第三節(jié)機械加工表面質(zhì)量

第三節(jié)機械加工表面質(zhì)量

零件的機械加工質(zhì)量不僅指加工精度，而且包括加工表面質(zhì)量。

機械加工后的零件表面實際上不是理想的光滑表面，它存在著不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂紋等表面缺陷。雖然只有極薄的一層（幾微米~幾十微米），但都錯綜復(fù)雜地影響著機械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蝕性和疲勞強度等，從而影響產(chǎn)品的使用性能和壽命，因此必須加以足夠的重視。一、概述零件表面質(zhì)量表面粗糙度表面波度表面物理力學(xué)性能的變化表面微觀幾何形狀特征表面層冷作硬化表面層殘余應(yīng)力表面層金相組織的變化表面質(zhì)量的含義（內(nèi)容）

（1）表面粗糙度對零件耐磨性的影響

表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如圖4-38所示。表面粗糙度太大，接觸表面的實際壓強增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、擠裂、切斷，故磨損加??；表面粗糙度太小，也會導(dǎo)致磨損加劇。因為表面太光滑，存不住潤滑油，接觸面間不易形成油膜，容易發(fā)生分子粘結(jié)而加劇磨損。表面粗糙度的最佳值與機器零件的工作情況有關(guān)，載荷加大時，磨損曲線向上、向右移動，最佳表面粗糙度值也隨之右移。

二、表面質(zhì)量對零件使用性能的影響1．表面質(zhì)量對零件耐磨性的影響圖4－38表面粗糙度與初期磨損量的關(guān)系（2）表面層的冷作硬化對零件耐磨性的影響加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因為它使磨擦副表面層金屬的顯微硬度提高，塑性降低，減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和塑性變形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。這是因為過分的冷作硬化，將引起金屬組織過度“疏松”，在相對運動中可能會產(chǎn)生金屬剝落，在接觸面間形成小顆粒，使零件加速磨損。2．表面質(zhì)量對零件疲勞強度的影響（1）表面粗糙度對零件疲勞強度的影響

表面粗糙度越大，抗疲勞破壞的能力越差。

對承受交變載荷零件的疲勞強度影響很大。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。

表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲勞性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的紋痕越深，紋底半徑越小，其抗疲勞破壞的能力越差。（2）表面層冷作硬化與殘余應(yīng)力對零件疲勞強度的影響

適度的表面層冷作硬化能提高零件的疲勞強度。殘余應(yīng)力有拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之分，殘余拉應(yīng)力容易使已加工表面產(chǎn)生裂紋并使其擴展而降低疲勞強度殘余壓應(yīng)力則能夠部分地抵消工作載荷施加的拉應(yīng)力，延緩疲勞裂紋的擴展，從而提高零件的疲勞強度。3.表面質(zhì)量對零件工作精度的影響（1）表面粗糙度對零件配合精度的影響

表面粗糙度較大，則降低了配合精度。（2）表面殘余應(yīng)力對零件工作精度的影響

表面層有較大的殘余應(yīng)力，就會影響它們精度的穩(wěn)定性。4．表面質(zhì)量對零件耐腐蝕性能的影響（1）表面粗糙度對零件耐腐蝕性能的影響

零件表面越粗糙，越容易積聚腐蝕性物質(zhì)，凹谷越深，滲透與腐蝕作用越強烈。

因此減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能。（2）表面殘余應(yīng)力對零件耐腐蝕性能的影響

