机械加工表面质量及控制.ppt

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1、机械制造工艺学机械制造工艺学u加工表面质量及其对加工表面质量及其对使用性能的影响度使用性能的影响度u影响表面粗糙度的工影响表面粗糙度的工艺因素及其改进措施艺因素及其改进措施u影响表层金属力学物影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其理性能的工艺因素及其改进措施改进措施u机械加工过程中的振动 第三章第三章 机械加工表面质量及控制机械加工表面质量及控制l概述概述 零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包括加工表面质量。括加工表面质量。括加工表面质量。括加工表面质量。机械加工后的零件

2、表面实际上不是理想的光滑表面，它机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（几微米然只有极薄的一层（几微米然只有极薄的一层（几微米然只有极薄的一层（几微米 几十微米），但都错综复杂地影几十微米），但都错综复杂地影几十微米），但都错综复杂地影几十微米），但都错综复杂地影响着机

3、械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足够的重视。够的重视。够的重视。够的重视。l l 加工表面质量的概念加工表面质量的概念3.1 3.1 加工表面质量及其对使用性能的影响加工表面质量及其对使用性能的影响表面粗糙度表面粗糙度表面波

4、度表面波度表面物理化学表面物理化学性能的变化性能的变化表面微观几表面微观几何形状特征何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 零件经过机械加工或特种加工后，表面上形成的结构和影响所及的与基体金属性质有所变异的表面层的状态，即称为加工表面质量。这一表面层的厚度般只有005015mm。a）波度 b）表面粗糙度 零件加工表面的粗糙度与波度RZHRZ 表面的几何形状误差表面的几何形状误差 表面粗糙度：加工表面的微观几何误差，波长与波高比表面粗糙度：加工表面的微观几何误差，波长与波高比值小于值小于5050。表面波度：加工表面不平度波长与波

5、高比值在表面波度：加工表面不平度波长与波高比值在505010001000的几何形状误差的几何形状误差纹理方向：表面刀纹的方向纹理方向：表面刀纹的方向伤痕：加工表面个别位置出现的缺陷伤痕：加工表面个别位置出现的缺陷3.1 3.1 加工表面质量及其对使用性能的影响加工表面质量及其对使用性能的影响表层金属的力学物理性能和化学性能表层金属的力学物理性能和化学性能表层金属的力学物理性能和化学性能表层金属的力学物理性能和化学性能变化变化变化变化表面层金属的冷表面层金属的冷表面层金属的冷表面层金属的冷作硬化作硬化作硬化作硬化表面层的残余应表面层的残余应表面层的残余应表面层的残余应力力力力表面层金相组织表面层

6、金相组织表面层金相组织表面层金相组织的变化的变化的变化的变化3.1 3.1 加工表面质量及其对使用性能的影响加工表面质量及其对使用性能的影响切屑刀具 切屑的分离和积屑瘤积屑瘤l 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 对耐磨性影响对耐磨性影响Ra（m）初始磨损量重载荷轻载荷 表面粗糙度与初始磨损量表面粗糙度值 耐疲劳性适当硬化可提高耐疲劳性表面粗糙度值耐蚀性表面压应力：有利于提高耐蚀性表面粗糙度值 配合质量表面粗糙度值耐磨性，但有一定限度对耐疲劳性影响对耐疲劳性影响对耐蚀性影响对耐蚀性影响对配合质量影响对配合质量影响纹理

7、形式与方向：圆弧状、凹坑状较好适当硬化可提高耐磨性3.1 3.1 加工表面质量及其对使用性能的影响加工表面质量及其对使用性能的影响直线刃车刀（图直线刃车刀（图直线刃车刀（图直线刃车刀（图a a a a）圆弧刃车刀（图圆弧刃车刀（图圆弧刃车刀（图圆弧刃车刀（图b b b b）切削加工表面的粗糙度切削加工表面的粗糙度切削加工表面的粗糙度切削加工表面的粗糙度3.23.2影响表面粗糙度的因素及改进措施影响表面粗糙度的因素及改进措施 车削时残留面积的高度frRmaxvfrb）Rmaxfa）vf 切切削削速速度度影影响响最最大大：v v=101050m/min50m/min范范围围，易易产产生生积积屑瘤和

