機(jī)械加工表面質(zhì)量

關(guān)于機(jī)械加工表面質(zhì)量零件表面質(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）第2頁,共73頁，2024年2月25日，星期天

（1）表面粗糙度對(duì)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(shí)際壓強(qiáng)增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、擠裂、切斷，故磨損加劇；表面粗糙度太小，也會(huì)導(dǎo)致磨損加劇。因?yàn)楸砻嫣饣娌蛔?rùn)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(jī)器零件的工作情況有關(guān)，載荷加大時(shí)，磨損曲線向上、向右移動(dòng)，最佳表面粗糙度值也隨之右移。

二、表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響1．表面質(zhì)量對(duì)零件耐磨性的影響第3頁,共73頁，2024年2月25日，星期天圖4－38表面粗糙度與初期磨損量的關(guān)系第4頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（2）表面層的冷作硬化對(duì)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?yàn)樗鼓ゲ粮北砻鎸咏饘俚娘@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?yàn)檫^分的冷作硬化，將引起金屬組織過度“疏松”，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中可能會(huì)產(chǎn)生金屬剝落，在接觸面間形成小顆粒，使零件加速磨損。第5頁,共73頁，2024年2月25日，星期天2．表面質(zhì)量對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響（1）表面粗糙度對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響

表面粗糙度越大，抗疲勞破壞的能力越差。

對(duì)承受交變載荷零件的疲勞強(qiáng)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。第6頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（2）表面層冷作硬化與殘余應(yīng)力對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響

適度的表面層冷作硬化能提高零件的疲勞強(qiáng)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(kuò)展而降低疲勞強(qiáng)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(kuò)展，從而提高零件的疲勞強(qiáng)度。第7頁,共73頁，2024年2月25日，星期天3.表面質(zhì)量對(duì)零件工作精度的影響（1）表面粗糙度對(duì)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(duì)零件工作精度的影響

表面層有較大的殘余應(yīng)力，就會(huì)影響它們精度的穩(wěn)定性。第8頁,共73頁，2024年2月25日，星期天4．表面質(zhì)量對(duì)零件耐腐蝕性能的影響（1）表面粗糙度對(duì)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(qiáng)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(duì)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(jìn)入，可增強(qiáng)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(duì)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(cè)量精度；對(duì)滑動(dòng)零件，可降低其摩擦系數(shù)，從而減少發(fā)熱和功率損失。第9頁,共73頁，2024年2月25日，星期天表面質(zhì)量對(duì)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(duì)疲勞強(qiáng)度的影響對(duì)耐磨性影響對(duì)耐腐蝕性能的影響對(duì)工作精度的影響粗糙度越大，疲勞強(qiáng)度越差適度冷硬、殘余壓應(yīng)力能提高疲勞強(qiáng)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第10頁,共73頁，2024年2月25日，星期天三、影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制機(jī)械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可歸納為幾何因素和物理力學(xué)因素兩個(gè)方面。（一）切削加工表面粗糙度1、幾何因素刀尖圓弧半徑rε主偏角kr、副偏角kr′進(jìn)給量f（圖4－40）H=f/(cotκr+cotκr′)(8-1)H=f2/(8rε)(8-2)第11頁,共73頁，2024年2月25日，星期天圖4－40車削、刨削時(shí)殘留面積高度第12頁,共73頁，2024年2月25日，星期天2、物理力學(xué)因素（1）工件材料的影響韌性材料：工件材料韌性愈好，金屬塑性變形愈大，加工表面愈粗糙。故對(duì)中碳鋼和低碳鋼材料的工件，為改善切削性能，減小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或調(diào)質(zhì)處理。脆性材料：加工脆性材料時(shí)，其切削呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點(diǎn)，使表面粗糙。第13頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（2）切削速度的影響加工塑性材料時(shí)，切削速度對(duì)表面粗糙度的影響（對(duì)積屑瘤和鱗刺的影響）見如圖4-41所示。此外，切削速度越高，塑性變形越不充分，表面粗糙度值越小選擇低速寬刀精切和高速精切，可以得到較小的表面粗糙度。

