机械加工表面质量精选PPT.ppt

关于机械加工表面质量第1页，讲稿共73张，创作于星期二零件表面质量零件表面质量表面粗糙度表面粗糙度表面波度表面波度表面物理力学表面物理力学性能的变化性能的变化表面微观几何表面微观几何形状特征形状特征表面层冷作硬化表面层冷作硬化表面层残余应力表面层残余应力表面层金相组织的变化表面层金相组织的变化表面质量的含义（内容）表面质量的含义（内容）第2页，讲稿共73张，创作于星期二（1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响）表面粗糙度对零件耐磨性的影响v表面粗糙度太大和太小都不耐磨。表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如图如图4-38所示。所示。v表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧；v表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑，存不住表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。v表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关，载荷加大载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。二、表面质量对零件使用性能的影响二、表面质量对零件使用性能的影响1表面质量对零件耐磨性的影响表面质量对零件耐磨性的影响第3页，讲稿共73张，创作于星期二图图438 表面粗糙度与初期磨损量的关系表面粗糙度与初期磨损量的关系第4页，讲稿共73张，创作于星期二（2）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因为这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松疏松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。间形成小颗粒，使零件加速磨损。第5页，讲稿共73张，创作于星期二2表面质量对零件疲劳强度的影响表面质量对零件疲劳强度的影响（1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。劳裂纹。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。其抗疲劳破坏的能力越差。第6页，讲稿共73张，创作于星期二（2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响度的影响适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度。残余应力有拉应力和压应力之分，残余应力有拉应力和压应力之分，残余拉应力残余拉应力容易使已加工表面容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度降低疲劳强度残余压应力残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度提高零件的疲劳强度。第7页，讲稿共73张，创作于星期二3.表面质量对零件工作精度的影响表面质量对零件工作精度的影响（1）表面粗糙度对零件配合精度的影响）表面粗糙度对零件配合精度的影响表面粗糙度较大，则降低了配合精度。表面粗糙度较大，则降低了配合精度。（2）表面残余应力对零件工作精度的影响）表面残余应力对零件工作精度的影响表面层有较大的残余应力，就会影响它们表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。精度的稳定性。第8页，讲稿共73张，创作于星期二4表面质量对零件耐腐蚀性能的影响表面质量对零件耐腐蚀性能的影响（1）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。蚀作用越强烈。因此因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。（2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：如减小表面粗糙如减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。