8、鳞刺，表面粗糙度最差（图屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差（图5-535-53）。其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（m）481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度 h（m）0200400600hKsRz切削表面塑性变形和积屑瘤切削表面塑性变形和积屑瘤切削表面塑性变形和积屑瘤切削表面塑性变形和积屑瘤3.23.2影响表面粗糙度的因素及改进措施影响表面粗糙度的因素及改进措施（2）切削速度的影响）切削速度的影响 加工塑性材料时

9、，切削速度对表面加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞刺的影响）粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞刺的影响）见如见如图图所示。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。以得到较小的表面粗糙度。（4）其它因素的影响）其它因素的影响（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糙度值，固然可以减小表面粗糙度值，但但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势。进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势。影响因素：影响因

10、素：影响因素：影响因素：（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，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。加工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的工件，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。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，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，使表由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。面粗糙。影响切削加工表面影

11、响切削加工表面粗糙度的因素粗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磨磨磨磨削削削削加加加加工工工工表表表表面面面面粗粗粗粗糙糙糙糙度度度度影影影影响响响响因因因因素素素素磨磨磨磨屑屑屑屑的的的的形形形形成成成成过过过过程程程程 磨屑形成过程a）平面示意图 b）截面示意图v 砂轮速度v，Rav 工件速度vw

12、，Ra v 砂轮纵向进给f，Ra v 磨削深度ap，Ra 磨削用量对表面粗糙度的影响vw=40(m/min)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)v=50(m/s)f=2.36(m/min)ap=0.01(mm)v(m/s),vw(m/min)Ra(m)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(m)00.20.60.020.030.04b）磨削加工表面粗糙度影响因素磨削加工表面粗糙度影响因素磨削加工表面粗糙度影响因素磨削加工表面粗糙度影响因素 磨削用量影响磨削用量影响磨削用量影响磨削用量影响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v 砂

13、轮粒度砂轮粒度，R Ra a；但要适量；但要适量v 砂轮硬度适中，砂轮硬度适中，R Ra a ；常取中软；常取中软v 砂轮组织适中，砂轮组织适中，R Ra a ；常取中等组织；常取中等组织v 采用超硬砂轮材料，采用超硬砂轮材料，R Ra a v 砂轮精细修整，砂轮精细修整，R Ra a 砂轮影响砂轮影响砂轮影响砂轮影响其他影响因素其他影响因素其他影响因素其他影响因素v 工件材料工件材料v 冷却润滑液等冷却润滑液等磨削加工表面粗糙度影响因素磨削加工表面粗糙度影响因素磨削加工表面粗糙度影响因素磨削加工表面粗糙度影响因素 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

14、量 砂轮的转速砂轮的转速 材料塑性变形材料塑性变形 表面粗糙表面粗糙度值度值；磨削深度磨削深度、工件速度工件速度 塑性变形塑性变形 表表面粗糙度值面粗糙度值；为提高磨削效率，通常在开始磨削时采为提高磨削效率，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用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表面粗糙度值。面粗糙度值。（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 。（3）砂轮粒度与硬度）砂轮粒度与硬度磨粒太细，砂轮易被磨屑磨粒太细，砂轮易被磨屑堵

15、塞，使表面粗糙度值增大，堵塞，使表面粗糙度值增大，若导热情况不好，还会烧伤若导热情况不好，还会烧伤工件表面。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，使表面粗糙度砂轮选得太软，使表面粗糙度值增大。值增大。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、自锐性好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