（4）其它因素的影響

此外，合理使用冷卻潤(rùn)滑液，適當(dāng)增大刀具的前角，提高刀具的刃磨質(zhì)量等，均能有效地減小表面粗糙度值。（3）進(jìn)給量的影響

減小進(jìn)給量f固然可以減小表面粗糙度值，但進(jìn)給量過小，表面粗糙度會(huì)有增大的趨勢(shì)。第14頁,共73頁，2024年2月25日，星期天圖4－41加工塑性材料時(shí)切削速度對(duì)表面粗糙度的影響第15頁,共73頁，2024年2月25日，星期天影響切削加工表面粗糙度的因素刀具幾何形狀刀具材料、刃磨質(zhì)量切削用量工件材料殘留面積↓→Ra↓前角↑→Ra↓后角↑→摩擦↓→Ra↓刃傾角會(huì)影響實(shí)際工作前角

v↑→Ra↓f↑→Ra↑ap對(duì)Ra影響不大，太小會(huì)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(qiáng)度↑→Ra↓刃磨質(zhì)量↑→Ra↓冷卻、潤(rùn)滑↑→Ra↓影響切削加工表面粗糙度的因素第16頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（二）磨削加工表面粗糙度1、磨削中影響粗糙度的幾何因素工件的磨削表面是由砂輪上大量磨?？虅澇鰺o數(shù)極細(xì)的刻痕形成的，工件單位面積上通過的砂粒數(shù)越多，則刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。

磨粒在砂輪上的分布越均勻、磨粒越細(xì)，刃口的等高性越好。則砂輪單位面積上參加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越細(xì)密均勻，表面粗糙度值就越小。（1）砂輪的磨粒第17頁,共73頁，2024年2月25日，星期天砂輪轉(zhuǎn)速越高，單位時(shí)間內(nèi)通過被磨表面的磨粒數(shù)越多，表面粗糙度值就越小。工件轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度值的影響剛好與砂輪轉(zhuǎn)速的影響相反。工件的轉(zhuǎn)速增大，通過加工表面的磨粒數(shù)減少，因此表面粗糙度值增大。砂輪的縱向進(jìn)給量小于砂輪的寬度時(shí)，工件表面將被重疊切削，而被磨次數(shù)越多，工件表面粗糙度值就越小。（3）磨削用量（2）砂輪修整

砂輪修整除了使砂輪具有正確的幾何形狀外，更重要的是使砂輪工作表面形成排列整齊而又銳利的微刃（圖4－47）。因此，砂輪修整的質(zhì)量對(duì)磨削表面的粗糙度影響很大。第18頁,共73頁，2024年2月25日，星期天圖4－47砂輪上的磨粒第19頁,共73頁，2024年2月25日，星期天2、磨削中影響粗糙度的物理因素磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多數(shù)是負(fù)前角，切削刃又不銳利，大多數(shù)磨粒在磨削過程中只是對(duì)被加工表面擠壓，沒有切削作用。加工表面在多次擠壓下出現(xiàn)溝槽與隆起，又由于磨削時(shí)的高溫更加劇了塑性變形，故表面粗糙度值增大。（1）磨削用量

砂輪的轉(zhuǎn)速↑

→材料塑性變形↓

→表面粗糙度值↓；磨削深度↑、工件速度↑

→塑性變形↑

→表面粗糙度值↑；為提高磨削效率，通常在開始磨削時(shí)采用較大的徑向進(jìn)給量，而在磨削后期采用較小的徑向進(jìn)給量或無進(jìn)給量磨削，以減小表面粗糙度值。第20頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（2）工件材料太硬易使磨粒磨鈍→Ra↑；太軟容易堵塞砂輪→Ra↑；韌性太大，熱導(dǎo)率差會(huì)使磨粒早期崩落→Ra↑。（2）砂輪粒度與硬度磨粒太細(xì)，砂輪易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，若導(dǎo)熱情況不好，還會(huì)燒傷工件表面。砂輪太硬，使表面粗糙度增大；砂輪選得太軟，使表面粗糙度值增大。第21頁,共73頁，2024年2月25日，星期天影響磨削加工表面粗糙度的因素粒度↓→Ra↓

金剛石筆鋒利↑，修正導(dǎo)程、徑向進(jìn)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(lì)性好↑→Ra↓太硬、太軟、韌性、導(dǎo)熱性差↑→Ra↓影響磨削加工表面粗糙度的因素砂輪粒度工件材料性質(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)