零件表面殘余壓應(yīng)力使零件表面緊密，腐蝕性物質(zhì)不易進入，可增強零件的耐腐蝕性，而表面殘余拉應(yīng)力則降低零件耐腐蝕性。

表面質(zhì)量對零件使用性能還有其它方面的影響：如減小表面粗糙度可提高零件的接觸剛度、密封性和測量精度；對滑動零件，可降低其摩擦系數(shù)，從而減少發(fā)熱和功率損失。表面質(zhì)量對零件使用性能的影響零件表面質(zhì)量粗糙度太大、太小都不耐磨適度冷硬能提高耐磨性對疲勞強度的影響對耐磨性影響對耐腐蝕性能的影響對工作精度的影響粗糙度越大，疲勞強度越差適度冷硬、殘余壓應(yīng)力能提高疲勞強度粗糙度越大、工作精度降低殘余應(yīng)力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蝕性越差壓應(yīng)力提高耐腐蝕性，拉應(yīng)力反之則降低耐腐蝕性三、影影響加加工表表面粗粗糙度度的主主要因因素及及其控控制機械加加工中中，表表面粗粗糙度度形成成的原原因大大致可可歸納納為幾幾何因因素和和物理理力學(xué)學(xué)因素素兩個個方面面。（一））切削削加工工表面面粗糙糙度1、幾幾何因因素刀尖圓圓弧半半徑rε主偏角角kr、副偏角角kr′進給量量f（圖4－－40）H=f/(cotκκr+cotκκr′)(8-1)H=f2/(8rε)(8-2)圖4－－40車車削、、刨削削時殘殘留面面積高高度2、物物理力力學(xué)因因素（1））工件件材料料的影影響韌性材材料：：工件件材料料韌性性愈好好，金金屬塑塑性變變形愈愈大，，加工工表面面愈粗粗糙。。故對中中碳鋼鋼和低低碳鋼鋼材料料的工工件，，為改改善切切削性性能，，減小小表面面粗糙糙度，，常在在粗加加工或或精加加工前前安排排正火火或調(diào)調(diào)質(zhì)處處理。。脆性材材料：：加工工脆性性材料料時，，其切切削呈呈碎粒粒狀，，由于于切屑屑的崩崩碎而而在加加工表表面留留下許許多麻麻點，，使表表面粗粗糙。。（2））切削削速度度的影影響加工塑塑性材材料時時，切切削速速度對對表面面粗糙糙度的的影響響（對對積屑屑瘤和和鱗刺刺的影影響））見如如圖4-41所示。。此外，，切削削速度度越高高，塑塑性變變形越越不充充分，，表面面粗糙糙度值值越小小選擇低低速寬寬刀精精切和和高速速精切切，可可以得得到較較小的的表面面粗糙糙度。。（4））其它它因素素的影影響此外，，合理理使用用冷卻卻潤滑滑液，，適當(dāng)當(dāng)增大大刀具具的前前角，，提高高刀具具的刃刃磨質(zhì)質(zhì)量等等，均均能有有效地地減小小表面面粗糙糙度值值。（3））進進給給量量的的影影響響減小小進進給給量量f固然然可可以以減減小小表表面面粗粗糙糙度度值值，，但但進給給量量過過小小，，表表面面粗粗糙糙度度會會有有增增大大的的趨趨勢勢。。圖4－－41加加工工塑塑性性材材料料時時切切削削速速度度對對表表面面粗粗糙糙度度的的影影響響影響切削削加工表表面粗糙糙度的因因素刀具幾何何形狀刀具材料料、刃磨磨質(zhì)量切削用量量工件材料料殘留面積↓→Ra↓前角↑→Ra↓后角↑→摩擦↓→Ra↓刃傾角會影響實際工作前角

