1.1.磨削烧伤的产生与实质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第22页/共82页磨削表面金相组织变化磨削表面金相组织变化磨削烧伤磨削烧伤 磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下几种：磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下几种：磨磨削削烧烧伤伤的的分分类类回火回火烧伤烧伤淬火淬火烧伤烧伤退火退火烧伤烧伤磨削区温度超过了马氏体转变温度而未超过相磨削区温度超过了马氏体转变温度而未超过相变温度，则马氏体变温度，则马氏体 回火组织（索氏体或者回火组织（索氏体或者屈氏体）。屈氏体）。磨削区的温度超过了相变温度磨削区的温度超过了相变温度, ,马氏体马氏体 奥氏奥氏体，又由于冷却液的急冷作用，表层会出现二体，又由于冷却液的急冷作用，表层会出现二次淬火马氏体次淬火马氏体干磨削时，磨削区温度超过了相变温度，马氏干磨削时，磨削区温度超过了相变温度，马氏体体 奥氏体，因工件冷却缓慢工件表层被退火奥氏体，因工件冷却缓慢工件表层被退火第23页/共82页暗层组织由回火屈氏体、暗层组织由回火屈氏体、回火马氏体组成，其中靠回火马氏体组成，其中靠近白层处为回火屈氏体并近白层处为回火屈氏体并含少量的黑色团状索氏体含少量的黑色团状索氏体 马氏体二次淬火马氏体索氏体第24页/共82页2.2.影响磨削烧伤的工艺因素影响磨削烧伤的工艺因素磨磨削削温温度度高高磨削磨削烧伤烧伤（工（工艺因艺因素）素）磨削磨削用量用量 加工加工材料材料 砂轮砂轮参数参数 磨削磨削液液 工件表面层的温度工件表面层的温度 t ta a 可表示为：可表示为：0.20.350.30.25awpstCvafv 耐热钢、不锈钢和轴承钢等传热性耐热钢、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磨削充分冷却有利于防止烧伤和裂纹第25页/共82页 3. 3. 表面层磨削烧伤的测定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。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：常用的测量表面磨削烧伤的方法有： 氧化膜颜色法氧化膜颜色法 显微硬度法显微硬度法 金相组织法金相组织法 酸洗法酸洗法氧化膜颜色和膜氧化膜颜色和膜厚数值的大小厚数值的大小来判断来判断磨削烧伤磨削烧伤第26页/共82页 回火处理的回火处理的AISI D2钢磨削加工二次回火空冷热处理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根据不同温度二次回火试样的氧化膜颜色氧化膜颜色近似估计磨削中所能达到的平近似估计磨削中所能达到的平均温度均温度 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氧化膜颜色预测磨削区平均温度 不同二次回火温度时AISI D2钢试样块表面氧化颜色27第27页/共82页表面层残余应力表面层残余应力 1.1.表面层残余应力的产生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磨削加工时，残余应力是指在没有外力作用情况下, ,在物体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。内部保持平衡而存在的残余应力，有残余压应力与拉应力。残残余余应应力力的的分分类类宏观残余应力宏观残余应力晶粒范围内平衡的晶粒范围内平衡的残余应力残余应力原始晶胞内平衡的原始晶胞内平衡的残余应力残余应力它是整个工件内互相平衡的残余应力，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由力、热作用产生塑性变形不均匀而引起，起，引起零件变形，产生裂纹引起零件变形，产生裂纹。