第22頁,共73頁，2024年2月25日，星期天四、影響表面層物理力學(xué)性能的主要因素及其控制影響表面層物理力學(xué)性能的主要因素表面物理力學(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第23頁,共73頁，2024年2月25日，星期天1.表面層的冷作硬化（1）表面層加工硬化的產(chǎn)生定義：機(jī)械加工時(shí)，工件表面層金屬受到切削力的作用產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，使晶格扭曲，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，晶粒被拉長(zhǎng)、纖維化甚至碎化，從而使表面層的強(qiáng)度和硬度增加，這種現(xiàn)象稱為加工硬化，又稱冷作硬化和強(qiáng)化。第24頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（2）衡量表面層加工硬化的指標(biāo)衡量表面層加工硬化程度的指標(biāo)有下列三項(xiàng)：1）表面層的顯微硬度HV；2）硬化層深度h；3）硬化程度NN=(HV-HV0)/HV0×100％（8-3）式中HV0——工件原表面層的顯微硬度。第25頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（3）影響表面層加工硬化的因素

⑴刀具幾何形狀的影響切削刃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工件材料性能的影響

材料塑性↑→冷硬↑第26頁,共73頁，2024年2月25日，星期天2.表面層殘余應(yīng)力定義：

機(jī)械加工中工件表面層組織發(fā)生變化時(shí)，在表面層及其與基體材料的交界處會(huì)產(chǎn)生互相平衡的彈性力。這種應(yīng)力即為表面層的殘余應(yīng)力。第27頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（1）表面層殘余應(yīng)力的產(chǎn)生1）冷態(tài)塑變工件表面受到擠壓與摩擦，表層產(chǎn)生伸長(zhǎng)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）熱態(tài)塑變表層產(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）金相組織變化

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）第28頁,共73頁，2024年2月25日，星期天圖切削熱在表層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的示意圖第29頁,共73頁，2024年2月25日，星期天

機(jī)械加工后工件表面層的殘余應(yīng)力是冷態(tài)塑性變形、熱態(tài)塑性變形和金相組織變化的綜合結(jié)果。切削加工時(shí)起主要作用的往往是冷態(tài)塑性變形，表面層常產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力。磨削加工時(shí)起主要作用的通常是熱態(tài)塑性變形或金相組織變化引起的體積變化，表面層常產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力。（2）磨削裂紋的產(chǎn)生

磨削裂紋和殘余應(yīng)力有著十分密切的關(guān)系。在磨削過程中，當(dāng)工件表面層產(chǎn)生的殘余應(yīng)力超過工件材料的強(qiáng)度極限時(shí)，工件表面就會(huì)產(chǎn)生裂紋。磨削裂紋常與燒傷同時(shí)出現(xiàn)。

（3）影響表面殘余應(yīng)力的主要因素第30頁,共73頁，2024年2月25日，星期天切削加工中，由于切削熱的作用，在工件的加工區(qū)及其鄰近區(qū)域產(chǎn)生了一定的溫升。

定義：磨削加工時(shí)，表面層有很高的溫度，當(dāng)溫度達(dá)到相變臨界點(diǎn)時(shí)，表層金屬就發(fā)生金相組織變化，強(qiáng)度和硬度降低、產(chǎn)生殘余應(yīng)力、甚至出現(xiàn)微觀裂紋。這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。淬火鋼在磨削時(shí)，由于磨削條件不同，產(chǎn)生的磨削燒傷有三種形式。三、表面層金相組織變化與磨削燒傷1.表面層金相組織變化與磨削燒傷的產(chǎn)生第31頁,共73頁，2024年2月25日，星期天

淬火燒傷回火燒傷退火燒傷磨削時(shí)工件表面溫度超過相變臨界溫度Ac3時(shí)，則馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在冷卻液作用下，工件最外層金屬會(huì)出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織。其硬度比原來的回火馬氏體高，但很薄，其下為硬度較低的回火索氏體和屈氏體。由于二次淬火層極薄，表面層總的硬度是降低的，這種現(xiàn)象稱為淬火燒傷。磨削時(shí)，如果工件表面層溫度只是超過原來的回火溫度，則表層原來的回火馬氏體組織將產(chǎn)生回火現(xiàn)象而轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕容^低的回火組織（索氏體或屈氏體），這種現(xiàn)象稱為回火燒傷。磨削時(shí)，當(dāng)工件表面層溫度超過相變臨界溫度Ac3時(shí)，則馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。若此時(shí)無冷卻液，表層金屬空冷冷卻比較緩慢而形成退火組織。硬度和強(qiáng)度均大幅度下降。這種現(xiàn)象稱為退火燒傷。2.磨削燒傷的三種形式第32頁,共73頁，2024年2月25日，星期天磨削用量砂輪與工件材料改善冷卻條件1）砂輪轉(zhuǎn)速↑→