v↑→Ra↓f↑→Ra↑ap對Ra影響不大，太小會打滑，劃傷已加工表面材料塑性↑→Ra↑同樣材料晶粒組織大↑→Ra↑，常用正火、調(diào)質(zhì)處理刀具材料強度↑→Ra↓刃磨質(zhì)量↑→Ra↓冷卻、潤滑↑→Ra↓影響切削削加工表表面粗糙糙度的因因素（二）磨磨削加工工表面粗粗糙度1、磨磨削中影影響粗糙糙度的幾幾何因素素工件的磨磨削表面面是由砂砂輪上大大量磨粒?？虅澇龀鰺o數(shù)極極細(xì)的刻刻痕形成成的，工工件單位位面積上上通過的的砂粒數(shù)數(shù)越多，，則刻痕痕越多，，刻痕的的等高性性越好，，表面粗粗糙度值值越小。。磨粒在砂砂輪上的的分布越越均勻、、磨粒越越細(xì)，刃刃口的等等高性越越好。則則砂輪單單位面積積上參加加磨削的的磨粒越越多，磨磨削表面面上的刻刻痕就越越細(xì)密均均勻，表表面粗糙糙度值就就越小。。（1）砂砂輪的磨磨粒砂輪轉(zhuǎn)速越高高，單位時間間內(nèi)通過被磨磨表面的磨粒粒數(shù)越多，表表面粗糙度值值就越小。工件轉(zhuǎn)速對表表面粗糙度值值的影響剛好好與砂輪轉(zhuǎn)速速的影響相反反。工件的轉(zhuǎn)速增增大，通過加加工表面的磨磨粒數(shù)減少，，因此表面粗粗糙度值增大大。砂輪的縱向進進給量小于砂砂輪的寬度時時，工件表面面將被重疊切切削，而被磨磨次數(shù)越多，，工件表面粗粗糙度值就越越小。（3）磨削用用量（2）砂輪修修整砂輪修整除了了使砂輪具有有正確的幾何何形狀外，更更重要的是使使砂輪工作表表面形成排列列整齊而又銳銳利的微刃（（圖4－47）。因此，砂砂輪修整的質(zhì)質(zhì)量對磨削表表面的粗糙度度影響很大。。圖4－47砂砂輪上的的磨粒2、磨削中中影響粗糙度度的物理因素素磨削速度比一一般切削速度度高得多，且且磨粒大多數(shù)數(shù)是負(fù)前角，，切削刃又不不銳利，大多多數(shù)磨粒在磨磨削過程中只只是對被加工工表面擠壓，，沒有切削作作用。加工表表面在多次擠擠壓下出現(xiàn)溝溝槽與隆起，，又由于磨削削時的高溫更更加劇了塑性性變形，故表表面粗糙度值值增大。（1）磨削削用量砂輪的轉(zhuǎn)速速↑→材料塑性變變形↓→表面粗糙度度值↓；磨削深度↑、工件速度↑→塑性變形↑→表面粗糙度度值↑；為提高磨削削效率，通通常在開始始磨削時采采用較大的的徑向進給給量，而在在磨削后期期采用較小小的徑向進進給量或無無進給量磨磨削，以減減小表面粗粗糙度值。。（2）工件件材料太硬易使磨磨粒磨鈍→Ra↑；太軟容易堵堵塞砂輪→Ra↑；韌性太大，，熱導(dǎo)率差差會使磨粒粒早期崩落落→Ra↑。。（2）砂輪輪粒度與硬硬度磨粒太細(xì)，，砂輪易被被磨屑堵塞塞，使表面面粗糙度值值增大，若若導(dǎo)熱情況況不好，還還會燒傷工工件表面。。砂輪太硬，，使表面粗粗糙度增大大；砂輪選得太太軟，使表表面粗糙度度值增大。。影響磨削加加工表面粗粗糙度的因因素粒度↓→Ra↓

金剛石筆鋒利↑，修正導(dǎo)程、徑向進給量↓→Ra↓磨粒等高性↑→Ra↓硬度↑→鈍化磨粒脫落↓→Ra↑硬度↓→磨粒脫落↑→Ra↑硬度合適、自勵性好↑→Ra↓太硬、太軟、韌性、導(dǎo)熱性差↑→Ra↓影響磨削加加工表面粗粗糙度的因因素砂輪粒度工件材料性性質(zhì)砂輪修正磨削用量砂輪硬度砂輪V↑→Ra↓ap、工件V↑→塑變↑→

Ra↑粗磨ap↑→生產(chǎn)率↑精磨ap↓→Ra↓(ap=0光磨)

四、影影響表面層層物理力學(xué)學(xué)性能的主要因素及及其控制影響表面層層物理力學(xué)學(xué)性能的主主要因素表面物理力力學(xué)性能影響金相組織變化因素影響顯微硬度因素影響殘余應(yīng)力因素塑變引起的冷硬金相組織變化引起的硬度變化冷塑性變形熱塑性變形金相組織變化切削熱1.表面面層的冷作作硬化（1）表表面層加工工硬化的產(chǎn)產(chǎn)生定義：機械加工時時，工件表表面層金屬屬受到切削削力的作用用產(chǎn)生強烈烈的塑性變變形，使晶晶格扭曲，，晶粒間產(chǎn)產(chǎn)生剪切滑滑移，晶粒粒被拉長、、纖維化甚甚至碎化，，從而使表表面層的強強度和硬度度增加，這這種現(xiàn)象稱稱為加工硬硬化，又稱稱冷作硬化化和強化。。（2）衡衡量表面層層加工硬化化的指標(biāo)衡量表面層層加工硬化化程度的指指標(biāo)有下列列三項：1）表面層層的顯微硬硬度HV；2）硬化層深度度h；3）硬化程度NN=(HV-HV0)/HV0×100％％（（8-3）式中HV0——工件原表面面層的顯微微硬度。（3）影響響表面層加加工硬化的的因素⑴刀具幾何何形狀的影影響切削刃rε↑、前角↓、后面磨損量VB↑→表層金屬的塑變加劇→冷硬↑⑵切削用量量的影響切削速度v↑→塑變↓→冷硬↓f↑→切削力↑→塑變↑→冷硬↑⑶工件材料料性能的影影響