晶粒范围内平衡的残余应力晶粒范围内平衡的残余应力, ,它只存在它只存在于多晶体金属中，是由于各晶粒变形程于多晶体金属中，是由于各晶粒变形程度不同而产生的，度不同而产生的，产生微观裂纹。产生微观裂纹。在原始晶胞内平衡的残余应力，它是工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，件受到冷作硬化所产生的，产生微观裂产生微观裂纹。纹。第28页/共82页 2.2.表面残余应力的产生的原因表面残余应力的产生的原因 表面残表面残余应力余应力的产生的产生的原因的原因冷态塑性冷态塑性变形变形热态塑性热态塑性变形变形金相组织金相组织变化变化表面层受磨削表面层受磨削力的作用力的作用热的作用热的作用温度的作用温度的作用不同的磨削方式不同的磨削方式第29页/共82页3.3.磨削裂纹及影响因素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的强度极限时，零件表面就会出现裂纹。纹。热态塑性热态塑性变形变形金相组织金相组织变化变化表面层易产生残表面层易产生残余拉应力余拉应力当残余拉应力超过材当残余拉应力超过材料的强度极限时料的强度极限时磨削裂纹磨削裂纹第30页/共82页表面层残余应力表面层残余应力 影响磨削裂纹产生的因素主要有：影响磨削裂纹产生的因素主要有：磨磨削削裂裂纹纹磨削用量磨削用量被加工材料被加工材料热处理热处理提高工件速度，减少残余拉应力，消除烧伤与裂纹提高工件速度，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磨削导热性能差的材料( (如高强度合金钢、不锈钢等如高强度合金钢、不锈钢等) )及脆及脆性大材料时，在磨削加工中表面易产生裂纹性大材料时，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，亦易产生裂纹磨削碳钢时，钢中含碳量愈高，亦易产生裂纹第31页/共82页4.4.改善磨削表层残余应力的措施：改善磨削表层残余应力的措施： 无火花磨削无火花磨削对被磨表面进行滚光加工对被磨表面进行滚光加工使用珩磨工艺使用珩磨工艺低应力磨削，选择合适的磨低应力磨削，选择合适的磨削参数削参数可以很可以很好地改好地改善表层善表层残余应残余应力力第32页/共82页 5 5. .残余应力及裂纹的测量残余应力及裂纹的测量 残余应残余应力的测力的测量方法量方法物理化学法物理化学法X X光法光法磁粉探伤法磁粉探伤法机械法机械法声发射检测声发射检测显微分析法显微分析法涡流探伤法涡流探伤法超声波探伤法超声波探伤法裂纹裂纹的测的测量方量方法法第33页/共82页 5 5. .残余应力及裂纹的测量残余应力及裂纹的测量 第34页/共82页 5 5. .残余应力及裂纹的测量残余应力及裂纹的测量 第35页/共82页6.4 6.4 磨削表面完整性参数综合影响及改善措施磨削表面完整性参数综合影响及改善措施 磨削表面缺陷磨削表面缺陷磨磨削削表表面面缺缺陷陷微裂纹微裂纹表面层污染表面层污染表面划伤表面划伤金相组织变化金相组织变化磨削裂纹在磨削表面上表现为微裂纹，呈不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，容易出光磨时由于磨粒脱落、尘埃等原因，容易出现表面划伤现表面划伤第36页/共82页磨削表面完整性参数间关系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，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。定的关系。表面粗糙度增大表面粗糙度增大硬化层深度及程度均增大硬化层深度及程度均增大残余应力增大残余应力增大裂纹增加裂纹增加残余应力残余应力加工硬化层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，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。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。