磨削燒傷↑2）徑向進(jìn)給量fp↑→

磨削燒傷↑3）

軸向進(jìn)給量fa↑→磨削燒傷↓4）工件速度vw↑→磨削燒傷↓1)磨削時(shí)，砂輪表面上磨粒的切削刃口鋒利↑→磨削力↓→磨削區(qū)的溫度↓2)磨削導(dǎo)熱性差的材料(耐熱鋼、軸承鋼、不銹鋼)↓→磨削燒傷↑3)應(yīng)合理選擇砂輪的硬度、結(jié)合劑和組織→磨削燒傷↓采用內(nèi)冷卻法→磨削燒傷↓圖3.影響磨削燒傷的因素及改善途徑采用開槽砂輪間斷磨削→受熱↓→磨削燒傷↓圖第33頁,共73頁，2024年2月25日，星期天圖內(nèi)冷卻裝置1－錐形蓋2－通道孔3－砂輪中心孔4－有徑向小孔的薄壁套第34頁,共73頁，2024年2月25日，星期天圖開槽砂輪

a）槽均勻分布b）槽均勻分布

第35頁,共73頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)提高表面層物理力學(xué)性能的加工方法1．滾壓加工

滾壓加工是利用經(jīng)過淬火和精細(xì)研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)下對(duì)金屬表面進(jìn)行擠壓，使受壓點(diǎn)產(chǎn)生彈性和塑性變形，表層的凸起部分向下壓，凹下部分向上擠，逐漸將前工序留下的波峰壓平，降低了表面粗糙度；同時(shí)它還能使工件表面產(chǎn)生硬化層和殘余壓應(yīng)力。因此提高了零件的承載能力和疲勞強(qiáng)度。滾壓加工可以加工外圓、孔、平面及成型表面，通常在普通車床、轉(zhuǎn)塔車床或自動(dòng)車床上進(jìn)行。如圖為典型的滾壓加工示意圖。第36頁,共73頁，2024年2月25日，星期天圖滾壓加工原理第37頁,共73頁，2024年2月25日，星期天2.噴丸強(qiáng)化

噴丸強(qiáng)化是利用大量快速運(yùn)動(dòng)的珠丸打擊被加工工件表面，使工件表面產(chǎn)生冷硬層和壓縮殘余應(yīng)力，如圖8-13所示為珠丸擠壓工件表面的狀態(tài),可顯著提高零件的疲勞強(qiáng)度。