材料塑性↑→冷硬↑2.表表面層殘余余應(yīng)力定義：機械加工中中工件表面面層組織發(fā)發(fā)生變化時時，在表面面層及其與與基體材料料的交界處處會產(chǎn)生互互相平衡的的彈性力。。這種應(yīng)力力即為表面面層的殘余余應(yīng)力。（1）表面面層殘余應(yīng)應(yīng)力的產(chǎn)生生1））冷態(tài)態(tài)塑塑變變工件表面受到擠壓與摩擦，表層產(chǎn)生伸長塑變，基體仍處于彈性變形狀態(tài)。切削后，表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而在里層產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力。2））熱熱態(tài)態(tài)塑塑變變表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力(其原理見圖)3））金金相相組組織織變變化化

比容大的組織→比容小的組織→體積收縮，產(chǎn)生拉應(yīng)力，反之，產(chǎn)生壓應(yīng)力。（密度小，比容大）圖切切削削熱熱在在表表層層金金屬屬產(chǎn)產(chǎn)生生殘殘余余拉拉應(yīng)應(yīng)力力的的示示意意圖圖機械械加加工工后后工工件件表表面面層層的的殘殘余余應(yīng)應(yīng)力力是是冷態(tài)態(tài)塑塑性性變變形形、、熱熱態(tài)態(tài)塑塑性性變變形形和和金金相相組組織織變變化化的的綜綜合合結(jié)結(jié)果果。。切削加工時起起主要作用的的往往是冷態(tài)態(tài)塑性變形，，表面層常產(chǎn)產(chǎn)生殘余壓縮縮應(yīng)力。磨削加工時起起主要作用的的通常是熱態(tài)態(tài)塑性變形或或金相組織變變化引起的體體積變化，表表面層常產(chǎn)生生殘余拉伸應(yīng)應(yīng)力。（2）磨削裂裂紋的產(chǎn)生磨削裂紋和殘殘余應(yīng)力有著著十分密切的的關(guān)系。在磨磨削過程中，，當(dāng)工件表面面層產(chǎn)生的殘殘余應(yīng)力超過過工件材料的的強度極限時時，工件表面面就會產(chǎn)生裂裂紋。磨削裂裂紋常與燒傷傷同時出現(xiàn)。。（3）影響表表面殘余應(yīng)力力的主要因素素切削加工中，，由于切削熱熱的作用，在在工件的加工工區(qū)及其鄰近近區(qū)域產(chǎn)生了了一定的溫升升。定義：磨削加工時，，表面層有很很高的溫度，，當(dāng)溫度達(dá)到到相變臨界點點時，表層金金屬就發(fā)生金金相組織變化化，強度和硬硬度降低、產(chǎn)產(chǎn)生殘余應(yīng)力力、甚至出現(xiàn)現(xiàn)微觀裂紋。。這種現(xiàn)象稱稱為磨削燒傷傷。淬火鋼在磨削削時，由于磨磨削條件不同同，產(chǎn)生的磨磨削燒傷有三三種形式。三、表面層金金相組織變化化與磨削燒傷傷1.表面層金金相組織變化化與磨削燒傷傷的產(chǎn)生淬火燒傷回火燒傷退火燒傷磨削時工件表表面溫度超過過相變臨界溫度Ac3時，則馬氏體體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏氏體。在冷卻液作用下下，工件最外外層金屬會出出現(xiàn)二次淬火馬氏體體組織。其硬硬度比原來的的回火馬氏體高，但但很薄，其下下為硬度較低低的回火索氏氏體和和屈氏氏體。。由于于二次次淬火火層極極薄，，表面層層總的的硬度度是降降低的的，這這種現(xiàn)現(xiàn)象稱稱為淬火燒燒傷。。