機(jī)械加工表面質(zhì)量(共48頁(yè)).ppt

1、第十一章第十一章 機(jī)械加工表面質(zhì)量機(jī)械加工表面質(zhì)量學(xué)習(xí)內(nèi)容一、一、機(jī)械加工表面質(zhì)量的含義機(jī)械加工表面質(zhì)量的含義 二、已加工表面形成機(jī)理二、已加工表面形成機(jī)理三、影響加工表面質(zhì)量的因素三、影響加工表面質(zhì)量的因素四、機(jī)械加工過(guò)程中的振動(dòng)四、機(jī)械加工過(guò)程中的振動(dòng)五、控制加工表面質(zhì)量的途徑五、控制加工表面質(zhì)量的途徑學(xué)習(xí)要求 了解機(jī)械加工表面質(zhì)量的基本內(nèi)容及對(duì)零件使用性能的影響。通過(guò)研究影響加工表面質(zhì)量的因素,控制加工過(guò)程中的相應(yīng)參數(shù)，以保征零件的機(jī)械加工表面質(zhì)量。第十一章 機(jī)械加工表面質(zhì)量第一節(jié) 機(jī)械加工表面質(zhì)量的含義 第二節(jié) 已加工表面形成機(jī)理第三節(jié) 影響加工表面質(zhì)量的因素第四節(jié) 機(jī)械加工過(guò)程中的振

2、動(dòng)第五節(jié) 控制加工表面質(zhì)量的途徑第一節(jié) 機(jī)械加工表面質(zhì)量的含義一、表面質(zhì)量的含義二、機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響三、表面的完整性 表面質(zhì)量是零件機(jī)械加工質(zhì)量的組成部分之一。加工表面質(zhì)量是指機(jī)械加工后零件表面層的幾何結(jié)構(gòu)和受加工過(guò)程的影響，表面層金屬材料與基體材料性質(zhì)產(chǎn)生變化的情況。零件的磨損、腐蝕和疲勞破壞都是從零件表面開(kāi)始的，所以零件的表面加工質(zhì)量將直接影響零件的工作性質(zhì)。特別是在高速、高應(yīng)力和高溫情況下，表層的任何缺陷不僅直接影響零件的工作性能，而且還會(huì)引起應(yīng)力集中、應(yīng)力腐蝕等現(xiàn)象，加速零件的失敗。1、加工表面的幾何特征：一、表面質(zhì)量的含義 機(jī)械加工后的表面，不可能是理想的光滑表面

3、，總存在一定的微觀幾何形狀偏差，表面層的物理力學(xué)性能也發(fā)生變化。因此機(jī)械加工表面質(zhì)量包括：加工表面的幾何特征和表面層物理力學(xué)性能的變化。2、表面層物理力學(xué)性能的變化加工表面的幾何特征是指其微觀幾何形狀，主要包括表面粗糙度、刀痕方向、和表面波度，一般情況下，當(dāng)L/H（波距波高）50為表面粗糙度，L/H501000時(shí)為表面波度，L/H1000時(shí)為宏觀的幾何形狀誤差。波度是介于幾何形狀誤差與表面粗糙度之間的表面偏差。 表面層金屬物理力學(xué)性能的變化主要受表面層加工硬化、殘余應(yīng)力和表面層的金相組織變化的影響。機(jī)械零件在加工中由于受切削力和熱的綜合作用，表面層金屬的物理力學(xué)性能相對(duì)于基體金屬的物理力學(xué)性能

4、發(fā)生了變化。圖示零件表面層沿深度方向的變化過(guò)程，表面層可分為吸附層和壓縮層。 最外層是吸附層，是由氧化膜或其他化合物吸收、滲進(jìn)了氣體粒子而形成的一層組織。第二層是壓縮層，是由于切削力和基體金屬共同作用造成的塑性變形區(qū)域，在其上部存有纖維組織，是由于刀具摩擦擠壓而形成的。有時(shí)在切削熱的作用下，表面層的材料還會(huì)產(chǎn)生相變和晶粒大小的變化。 表面層殘余應(yīng)力是在加工過(guò)程中，由于彈、塑性變形及溫度和金相組織的變化造成的不均勻體積變化而在表面層中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。 表面層的物理力學(xué)性能隨表面層的加工硬化程度而變化；硬化程度越大，表面層的物理力學(xué)性能變化越大。 表面層的物理力學(xué)性能主要受壓縮層的組織結(jié)構(gòu)的影響。

5、 表面層金相組織的變化是由于加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱使工件表層材料的溫度發(fā)生變化而造成的。這種變化包括相變、晶粒大小和形狀的變化、析出物的產(chǎn)生和再結(jié)晶等。金相組織的變化主要通過(guò)對(duì)顯微組織的觀察來(lái)確定。1、表面質(zhì)量對(duì)耐磨性的影響 1）表面粗糙度對(duì)耐磨性的影響 2）表面加工硬化對(duì)耐磨性的影響2、表面質(zhì)量對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響 1）表面粗糙度對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響 2）殘余應(yīng)力、加工硬化對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響3、表面質(zhì)量對(duì)耐蝕性的影響4、表面質(zhì)量對(duì)配合質(zhì)量的影響5、表面質(zhì)量對(duì)其他性能的影響二、機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響 表面粗糙度對(duì)零件表面磨損的影響很大。一般說(shuō)表面粗糙度值愈小，其磨損性愈好。但表面粗糙度值太