珠丸可以是鑄鐵的，也可以是切成小段的鋼絲（使用一段時(shí)間后，自然變成球狀）。對(duì)于鋁質(zhì)工件，為避免表面殘留鐵質(zhì)微粒而引起電解腐蝕，宜采用鋁丸或玻璃丸。珠丸的直徑一般為0.2~4mm，對(duì)于尺寸較小、表面粗糙度值較小的工件，采用直徑較小的珠丸。噴丸強(qiáng)化主要用于強(qiáng)化形狀復(fù)雜或不宜用其它方法強(qiáng)化的工件，如板彈簧、螺旋彈簧、連桿、齒輪、焊縫等。經(jīng)噴丸加工后的表面，硬化層深度可達(dá)0.7mm，零件表面粗糙度值可由Ra5~2.5μm減小到Ra0.63~0.32μm，可幾倍甚至幾十倍地提高零件的使用壽命。第38頁,共73頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)機(jī)械加工中的振動(dòng)振動(dòng)會(huì)在工件加工表面出現(xiàn)振紋，降低了工件的加工精度和表面質(zhì)量；振動(dòng)會(huì)引起刀具崩刃打刀現(xiàn)象并加速刀具或砂輪的磨損；振動(dòng)使機(jī)床連接部分松動(dòng)，影響運(yùn)動(dòng)副的工作性能，并導(dǎo)致機(jī)床喪失精度；強(qiáng)烈的振動(dòng)及伴隨而來的噪聲，還會(huì)污染環(huán)境，危害操作者的身心健康。為減小加工過程中的振動(dòng)，有時(shí)不得不降低切削用量，使機(jī)械加工生產(chǎn)率降低。一、機(jī)械加工中的振動(dòng)現(xiàn)象1、振動(dòng)對(duì)機(jī)械加工的影響第39頁,共73頁，2024年2月25日，星期天機(jī)械加工中振動(dòng)的種類及其主要特點(diǎn)機(jī)械加工振動(dòng)自激振動(dòng)自由振動(dòng)強(qiáng)迫振動(dòng)當(dāng)系統(tǒng)受到初始干擾力激勵(lì)破壞了其平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)僅靠彈性恢復(fù)力來維持的振動(dòng)稱為自由振動(dòng)。由于總存在阻尼，自由振動(dòng)將逐漸衰減，如圖8-14a所示。(占5%)系統(tǒng)在周期性激振力(干擾力)持續(xù)作用下產(chǎn)生的振動(dòng)，稱為強(qiáng)迫振動(dòng)。強(qiáng)迫振動(dòng)的穩(wěn)態(tài)過程是諧振動(dòng)，只要有激振力存在振動(dòng)系統(tǒng)就不會(huì)被阻尼衰減掉。如圖8-14b所示。(占35%)在沒有周期性干擾力作用的情況下，由振動(dòng)系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力所激發(fā)和維持的振動(dòng)，稱為自激振動(dòng)。切削過程中產(chǎn)生的自激振動(dòng)也稱為顫振。(占65%)第40頁,共73頁，2024年2月25日，星期天第41頁,共73頁，2024年2月25日，星期天一）強(qiáng)迫振動(dòng)的振源系統(tǒng)外部的周期性干擾力旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量偏心傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的缺陷切削過程的間隙特性二、機(jī)械加工中的強(qiáng)迫振動(dòng)與控制第42頁,共73頁，2024年2月25日，星期天二）強(qiáng)迫振動(dòng)的數(shù)學(xué)描述及特性1、動(dòng)力學(xué)模型的建立幾點(diǎn)假設(shè)：1）（a）只有質(zhì)量、沒有彈性的集中質(zhì)量，（b）只有彈性、沒有質(zhì)量的集中彈簧；2）阻尼力在線性范圍內(nèi)，即：

3）系統(tǒng)在平衡位置附近作微小的振動(dòng)（圖1示）第43頁,共73頁，2024年2月25日，星期天圖1內(nèi)圓磨削振動(dòng)系統(tǒng)a)模型示意圖b）動(dòng)力學(xué)模型c）受力圖第44頁,共73頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)規(guī)律建立微分方程：式中α—衰減系數(shù)，ω0—系統(tǒng)無阻尼振動(dòng)時(shí)的固有頻率，ω—激振力頻率該式是一個(gè)二階常系數(shù)線性非齊次微分方程。根據(jù)微分方程理論，當(dāng)系統(tǒng)為小阻尼時(shí)，它的解由令而得到的齊次方程的通解和非齊次方程的一個(gè)特解組成：第45頁,共73頁，2024年2月25日，星期天a）有阻尼的自由振動(dòng)b）強(qiáng)迫振動(dòng)c）有阻尼的自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)的合成第46頁,共73頁，2024年2月25日，星期天進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的振動(dòng)方程為：式中A—強(qiáng)迫振動(dòng)的幅值；

φ—振動(dòng)體位移相對(duì)于激振力的相位角；

t—時(shí)間其中強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅為：相位角為：第47頁,共73頁，2024年2月25日，星期天式中f—f=F/m；A0—系統(tǒng)在靜力F作用下的靜位移（m)k—系統(tǒng)的靜剛度（N/m）；λ—頻率比，λ＝ω/ω0ζ—阻尼比，δc—臨界阻尼系數(shù)，第48頁,共73頁，2024年2月25日，星期天1）強(qiáng)迫振動(dòng)是由周期性激振力引起的，不會(huì)被阻尼衰減掉，振動(dòng)本身也不能使激振力變化。2）強(qiáng)迫振動(dòng)的振動(dòng)頻率與外界激振力的頻率相同，而與系統(tǒng)的固有頻率無關(guān)。3）強(qiáng)迫振動(dòng)的幅值既與激振力的幅值有關(guān)，又與工藝系統(tǒng)的特性有關(guān)。①激振力的影響。A0=F/k2、強(qiáng)迫振動(dòng)的特征第49頁,共73頁，2024年2月25日，星期天Ⅰ）當(dāng)λ→0時(shí)，η