磨削時時，如如果工工件表表面層層溫度度只是超過過原來來的回回火溫溫度，，則表表層原原來的回火火馬氏氏體組組織將將產(chǎn)生生回火火現(xiàn)象象而轉(zhuǎn)變?yōu)闉橛捕榷容^低低的回回火組組織（（索氏氏體或屈氏氏體）），這這種現(xiàn)現(xiàn)象稱稱為回回火燒燒傷。。磨削時時，當(dāng)當(dāng)工件件表面面層溫溫度超超過相變臨臨界溫溫度Ac3時，則則馬氏氏體轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏氏體。。若此此時無無冷卻卻液，，表層層金屬空冷冷冷卻卻比較較緩慢慢而形形成退退火組組織。。硬度和和強度度均大大幅度度下降降。這這種現(xiàn)現(xiàn)象稱為退退火燒燒傷。。2.磨磨削削燒傷傷的三三種形形式磨削用用量砂輪與與工件件材料料改善冷冷卻條條件1）砂砂輪轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速↑→→磨削燒燒傷↑↑2）徑向進進給量量fp↑→磨削燒燒傷↑↑3）軸向進進給量量fa↑→磨削燒燒傷↓↓4）工工件速速度vw↑→磨削燒燒傷↓↓1)磨磨削時時，砂砂輪表表面上上磨粒粒的切切削刃刃口鋒利利↑→→磨削削力↓↓→磨磨削區(qū)區(qū)的溫溫度↓↓2)磨磨削導(dǎo)導(dǎo)熱性性差的的材料料(耐耐熱鋼鋼、軸軸承鋼、不不銹鋼鋼)↓↓→磨磨削燒燒傷↑↑3)應(yīng)應(yīng)合理理選擇擇砂輪輪的硬硬度、、結(jié)合合劑和和組織→→磨削削燒傷傷↓采用內(nèi)內(nèi)冷卻卻法→磨削削燒傷傷↓圖3.影影響磨磨削燒燒傷的的因素素及改改善途途徑采用開開槽砂砂輪間斷磨磨削→→受熱熱↓→磨削削燒傷傷↓圖圖內(nèi)內(nèi)冷卻卻裝置置1－錐錐形蓋蓋2－－通道道孔3－砂砂輪中中心孔孔4－有有徑向向小孔孔的薄薄壁套套圖開開槽砂砂輪a）槽均勻勻分布布b）槽均勻分分布第四節(jié)提提高高表面層層物理力力學(xué)性能能的加工工方法1．滾壓壓加工滾壓加工工是利用用經(jīng)過淬淬火和精精細(xì)研磨磨過的滾滾輪或滾滾珠，在在常溫狀狀態(tài)下對對金屬表表面進行行擠壓，，使受壓壓點產(chǎn)生生彈性和和塑性變變形，表表層的凸凸起部分分向下壓壓，凹下下部分向向上擠，，逐漸將將前工序序留下的的波峰壓壓平，降降低了表表面粗糙糙度；同同時它還還能使工工件表面面產(chǎn)生硬硬化層和和殘余壓壓應(yīng)力。。因此提提高了零零件的承承載能力力和疲勞勞強度。。滾壓加工工可以加加工外圓圓、孔、、平面及及成型表表面，通通常在普普通車床床、轉(zhuǎn)塔塔車床或或自動車車床上進進行。如如圖為典型的的滾壓加加工示意意圖。圖滾滾壓壓加工原原理2.噴噴丸強化化噴丸強化化是利用用大量快快速運動動的珠丸丸打擊被被加工工工件表面面，使工工件表面面產(chǎn)生冷冷硬層和和壓縮殘殘余應(yīng)力力，如圖圖8-13所示示為珠丸丸擠壓工工件表面面的狀態(tài)態(tài),可可顯著提提高零件件的疲勞勞強度。。珠丸可以是是鑄鐵的，，也可以是是切成小段段的鋼絲（（使用一段段時間后，，自然變成成球狀）。。對于鋁質(zhì)質(zhì)工件，為為避免表面面殘留鐵質(zhì)質(zhì)微粒而引引起電解腐腐蝕，宜采采用鋁丸或或玻璃丸。。珠丸的直直徑一般為為0.2~4mm，對于尺寸較較小、表面面粗糙度值值較小的工工件，采用用直徑較小小的珠丸。。噴丸強化主主要用于強強化形狀復(fù)復(fù)雜或不宜宜用其它方方法強化的的工件，如如板彈簧、、螺旋彈簧簧、連桿、、齒輪、焊焊縫等。經(jīng)經(jīng)噴丸加工工后的表面面，硬化層層深度可達(dá)達(dá)0.7mm，零件表面粗粗糙度值可可由Ra5~2.5μm減小到Ra0.63~0.32μm，可幾倍甚至至幾十倍地地提高零件件的使用壽壽命。