6、小，潤(rùn)滑油不易儲(chǔ)存，接觸面之間容易發(fā)生分子粘接，磨損反而增加。因此，接觸面的粗糙度有一個(gè)最佳值，其值與零件的工作情況有關(guān)，工作載荷加大時(shí)，初期磨損量增大，表面粗糙度最佳值也加大。 加工表面的冷作硬化使摩擦副表面層金屬的顯微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。但也不是冷作硬化程度愈高，耐磨性就愈高，這是因?yàn)檫^(guò)分的冷作硬化將引起金屬組織過(guò)度疏松，甚至出現(xiàn)裂紋和表層金屬的剝落，使耐磨性下降。 在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。表面粗糙度值愈大，表面的紋痕愈深，紋底半徑愈小，抗疲勞破壞底能力就愈差。 殘余應(yīng)力對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響很大。表面層殘余拉應(yīng)力將使疲勞裂紋擴(kuò)大，加

7、速疲勞破壞；而表面層殘余應(yīng)力能夠阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，延緩疲勞破壞的產(chǎn)生。 表面冷硬一般伴有殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，可以防止裂紋產(chǎn)生并阻止已有裂紋的擴(kuò)展，對(duì)提高疲勞強(qiáng)度有利。 零件的耐蝕性在很大程度上取決于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，則凹谷中聚積腐蝕性物質(zhì)就愈多。抗蝕性就愈差。 表面層的殘余拉應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，降低零件的耐磨性，而殘余壓應(yīng)力則能防止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。 表面粗糙度值的大小將影響配合表面的配合質(zhì)量。對(duì)于間隙配合，粗糙度值大會(huì)使磨損加大，間隙增大，破壞了要求的配合性質(zhì)。對(duì)于過(guò)盈配合，裝配過(guò)程中一部分表面凸峰被擠平，實(shí)際過(guò)盈量減小，降低了配合件間的連接強(qiáng)度。 表面質(zhì)量對(duì)零件的接觸剛度、結(jié)合面

8、的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、密封性、光的反射與吸收、氣體和液體的流動(dòng)阻力均有一定程度的影響。表面的完整性主要是反映表面層的性能，包括：1、表面形貌： 主要包括表面粗糙度、表面波度和紋理。4、表面層物理力學(xué)性能： 主要包括表面層硬化深度和程度、表面層殘余應(yīng)力的大小、分布。5、表面層的其他工程技術(shù)特征： 主要包括摩擦特性、光的反射率、導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性。3、微觀組織和表面層的冶金化學(xué)性能 主要包括微觀裂紋、微觀組織變化及晶間腐蝕等。2、表面缺陷： 主要是指加工表面上出現(xiàn)的宏觀裂紋、傷痕和腐蝕。三、表面的完整性二、已加工表面形成機(jī)理二、已加工表面形成機(jī)理金屬切削過(guò)程中，加工表面經(jīng)過(guò)第三變形區(qū)后，形成已加工

9、表面。第三變形區(qū)的刀具與加工表面的相互作用將直接影響已加工表面質(zhì)量。O點(diǎn)以下，厚度為a的一層金屬在圓弧刃的作用下，被擠壓留在已加工表面上，在BC段，這層金屬又受到后刀面上被磨損的一段小棱面VB的擠壓與摩擦，使該層金屬又發(fā)生塑性變形，表層下面的基體金屬則受到彈性變形。當(dāng)?shù)毒吲c之脫離接觸后，該層金屬又彈性恢復(fù)h，最后形成已加工表面。由此可見(jiàn)，圓弧部分OB、磨損小棱面BC(VB)及CD三部分構(gòu)成后刀面上的總接觸長(zhǎng)度，其接觸情況直接影響已加工表面質(zhì)量。已加工表面形成機(jī)理是分析已加工表面質(zhì)量的重要物理基礎(chǔ)。在實(shí)際生產(chǎn)中使用的刀具，為提高刃口的承載能力，刀具刃口都具有一個(gè)半徑為 的鈍圓，其大小決定于刀具的

10、刃磨質(zhì)量、刀具材料。由圖可知，當(dāng)切削層金屬以V的速度趨近于刀刃時(shí)，由于 的作用切削層金屬O點(diǎn)以上的部分通過(guò)剪切滑移，沿前刀面流出成為切屑；第三節(jié) 影響加工表面質(zhì)量的因素 加工表面質(zhì)量主要受到表面粗糙度的大小、加工硬化程度、殘余應(yīng)力和金相組織變化的影響。因而分析影響加工表面質(zhì)量的因素，就需要分析加工過(guò)程中的諸因素對(duì)表面粗糙度、加工硬化程度、殘余應(yīng)力狀態(tài)和金相組織變化的影響。一、影響表面粗糙度的因素二、影響加工表面層物理力學(xué)性能的因素 在切削過(guò)程中，當(dāng)?shù)毒咔暗睹嫔洗嬖诜e屑瘤時(shí)，由于積屑瘤的頂部很不穩(wěn)定，容易破裂，一部分連附于切屑底部而排出，一部分則殘留在加工表面上，使表面粗糙度增大。積屑瘤突出刀刃

11、部分的尺寸變化，會(huì)引起切削層厚度的變化，從而使加工表面的粗糙度值增大。因此，在精加工時(shí)必須避免或減小積屑瘤。 與工件材質(zhì)相關(guān)的因素包括材料的塑性、金相組織等。一般地講，韌性較大的塑性材料，易于產(chǎn)生塑性變形與刀具的粘結(jié)作用也較大加工后粗糙度大。相反脆性材料則易于得到較小的表面粗糙度值。 對(duì)于同樣的材料，晶粒組織愈是粗大、加工后的表面粗糙度值也愈大，利用調(diào)質(zhì)或正火等熱處理方法、可以提高材料的力學(xué)性能細(xì)化晶粒，改善切削性能，減小表面粗糙度值。 刀具相對(duì)于工件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，在加工表面留下了切削層殘留面積，其形狀是刀具幾何形狀的復(fù)映。減小進(jìn)給量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圓弧半徑，均可減小殘留面積的高度