16、 Ra(ap=0光磨)机械加工中产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变、晶机械加工中产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变、晶粒间产生滑移，表层材料硬度增加的现象粒间产生滑移，表层材料硬度增加的现象冷作硬化冷作硬化机械加工中力的作用强化、热的作用弱化冷作硬化机械加工中力的作用强化、热的作用弱化冷作硬化冷作硬化程度可用三个指标衡量：冷作硬化程度可用三个指标衡量：表层金属的显微硬度表层金属的显微硬度HVHV 硬化层深度硬化层深度h h（微米）（微米）硬化程度硬化程度N N表层材料的冷作硬化表层材料的冷作硬化表层材料的冷作硬化表层材料的冷作硬化3.33.3影响表层材料力学物理性能的工艺因素影响表层材料力学物理性

17、能的工艺因素及改进措施及改进措施进给量进给量冷硬程度冷硬程度 切切削削速速度度影影响响复复杂杂（力力与热综合作用结果）与热综合作用结果）切削深度影响不大切削深度影响不大 切削用量工件材料 材料塑性材料塑性 冷硬倾向冷硬倾向 材料强度材料强度 冷硬倾向冷硬倾向 1 1、切削加工中影响表面冷作硬化的因素切削加工中影响表面冷作硬化的因素切削加工中影响表面冷作硬化的因素切削加工中影响表面冷作硬化的因素 f 对冷硬的影响硬度(HV)0f(mm/r)0.20.40.60.8v=170(m/min)135(m/min)100(m/min)50(m/min)100200300400工件材料：453.33.3影

18、响表层材料力学物理性能的工艺因素影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施及改进措施 刀具几何参数2 2、切削加工中影响表面冷作硬化的因素切削加工中影响表面冷作硬化的因素切削加工中影响表面冷作硬化的因素切削加工中影响表面冷作硬化的因素 00.20.40.60.81.0磨损高度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v=40(m/min)f =0.120.2(mm/z)刀具后刀面磨损对冷硬影响 冷硬程度冷硬程度 后后刀刀面面磨磨损损量量 ,冷冷硬硬程程度度变变化化如如图图成成阶阶段性段性后后角角 、主主偏偏角角 、副副偏偏角角 、刀刀尖尖圆圆弧弧半半径径 对对冷冷作作硬硬化化影

19、影响响不大不大3.33.3影响表层材料力学物理性能的工艺因素影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施及改进措施磨削速度磨削速度冷硬程度冷硬程度（弱化作用加强）（弱化作用加强）工件转速工件转速冷硬程度冷硬程度 纵向进给量影响复杂纵向进给量影响复杂磨削深度磨削深度冷硬程度冷硬程度 磨削用量 砂轮 砂轮粒度砂轮粒度冷硬程度冷硬程度 砂轮硬度、组织影响不显著砂轮硬度、组织影响不显著工件材料 材料塑性材料塑性 冷硬倾向冷硬倾向 材料导热性材料导热性 冷硬倾向冷硬倾向 磨削深度对冷硬的影响ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削3 3、磨削加工中

20、影响表面冷作硬化的因素磨削加工中影响表面冷作硬化的因素磨削加工中影响表面冷作硬化的因素磨削加工中影响表面冷作硬化的因素 3.33.3影响表层材料力学物理性能的工艺因素影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施及改进措施回回火火烧烧伤伤：磨磨削削温温度度介介于于其其相相变变温温度度723C723C和和马氏体转变温度马氏体转变温度300C300C之间之间马氏体回火转变马氏体回火转变淬淬火火烧烧伤伤：磨磨削削温温度度超超过过其其相相变变温温度度723C723C+急急冷冷二次淬火二次淬火退退火火烧烧伤伤：磨磨削削温温度度超超过过其其相相变变温温度度723C723C+不不冷却冷却退火退火 机械加工过程