硬度最低时，应力最大。 第37页/共82页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改善改善磨削磨削加工加工零件零件表面表面完整完整性措性措施施低应力磨削低应力磨削合理选择合理选择V Vw wV Vs s之比之比保持砂轮间隙和保持砂轮间隙和锋利锋利修整砂轮，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与补偿供给充分的磨削供给充分的磨削液液选择合适的磨削条件，注意操作规范选择合适的磨削条件，注意操作规范减少变形和表面损伤，产生低应力表减少变形和表面损伤，产生低应力表面面提高表面完整性提高表面完整性降低磨削区的温度，降低磨削区的温度， 减少烧伤减少烧伤降低砂轮与工件接触区的磨削温度，降低砂轮与工件接触区的磨削温度，减少磨削表面的损伤减少磨削表面的损伤第38页/共82页 6.5 6.5 磨削加工中的振动磨削加工中的振动 磨削加工中的颤振现象磨削加工中的颤振现象 颤振颤振: : 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。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：从产生颤振的机理来分：强迫颤振强迫颤振和和自激颤振。自激颤振。 强迫颤振：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。力干扰型强迫颤振和位移干扰型强迫颤振。 自激颤振：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。不稳定现象。第39页/共82页磨削加工中的颤振现象磨削加工中的颤振现象p 外圆磨削过程中，工件转速高，且磨床系统固有频率低于外圆磨削过程中，工件转速高，且磨床系统固有频率低于200HZ200HZ以下，很容易产生颤振，如砂轮不经修整，砂轮外圆磨损的波以下，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，即纹，就会复印到工件表面，影响工件表面质量，即砂轮表面再砂轮表面再生效应。生效应。p 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。振动位移。p 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。轮轴的精度及动平衡，砂轮轴的轴承精度等。第40页/共82页强迫颤振强迫颤振 1.1.力引起的强迫颤振力引起的强迫颤振：强迫振动是由外界周期性的干扰力所：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。机转子、砂轮不平衡产生的周期干扰力。强迫振强迫振动的特动的特点点强迫振动的稳态过程是简谐振动，外界力存在，就存在振强迫振动的稳态过程是简谐振动，外界力存在，就存在振动。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。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强迫振动的频率等于外界支持振动交变力的频率消除强消除强迫颤振迫颤振的途径的途径最有效的途径最有效的途径找出外界干扰力找出外界干扰力( (根源根源) )并并把它去除把它去除第41页/共82页 2.2.位移引起的强迫振动（颤振）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。是由位移引起的强迫振动。第42页/共82页再生颤振再生颤振 再生颤振是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。次与砂轮接触时，砂轮产生交变力作用。 再生效应：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。一次发生振动，而又产生新的波纹的现象称之为再生效应。