第9页，讲稿共73张，创作于星期二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质量零件表面质量粗糙度太大、太小都不耐磨粗糙度太大、太小都不耐磨适度冷硬能提高耐磨性适度冷硬能提高耐磨性对疲劳强度的对疲劳强度的影响影响对耐磨性影响对耐磨性影响对耐腐蚀性能的对耐腐蚀性能的影响影响对工作精度的影对工作精度的影响响粗糙度越大，疲劳强度越差粗糙度越大，疲劳强度越差适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度粗糙度越大、工作精度降低粗糙度越大、工作精度降低残余应力越大，工作精度降低残余应力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蚀性越差粗糙度越大，耐腐蚀性越差压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性则降低耐腐蚀性第10页，讲稿共73张，创作于星期二三、三、影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制（一）切削加工表面粗糙度（一）切削加工表面粗糙度1、几何因素、几何因素刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r主偏角主偏角kr、副偏角副偏角kr进给量进给量f（图图440）H=f/(cotr+cotr)(8-1)H=f2/(8r)(8-2)第11页，讲稿共73张，创作于星期二图图440 车削、刨削时残留面积高度车削、刨削时残留面积高度第12页，讲稿共73张，创作于星期二2、物理力学因素、物理力学因素（1）工件材料的影响）工件材料的影响v韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。v脆性材料：加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑脆性材料：加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。第13页，讲稿共73张，创作于星期二（2）切削速度的影响）切削速度的影响加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞刺的影响）见如图度的影响（对积屑瘤和鳞刺的影响）见如图4-41所示。所示。此外，切削速度越高，塑性变形越此外，切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小不充分，表面粗糙度值越小选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度。较小的表面粗糙度。（4）其它因素的影响）其它因素的影响此外，合理使用冷却润滑液，适当此外，合理使用冷却润滑液，适当增大刀具的前角，提高刀具的刃磨质量增大刀具的前角，提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。等，均能有效地减小表面粗糙度值。（3）进给量的影响）进给量的影响减小进给量减小进给量f固然可以减小表面粗固然可以减小表面粗糙度值，但糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势。有增大的趋势。第14页，讲稿共73张，创作于星期二图图441 加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响第15页，讲稿共73张，创作于星期二影响切削加工表面粗影响切削加工表面粗糙度的因素糙度的因素刀具几何形状刀具几何形状刀具材料、刃磨质量刀具材料、刃磨质量切削用量切削用量工件材料工件材料残留面积 Ra前角 Ra后角摩擦Ra刃倾角会影响实际工作前角 v Raf Raap对Ra影响不大，太小会打滑，划伤已加工表面材料塑性 Ra同样材料晶粒组织大 Ra，常用正火、调质处理刀具材料强度 Ra刃磨质量 Ra冷却、润滑 Ra第16页，讲稿共73张，创作于星期二（二）磨削加工表面粗糙度（二）磨削加工表面粗糙度1、磨削中影响粗糙度的几何因素磨削中影响粗糙度的几何因素磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨粒越细，刃口的等高性越好。则砂轮粒越细，刃口的等高性越好。则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒越多，磨单位面积上参加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越细密均匀，表面削表面上的刻痕就越细密均匀，表面粗糙度值就越小。粗糙度值就越小。（1）砂轮的磨粒）砂轮的磨粒第17页，讲稿共73张，创作于星期二v砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多，表面粗砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多，表面粗糙度值就越小。