→1，λ

＜0.6～0.7，準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)，在該區(qū)增加系統(tǒng)靜剛度，可減小振動(dòng)。Ⅱ）當(dāng)λ→

1時(shí)，η

會(huì)急劇增大，此現(xiàn)象稱為共振，0.7＜λ

＜1.4的區(qū)域稱為共振區(qū)，在該區(qū)增大阻尼→共振↓Ⅲ）當(dāng)λ＞＞1時(shí)，η

→0，λ＞1.4區(qū)域稱為慣性區(qū)，在該區(qū)增加振動(dòng)體的質(zhì)量，可減小振動(dòng)振幅。②頻率比λ的影響（圖示）第50頁,共73頁，2024年2月25日，星期天第51頁,共73頁，2024年2月25日，星期天三、減小強(qiáng)迫振動(dòng)的措施減小激振力調(diào)整振源頻率提高工藝系統(tǒng)的剛度和阻尼采取隔振措施采用減振裝置。3、振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)剛度

當(dāng)系統(tǒng)在周期性動(dòng)載荷作用下，交變力的幅值與振幅（動(dòng)態(tài)位移）之比稱為系統(tǒng)的動(dòng)剛度。即：

靜剛度k=F/A0是工藝系統(tǒng)本身的屬性，在線性范圍內(nèi)，可以認(rèn)為它與外載荷無關(guān)，動(dòng)剛度kd除與k成正比外，還與系統(tǒng)阻尼、頻率比ζ有關(guān)。靜剛度影響工件的幾何形狀及尺寸精度，動(dòng)剛度影響工件的表面粗糙度。第52頁,共73頁，2024年2月25日，星期天三、機(jī)械加工中的自激振動(dòng)與控制1．自激振動(dòng)的產(chǎn)生及特征在實(shí)際加工過程中，由于偶然的外界干擾（如工件材料硬度不均、加工余量有變化等），會(huì)使切削力發(fā)生變化，從而使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生自由振動(dòng)。系統(tǒng)的振動(dòng)必然會(huì)引起工件、刀具間的相對(duì)位置發(fā)生周期性變化，這一變化若又引起切削力的波動(dòng)，則使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)。因此通常將自激振動(dòng)看成是由振動(dòng)系統(tǒng)（工藝系統(tǒng)）和調(diào)節(jié)系統(tǒng)（切削過程）兩個(gè)環(huán)節(jié)組成的一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，如圖所示。激勵(lì)工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的交變力是由切削過程本身產(chǎn)生的，而切削過程同時(shí)又受工藝系統(tǒng)的振動(dòng)的控制，工藝系統(tǒng)的振動(dòng)一旦停止，動(dòng)態(tài)切削力也就隨之消失。第53頁,共73頁，2024年2月25日，星期天圖自激振動(dòng)系統(tǒng)的組成第54頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（2）自激振動(dòng)的特征自激振動(dòng)特點(diǎn)不衰減的振動(dòng)它由振動(dòng)過程本身引起切削力周期性變化，從不具備交變特性的能源中周期獲得能量，使振動(dòng)得以維持。自激振動(dòng)由振動(dòng)系統(tǒng)本身參數(shù)決定，與強(qiáng)迫振動(dòng)顯著不同。自由振動(dòng)受阻尼作用將迅速衰減，而自激振動(dòng)不會(huì)因阻尼存在而衰減。自激振動(dòng)的頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率，即顫振頻率取決于振動(dòng)系統(tǒng)的固有特性。這與自由振動(dòng)相似，而與強(qiáng)迫振動(dòng)根本不同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第55頁,共73頁，2024年2月25日，星期天

如圖2a所示為單自由度機(jī)械加工振動(dòng)模型。設(shè)工件系統(tǒng)為絕對(duì)剛體，振動(dòng)系統(tǒng)與刀架相連，且只在y方向作單自由度振動(dòng)。在背向力Fp作用下，刀具作切入、切出運(yùn)動(dòng)（振動(dòng)）。刀架振動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)還有F彈作用在它上面。y越大，F(xiàn)彈也越大，當(dāng)Fp=F彈時(shí)，刀架的振動(dòng)停止。對(duì)上述振動(dòng)系統(tǒng)而言，背向力Fp是外力，F(xiàn)p對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)作功如圖2b所示。