12、。 此外適當(dāng)增大刀具的前角以減小切削時(shí)的塑性變形程度，合理選擇潤(rùn)滑液和提高刀具刃磨質(zhì)量以減小切削時(shí)的塑性變形和抑制刀瘤、鱗刺的生成，也是減小表面粗糙度值的有效措施。 背吃刀量對(duì)表面粗糙度影響不明顯，一般可忽略。但當(dāng)a 0.020.03以下時(shí)，由于刀刃有一定的圓弧半徑，使正常切削不能維持，刀刃僅與工件發(fā)生擠壓與摩擦從而使表面惡化。因此加工時(shí)，不能選用過(guò)小的背吃刀量。 減小進(jìn)給量 f 可以減小切削殘留面積高度，使表面粗糙度值減小。但進(jìn)給量 f太小刀刃不能切削而形成擠壓，增大了工件的塑性變形，反而使表面粗糙度值增大。(1)刀具幾何形狀及切削運(yùn)動(dòng)的影響(2)工件材料性質(zhì)的影響(3)積屑瘤的影響(4)切

13、削用量的影響 磨削徑向進(jìn)給量增大使磨削時(shí)的切削深度增大，使塑性變形加劇，因而表面粗糙度增大。適當(dāng)增加光磨次數(shù)，可以有效減小表面粗糙度。 提高磨削速度，增加了工件單位面積上的磨削磨粒數(shù)量，使刻痕數(shù)量增大，同時(shí)塑性變形減小，因而表面粗糙度減小。高速切削時(shí)塑性變形減小是因?yàn)楦咚傧滤苄宰冃蔚膫鞑ニ俣刃∮谀ハ魉俣?，材料?lái)不及變形所致。工件圓周進(jìn)給和軸向進(jìn)給量增大，均會(huì)減小工件單位面積上的磨削磨粒數(shù)量，使刻痕數(shù)量減少，表面粗糙度增大砂輪的修整是用金剛石筆尖在砂輪的工作表面上車(chē)出一道螺紋，修整導(dǎo)程和修正深度愈小，修出的磨粒的微刃數(shù)量越多，修出的微刃等高性也愈好，因而磨出的工件表面粗糙度值也就愈小。修整用的金

14、剛石筆尖是否鋒利對(duì)砂輪的修正質(zhì)量有很大影響。圖示為經(jīng)過(guò)精細(xì)修正后砂輪磨粒上的微刃。太硬的材料使磨粒易鈍，磨削時(shí)的塑性變形和摩擦加劇，使表面粗糙度增大，且表面易燒傷甚至產(chǎn)生裂紋而使零件報(bào)廢。太軟的材料塑性大，在磨削時(shí)磨屑易堵塞砂輪，使表面粗糙度增大。韌性大導(dǎo)熱性差的耐熱合金易使砂粒早期崩落，使砂輪表面不平，導(dǎo)致磨削表面粗糙度值增大。 采用切削液可以降低磨削區(qū)溫度，減少燒傷，沖去脫落的磨粒和磨屑，可以避免劃傷工件，從而降低表面粗糙度。但必須合理選擇冷卻方法和切削液。切削加工對(duì)表面粗糙度的影響因素一、影響表面粗糙度的因素2磨削加工對(duì)表面粗糙度的影響因素(1)砂輪的粒度(2)砂輪的硬度(3)砂輪的修整

15、(4)磨削速度(5)磨削徑向進(jìn)給量與光磨次數(shù)(6)工件圓周進(jìn)給速度與軸向進(jìn)給量(7)工件材料(8)切削液 砂輪的粒度愈細(xì)，則砂輪工作表面單位面積上的磨粒數(shù)越多，因而在工件上的刀痕也越密而細(xì)，所以粗糙度值愈小。但是粗粒度的砂輪如果經(jīng)過(guò)精細(xì)修整，在磨粒上車(chē)出微刃后，也能加工出粗糙度值小的表面。 砂輪的硬度太大，磨粒鈍化后不容易脫落，工件表面受到強(qiáng)烈的摩擦和擠壓，加劇了塑性變形，使表面粗糙度值增大甚至產(chǎn)生表面燒傷。砂輪太軟則磨粒易脫落，會(huì)產(chǎn)生不均勻磨損現(xiàn)象，影響表面粗糙度。因此，砂輪的硬度應(yīng)適中。 切削用量中，切削速度對(duì)表面粗糙度的影響比較復(fù)雜。在切削塑性材料時(shí)，一般情況下低速或高速切削時(shí)因不會(huì)產(chǎn)生

16、積屑瘤，加工表面粗糙度值較小。但在中等速度下，塑性材料由于容易產(chǎn)生積屑瘤與鱗刺，且塑性變形較大，因此表面粗糙度值會(huì)變大。切削加工過(guò)程中的切削變形愈大，加工表面就愈粗糙。在高速切削時(shí)，由于變形的傳播速度低于切削速度，表面層金屬的塑性變形較小，因而高速切削時(shí)表面粗糙度較低。加工脆性材料時(shí)，由于塑性變形很小，主要形成崩碎切屑，切削速度的變化，對(duì)脆性材料的表面粗糙度影響較小。二、影響加工表面層物理力學(xué)性能的因素在切削加工中，工件由于受到切削力和切削熱的作用，使表面層金屬的物理機(jī)械性能產(chǎn)生變化，最主要的變化是表面層金屬顯微硬度的變化、金相組織的變化和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。由于磨削加工時(shí)所產(chǎn)生的塑性變形和切削熱