糙度值就越小。v工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影响相反。工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影响相反。工工件的转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，因此表面粗糙度值增件的转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，因此表面粗糙度值增大大。v砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被重叠切削，砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被重叠切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小。而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小。（3）磨削用量）磨削用量（2）砂轮修整）砂轮修整砂轮修整除了使砂轮具有正砂轮修整除了使砂轮具有正确的几何形状外，更重要的是确的几何形状外，更重要的是使砂轮工作表面形成排列整齐使砂轮工作表面形成排列整齐而又锐利的微刃（图而又锐利的微刃（图447）。）。因此，砂轮修整的质量对磨削因此，砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大。表面的粗糙度影响很大。第18页，讲稿共73张，创作于星期二图图447 砂轮上的磨粒砂轮上的磨粒第19页，讲稿共73张，创作于星期二2、磨削中影响粗糙度的物理因素磨削中影响粗糙度的物理因素（1）磨削用量）磨削用量砂轮的转速砂轮的转速材料塑性变形材料塑性变形表面粗糙度值表面粗糙度值；磨削深度磨削深度、工件速度工件速度塑性变形塑性变形表面粗糙度值表面粗糙度值；为提高磨削效率，通常在开始磨削时采用较大为提高磨削效率，通常在开始磨削时采用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较小的径向进给的径向进给量，而在磨削后期采用较小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表面粗糙度值。量或无进给量磨削，以减小表面粗糙度值。第20页，讲稿共73张，创作于星期二（2）工件材料）工件材料太硬易使磨粒磨钝 Ra ；太软容易堵塞砂轮Ra ；韧性太大，热导率差会使磨粒早期崩落Ra 。（2）砂轮粒度与硬度）砂轮粒度与硬度磨粒太细，砂轮易被磨屑堵塞，磨粒太细，砂轮易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，若导热使表面粗糙度值增大，若导热情况不好，还会烧伤工件表面。情况不好，还会烧伤工件表面。砂轮太硬，使表面粗糙度增大；砂轮太硬，使表面粗糙度增大；砂轮选得太软，使表面粗糙度值砂轮选得太软，使表面粗糙度值增大。增大。第21页，讲稿共73张，创作于星期二影响磨削加工表面影响磨削加工表面粗糙度的因素粗糙度的因素粒度Ra 金刚石笔锋利，修正导程、径向进给量 Ra磨粒等高性Ra硬度钝化磨粒脱落 Ra硬度磨粒脱落Ra硬度合适、自励性好Ra太硬、太软、韧性、导热性差 Ra砂轮粒度砂轮粒度工件材料性质工件材料性质砂轮修正砂轮修正磨削用量磨削用量砂轮硬度砂轮硬度砂轮V Raap、工件V 塑变 Ra粗磨ap生产率精磨ap Ra(ap=0光磨)第22页，讲稿共73张，创作于星期二四、四、影响表面层物理力学性能的影响表面层物理力学性能的主要因素及其控制主要因素及其控制影响表面层物理力学性能的主要因素影响表面层物理力学性能的主要因素表面物理力学表面物理力学性能性能影响金相组织变化影响金相组织变化因素因素影响显微硬度因素影响显微硬度因素影响残余应力因素影响残余应力因素塑变引起的冷硬金相组织变化引起的硬度变化冷塑性变形热塑性变形金相组织变化切削热第23页，讲稿共73张，创作于星期二1.表面层的冷作硬化表面层的冷作硬化（1 1）表面层加工硬化的产生表面层加工硬化的产生定义：定义：机械加工时，工件表面层金属受到切削机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化和强化。称为加工硬化，又称冷作硬化和强化。第24页，讲稿共73张，创作于星期二（2 2）衡量表面层加工硬化的指标衡量表面层加工硬化的指标衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项：衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项：1）表面层的显微硬度）表面层的显微硬度HV；2）硬化层深度硬化层深度h；3）硬化程度硬化程度NN=(HV-HV0)/HV0100（8-3）式中式中HV0工件原表面层的显微硬度。