第43页/共82页再再生生颤颤振振的的特特点点易形成倾斜的条状花纹易形成倾斜的条状花纹加大进给量，不易产生颤振加大进给量，不易产生颤振低速稳定性效应可以防止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。种类颤振的判别根据，是抑制和消除颤振的有效途径。第44页/共82页磨削加工时，由于被磨金属层比较薄，大约磨削加工时，由于被磨金属层比较薄，大约60-95%60-95%的热被传入的热被传入工件，仅有不到工件，仅有不到1010的热量被磨屑带走。这些传入工件的热量的热量被磨屑带走。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部高温。工件表面温度可高达10001000以上，易引起表面热烧伤。以上，易引起表面热烧伤。 1.1.磨削的热效应对工件表面质量和使用性能影响极大。磨削的热效应对工件表面质量和使用性能影响极大。 2. 2.磨削区的磨削热影响到砂轮的使用寿命。磨削区的磨削热影响到砂轮的使用寿命。6.4 6.4 磨削温度磨削温度第45页/共82页 磨削热来源于磨削功率的消耗。磨削热来源于磨削功率的消耗。磨削磨削加工时，磨除单位体积（或质量）金属所消耗的能量称为加工时，磨除单位体积（或质量）金属所消耗的能量称为比磨削能比磨削能Ee。单位：。单位：Nm/mm3或或J/mm3。下式表示：下式表示： 公式中逆磨取公式中逆磨取“+”+”，顺磨取，顺磨取“-”-”。磨削能量绝大部分消耗在加热工件、砂轮和磨屑以及辐射散逸。磨削能量绝大部分消耗在加热工件、砂轮和磨屑以及辐射散逸。磨削热的产生和传散磨削热的产生和传散()swtstewpwpvvFv FEv a bv a b第46页/共82页比磨削能2060J/mm3比磨削能1030J/mm3n切割磨削磨屑厚度较大，耗于磨屑形成的比能小，传入工件切割磨削磨屑厚度较大，耗于磨屑形成的比能小，传入工件的热量小。的热量小。n当进给速度选择适当时，切割磨削时，大部分预热的材料被当进给速度选择适当时，切割磨削时，大部分预热的材料被迅速去除，避免热向工件内部传递。迅速去除，避免热向工件内部传递。第47页/共82页磨削区温度分布的理论解析磨削区温度分布的理论解析 1 1磨削区的热模型磨削区的热模型 磨削的热问题视作带状热源在半无限体磨削的热问题视作带状热源在半无限体表面上移动的情况来考虑。实验表明，表面上移动的情况来考虑。实验表明，由三角形热源计算的温度分布情况，更由三角形热源计算的温度分布情况，更接近实际测定的情况。如图为在接近实际测定的情况。如图为在1942年年提出的磨削运动热源的理论模型。提出的磨削运动热源的理论模型。矩形热模型第48页/共82页 2.2.带状运动热源引起温度分布的理论解析带状运动热源引起温度分布的理论解析矩形热模型()22()002222( )( )x l vvxuuvxx l vmqqe K udue K u duvv 为任意点为任意点m（x，z）处的温度：）处的温度：mK K0 0(u)-(u)-零阶二类修正贝塞尔函数。零阶二类修正贝塞尔函数。m m-任意点任意点m m（x x，z z）出的温度）出的温度（）x xm m -m-m点在点在x x坐标方向上离开热源的距离。坐标方向上离开热源的距离。z zm m -m -m点在点在z z坐标方向上离开热源的距离。坐标方向上离开热源的距离。v-v-线热源运动速度（线热源运动速度（cm/scm/s）；）；q-q-热源强度热源强度J/J/（ m m2 2ksks） ；-热导率热导率（w/w/（m mk k）； - -热扩散率，热扩散率， ；c c为质量定压比热容为质量定压比热容（J/J/（kgKkgK）。第49页/共82页3 3三角形分布热源引起的温度分布理论解析三角形分布热源引起的温度分布理论解析 在三角形热源分布的情况下，可在三角形热源分布的情况下，可将整个磨削区的热源看成无限个将整个磨削区的热源看成无限个不断增大的，热源强度为不断增大的，热源强度为q q的线的线热源从热源从x xi i=0=0到到x xi i=l=l形成的形成的 。其热。