17、比刀刃切削時(shí)更嚴(yán)重，因而磨削加工后加工表面層上述三項(xiàng)物理機(jī)械性能的變化會(huì)很大。1、表面層加工硬化2、表面層金相組織的變化3、表面層殘余應(yīng)力1、表面層加工硬化1)冷作硬化及其評(píng)定參數(shù) 機(jī)械加工過(guò)程中因切削力作用產(chǎn)生的塑性變形，使晶格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移,晶粒被拉長(zhǎng)和纖維化，甚至破碎，這些都會(huì)使表面層金屬的硬度和強(qiáng)度提高，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化（或稱為強(qiáng)化）。表面層金屬?gòu)?qiáng)化的結(jié)果，會(huì)增大金屬變形的阻力，減小金屬的塑性，金屬的物理性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化。 被冷作硬化的金屬處于高能位的不穩(wěn)定狀態(tài)，只有一種可能，金屬的不穩(wěn)定狀態(tài)就要向比較穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，這種現(xiàn)象稱為弱化。弱化作用的大小取決于溫度的高低

18、、溫度持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短和強(qiáng)化程度的大小。由于金屬在機(jī)械加工過(guò)程中同時(shí)受到力和熱的作用，因此，加工后表層金屬的最后性質(zhì)取決于強(qiáng)化和弱化綜合作用的結(jié)果。評(píng)定冷作硬化的指標(biāo)：表層金屬的顯微硬度HV、硬化層深度h和硬化程度N。N (HvHv0)/Hv0)100Hv加工后表面層的顯微硬度；Hv0原材料的顯微硬度。2)影響冷作硬化的主要因素切削用量 切削速度增大，刀具與工件的作用時(shí)間縮短，使塑性變形擴(kuò)展深度減小，冷硬層深度減小。切削速度增大后，切削熱在工件表面層上的作用時(shí)間也縮短樂(lè)，將使冷硬程度增加。進(jìn)給量增大，切削力也增大，表層金屬的塑性變形加劇，冷硬作用加強(qiáng)。 切削溫度 切削刃鈍圓半徑增大，對(duì)表層金屬的

19、擠壓作用增強(qiáng)，塑性變形加劇，導(dǎo)致冷硬增強(qiáng)。刀具后刀面磨損增大，后刀面與被加工表面的摩擦加劇，塑性變形增大，導(dǎo)致冷硬增強(qiáng)。工件材料工件材料的塑性愈大，冷硬現(xiàn)象就愈嚴(yán)重。2、表面層金相組織的變化 金相組織的變化主要受溫度的影響。當(dāng)被磨工件表面層溫度達(dá)到相變溫度以上時(shí)，表層金屬發(fā)生金相組織的變化，使表層金屬?gòu)?qiáng)度和硬度降低，并伴有殘余應(yīng)力產(chǎn)生，甚至出現(xiàn)微觀裂紋時(shí)稱為磨削燒傷。在磨削淬火鋼時(shí)，可能產(chǎn)生以下三種燒傷： 回火燒傷淬火燒傷退火燒傷如果磨削區(qū)溫度超過(guò)了相變溫度，而磨削區(qū)域又無(wú)冷卻液進(jìn)入，表層金屬將產(chǎn)生退火組織，表面硬度將急劇下降。如果磨削區(qū)溫度超過(guò)了相變溫度，再加上冷卻液的急冷作用，表層金屬發(fā)生

20、二次淬火，使表層金屬出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織，其硬度比原來(lái)的回火馬氏體的高，在它的下層，因冷卻較慢，出現(xiàn)了硬度比原先的回火馬氏體低的回火組織（索氏體或托氏體）。如果磨削區(qū)的溫度未超過(guò)淬火鋼的相變溫度，但已超過(guò)馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度，工件表層金屬的回火馬氏體組織將轉(zhuǎn)變成硬度較低的回火組織（索氏體或托氏體）。1）磨削燒傷2）防止磨削燒傷的途徑 磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷由兩個(gè)途徑：一是盡可能地減少磨削熱地產(chǎn)生；二是改善冷卻條件，盡量使產(chǎn)生地?zé)崃可賯魅牍ぜ?。具體工藝措施如下：(1)正確選擇砂輪(2)合理選擇磨削用量(3)改善冷卻條件a)采用高壓大流量冷卻b)為了減輕高速旋轉(zhuǎn)的砂輪表面的高壓附

21、著氣流的作用，可以加裝空氣檔板,使冷卻液能順利地噴注到磨削區(qū)，這對(duì)于高速磨削更為必要。c)采用內(nèi)冷卻法 應(yīng)在保證表面質(zhì)量的前提下盡量不影響生產(chǎn)率和表面粗糙度。磨削深度不能選得太大,磨削深度增加，溫度隨之升高、燒傷增加 工件的縱向進(jìn)給量越大砂輪與工件的表面接觸時(shí)間相對(duì)減少，因而熱的作用時(shí)間減少，散熱條件得到改善、磨削燒傷越少。 工件線速度增大時(shí)磨削區(qū)溫度會(huì)上升。但熱的作用時(shí)間卻減少了。一般在提高工件速度的同時(shí)提高砂輪的速度。 一般選擇的砂輪應(yīng)使在磨削過(guò)程中具有自銳能力(即砂粒磨鈍后自動(dòng)破碎產(chǎn)生新的鋒利的新磨?；蜃詣?dòng)從砂輪粘結(jié)劑處脫落的能力)。同時(shí)磨削時(shí)砂輪應(yīng)不致產(chǎn)生粘屑堵塞現(xiàn)象。3、表面層殘余應(yīng)

22、力 表面層殘余應(yīng)力主要是因?yàn)樵谇邢骷庸み^(guò)程中工件受到切削力和切削熱的作用，在表面層金屬和基體金屬之間發(fā)生了不均勻的體積變化而引起的。（）冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力在切削加工過(guò)程中，由于切削力的作用，工件表面層產(chǎn)生塑性變形，使表面金屬比容增大，體積膨脹，由于塑性變形只在表層金屬中產(chǎn)生，表層金屬的比容增大，體積膨脹，不可避免地要受到與它相連的里層金屬的限制，在表面金屬層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，而在里層金屬中產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。右圖所示為加工后由冷塑態(tài)變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的分布情況。 （）熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力 切削加工中，切削區(qū)會(huì)有大量的切削熱產(chǎn)生，使工件產(chǎn)生不均勻的溫 度變化，從而導(dǎo)致不均勻的熱膨脹。切