工件原表面层的显微硬度。第25页，讲稿共73张，创作于星期二（3）影响表面层加工硬化的因素）影响表面层加工硬化的因素刀具几何形状的影响刀具几何形状的影响切削刃切削刃r、前角前角、后面磨损量、后面磨损量VB表层金属的塑变加剧表层金属的塑变加剧冷硬冷硬切削用量的影响切削用量的影响切削速度切削速度v塑变塑变冷硬冷硬f切削力切削力塑变塑变冷硬冷硬工件材料性能的影响工件材料性能的影响 材料塑性材料塑性冷硬冷硬第26页，讲稿共73张，创作于星期二2.表面层残余应力表面层残余应力定义：定义：机械加工中工件表面层组织发生变机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力。这种应力即为会产生互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层的残余应力。表面层的残余应力。第27页，讲稿共73张，创作于星期二（1）表面层残余应力的产生）表面层残余应力的产生1）冷态塑变冷态塑变 工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑变，基体仍处于弹性变形状态。切削后，表层产生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力。2）热态塑变热态塑变 表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力(其原理见图)3）金相组织变化金相组织变化 比容大的组织比容小的组织体积收缩，产生拉应力，反之，产生压应力。（密度小，比容大）第28页，讲稿共73张，创作于星期二图图 切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图第29页，讲稿共73张，创作于星期二（2 2）磨削裂纹的产生）磨削裂纹的产生（3 3）影响表面残余应力的主要因素）影响表面残余应力的主要因素第30页，讲稿共73张，创作于星期二三、表面层金相组织变化与磨削烧伤三、表面层金相组织变化与磨削烧伤1.1.表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生第31页，讲稿共73张，创作于星期二淬火烧伤淬火烧伤回火烧伤回火烧伤退火烧伤退火烧伤 磨削时工件表面温度超过相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。在冷却液作用下，工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极薄，表面层总的硬度是降低的，这种现象称为淬火烧伤。磨削时，如果工件表面层温度只是超过原来的回火温度，则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象而转变为硬度较低的回火组织（索氏体或屈氏体），这种现象称为回火烧伤。磨削时，当工件表面层温度超过相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。若此时无冷却液，表层金属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织。硬度和强度均大幅度下降。这种现象称为退火烧伤。2.磨削烧伤的三种形式磨削烧伤的三种形式第32页，讲稿共73张，创作于星期二磨削用量磨削用量砂轮与工件材料砂轮与工件材料改善冷却条件改善冷却条件1）砂轮转速 磨削烧伤2）径向进给量fp 磨削烧伤3）轴向进给量fa磨削烧伤4）工件速度vw磨削烧伤1)磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃口锋利磨削力磨削区的温度2)磨削导热性差的材料(耐热钢、轴承钢、不锈钢)磨削烧伤3)应合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织磨削烧伤 采用内冷却法 磨削烧伤 图3.影响磨削烧伤的因素及改善途径采用开槽砂轮采用开槽砂轮间断磨削受热磨削烧伤 图第33页，讲稿共73张，创作于星期二 图图 内冷却装置内冷却装置1锥形盖锥形盖 2通道孔通道孔 3砂轮中心孔砂轮中心孔 4有径向小孔的薄壁套有径向小孔的薄壁套第34页，讲稿共73张，创作于星期二 图图 开槽砂轮开槽砂轮 a）槽均匀分布槽均匀分布 b）槽均匀分布槽均匀分布 第35页，讲稿共73张，创作于星期二第四节第四节提高表面层物理力学性能的加工方法提高表面层物理力学性能的加工方法1滚压加工滚压加工滚压加工是利用经过淬火和精细研磨过的滚轮或滚珠，在滚压加工是利用经过淬火和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态下对金属表面进行挤压，使受压点产生弹性和塑性常温状态下对金属表面进行挤压，使受压点产生弹性和塑性变形，表层的凸起部分向下压，凹下部分向上挤，逐渐将前变形，表层的凸起部分向下压，凹下部分向上挤，逐渐将前工序留下的波峰压平，降低了表面粗糙度；同时它还能使工工序留下的波峰压平，降低了表面粗糙度；同时它还能使工件表面产生硬化层和残余压应力。