刀具切入，其運(yùn)動(dòng)方向與背向力方向相反，作負(fù)功；即振動(dòng)系統(tǒng)要消耗能量W振入；刀具切出，其運(yùn)動(dòng)方向與背向力方向相同，作正功；即振動(dòng)系統(tǒng)要吸收能量W振出；2．產(chǎn)生自激振動(dòng)的條件第56頁,共73頁，2024年2月25日，星期天圖2單自由度機(jī)械加工振動(dòng)模型

a）振動(dòng)模型b）力與位移的關(guān)系圖第57頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（1）當(dāng)W振出<W振入時(shí)，由于刀架振動(dòng)系統(tǒng)吸收的能量小于消耗的能量，故不會(huì)產(chǎn)生自激振動(dòng)。（2）當(dāng)W振出=W振入時(shí)，因?qū)嶋H機(jī)械加工系統(tǒng)中存在阻尼，刀架系統(tǒng)在振入過程中，為克服阻尼還需消耗能量W摩阻（振入），故刀架振動(dòng)系統(tǒng)每振動(dòng)一次，刀架系統(tǒng)便會(huì)損失一部分能量。因此，刀架系統(tǒng)也不會(huì)有自激振動(dòng)產(chǎn)生。（3）當(dāng)W振出>W振入時(shí)，刀架振動(dòng)系統(tǒng)將有持續(xù)的自激振動(dòng)產(chǎn)生。第58頁,共73頁，2024年2月25日，星期天三種情況：①W振出=W振入+W摩阻（振入）時(shí)，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動(dòng)；②W振出＞W(wǎng)振入+W摩阻（振入）時(shí)，系統(tǒng)為振幅遞增的自激振動(dòng)，至一定程度，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動(dòng)；③W振出＜

W振入+W摩阻（振入）時(shí)，系統(tǒng)為振幅遞減的自激振動(dòng)，至一定程度，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動(dòng)；故振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生自激振動(dòng)的基本條件是：W振出>W振入或

FP振出>FP振入第59頁,共73頁，2024年2月25日，星期天2．產(chǎn)生自激振動(dòng)的學(xué)說（1）再生顫振1）再生顫振原理如圖3a)所示，車刀只做橫向進(jìn)給。在穩(wěn)定的切削過程中，刀架系統(tǒng)因材料的硬點(diǎn)，加工余量不均勻，或其它原因的沖擊等，受到偶然的擾動(dòng)。刀架系統(tǒng)因此產(chǎn)生了一次自由振動(dòng)，并在被加工表面留下相應(yīng)的振紋。當(dāng)工件轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，刀具要在留有振紋的表面上切削，因切削厚度發(fā)生了變化，所以引起了切削力周期性的變化。產(chǎn)生動(dòng)態(tài)切削力。

將這種由于切削厚度的變化而引起的自激振動(dòng)，稱為“再生顫振”。第60頁,共73頁，2024年2月25日，星期天圖3自由正交切削時(shí)再生顫振的產(chǎn)生第61頁,共73頁，2024年2月25日，星期天2）再生顫振產(chǎn)生的條件圖4表示了四種情況。圖中實(shí)線表示前一轉(zhuǎn)切削的工件表面振紋，虛線表示后一轉(zhuǎn)切削的表面。結(jié)論：在再生顫振中，只有當(dāng)后一轉(zhuǎn)的振紋的相位滯后于前一轉(zhuǎn)振紋時(shí)才有可能產(chǎn)生再生顫振。a）前后兩轉(zhuǎn)的振紋沒有相位差（ψ=0）圖4ab）前后兩轉(zhuǎn)的振紋相位差為ψ=π圖4bc）后一轉(zhuǎn)的振紋相位超前，0<ψ<π圖4cd）后一轉(zhuǎn)的振紋相位滯后，即0>ψ>-π圖4d第62頁,共73頁，2024年2月25日，星期天圖4再生顫振時(shí)振紋相位角與平均切削厚度的關(guān)系a）ψ=0b）ψ=πc）0<ψ<πd）0>ψ>-π第63頁,共73頁，2024年2月25日，星期天一般0＜μ＜1，徑向切入μ=1（切槽、鉆、端銑等）橫向切削0＜μ＜1車方牙螺紋，μ=0，無重迭切削，不可能發(fā)生再生顫振。2）重迭系數(shù)對(duì)再生顫振的影響重迭系數(shù)前一次切削工件表面形成的波紋面寬度在相繼的后一次切削的有效寬度中