第五節(jié)機機械加工工中的振動動振動會在工工件加工表表面出現(xiàn)振振紋，降低低了工件的的加工精度度和表面質(zhì)質(zhì)量；振動動會會引引起起刀刀具具崩崩刃刃打打刀刀現(xiàn)現(xiàn)象象并并加加速速刀刀具具或或砂砂輪輪的的磨磨損損；；振動動使使機機床床連連接接部部分分松松動動，，影影響響運運動動副副的的工工作作性性能能，，并并導(dǎo)導(dǎo)致致機機床床喪喪失失精精度度；；強烈烈的的振振動動及及伴伴隨隨而而來來的的噪噪聲聲，，還還會會污污染染環(huán)環(huán)境境，，危危害害操操作作者者的的身身心心健健康康。。為為減減小小加加工工過過程程中中的的振振動動，，有有時時不不得得不不降降低低切切削削用用量量，，使使機機械械加加工工生生產(chǎn)產(chǎn)率率降降低低。。一、、機機械械加加工工中中的的振振動動現(xiàn)現(xiàn)象象1、、振振動動對對機機械械加加工工的的影影響響機械械加加工工中中振振動動的的種種類類及及其其主主要要特特點點機械械加加工工振振動動自激振動自由振動強迫振動當(dāng)系統(tǒng)受到初初始干擾力激激勵破壞了其平衡狀狀態(tài)后，系統(tǒng)統(tǒng)僅靠彈性恢復(fù)力來來維持的振動動稱為自由振動。由由于總存在阻阻尼，自由振動將逐逐漸衰減，如如圖8-14a所示。(占5%)系統(tǒng)在周期性性激振力(干干擾力)持續(xù)作用下產(chǎn)生生的振動，稱稱為強迫振動。強迫振振動的穩(wěn)態(tài)過過程是諧振動，只要有有激振力存在在振動系統(tǒng)就不會被阻阻尼衰減掉。。如圖8-14b所示。(占35%)在沒有周期性性干擾力作用用的情況下，由振動動系統(tǒng)本身產(chǎn)產(chǎn)生的交變力所激發(fā)發(fā)和維持的振振動，稱為自激振動動。切削過程程中產(chǎn)生的自激振動動也稱為顫振振。(占65%)一）強迫振動的振源系統(tǒng)外部的周周期性干擾力力旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)質(zhì)量偏心傳動機構(gòu)的缺缺陷切削過程的間間隙特性二、機械加工工中的強迫振振動與控制二）強迫振動的數(shù)學(xué)描述及特性1、動力學(xué)模型的建立幾點假設(shè)：1）（a）只有質(zhì)量、沒沒有彈性的集集中質(zhì)量，（（b）只有彈彈性、、沒有有質(zhì)量量的集集中彈彈簧；；2）阻尼力力在線線性范范圍內(nèi)內(nèi)，即即：3）系系統(tǒng)在在平衡衡位置置附近近作微微小的的振動動（圖1示示）圖1內(nèi)內(nèi)圓圓磨磨削削振振動動系系統(tǒng)統(tǒng)a)模型型示示意意圖圖b））動力力學(xué)學(xué)模模型型c））受力力圖圖根據(jù)據(jù)牛牛頓頓運運動動規(guī)規(guī)律律建建立立微微分分方方程程：：式中α—衰減系數(shù)數(shù)，ω0—系統(tǒng)無阻阻尼振動動時的固固有頻率率，ω—激振力頻頻率該式是一一個二階階常系數(shù)數(shù)線性非非齊次微微分方程程。根據(jù)據(jù)微分方程理論，當(dāng)當(dāng)系統(tǒng)為小阻阻尼時，它的的解由令而得到的齊次方程的通通解和非齊次次方程的一個個特解組成：：a）有阻尼的自由由振動b）強迫振動c）有阻尼的自由由振動和強迫振動的的合成進入穩(wěn)態(tài)后的的振動方程為為：式中A—強迫振動的幅幅值；φ—振動體位移相相對于激振力力的相位角；；t—時間其中強迫振動動的振幅為：：相位角為：式中f—f=F/m；A0—系統(tǒng)在靜力F作用下的靜位位移（m)k—系統(tǒng)的靜剛度度（N/m）；λ—頻率比，λ＝ω/ω0ζ—阻尼比，δc—臨界阻尼系數(shù)數(shù)，1）強迫振動動是由周期性性激振力引起起的，不會被被阻尼衰減掉掉，振動本身身也不能使激激振力變化。。