《机械制造工艺学》习题参考答案
常同立、杨家武、佟志忠编著 清华大学出版社
第五章 机械加工表面质量控制
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参考答案要点：
静止连接的接触表面往往要求较小的表面粗糙度主要是从接触刚度和配合质量考虑。零件的表面粗糙度一方面会影响零件磨损，间接影响零件配合质量；另一方面零件的表面粗糙度会影响配合表面的实际有效接触面积，影响接触刚度。当承受较大载荷时，两表面相配合表面微观变形较大，对零件配合产生影响。 相对运动表面却不能对表面粗糙度要求过小的理由主要从耐磨性上考虑。一般说来，表面粗糙度值越小，其耐磨性越好。但是表面粗糙度值太小，有效接触面积会随着磨损增加而增大。这是因为表面粗糙度值过小，零件间的金属微观粒子间亲和力增加，表面的机械咬合作用增大，且润滑液不易储存，磨损反而增加。图1.4给出表面粗糙度数值与起始磨损量的关系曲线。
图1.4 表面粗糙度与磨损量的关系
5-2
参考答案要点：
工件材料的品种、成分和性质，以及热处理方法的不同，加工表面的粗糙度也存在一定差别。
塑性材料切削加工过程中，切削速度越高，切削过程中切屑和加工表面塑性变形程度小。当切削速度低到一定程度时，刀具表面会形成硬度很高的积屑瘤，从而改变刀具的几何形状和加工进给量，使加工表面的粗糙度严重恶化。因此高速切削得到的表面粗糙度较小。
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参考答案要点：
0078.08f 2
=≈r
H mm
5-4
参考答案要点：
冷作硬化：磨削和切削加工中，若加工工件表面层产生的塑性变形使表面层材料沿晶面产生剪切滑移，使晶格扭曲、畸变，产生晶粒拉长、破碎和纤维化，这将引起材料的强化，使工件表面层的强度和硬度增加，这种现象称为冷作硬化。
影响冷作硬化的因素有哪些？
影响冷作硬化的因素需要分切削加工和磨削加工分别探讨。
影响切削加工表面冷作硬化的因素
切削加工过程中，被加工材料、刀具几何参数和切削用量均在不同程度上影响表面层的冷作硬化程度。
(1)被加工材料的影响
工件材料的硬度越小、塑性越大，切削后的冷硬程度越严重。就碳素结构钢而言，含碳量越低，强度越低，塑性越大，因表面层的而冷硬程度严重。
(2)刀具几何参数的影响
刀具的前角、刃钝圆半径和后面的磨损对冷硬程度有很大影响。原因在于切削刃钝圆半径增大会加大径向切削力，从而加剧塑性变形，导致硬化现象严重。刀具后面的磨损量增加时，使得刀具后面与被加工表面的摩擦加剧，塑性变形增大，从而表层冷硬程度增大。
(3)切削用量的影响
在切削用量中，以切削速度和进给量影响较大。在不致引起表层金相组织发生相变的范围内，增加切削速度时，刀具与工件的接触时间缩短，使得塑性变形程度减小，硬化层深度和硬度都有所减小。进给量增大时，切削力增大，表层的塑性变形程度也增大，从而加剧表面层的冷作硬化程度。但进给量较小时，由于刀具刃口圆角在加工表面单位长度上的挤压次数增多，反而会增大硬化程度。
影响磨削加工表面冷作硬化的因素
相比较而言，磨削加工的温度比切削加工温度高很多，磨削过程中的弱化作用或金相组织的变化起主导作用，使得磨削加工表面的硬化规律较为复杂。
(1)被加工材料的影响
工件材料的塑性好，则磨削加工时塑性变形大，冷硬倾向大。导热性能佳的材料，磨削加工产生的热量不易集中于表面层，弱化倾向小。
(2)磨削用量的影响
磨削速度的提高会减弱塑性变形的程度，而且磨削区温度的增高会加强弱化作用。所以，高速磨削加工表面的冷硬程度一般比普通磨削低。相对而言，工件速度对冷硬程度的影响与磨削速度的影响基本相反。
磨削加工的磨削力会随磨削深度的加大而增大，从而加工件表面的塑性变形程度，表面冷硬倾向增大。
加大纵向进给速度时，磨削加工的磨削力加大，冷硬倾向增大。但纵向进给速度的提高也可能使磨削区产生较大的热量而使冷硬减弱。因而加工表面的冷硬状况要考虑这两种因素的综合作用。
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参考答案要点：
磨削烧伤：磨削加工时，磨削比压和磨削速度较高，切除单位截面金属所消耗的功率大于其它加工方法。这些热量部分由切屑带走，很小一部分传给砂轮。假若冷却效果不好，则这些热量中的大部分(80%左右)将传给被加工工件表面，使工件表层金属强度和硬度降低，并伴有残余应力的产生，甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。