其热量量Q Qm m可表达为：可表达为： ( )2imiiixQq x dxqdxl2200()2exp()22limiiixx vqvxKxxzdxl第50页/共82页令令z=0z=0，可得工件表面温度分布公式：，可得工件表面温度分布公式： 利用数值解法可解得：利用数值解法可解得：200()2exp()22limiiixx vqvxKxxdxl()01()101()210()2104()()()31()()( )( )3314( )()331()( )3A LmA LAAA LA LAqALxAL eKALK ALcpvLlAxAL eK ALAeKAK ALLlqALxAeK AeKALLcpvLlALxeK ALeKALl131( )3AAxALlAxeK AALl第51页/共82页在单向导热计算中，在单向导热计算中，maxmax出现在出现在x/l=1/2x/l=1/2处，在双向导热计算处，在双向导热计算中，估计结果相差不会太大。中，估计结果相差不会太大。L=vl/第52页/共82页4 4工件表面的平均温度及其简化计算工件表面的平均温度及其简化计算 （1）Jeager模型分析模型分析 l 图 2-46 图 2-47 第53页/共82页当当 L L2020时，沿着滑动体的温度变化可近似为线性的。若所时，沿着滑动体的温度变化可近似为线性的。若所有热能都传入工件，砂轮与工件接触的单位宽度上的平均表有热能都传入工件，砂轮与工件接触的单位宽度上的平均表面温度为：面温度为：0.50.754qlL第54页/共82页（2）Jeager模型的线性化模型的线性化 120.707GwpwpwU v av lC用线性化模型计算出的工件表面平均温度和经典解的平均温用线性化模型计算出的工件表面平均温度和经典解的平均温度除系数不同外，其余均相同，两种计算的误差仅在度除系数不同外，其余均相同，两种计算的误差仅在6%6%之内，之内，即由线性模型求出的工件表面平均温度比经典解略低即由线性模型求出的工件表面平均温度比经典解略低6%6%。第55页/共82页5 5磨削磨粒点的平均温度和最高温度磨削磨粒点的平均温度和最高温度 (1)(1)磨削磨粒点的平均温度磨削磨粒点的平均温度 根据磨削情况作如下假设：根据磨削情况作如下假设：n假设砂轮为一直径为假设砂轮为一直径为dsds宽度为宽度为bsbs的盘状铣刀，在铣刀上分布着的盘状铣刀，在铣刀上分布着和砂轮磨粒数相等的切削刃。和砂轮磨粒数相等的切削刃。 n切削刃以均等的间隔分布在刀具的外圆周上。切削刃以均等的间隔分布在刀具的外圆周上。 传入磨粒的比例系数不随温度变化而变化，那么传入磨粒的热传入磨粒的比例系数不随温度变化而变化，那么传入磨粒的热可看作与能量可看作与能量E E成正比，得到磨粒磨削的平均温度为：成正比，得到磨粒磨削的平均温度为：tlFBCN bFtFt切向磨削力，切向磨削力，B B砂轮宽度，砂轮宽度，b b工件宽度，工件宽度，N Nt单位长度上的有效单位长度上的有效磨粒刃数。磨粒刃数。第56页/共82页上式似乎于磨削条件的上式似乎于磨削条件的v vs s、v vw w、a ap p无关，但是由于无关，但是由于F Ft t和和N Nt t是是v vs s、v vw w、a ap p的函数，根据第三节的计算公式，可以从理论上得到的函数，根据第三节的计算公式，可以从理论上得到F Ft t和和N Nt的解析值。的解析值。 由于磨削过程的复杂性，由理论解析式所得到的计算值与实测由于磨削过程的复杂性，由理论解析式所得到的计算值与实测值相差较大，因此值相差较大，因此F Ft t和和N Nt t采用实验方法来选取。采用实验方法来选取。tlFBCN b第57页/共82页第58页/共82页根据实验结果，可得根据实验结果，可得: :令工件磨削宽度等于砂轮宽度，得出磨削磨粒点的平均磨削令工件磨削宽度等于砂轮宽度，得出磨削磨粒点的平均磨削温度为：温度为：由上式可见：磨削磨粒点的平均磨削温度取决于砂轮速度由上式可见：磨削磨粒点的平均磨削温度取决于砂轮速度Vs及及砂轮和工件材料的特性砂轮和工件材料的特性C C3 3，而与工件速度和磨削深度，而与工件速度和磨削深度a ap p关系不关系不大。大。