2）強迫振動動的振動頻率率與外界激振振力的頻率相相同，而與系系統(tǒng)的固有頻頻率無關(guān)。3）強迫振動的幅幅值既與激振振力的幅值有有關(guān)，又與工工藝系統(tǒng)的特特性有關(guān)。①激振力的的影響。A0=F/k2、強迫振動的特征Ⅰ）當(dāng)λ→0時，η→1，λ＜0.6～0.7，準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)，在在該區(qū)增加系系統(tǒng)靜剛度，，可減小振動動。Ⅱ）當(dāng)λ→1時，η會急劇增大，，此現(xiàn)象稱為為共振，0.7＜λ＜1.4的區(qū)域稱為共共振區(qū)，在該該區(qū)增大阻尼尼→共振↓Ⅲ）當(dāng)λ＞＞1時，η→0，λ＞1.4區(qū)域稱稱為慣性區(qū)，，在該區(qū)增加加振動體的質(zhì)質(zhì)量，可減小小振動振幅。。②頻率比λ的影響（圖示）三、減小強迫振動的措施減小激振力調(diào)整振源頻率率提高工藝系統(tǒng)統(tǒng)的剛度和阻尼采取隔振措施施采用減振裝置置。3、振動系統(tǒng)的動剛度當(dāng)系統(tǒng)在周期期性動載荷作作用下，交變變力的幅值與與振幅（動態(tài)態(tài)位移）之比比稱為系統(tǒng)的的動剛度。即即：靜剛度k=F/A0是工藝系統(tǒng)本本身的屬性，，在線性范圍圍內(nèi)，可以認(rèn)認(rèn)為它與外載載荷無關(guān)，動動剛度kd除與k成正比外，還還與系統(tǒng)阻尼尼、頻率比ζ有關(guān)。靜剛度度影響工件的的幾何形狀及及尺寸精度，，動剛度影響響工件的表面面粗糙度。三、機械加工工中的自激振振動與控制1．自激振動的產(chǎn)生及特征在實際加工過過程中，由于于偶然的外界界干擾（如工工件材料硬度度不均、加工工余量有變化化等），會使使切削力發(fā)生生變化，從而而使工藝系統(tǒng)統(tǒng)產(chǎn)生自由振振動。系統(tǒng)的的振動必然會會引起工件、、刀具間的相相對位置發(fā)生生周期性變化化，這一變化化若又引起切切削力的波動動，則使工藝藝系統(tǒng)產(chǎn)生振振動。因此通通常將自激振振動看成是由由振動系統(tǒng)（（工藝系統(tǒng)））和調(diào)節(jié)系統(tǒng)統(tǒng)（切削過程程）兩個環(huán)節(jié)節(jié)組成的一個個閉環(huán)系統(tǒng)，，如圖所示。激勵工藝系統(tǒng)統(tǒng)產(chǎn)生振動運運動的交變力力是由切削過程本身身產(chǎn)生的，而切切削過程同時時又受工藝系系統(tǒng)的振動的的控制，工藝藝系統(tǒng)的振動動一旦停止，，動態(tài)切削力力也就隨之消消失。圖自激振振動系統(tǒng)的組組成（2）自激振振動的特征自激振動特點不衰減的振動它由振動過程程本身引起切削力周期性性變化，從不具備交變特特性的能源中周期獲得能能量，使振動得以維持。。自激振動由振振動系統(tǒng)本身參數(shù)決定，，與強迫振動顯著不同。。自由振動受阻尼作用將將迅速衰減，，而自激振動不不會因阻尼存在而衰減。。自激振動的頻頻率接近于系系統(tǒng)的固有頻率，，即顫振頻率率取決于振動系統(tǒng)統(tǒng)的固有特性性。這與自由振動動相似，而與與強迫振動根本不不同E