23、削加工進(jìn)行時(shí)， 當(dāng)表面溫度升高到使表層金屬進(jìn)入到塑性狀態(tài)時(shí)，其體 積膨脹受到溫度較低的基體金屬的限制而產(chǎn)生熱塑性變形。切削加工結(jié)束后，表面溫度下降，由于表面已產(chǎn) 生熱塑性變形要收縮，此時(shí)又會(huì)受到基體金屬的限制，在表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。熱塑性變形主要在磨削時(shí)產(chǎn) 生，磨削溫度越高，熱塑性變形越大，殘余拉應(yīng)力越大，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生裂紋。右圖所示為磨削時(shí)由熱塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的分布情況。(3)金相組織變化引起的殘余應(yīng)力不同金相組織具有不同的密度，金相組織的轉(zhuǎn)變會(huì)引起金屬材料的體積變化。加工過(guò)程中，當(dāng)切削溫度的變化使表面層金屬產(chǎn)生了金相組織的變化時(shí)，表層金屬的體積變化（增大或減?。┍厝灰艿脚c之相連的基

24、體金屬的阻礙，因而就有殘余應(yīng)力產(chǎn)生。 不同磨削方式下殘余應(yīng)力的分布情況。一、機(jī)械加工中的振動(dòng)現(xiàn)象二、受迫振動(dòng)三、減小受迫振動(dòng)的途徑四、機(jī)械加工過(guò)程中受迫振源的查找方法第四節(jié) 機(jī)械加工過(guò)程中的振動(dòng) 加工過(guò)程中的振動(dòng)，使刀具與工件之間產(chǎn)生相對(duì)位移，使加工表面產(chǎn)生振痕、將嚴(yán)重影響零件的表面質(zhì)量和使用性能。動(dòng)態(tài)交變載荷使刀具極易磨損(甚至崩刃)，機(jī)床連接特性受到破壞，縮短了刀具和機(jī)床的使用壽命、而且振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)，使加工無(wú)法進(jìn)行，為了減少振動(dòng)，有時(shí)不得不降低切削用量，從而降低了生產(chǎn)率。振動(dòng)的分類按工藝系統(tǒng)可分為三類： 1、自由振動(dòng) 2、受迫振動(dòng) 3、自激振動(dòng)。一、機(jī)械加工中的振動(dòng)現(xiàn)象 機(jī)械加工中，由于刀具

25、與工件之間常常產(chǎn)生周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，既機(jī)械加工振動(dòng)。一般說(shuō)它是一種破壞正常切削過(guò)程的有害觀象。各種切削和磨削過(guò)程都可能發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)速度高、切削金屬量大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)烈振動(dòng)。 當(dāng)系統(tǒng)受到初步始干擾力而破壞了其平衡狀態(tài)后，僅靠彈性恢復(fù)力來(lái)維持的振動(dòng)稱為自由振動(dòng)。在切削過(guò)程中，由于材料硬度不均或工件表面有缺陷，工藝系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生振動(dòng)，但由于阻尼作用、振動(dòng)將迅速減弱，因而對(duì)機(jī)械加工的影響不大。在外界周期性干擾力，(激振力)持續(xù)作用下，系統(tǒng)被迫產(chǎn)生的振動(dòng)。 系統(tǒng)在沒(méi)有受到外界周期性干擾力(激振力)作用下產(chǎn)生的持續(xù)振動(dòng)。維持這種振動(dòng)的交變力是由振動(dòng)系統(tǒng)在自身運(yùn)動(dòng)中激發(fā)出來(lái)的、稱為自激振動(dòng)。 機(jī)械加工中的強(qiáng)迫振動(dòng)

26、與一般機(jī)械中的強(qiáng)迫振動(dòng)沒(méi)有什么區(qū)別，強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率與干擾力的頻率相同或是它的倍數(shù)。 1、強(qiáng)迫振動(dòng)的振源 即來(lái)自機(jī)床內(nèi)部的機(jī)內(nèi)振源和來(lái)自機(jī)床外部的機(jī)外振源兩大類。 1）、機(jī)外振源： 甚多，但它們都是通過(guò)地基傳給機(jī)床的，可通過(guò)加設(shè)隔振地基來(lái)隔離。 2）、機(jī)內(nèi)振源主要又： a）機(jī)床高速旋轉(zhuǎn)件不平衡引起的振動(dòng) b）機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)缺陷引起的振動(dòng) c）切削過(guò)程中的沖擊引起的振動(dòng) d）往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件的慣性力引起的振動(dòng)二、受迫振動(dòng) 受迫振動(dòng)的振動(dòng)頻率與外界激振力的頻率相同或是它的倍數(shù)，而與系統(tǒng)的固有頻率無(wú)關(guān)。 2、受迫振動(dòng)的特點(diǎn)： 受迫振動(dòng)是由周期性激振力引起的，不會(huì)被阻尼衰掉，振動(dòng)本身也不能使激振力發(fā)生變化。

27、受迫振動(dòng)的幅值即與激振力的幅值有關(guān)，又與工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有關(guān)。 3、減小受迫振動(dòng)的途徑）減小激振力可通過(guò)提高機(jī)床的制造和裝配精度，以消除工藝系統(tǒng)內(nèi)部的振動(dòng)源。如機(jī)床中高速回轉(zhuǎn)的零件要進(jìn)行靜平衡和動(dòng)平衡（如磨床的砂輪、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子等）；提高齒輪的制造和裝配精度，或采用對(duì)振動(dòng)和動(dòng)平衡不敏感的高阻尼材料制造齒輪，以減少齒輪嚙合所造成的振動(dòng)。）調(diào)整振源頻率調(diào)整刀具或工件的轉(zhuǎn)速，使激振力頻率偏離工藝系統(tǒng)的固有頻率。）增強(qiáng)工藝系統(tǒng)的剛性和阻尼以提高其抗振能力如采用刮研各零部件之間的接觸表面，以增加各種部件間的連接剛度；利用跟刀架，縮短工件或刀具裝夾時(shí)的懸伸長(zhǎng)度等方法以增加工藝系統(tǒng)的剛度。）采取隔振措施隔