因此提高了零件的承载能件表面产生硬化层和残余压应力。因此提高了零件的承载能力和疲劳强度。力和疲劳强度。滚压加工可以加工外圆、孔、平面及成型表面，通滚压加工可以加工外圆、孔、平面及成型表面，通常在普通车床、转塔车床或自动车床上进行。如图为常在普通车床、转塔车床或自动车床上进行。如图为典型的滚压加工示意图。典型的滚压加工示意图。第36页，讲稿共73张，创作于星期二图图 滚压加工原理滚压加工原理第37页，讲稿共73张，创作于星期二2.喷丸强化喷丸强化喷丸强化是利用大量快速运动的珠丸打击被加工工件表喷丸强化是利用大量快速运动的珠丸打击被加工工件表面，使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力，如图面，使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力，如图8-13所示所示为珠丸挤压工件表面的状态为珠丸挤压工件表面的状态,可显著提高零件的疲劳强度。可显著提高零件的疲劳强度。珠丸可以是铸铁的，也可以是切成小段的钢丝（使用一珠丸可以是铸铁的，也可以是切成小段的钢丝（使用一段时间后，自然变成球状）。对于铝质工件，为避免表面残段时间后，自然变成球状）。对于铝质工件，为避免表面残留铁质微粒而引起电解腐蚀，宜采用铝丸或玻璃丸。珠丸的留铁质微粒而引起电解腐蚀，宜采用铝丸或玻璃丸。珠丸的直径一般为直径一般为0.24mm，对于尺寸较小、表面粗糙度值较小的工对于尺寸较小、表面粗糙度值较小的工件，采用直径较小的珠丸。件，采用直径较小的珠丸。喷丸强化主要用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，喷丸强化主要用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，如板弹簧、螺旋弹簧、连杆、齿轮、焊缝等。经喷丸加工后的表面，如板弹簧、螺旋弹簧、连杆、齿轮、焊缝等。经喷丸加工后的表面，硬化层深度可达硬化层深度可达0.7mm，零件表面粗糙度值可由零件表面粗糙度值可由Ra52.5m减减小到小到Ra0.630.32m，可几倍甚至几十倍地提高零件的使用寿可几倍甚至几十倍地提高零件的使用寿命。命。第38页，讲稿共73张，创作于星期二第五节第五节机械加工中的振动机械加工中的振动一、机械加工中的振动现象一、机械加工中的振动现象1、振动对机械加工的影响、振动对机械加工的影响第39页，讲稿共73张，创作于星期二机械加工中振动的种类及其主要特点机械加工中振动的种类及其主要特点机械加工振动机械加工振动自激振动自激振动自由振动自由振动强迫振动强迫振动当系统受到初始干扰力激励破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。由于总存在阻尼，自由振动将逐渐衰减，如图8-14a所示。(占5%)系统在周期性激振力(干扰力)持续作用下产生的振动，称为强迫振动。强迫振动的稳态过程是谐振动，只要有激振力存在振动系统就不会被阻尼衰减掉。如图8-14b所示。(占35%)在没有周期性干扰力作用的情况下，由振动系统本身产生的交变力所激发和维持的振动，称为自激振动。切削过程中产生的自激振动也称为颤振。(占65%)第40页，讲稿共73张，创作于星期二第41页，讲稿共73张，创作于星期二一）强迫振动的振源一）强迫振动的振源系统外部的周期性干扰力系统外部的周期性干扰力旋转零件的质量偏心旋转零件的质量偏心传动机构的缺陷传动机构的缺陷切削过程的间隙特性切削过程的间隙特性二、机械加工中的强迫振动与控制二、机械加工中的强迫振动与控制第42页，讲稿共73张，创作于星期二二）强迫振动的数学描述及特性二）强迫振动的数学描述及特性1、动力学模型的建立、动力学模型的建立几点假设：几点假设：1）（a）只有质量、没有弹性的集中质量，（b）只有弹性、没有质量的集中弹簧；2）阻尼力在线性范围内，即：3）系统在平衡位置附近作微小的振动（图1示）第43页，讲稿共73张，创作于星期二 图1 内圆磨削振动系统 a)模型示意图 b）动力学模型 c）受力图第44页，讲稿共73张，创作于星期二根据牛顿运动规律建立微分方程：式中 衰减系数，0系统无阻尼振动时的固有频率，激振力频率 该式是一个二阶常系数线性非齐次微分方程。