A1A0A2AE-E+f自=f固取決于一周期獲得的能量取決于切削過程本身如圖2a所示為單自由由度機械加工工振動模型。。設(shè)工件系統(tǒng)統(tǒng)為絕對剛體體，振動系統(tǒng)統(tǒng)與刀架相連連，且只在y方向作單自由由度振動。在背向力Fp作用下，刀具具作切入、切切出運動（振振動）。刀架振動系統(tǒng)統(tǒng)同時還有F彈作用在它上面面。y越大，F(xiàn)彈也越大，當(dāng)Fp=F彈時，刀架的振振動停止。對上述振動系系統(tǒng)而言，背向力Fp是外力，F(xiàn)p對振動系統(tǒng)作作功如圖2b所示。刀具切入，其其運動方向與與背向力方向向相反，作負(fù)負(fù)功；即振動動系統(tǒng)要消耗耗能量W振入；刀具切出，其其運動方向與與背向力方向向相同，作正正功；即振動動系統(tǒng)要吸收收能量W振出；2．產(chǎn)生自自激振動的的條件圖2單單自由由度機械加加工振動模模型a）振動模型b）力與位移的的關(guān)系圖（1）當(dāng)W振出<W振入時，由于刀架振振動系統(tǒng)吸吸收的能量量小于消耗耗的能量，故不會產(chǎn)生生自激振動動。（2）當(dāng)W振出=W振入時，因?qū)嶋H機械械加工系統(tǒng)統(tǒng)中存在阻阻尼，刀架系統(tǒng)在在振入過程程中，為克服阻尼尼還需消耗耗能量W摩阻（振入入），故刀架振動動系統(tǒng)每振振動一次，刀架系統(tǒng)便便會損失一一部分能量量。因此，刀架架系統(tǒng)也不不會有自激激振動產(chǎn)生生。（3）當(dāng)W振出>W振入時，刀架振動系系統(tǒng)將有持持續(xù)的自激激振動產(chǎn)生生。三種情況：：①W振出=W振入+W摩阻（振入入）時，系統(tǒng)有有穩(wěn)幅的自自激振動；；②W振出＞W(wǎng)振入+W摩阻（振入入）時，系統(tǒng)為為振幅遞增增的自激振動，至一一定程度，，系統(tǒng)有穩(wěn)穩(wěn)幅的自激激振動；③W振出＜W振入+W摩阻（振入入）時，系統(tǒng)為為振幅遞減減的自激振動，至一一定程度，，系統(tǒng)有穩(wěn)穩(wěn)幅的自激激振動；故振動系統(tǒng)統(tǒng)產(chǎn)生自激激振動的基基本條件是是：W振出>W振入或FP振出>FP振入2．產(chǎn)生自自激振動的的學(xué)說（1）再生顫振1）再生顫顫振原理如圖3a)所示，車刀刀只做橫向向進給。在穩(wěn)定的切切削過程中中，刀架系系統(tǒng)因材料料的硬點，，加工余量量不均勻，，或其它原原因的沖擊擊等，受到到偶然的擾擾動。刀架架系統(tǒng)因此此產(chǎn)生了一一次自由振振動，并在在被加工表表面留下相相應(yīng)的振紋紋。當(dāng)工工件件轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過過一一轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)后后，，刀刀具具要要在在留留有有振振紋紋的的表表面面上上切切削削，，因因切切削削厚厚度度發(fā)發(fā)生生了了變變化化，，所所以以引引起起了了切切削削力力周周期期性性的的變變化化。。產(chǎn)產(chǎn)生生動動態(tài)態(tài)切切削削力力。。將這這種種由由于于切切削削厚厚度度的的變變化化而而引引起起的的自自激激振振動動，，稱稱為為““再再生生顫顫振振””。。圖3自自由由正正交交切切削削時時再再生生顫顫振振的的產(chǎn)產(chǎn)生生2））再再生生顫顫振振產(chǎn)產(chǎn)生生的的條條件件圖4表示示了了四四種種情情況況。。圖圖中中實實線線表表示示前前一一轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)切切削削的的工工件件表表面面振振紋紋，，虛虛線線表表示示后后一一轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)切切削削的的表表面面。。結(jié)論論：：在在再再生生顫顫振振中中，，只只有有當(dāng)當(dāng)后一一轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的的振振紋紋的的相相位位滯滯后后于于前前一一轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)振振紋紋時時才有可能能產(chǎn)生再再生顫振振。a）前后兩轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的振紋紋沒有相相位差（（ψ=0）圖4ab）前后兩轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的振紋紋相位差差為ψ=π圖4bc）后一轉(zhuǎn)的的振紋相相位超前前，0<ψ<π圖4cd）后一轉(zhuǎn)的的振紋相相位滯后后，即0>ψ>-ππ圖4d圖4再再生生顫振時時振紋相相位角與與平均切切削厚度度的關(guān)系系a）ψ=0b）ψ=πc））0<ψ<πd）0>ψ>-π一般0＜μ＜1，徑向切入入μ=1（切槽、鉆鉆、端銑銑等）橫向切削削0