28、離外部或內(nèi)部振源對(duì)于某些動(dòng)力源（如電動(dòng)機(jī)、油泵等），最好與機(jī)床分開(kāi)，以達(dá)到隔振的目的。）采用各種減振措施如果不能從根本上消除產(chǎn)生振動(dòng)的條件，又不能有效的提高工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，可采用消振減振裝置。4、機(jī)械加工過(guò)程中受迫振源的查找方法 如果已經(jīng)確認(rèn)機(jī)械加工過(guò)程中發(fā)生了受迫振動(dòng)，就要設(shè)法查找振源，以便去除振源或減小振源對(duì)加工過(guò)程的影響。由受迫振動(dòng)的特征可知，受迫振動(dòng)的頻率總是與干擾力的頻率相等或是它的倍數(shù)，我們可以根據(jù)受迫振動(dòng)的這個(gè)規(guī)律去查找受迫振動(dòng)的振源。三、機(jī)械加工過(guò)程中的自激振動(dòng) 機(jī)械加工中在沒(méi)有周期性外力（相對(duì)于切削過(guò)程而言）作用下，由系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)反饋產(chǎn)生的周期性振動(dòng)，稱為自激振動(dòng)。其振動(dòng)

29、頻率與系統(tǒng)的國(guó)有頻率相近。 既然沒(méi)有周期性外力的作用，那么激發(fā)自激振動(dòng)的交變力是怎樣產(chǎn)生的呢？用傳遞函數(shù)的概念來(lái)分析，機(jī)床加工系統(tǒng)是一個(gè)由振動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成的閉環(huán)系統(tǒng)（如圖所示）。 激勵(lì)機(jī)床系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的交變力是由切削過(guò)程產(chǎn)生的，而切削過(guò)程同時(shí)又受機(jī)床系統(tǒng)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的控制，機(jī)床系統(tǒng)的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)一旦停止，動(dòng)態(tài)切削力也就隨之消失。自激振動(dòng)系統(tǒng)維持穩(wěn)定振動(dòng)的條件為在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，從能源機(jī)構(gòu)經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸入到振動(dòng)系統(tǒng)的能量，等于系統(tǒng)阻尼所消耗的能量。 如果切削過(guò)程很平穩(wěn)，即使系統(tǒng)存在產(chǎn)生自激振動(dòng)的條件，也因切削過(guò)程沒(méi)有交變的動(dòng)態(tài)切削力，使自激振動(dòng)不可能產(chǎn)生。但是，在實(shí)際加工過(guò)程中，偶然的外界干擾（

30、如工件材料硬度不均、加工余量有變化等）總是存在的，這種偶然性外界干擾所產(chǎn)生的切削力的變化，作用在機(jī)床系統(tǒng)上，會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)將引起工件與刀具間的相對(duì)位置發(fā)生周期性變化，使切削過(guò)程產(chǎn)生維持振動(dòng)的動(dòng)態(tài)切削力。如果工藝系統(tǒng)不存在自激振動(dòng)的條件，這種偶然性的外界干擾，將因工藝系統(tǒng)存在阻尼而使振動(dòng)運(yùn)動(dòng)逐漸衰減。如果工藝系統(tǒng)存在產(chǎn)生自激振動(dòng)的條件，就會(huì)使機(jī)床加工系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。（）負(fù)摩擦自振原理 在切削塑性材料時(shí)，由切削原理可知，徑向切削分力Fy開(kāi)始隨切削速度Vc的增加而增大，自某一速度開(kāi)始，又隨切削速度的增加而下降。在力速度曲線下降區(qū)，極易引起自激振動(dòng)。徑向切削分力主要取決于

31、切屑與刀具相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力。1、自激振動(dòng)的形成機(jī)理經(jīng)過(guò)對(duì)自激振動(dòng)的研究，人們從不同側(cè)面出發(fā)，形成多種關(guān)于自激振動(dòng)機(jī)理的理論。圖所示為車(chē)削加工的簡(jiǎn)化振動(dòng)模型。 將加工系統(tǒng)簡(jiǎn)化為單自由度系統(tǒng)，刀具簡(jiǎn)化為等效質(zhì)量，僅能做徑向運(yùn)動(dòng)。 在穩(wěn)定切削時(shí)，工件表面的線速度為Vc，則刀具和切屑的相對(duì)滑動(dòng)速度為 V1Vc ， 為切屑收縮系數(shù)。當(dāng)?shù)毒甙l(fā)生振動(dòng)時(shí)，前刀面與切屑的相對(duì)滑動(dòng)速度便要 附加一個(gè)振動(dòng)速度V2，刀具切入工件時(shí)相對(duì)滑動(dòng)速度為V1V2，刀具退出工件時(shí)，相對(duì)滑動(dòng)速度為V1V2，它們分別對(duì)應(yīng)于徑向切削力Fy1和Fy2。所以，刀具切入工件的半個(gè)周期中，切削力所做的負(fù)功小于刀具切出工件的半個(gè)周期中所做