根据微分方程理论，当系统为小阻尼时，它的解由令而得到的齐次方程的通解和非齐次方程的一个特解组成：第45页，讲稿共73张，创作于星期二a）有阻尼的自由振动b）强迫振动c）有阻尼的自由振动和强迫振动的合成第46页，讲稿共73张，创作于星期二进入稳态后的振动方程为：进入稳态后的振动方程为：式中 A强迫振动的幅值；振动体位移相对于激振力的相位角；t 时间其中强迫振动的振幅为：相位角为：第47页，讲稿共73张，创作于星期二式中 f f=F/m；A0系统在静力F作用下的静位移（m)k系统的静刚度（N/m）；频率比，/0阻尼比，c临界阻尼系数，第48页，讲稿共73张，创作于星期二1）强迫振动是由周期性激振力引起的，不会被阻尼衰减掉，）强迫振动是由周期性激振力引起的，不会被阻尼衰减掉，振动本身也不能使激振力变化。振动本身也不能使激振力变化。2）强迫振动的振动频率与外界激振力的频率相同，而与系统的）强迫振动的振动频率与外界激振力的频率相同，而与系统的固有频率无关。固有频率无关。3）强迫振动的幅值既与激振力的幅值有关，又与工艺系统的特性有关。强迫振动的幅值既与激振力的幅值有关，又与工艺系统的特性有关。激振力的影响。激振力的影响。A0=F/k2、强迫振动的特征强迫振动的特征第49页，讲稿共73张，创作于星期二）当当0时，时，1，0.60.7，准静态区，在该区增加系统准静态区，在该区增加系统静刚度，可减小振动。静刚度，可减小振动。）当当1时，时，会急剧增大，此现象称为共振，会急剧增大，此现象称为共振，0.71.4的区域称为共振区，在该区增大阻尼的区域称为共振区，在该区增大阻尼共振共振）当当1时，时，0，1.4区域称为惯性区，在该区增加振区域称为惯性区，在该区增加振动体的质量，可减小振动振幅。动体的质量，可减小振动振幅。频率比频率比的影响（图示）的影响（图示）第50页，讲稿共73张，创作于星期二第51页，讲稿共73张，创作于星期二三、三、减小强迫振动的措施减小强迫振动的措施减小激振力 调整振源频率 提高工艺系统的刚度和阻尼采取隔振措施 采用减振装置。3、振动系统的动刚度振动系统的动刚度当系统在周期性动载荷作用下，当系统在周期性动载荷作用下，交变力的幅值与振幅（动态位移）交变力的幅值与振幅（动态位移）之比称为系统的动刚度。即：之比称为系统的动刚度。即：静刚度静刚度k=F/A0是工艺系统本身的属性，在线性范围内，可是工艺系统本身的属性，在线性范围内，可以认为它与外载荷无关，动刚度以认为它与外载荷无关，动刚度kd除与除与k成正比外，还与系统成正比外，还与系统阻尼、频率比阻尼、频率比有关。静刚度影响工件的几何形状及尺寸精度，动刚有关。静刚度影响工件的几何形状及尺寸精度，动刚度影响工件的表面粗糙度。度影响工件的表面粗糙度。第52页，讲稿共73张，创作于星期二三、机械加工中的自激振动与控制三、机械加工中的自激振动与控制1自激振动的产生及特征自激振动的产生及特征 在实际加工过程中，由于偶然的外界干扰（如工件材料硬度不均、加工余量有变化等），会使切削力发生变化，从而使工艺系统产生自由振动。系统的振动必然会引起工件、刀具间的相对位置发生周期性变化，这一变化若又引起切削力的波动，则使工艺系统产生振动。因此通常将自激振动看成是由振动系统（工艺系统）和调节系统（切削过程）两个环节组成的一个闭环系统，如图所示。激励工艺系统产生振动运动的交变力是由切削过程本身切削过程本身产生的，而切削过程同时又受工艺系统的振动的控制，工艺系统的振动一旦停止，动态切削力也就随之消失。第53页，讲稿共73张，创作于星期二图图 自激振动系统的组成自激振动系统的组成第54页，讲稿共73张，创作于星期二（2）自激振动的特征）自激振动的特征自激振动自激振动特点特点不衰减的振动不衰减的振动它由振动过程本身引起切削力周期性变化，从不具备交变特性的能源中周期获得能量，使振动得以维持。自激振动由振动系统本身参数决定，与强迫振动显著不同。自由振动受阻尼作用将迅速衰减，而自激振动不会因阻尼存在而衰减。自激振动的频率接近于系统的固有频率，即颤振频率取决于振动系统的固有特性。这与自由振动相似，而与强迫振动根本不同EE AA1 1 A A0 0 AA22 A AEE-E+E+f自自=f固固取决于一周期获得的能量取决于一周期获得的能量取决于切削过程本身取决于切削过程本身第55页，讲稿共73张，创作于星期二2产生自激振动的条件产生自激振动的条件第56页，讲稿共73张，创作于星期二图图2 单自由度机械加工振动模型单自由度机械加工振动模型 a）振动模型振动模型 b）力与位移的关系图力与位移的关系图第57页，讲稿共73张，创作于星期二（1）当当W振出振出W振入振入时时，刀架振动系统将有持续的自刀架振动系统将有持续的自激振动产生激振动产生。