314212tpwsFC a v v143 sC v第59页/共82页不同磨削条件对磨削温度的影响：不同磨削条件对磨削温度的影响：第60页/共82页三种不同砂轮磨削三种不同砂轮磨削5555钢时的磨粒点的平均温度分布：钢时的磨粒点的平均温度分布：磨削点的平均温度与砂轮的磨料有关。磨削点的平均温度与砂轮的磨料有关。 第61页/共82页（2 2）磨削磨粒点的最高温度）磨削磨粒点的最高温度19931993年年TUedaTUeda等人用三种不同的砂轮（白刚玉、等人用三种不同的砂轮（白刚玉、CBNCBN、金刚石）、金刚石）对三种不同材料的实验结论指出，磨削点切削磨粒的最高温度大对三种不同材料的实验结论指出，磨削点切削磨粒的最高温度大约等于磨削钢质工件材料熔点的温度。约等于磨削钢质工件材料熔点的温度。右图为磨削时磨粒右图为磨削时磨粒上的温度与频率数上的温度与频率数的关系。的关系。第62页/共82页p磨削磨粒点最高温度与磨削参数的关系和平均温度的变化大磨削磨粒点最高温度与磨削参数的关系和平均温度的变化大致相同，最高磨削温度随磨削深度增加略呈现增大趋势。致相同，最高磨削温度随磨削深度增加略呈现增大趋势。p磨削磨粒点的最高温度的极限是工件材料的熔点温度。磨削磨粒点的最高温度的极限是工件材料的熔点温度。p随着随着v vs s的增加的增加, ,最高温度减少。所以采用高速磨削比低速磨最高温度减少。所以采用高速磨削比低速磨削对砂轮的磨削特性更有利。削对砂轮的磨削特性更有利。结论：结论：第63页/共82页缓进给磨削是一种采用增大磨削深度、降低进给速度、形成砂缓进给磨削是一种采用增大磨削深度、降低进给速度、形成砂轮与工件有较大的接触面积，及高的速度比轮与工件有较大的接触面积，及高的速度比Vs/Vw，达到高的磨，达到高的磨除率和表面质量。除率和表面质量。1 1、正常缓进给磨削时弧区工件表面的平均温度分布、正常缓进给磨削时弧区工件表面的平均温度分布 缓进给强力磨削的温度分布特征缓进给强力磨削的温度分布特征 实验条件：实验条件：MM7125MM7125平面磨平面磨床，逆磨直槽，槽宽床，逆磨直槽，槽宽12mm12mm，砂轮：棕刚玉砂轮，粒度砂轮：棕刚玉砂轮，粒度代号代号4646，砂轮速度，砂轮速度19m/s19m/s第64页/共82页 结结 论：论：（1 1）平均温度分布光滑连续，峰点位置靠近弧区高端峰点附）平均温度分布光滑连续，峰点位置靠近弧区高端峰点附近曲线变化平稳，缓进给磨削时热流密度沿弧长的分布是连近曲线变化平稳，缓进给磨削时热流密度沿弧长的分布是连续的，接近三角形分布的热源模型。续的，接近三角形分布的热源模型。 （2 2）弧区工件表面平均温度数值很低，弧区低端温度更低，）弧区工件表面平均温度数值很低，弧区低端温度更低，说明正常缓进给磨削时已加工表面的实际生成的温度是很低说明正常缓进给磨削时已加工表面的实际生成的温度是很低的。的。 （3 3）相对于平均温度而言，磨粒磨削点上的温度高，但正）相对于平均温度而言，磨粒磨削点上的温度高，但正常缓进给磨削工件时表面温度低。常缓进给磨削工件时表面温度低。第65页/共82页2.2.使用与不使用磨削液时使用与不使用磨削液时弧区温度的对比弧区温度的对比 图 2-61 实验是在使用普通刚玉砂轮及常压磨削液的条件下进行，说实验是在使用普通刚玉砂轮及常压磨削液的条件下进行，说明缓进给磨削低温并不只是大气孔超软砂轮与高压喷注磨削明缓进给磨削低温并不只是大气孔超软砂轮与高压喷注磨削液综合作用的结果，而是缓进给磨削本身特有的现象。液综合作用的结果，而是缓进给磨削本身特有的现象。不使用磨削液第66页/共82页3.3.烧伤前兆烧伤前兆弧区温度分布的特征变化弧区温度分布的特征变化 缓进给磨削中磨削液成膜沸腾即磨削热流密度超过磨削液的缓进给磨削中磨削液成膜沸腾即磨削热流密度超过磨削液的临界热流密度，弧区磨削液出现成膜沸腾引起二相流换热曲临界热流密度，弧区磨削液出现成膜沸腾引起二相流换热曲线上热平衡点的跃迁，工件表面从正常低温跃升到新热平衡线上热平衡点的跃迁，工件表面从正常低温跃升到新热平衡点的温度，从而导致工件突发烧伤。点的温度，从而导致工件突发烧伤。