32、的正功，在一個(gè)振動(dòng)周期中，便有多余的能量輸入振動(dòng)系統(tǒng)，從而激起振動(dòng)。圖為徑向切削力Fy 與切屑和前刀面相對(duì)滑動(dòng)速度的關(guān)系曲線。 外圓磨削時(shí)，設(shè)砂輪寬度為，工件每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為 ，砂輪前一轉(zhuǎn)的磨削區(qū)和后一轉(zhuǎn)磨削區(qū)有重疊部分，其大小用重疊系數(shù) 表示：（）再生效應(yīng)自振原理切削或磨削加工時(shí)，后一次走刀和前一次走刀總會(huì)有部分重疊。圖為外圓磨削簡(jiǎn)圖。 前后兩次走刀完全重疊時(shí)，；無(wú)重疊時(shí)，；一般情況在之間。 在穩(wěn)定的切削過(guò)程中，由于偶然的擾動(dòng)（如刀具碰到工件材料上的硬質(zhì)點(diǎn)、余量不均勻等），引起工件與刀具發(fā)生相對(duì)的自由振動(dòng)，從而在切削表面上留下振紋，當(dāng)?shù)诙巫叩稌r(shí)，刀具將在有波紋的表面上進(jìn)行切削。 設(shè)第次切削時(shí)刀

33、具與工件間的振紋為 y0，第次（振紋為 ）就要從已有振紋的表面上切除切屑。圖中表示在一個(gè)周期中切削厚度處處相等，切入時(shí)切削力所做的負(fù)功（因?yàn)榍腥霑r(shí)刀具的速度方向與切削力的方向相反）與切出時(shí)所做的正功相等，振紋保持原有的狀態(tài)；圖中表示振幅 比 滯后 角，刀具切入半周期中平均切削厚度比切出時(shí)的平均厚度小，因此，切入時(shí)的平均切削力比切出時(shí)的小，所以，在一個(gè)振動(dòng)周期中，切削力做的正功大于負(fù)功，系統(tǒng)得到了能量的輸入，振動(dòng)加強(qiáng)。圖中 中 比 超前 角，刀具切入的半周期，平均切削厚度比切出時(shí)的大，因此，切削力所做的負(fù)功大于正功，振動(dòng)逐漸衰減。振動(dòng)的發(fā)生與維持可用下圖所示的三種切削過(guò)程的能量關(guān)系說(shuō)明。綜上所述

34、，振動(dòng)綜上所述，振動(dòng) 滯后于滯后于 是產(chǎn)生再生顫振的必要條件。是產(chǎn)生再生顫振的必要條件。 橢圓形曲線的旋向是順時(shí)針的，則刀具沿ABC的軌跡是切入工件，它的運(yùn)動(dòng)方向與切削力的方向相反，F(xiàn)做負(fù)功。沿著B(niǎo)DA軌跡退出時(shí)，力做正功。由于切出時(shí)平均切削厚度大于切入時(shí)平均切削厚度，故切削力做的正功大于負(fù)功，在一個(gè)振動(dòng)周期中便有多余的能量輸入振動(dòng)系統(tǒng)，維持系統(tǒng)的振動(dòng)。（）振型藕合自振原理振動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際上都是多自由度的，圖是一個(gè)二自由度振動(dòng)系統(tǒng)示意圖。 設(shè)切削前工件表面是光滑的，即不考慮再生效應(yīng)，當(dāng)?shù)都芟到y(tǒng)產(chǎn)生了角頻率為的振動(dòng)，則刀架將在X1和X2兩個(gè)方向上同時(shí)振動(dòng)，刀具振動(dòng)的軌跡一般為橢圓形的封閉曲線。自激振

35、動(dòng)的特征與其他類型的振動(dòng)相比，自激振動(dòng)有以下特征：（）機(jī)械加工中的自激振動(dòng)是在沒(méi)有周期性外力（相對(duì)于切削過(guò)程而言）干擾下所產(chǎn)生的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，這一點(diǎn)與強(qiáng)迫振動(dòng)有原則區(qū)別。（）自激振動(dòng)的頻率接近于系統(tǒng)的某一固有頻率，或者說(shuō)，顫振頻率取決于振動(dòng)系統(tǒng)的固有特性。這一點(diǎn)與強(qiáng)迫振動(dòng)根本不同，強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率取決于外界干擾力的頻率。（）自激振動(dòng)是一種不衰減的振動(dòng)。振動(dòng)過(guò)程本身能引起某種不衰減的周期性變化，而振動(dòng)系統(tǒng)能通過(guò)這種力的變化，從不具備交變特性的能源中周期性的獲得補(bǔ)充能量，從而維持住這個(gè)振動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)一停止，則這種外力的周期性變化和能量的補(bǔ)充過(guò)程也都立即停止。工藝系統(tǒng)中維持自激振動(dòng)的能量來(lái)自機(jī)床電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)

36、機(jī)除了供給切除切屑的能量外，還通過(guò)切削過(guò)程把能量輸給振動(dòng)系統(tǒng)，使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。自激振動(dòng)的控制（）盡量減小重疊系數(shù) 重疊系數(shù) 直接影響再生效應(yīng)的大小。重疊系數(shù)值取決于加工方式、刀具的幾何形狀、切削用量等。圖中列出了兩種加工方式的 值。車(chē)螺紋（圖）時(shí)，工藝系統(tǒng)不會(huì)有再生型自激振動(dòng)產(chǎn)生。切斷工件（圖）時(shí)，再生效應(yīng)最大。對(duì)于一般外圓，縱向車(chē)削時(shí)，此時(shí)應(yīng)通過(guò)改變切削用量和刀具幾何形狀，使 盡量減小，以提高切削的穩(wěn)定性。 自激振動(dòng)主要受切削過(guò)程中的工藝系統(tǒng)內(nèi)部因素的影響。主要影響因素有切削用量、刀具幾何參數(shù)和切削過(guò)程中的阻尼等。通過(guò)合理控制這些因素，就能減小或消除自激振動(dòng)。（）合理選擇刀具幾何參數(shù)