解决磨削烧伤的基本途径与措施有哪些？
磨削热是磨削烧伤的根源，故而改善磨削烧伤的途径主要有两个：一是减少磨削热的产生；二是改善冷却条件。实际中，通常采用以下工艺途径改善磨削烧伤的程度。
（1）合理选择砂轮砂轮的硬度、粒度、结合剂和组织等对磨削烧伤有很大影响。磨削导热性差的材料(如耐热钢、轴承钢及不锈钢等)，或干磨、磨削空心薄壁零件以及工件与砂轮接触弧较长时，更易产生烧伤现象。为避免产生烧伤，应选择较软的砂轮。具有一定弹性的结合剂(如橡胶结合剂，树脂结合剂)，或组织疏松的砂轮，利于减轻烧伤。此外，在砂轮的孔隙内浸入石蜡之类的润滑物质，对降低磨削区的温度、防止工件烧伤也有一定效果。
（2）控制磨削用量一般情况下，提高工件回转速度具有减小烧伤层深度的作用，同时相应提高砂轮速度可避免烧伤，并能兼顾工件的表面粗糙度。
减小磨削深度和加大纵向进给量，也能够降低表面层温度改善烧伤，但会导致表面粗糙度值增大。一般采用提高砂轮转速或较宽砂轮来弥补。
（3）改善冷却条件改善冷却条件可将磨削产生的热量迅速带走，从而降低磨削区的温度，有效地防止烧伤现象的产生。
（4）回火工序处理对某些塑性低、导热系数小的材料，如淬火高碳钢、渗碳钢、耐热台金、球墨铸铁等，磨削前在适当的温度下安排回火工序处理，可减少裂纹的产生。
5-6
参考答案要点：
回火烧伤：如果磨削区的温度超过马氏体的转变温度(中碳钢为350℃)，但末超过淬火钢的相变临界温度(碳钢的相变温度约为720℃)时，则工件表面层金属的马氏体组织会产生回火现象，转变成硬度较低的回火组织(索氏体或托氏体) 。这种烧伤称为回火烧伤。
淬火烧伤：如果磨削区温度超过了相变温度，且在冷却液的急冷作用下，表面会出现二次淬火马氏体组织，硬度比原来的回火马氏体高，但其厚度很薄。在它的下层，因冷却较慢会出现硬度比原来回火马氏体低的回火索氏体或托氏体。这称为淬火烧伤。
退火烧伤：如果磨削区温度超过相变温度，但磨削过程没有冷却液，这时工件表层金属将被退火，表面硬度急剧下降。这称为退火烧伤。
5-7
参考答案要点：工件速度越高，热量越不容易传入工件内部，一般情况下，提高工件回转速度具有减小烧伤层深度的作用。
在采用较高砂轮转速时，同时相应提高砂轮速度可避免烧伤。
5-8
参考答案要点：
表面残余应力：在机械加工过程中，当加工表面层相对基体材料发生形状变化、体积变化或金相组织的变化后，外载荷去掉后仍在工件表面层及其与基体材料的交界处残存相互平衡的应力，称为表面残余应力。
表面层产生残余应力的原因：
（1）冷塑性变形的影响。机械加工过程中，被加工工件表面在切削里的作用下会产生强烈的塑性交形，使表面层金属的比容增大、体积膨胀。而基体金属受应力较小，处于弹性变形状态。因此，表面层金属的变形受到与它相连的里层基体金属的阻碍，从而在表面层内产生了残余压应力，里层产生残余拉应力。当刀具切离后，里层基体金属的弹性变形将逐渐恢复，而表面层金属的塑性变形不能恢复。趋向复原的内层基体金属将受到表面层已塑性变形金属的限制，故而表面层有残余压应力，里层有残余拉应力与之平衡。
（2）热塑性变形的影响。机械加工时，工件表面层受切削热的作用而产生热膨胀。由于表面层金属的温度比里层基体金属的温度高，表面层的热膨胀会被里层基体金属的膨胀所阻碍，因而表面层产生压缩应力，而在里层产生热态拉应力。若表面层产生的压缩应力没有超过材料的屈服极限，不会产生塑性变形；若表面层在加工时温度很高，产生的压缩应力超过材料的屈服极限时，就会产生热塑性变形。
加工时温度越高，发生热塑性变形的倾向越大，产生的残余应力也越大。残余应力的大小，除与温度有关外，也与材料的特性有关，即与屈服极限的曲线及温度升降的斜率有关。
（3）金相组织的变化。不同的金相组织，具有不同的密度和比容。机械加工过程中，如果工件表面层的金相组织发生变化，则工件表面层金属的比容也会发生变化。这种比容的变化必然受到里层基体金属的
阻碍，从而产生残余应力。如果金相组织的变化引起表面层金属的比容减小，则表面层金属产生拉应力，而里层产生压应力；反之，若金属的比容增大，表面层金属将产生压应力，而里层产生拉应力。
实际上，机械加工后表面层的残余应力是上述三方面原因综合作用的结果。
5-9
参考答案要点：
根据工艺系统振动产生的原因，大致可分为自由振动、受迫振动和自激振动三类。
自由振动主要具有如下特点：
（1）自激振动在外界干扰力作用下产生；
（2）自激振动的振动频率是系统的固有频率无关；