第67页/共82页（1 1）在约占接触弧长）在约占接触弧长1/101/10的相当局限的区段上出现了明显高于正常缓进给磨的相当局限的区段上出现了明显高于正常缓进给磨削低温的高温区，且高低温区截然分开，表明磨削液存在膜沸腾发生。削低温的高温区，且高低温区截然分开，表明磨削液存在膜沸腾发生。（2 2）成膜的高温段出现在弧区高端，这与通常认为的磨削热源呈三角形分布）成膜的高温段出现在弧区高端，这与通常认为的磨削热源呈三角形分布的假设相吻合。提示了烧伤的先发部位一定在弧区高段。的假设相吻合。提示了烧伤的先发部位一定在弧区高段。（3 3）成膜高温区温度虽高，在此条件下试验证明该无烧伤发生。因此，缓进）成膜高温区温度虽高，在此条件下试验证明该无烧伤发生。因此，缓进给磨削时弧区磨削液确已沸腾但工件并不产生烧伤。给磨削时弧区磨削液确已沸腾但工件并不产生烧伤。第68页/共82页4.4.烧伤的过程烧伤的过程烧伤前后温度的时空分布烧伤前后温度的时空分布 采用一个特长型多块组合夹丝测温试件，使之能在一次连续缓采用一个特长型多块组合夹丝测温试件，使之能在一次连续缓磨中等间隔地观察到不同阶段的弧区工件表面的平均温度分布。磨中等间隔地观察到不同阶段的弧区工件表面的平均温度分布。结论：结论：n弧区工件表面温度弧区工件表面温度的时空分布表明磨削的时空分布表明磨削液成膜沸腾是一个逐液成膜沸腾是一个逐步扩展过程；步扩展过程；n缓进给磨削烧伤是缓进给磨削烧伤是一个典型的缓变过程。一个典型的缓变过程。第69页/共82页5.5.弧区工件表面固定点上温度的瞬变特性弧区工件表面固定点上温度的瞬变特性 就弧区工件表面上某一点而言，就弧区工件表面上某一点而言，其温度在其进入成膜区前后是其温度在其进入成膜区前后是有突变的，特别是当该点距弧有突变的，特别是当该点距弧区高端足够远时，其温度完全区高端足够远时，其温度完全有可能自正常低温瞬时跃增到有可能自正常低温瞬时跃增到烧伤温度以上，这是因为当成烧伤温度以上，这是因为当成膜区扩展到该点时，成膜区内膜区扩展到该点时，成膜区内温度已经达到或超过烧伤温度温度已经达到或超过烧伤温度的缘故。的缘故。第70页/共82页磨削温度的测量磨削温度的测量 研究磨削区的温度分布，除了采用分析法外，采用实验方法能得研究磨削区的温度分布，除了采用分析法外，采用实验方法能得到更加准确的结论。到更加准确的结论。 1 1热电偶测量法热电偶测量法 两种不同的导体或半导体两种不同的导体或半导体A A和和B B组合成组合成如图所示如图所示闭合回路，若导体闭合回路，若导体A A和和B B的连接处温度不的连接处温度不同（设同（设T TT T0 0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应种现象叫做热电效应。这种现象早在。这种现象早在18211821年首先由西拜克发现年首先由西拜克发现, ,所以又称西拜克效应。所以又称西拜克效应。热电偶原理图TT0AB 一、热电偶的工作原理回路中所产生的电动势，叫热电势。回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即热电势由两部分组成，即温差电势温差电势和接触电势。和接触电势。热端冷端第71页/共82页磨削温度的测量磨削温度的测量 1 1热电偶测量法热电偶测量法 （1 1）热电偶常用材料）热电偶常用材料 铂铂铂铑热电偶铂铑热电偶(S(S型型) )：镍铬：镍铬镍硅镍硅( (镍铝镍铝) )热电偶热电偶(K(K型型) ) 镍铬镍铬考铜热电偶考铜热电偶(E(E型型) )：铂铑：铂铑3030铂铑铂铑6 6热电偶热电偶(B(B型型) ) 铁铁康铜热电偶：铜康铜热电偶：铜康铜热电偶康铜热电偶 （2 2）测温试件的结构）测温试件的结构 利用热电偶原理测量磨削温度的试件有夹式及顶式两种。利用热电偶原理测量磨削温度的试件有夹式及顶式两种。第72页/共82页夹式测温方法：两试件本体夹式测温方法：两试件本体间夹入热电偶丝材或箔材，间夹入热电偶丝材或箔材，热电丝（箔片）与本体间有热电丝（箔片）与本体间有绝缘材料相隔。绝缘材料相隔。如果把它装得与磨削件同样如果把它装得与磨削件同样高度一起磨削，就可以方便高度一起磨削，就可以方便地测量出磨削温度随磨削时地测量出磨削温度随磨削时间的变化情况。