第58页，讲稿共73张，创作于星期二三种情况：三种情况：W振出振出=W振入振入+W摩阻（振入）摩阻（振入）时，系统有稳幅的自激振动；时，系统有稳幅的自激振动；W振出振出W振入振入+W摩阻（振入）摩阻（振入）时，系统为振幅递增的自激时，系统为振幅递增的自激振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动；振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动；W振出振出W振入振入+W摩阻（振入）摩阻（振入）时，系统为振幅递减的自激时，系统为振幅递减的自激振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动；振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动；故振动系统产生自激振动的基本条件是：故振动系统产生自激振动的基本条件是：W振出振出W振入振入或或 FP振出振出FP振入振入第59页，讲稿共73张，创作于星期二2产生自激振动的学说产生自激振动的学说（1）再生颤振再生颤振1）再生颤振原理）再生颤振原理第60页，讲稿共73张，创作于星期二图图3 自由正交切削时再生颤振的产生自由正交切削时再生颤振的产生第61页，讲稿共73张，创作于星期二2）再生颤振产生的条件）再生颤振产生的条件图图4表示了四种情况。图中实线表示前一转切削的表示了四种情况。图中实线表示前一转切削的工件表面振纹，虚线表示后一转切削的表面。工件表面振纹，虚线表示后一转切削的表面。结论：在再生颤振中，只有当结论：在再生颤振中，只有当后一转的振纹的相位滞后于前一转振纹后一转的振纹的相位滞后于前一转振纹时时才有可能产生再生颤振。才有可能产生再生颤振。a）前后两转的振纹没有相位差（前后两转的振纹没有相位差（=0）图图4ab）前后两转的振纹相位差为前后两转的振纹相位差为=图图4bc）后一转的振纹相位超前，后一转的振纹相位超前，0-图图4d第62页，讲稿共73张，创作于星期二图图4 再生颤振时振纹相位角与平均切削厚度的关系再生颤振时振纹相位角与平均切削厚度的关系 a）=0b）=c）0-第63页，讲稿共73张，创作于星期二一般 01，径向切入=1（切槽、钻、端铣等）横向切削01车方牙螺纹，=0，无重迭切削，不可能发生再生颤振。2）重迭系数对再生颤振的影响）重迭系数对再生颤振的影响重重迭迭系系数数 前一次切削工件表面形成的波纹面宽度在相继的后一次切削的有效宽度中所占的比例，用表示。=（B-f）/B B切削宽度，f 进给量。第64页，讲稿共73张，创作于星期二（2）振型耦合颤振振型耦合颤振1）振型耦合原理）振型耦合原理 当纵车方牙螺纹的外圆表面如图5所示，刀具并未发生重叠切削，若按再生颤振原理，则不应该产生颤振。但在实际加工中，当切削深度达到一定值时，仍会发生颤振，这可以用振型耦合原理来解释。图6是两个自由度振型耦合颤振动力学模型 刀具等效质量为 m，相互垂直的等效刚度系数分别为k1、k2（设k1 k2）刚度低的方向振型为x1，刚度高的方向振型为x2。第65页，讲稿共73张，创作于星期二图图5 纵车方牙螺纹外表面纵车方牙螺纹外表面第66页，讲稿共73张，创作于星期二图图6 两个自由度的耦合振动模型两个自由度的耦合振动模型 a）切削模型切削模型 b）动力学模型动力学模型第67页，讲稿共73张，创作于星期二 当刀架系统以当刀架系统以的频率振动时，质量的频率振动时，质量m在在x1、x2两个方向上以不同的振幅和相位进行振动，其合成运两个方向上以不同的振幅和相位进行振动，其合成运动轨迹近似椭圆动轨迹近似椭圆E。若ABC切入；CDA切出由于切出时的平均切削厚度大于切入时的平均切削厚度，正功大于负功，在一个振动周期内，有多余的能量输入振动系统。因此，振动得以维持。反之，则不能维持。AACCBBDDEE第68页，讲稿共73张，创作于星期二4 4控制自激振动的途径控制自激振动的途径抑制自激振动途径抑制自激振动途径V=3070m/min自振f自振；保证Ra时f提高机床抗振性提高刀具抗振性（采用消振刀具）提高工件安装刚性根据振型耦合原理，工艺系统的振动还受到各振型的刚度比及其组合的影响。合理调整它们之间的关系，就可以有效地提高系统的抗振性，抑制自激振动。（削扁镗杆试验）提高工艺系统抗振性提高工艺系统抗振性合理选择切削用量合理选择切削用量合理选择刀具参数合理选择刀具参数采用变速切削采用变速切削采用采用减振装置减振装置合理调整主振模态合理调整主振模态刚度比及其组合刚度比及其组合前角、主偏角自振后角自振；但太小时自振抑制再生颤振方法用于工艺系统刚性较好的场合。第69页，讲稿共73张，创作于星期二减振装置减振装置1）阻尼器的原理及应用阻尼器的原理及应用利用固体或液体的阻尼来消利用固体或液体的阻尼来消耗振动的能量，实现减振。图耗振动的能量，实现减振。图72）吸振器的原理及应用吸振器的原理及应用动力吸振器（图动力吸振器（图8）冲击吸振器（图冲击吸振器（图9）第70页，讲稿共73张，创作于星期二图7 阻尼器减振装置第71页，讲稿共73张，创作于星期二图图8 用于镗刀杆的用于镗刀杆的 动力吸振器动力吸振器图图9 冲击式吸振器冲击式吸振器 1自由质量自由质量 2弹簧弹簧 3螺钉螺钉第72页，讲稿共73张，创作于星期二感谢大家观看第73页，讲稿共73张，创作于星期二