（3）自激振动的幅值会衰减，因为系统中存在阻尼，消耗能量。
受迫振动主要具有如下特点：
（1）受迫振动在外界周期性干扰力作用下产生，其振动本身并不能引起干扰力的变化；
（2）受迫振动的振动频率与干扰力的频率相同，与工艺系统的固有频率无关；
（3）受迫振动的幅值与干扰力的幅值有关，还与工艺系统的动态特性有关。
自激振动与自由振动和受迫振动不同，具有以下特征。
（1）自激振动是没有周期性外力干扰下所产生的振动，这与受迫振动有本质区别。
（2）自激振动的频率等于或接近系统的低阶固有频率，即由系统本身固有的物理特性所决定。这与受迫振动根本不同，受迫振动的频率取决于外界干扰力的频率。
（3）自激振动是一种不衰减的运动，振动过程本身能引起周期性变化的力，能量来源于非交变特性的能源，以维持这个振动。而自由振动会因存在阻尼作用而衰减。
（4）自激振动的振幅大小取决于每个振动周期内振动系统所获得和消耗能量情况。如果吸收能量大于消耗能量，则振幅会不断加强；反之，如果吸收能量小于消耗能量，则振幅将不断衰减。
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参考答案要点：
受迫振动产生的振源主要有以下几种：
（1）高速旋转零件的不平衡；
（2）传动机构的缺陷；
（3）过程的间歇性；
（4）往复运动部件的惯性力；
（5）液压及气压动力系统的动态扰动。
5-11
参考答案要点：
自激振动产生的条件是什么？
加工系统产生自激振动的基本条件为加工系统产生自激振动的基本条件为振动系统振出过程中吸收的能量大于振入过程中消耗的能量，即在力与位移的关系曲线中，振出过程曲线的包络范围要大于振入过程曲线的包络范围。
试分析三种机理假说的自激振动产生原因。
(1) 再生颤振机理切削加工过程中，多数情况下刀具总是完全重复或部分重复地切削已加工的表面。
假定切削过程在某一时刻受到瞬时的偶然性扰动，则刀具和工件会发生相对振动，并在加工表面留下
振纹。当再次切削残留振纹的表面时，切削厚度将发生波动，从而引起切削力的周期性变化。如果动态变化的切削力在一定条件下是促进和维持振动的，这种切削力和振纹相互作用引起的自激振动将进一步发展为颤振，称为再生颤振。
(2) 振型耦合机理实际的机械加工系统是由不同刚度和阻尼组成的多自由度系统。振型耦合机理认为各个自由度上的振动是相互影响、相互耦合的，满足一定组合条件就会产生自激振动，这种自激振动称为振型耦合颤振。
(3) 负摩擦原理切削过程中存在负摩擦特性。依据控制理论可知负摩擦特性会引起振动。
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参考答案要点：
车削外圆时，车刀安装低一点抗振性较好。因为依据常见车床结构，车床与刀具构成系统在向下方向的刚度大。
因为依据常见镗床结构，镗刀旋转，镗刀安装对抗振性影响不大。
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参考答案要点：
减小切削加工表面粗糙度的工艺措施：
1）合理选择砂轮。根据工件材料、加工要求，合理选择刀具材料，选用与工件亲和力小的刀具材料，有利于减小表面粗糙度。
2）正确选择磨削用量。避免磨削区温度过高，防止工件表面烧伤，可提高工件表面粗糙度。
3）砂轮及时修整。修整砂轮，去除外层已钝化的磨粒(或被磨屑堵塞的一层胶粒)，从而保证砂轮具有足够的等高微刃。另外也要注意砂轮的平衡。
4）改善工件材料性质，合理使用磨削液。
5-14
参考答案要点：表面强化工艺可使材料表面层的硬度、组织和残余应力得到改善，从而降低表层粗糙度值，提高表面层的物理力学性能。常用的方法主要有表面机械强化、化学热处理及加镀金属等。
机械强化主要有喷丸强化、滚压加工等
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对于受迫振动而言，通常采用以下途径抑制和控制振动：
（1）减少或消除振源的激振力；
（2）调节振源频率；
（3）隔振。
消除和减弱自激振动产生的条件措施如下：
（1）调整振动系统小刚度主轴的位置；
（2）合理安排主切削力方向。
（理解基础上，适当展开，参看教材相应文字）
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参考答案要点：
优点是结构简单、质量轻、体积小，在较大的频率范围内部都适用。
缺点是冲击式减振器具有因碰撞产生噪声。