间的变化情况。第73页/共82页第74页/共82页第75页/共82页热电偶丝端头与孔底热电偶丝端头与孔底接触之处形成半自然接触之处形成半自然热电偶。热电偶。磨削过程中，孔与顶磨削过程中，孔与顶面的距离在改变因而面的距离在改变因而每次磨削所输出的热每次磨削所输出的热电势是反映磨削表面电势是反映磨削表面下不同深度处的温度。下不同深度处的温度。绝燃套管绝燃套管固化硅固化硅橡胶橡胶夹式及顶式两种测温方法缺陷夹式及顶式两种测温方法缺陷: :破坏了试件的整体性，影响温度破坏了试件的整体性，影响温度的真实性；热电偶结点有一定厚度，测量的温度不能真实反映表的真实性；热电偶结点有一定厚度，测量的温度不能真实反映表面温度，磨削温度接触时间短，热电偶结点反应滞后。面温度，磨削温度接触时间短，热电偶结点反应滞后。第76页/共82页（3 3）热电偶的标定）热电偶的标定校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶装在同一校验炉中校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶装在同一校验炉中进行对比，以获得不同电势与温度的关系进行对比，以获得不同电势与温度的关系。78564321稳压电源2 2 0V热电偶校验图热电偶校验图 1-1-调压变压器；调压变压器； 2-2-管式电炉；管式电炉； 3 3标准热电偶；标准热电偶； 4-4-被校热电偶；被校热电偶； 5-5-冰瓶；冰瓶； 6-6-切换开关；切换开关； 7-7-测试仪表；测试仪表； 8-8-试管试管第77页/共82页2. 2. 红外辐射测温法红外辐射测温法 红外辐射是由构成物质的各种原子及亚原子的旋转和振动产生红外辐射是由构成物质的各种原子及亚原子的旋转和振动产生的。这些粒子经常发射出频率与振子共振常数相对应的红外辐的。这些粒子经常发射出频率与振子共振常数相对应的红外辐射。射。温度是由热流形成，热是一种能量，它构成基本粒子（分子、温度是由热流形成，热是一种能量，它构成基本粒子（分子、原子、亚原子粒子）的功能。温度表示这些粒子骚动的程度，原子、亚原子粒子）的功能。温度表示这些粒子骚动的程度，骚动越大，产生的电磁场的波动也越大；即温度越高，由辐射骚动越大，产生的电磁场的波动也越大；即温度越高，由辐射发出的能量也越大，这就是红外测温的主要依据。发出的能量也越大，这就是红外测温的主要依据。第78页/共82页用光导纤维传输红外信号的测量装置示意图。用光导纤维传输红外信号的测量装置示意图。磨削区的高温使工件上开着的测量底孔部相应地发热，产生磨削区的高温使工件上开着的测量底孔部相应地发热，产生较强的红外辐射，红外信号通过光导纤维传输到接在电桥中较强的红外辐射，红外信号通过光导纤维传输到接在电桥中的的PSPS传感元件上，产生微弱的电压信号。这些信号经调制放传感元件上，产生微弱的电压信号。这些信号经调制放大器放大后送入光线示波器或其他记录仪记录。大器放大后送入光线示波器或其他记录仪记录。第79页/共82页利用红外辐射高利用红外辐射高温计与光导纤维温计与光导纤维测量有效磨粒的测量有效磨粒的磨削温度的新方磨削温度的新方法法 第80页/共82页 本章小结本章小结 阐述了磨削加工表面质量的基本概念及其对机械零件、对整台阐述了磨削加工表面质量的基本概念及其对机械零件、对整台机器的使用性能和使用寿命的影响。详细地分析了影响磨削加机器的使用性能和使用寿命的影响。详细地分析了影响磨削加工表面质量的各种因素，着重讨论了如何提高磨削加工表面质工表面质量的各种因素，着重讨论了如何提高磨削加工表面质量的途径。量的途径。 重点掌握冷作硬化、金相组织的变化和残余应力产生的机理和重点掌握冷作硬化、金相组织的变化和残余应力产生的机理和磨削烧伤、磨削裂纹产生的机理。学会分析表面质量的方法，磨削烧伤、磨削裂纹产生的机理。学会分析表面质量的方法，能采取改善表面质量的工艺措施，解决生产实际问题。能采取改善表面质量的工艺措施，解决生产实际问题。第81页/共82页感谢您的观看！第82页/共82页