37、從圖可以看出，當(dāng)時(shí)，振幅最小。前角越大，切削力越小，振幅也越小。前角對(duì)振幅的影響。適當(dāng)?shù)卦龃笄敖?、主偏角，能減小 ，從而減小振動(dòng)。后角可盡量取小，但精加工中由于切削深度較小，后角較小時(shí)，刀刃不容易切入工件，且使刀具后面與加工表面間的摩擦加劇，反而容易引起自振。通常在刀具的主后面上磨出一段后角為負(fù)的窄棱面，如圖所示，這樣可以增大工件和后刀面之間的摩擦阻尼，起到很好的減振效果。 刀具幾何參數(shù)中對(duì)振動(dòng)影響最大的是主偏角和前角。主偏角增大，則垂直于加工表面方向的切削分力減小，故不易產(chǎn)生自振。圖一是切削速度與振幅的關(guān)系曲線。從圖一中可見(jiàn)，在低速或高速切削時(shí)，振動(dòng)較小。圖二、圖三是進(jìn)給量和切削深度與振幅的

38、關(guān)系曲線。（）合理選擇切削用量它們表明，選較大的進(jìn)給量和較小的切削深度有利于減小振動(dòng)。采用高速切削或低速切削可以避免自激振動(dòng)。增大進(jìn)給量可使振幅減小，在加工表面粗糙度允許的情況下，可以選取較大的進(jìn)給量以避免自激振動(dòng)。切削深度增大，切削寬度也增大，振動(dòng)增強(qiáng)，選擇切削深度時(shí)一定要考慮切削寬度對(duì)振動(dòng)的影響。 首先是提高機(jī)床的抗振性能。例如外圓磨床的主軸系統(tǒng)要適當(dāng)?shù)販p小軸承的間隙，滾動(dòng)軸承要加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，以增強(qiáng)接觸剛度。工件與刀具的抗振性能成為系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的技術(shù)措施，如加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，用中心架或跟刀架來(lái)提高工件的抗振性能；當(dāng)用細(xì)長(zhǎng)刀桿加工孔時(shí)，要采用中間導(dǎo)向支承來(lái)提高刀具的抗振性能，等等

39、。（）提高工藝系統(tǒng)的剛度（）采用減振裝置在采用上述措施后仍然不能達(dá)到減振目的時(shí)，可考慮使用減振裝置。常用減振裝置有阻尼減振器和沖擊減振器。 阻尼減振器：它利用固體和液體的摩擦阻尼來(lái)消 耗振動(dòng)的能量。如在機(jī)床主軸系統(tǒng)中附加阻尼減振器，它 相當(dāng)于間隙很大的滑動(dòng)軸承，通過(guò)阻尼套和阻尼間隙中的 粘性油的阻尼作用來(lái)減振。沖擊減振器：如圖所示，它是由一個(gè)與振動(dòng)系統(tǒng)剛性相聯(lián)的殼體和一個(gè)在殼體內(nèi)自由沖擊的質(zhì)量器塊組成的。當(dāng)系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)，自由質(zhì)量塊反復(fù)沖擊振動(dòng)系統(tǒng)，消耗振動(dòng)的能量，以達(dá)到減振效果。振紋再生原理振紋再生原理 在金屬切削過(guò)程中，除極少數(shù)情況外，刀具總是部分地或完全地在帶有波紋的表面上進(jìn)行切削的。首先來(lái)

40、研究車(chē)刀作徑向切削的情況，此時(shí)車(chē)刀只作橫向進(jìn)給，車(chē)刀將完全地在工件前一轉(zhuǎn)切削時(shí)留下的波紋表面上進(jìn)行切削，如右上圖示。假定切削過(guò)程受到一個(gè)瞬時(shí)的偶然擾動(dòng)力Fd的作用，如右下圖示，刀具與工件便會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)（自由振動(dòng)），它的幅值將因系統(tǒng)阻尼的存在而逐漸衰減，但該振動(dòng)會(huì)在已加工表面上留下一段振紋。此時(shí)切削厚度將發(fā)生波動(dòng)，因而產(chǎn)生了交變的動(dòng)態(tài)切削力。如果機(jī)床加工系統(tǒng)滿足產(chǎn)生自激振動(dòng)的條件，振動(dòng)便會(huì)進(jìn)一步發(fā)展到圖d示的持續(xù)的顫振狀態(tài)。我們將這種由于切削厚度變化效應(yīng)而引起的自激振動(dòng)稱為再生型顫振再生型顫振?？刂茩C(jī)械加工振動(dòng)的途徑 當(dāng)機(jī)械加工過(guò)程中出現(xiàn)影響加工質(zhì)量的振動(dòng)時(shí)，首先應(yīng)該判別這種振動(dòng)是強(qiáng)迫振動(dòng)還是

41、自激振動(dòng)，然后再采取相應(yīng)措施來(lái)消除或減小振動(dòng)。消除振動(dòng)的途徑有三：消除或減弱產(chǎn)生振動(dòng)的條件消除或減弱產(chǎn)生振動(dòng)的條件；改善工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性改善工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；采用消振減振裝置采用消振減振裝置。 消除或減弱產(chǎn)生振動(dòng)的條件消除或減弱產(chǎn)生振動(dòng)的條件1）減小機(jī)內(nèi)外干擾力 機(jī)床上高速旋轉(zhuǎn)的零部件必須進(jìn)行平衡，是質(zhì)量不平衡控制在允許范圍內(nèi)。（2）調(diào)整振源頻率 由強(qiáng)迫振動(dòng)的特征可知，當(dāng)干擾力的頻率接近系統(tǒng)某一固有頻率時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振。因此，可通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速或傳動(dòng)比，使激振力的頻率遠(yuǎn)離機(jī)床加工薄弱環(huán)節(jié)的固有頻率，以免共振。（3）采取隔振措施 使振源產(chǎn)生的部分振動(dòng)被隔振裝置所隔離或吸收。隔振方法有兩種：一種使主主動(dòng)隔振動(dòng)隔振，阻