21、中加工区域温度达到或超过工件材料机械加工过程中加工区域温度达到或超过工件材料相变温度时，金相组织会发生变化（主要指磨削）相变温度时，金相组织会发生变化（主要指磨削）磨削烧伤（淬火钢）磨削烧伤（淬火钢）l表层金属金相组织变化表层金属金相组织变化表层金属金相组织变化表层金属金相组织变化 3.33.3影响表层材料力学物理性能的工艺因素影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施及改进措施烧伤表现：烧伤表现：彩色氧化膜彩色氧化膜 残余应力残余应力 微裂纹微裂纹 带空气挡板冷却喷嘴l磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削烧伤与磨削裂纹的控制3.33.3影响表层材料力

22、学物理性能的工艺因素影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施及改进措施 合理选择砂轮合理选择砂轮根根据据工工件件材材料料、磨磨削削性性质质选选择择砂砂轮轮的硬度、结合剂和组织的硬度、结合剂和组织 合理选择磨削用量合理选择磨削用量合理选择磨削过程的合理选择磨削过程的a ap p、f f1 1、v vw w、v vs s 改善冷却条件改善冷却条件内冷却、喷汽冷却、强制冷却等内冷却、喷汽冷却、强制冷却等l磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削烧伤与磨削裂纹的控制3.33.3影响表层材料力学物理性能的工艺影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施因素及改进措

23、施 内冷却砂轮内冷却砂轮 内冷却砂轮内冷却砂轮 开槽砂轮开槽砂轮 a）槽均匀分布槽均匀分布 b）90度内变距开槽度内变距开槽 选择开槽砂轮选择开槽砂轮热生残余拉应力的示意图热生残余拉应力的示意图3.33.3影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施影响表层材料力学物理性能的工艺因素及改进措施 残余应力产生的原因残余应力产生的原因表层材料的残余应力表层材料的残余应力表层材料的残余应力表层材料的残余应力 表表层层材材料料形形状状变变化化、体体积积变变化化、金金相相组组织织变变化化时时将在表层材料与基体间产生相互平衡的残余应力将在表层材料与基体间产生相互平衡的残余应力1)1)机机械械加加工工中中表

24、表层层材材料料的的塑性变形塑性变形外压内拉外压内拉2)2)磨磨削削温温度度造造成成表表层层材材料料的塑性变形的塑性变形外拉内压外拉内压3)3)金相组织变化金相组织变化体积变化体积变化表层比容增大外压内拉外压内拉表层比容减小外拉内压外拉内压 v v残余应力残余应力（热应力（热应力起主导作用）起主导作用）切削用量 刀具前角前角+，残余拉应力，残余拉应力 刀具磨损刀具磨损残余应力残余应力 工件材料材料塑性材料塑性残余应力残余应力 铸铸铁铁等等脆脆性性材材料料易易产产生生残残余压应力余压应力 f 对残余应力的影响工件：45，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液 残余应力(Gpa)0

25、.2000.200100200300400距离表面深度(m)f=0.40mm/r f =0.25mm/r f=0.12mm/r f f残余应力残余应力 切削深度影响不显著切削深度影响不显著 vc 对残余应力的影响0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件：45切削条件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200距离表面深度(m)残余应力(Gpa)-0.2000.20vc=213m/minvc=86m/minvc=7.7m/min影响刀具切削残余应力的工艺因素影响刀具切削残余应力的工艺因素影响刀具切削残余应力的工艺因素影响刀具切削残余应力的工艺因素 磨削用量的

26、影响磨削用量的影响背吃刀量背吃刀量a ap p、砂轮速度、砂轮速度v vs s 工件的转速工件的转速v vw w和进给和进给f f1 1 工件材料工件材料强强度度、导导热热性性、塑塑性性 残余拉应力残余拉应力 影响磨削残余应力的工艺因素影响磨削残余应力的工艺因素影响磨削残余应力的工艺因素影响磨削残余应力的工艺因素uu 热变形和塑性变形对残余应力影响很大热变形和塑性变形对残余应力影响很大热因素起主导作用残余拉应力塑性变形起主导作用残余压应力淬火烧伤时，金相组织变化起主导作用残余压应力ap对残余应力的影响磨削工业铁和磨削工业铁和T8T8的残余应力的残余应力工件最终工序加工方法的选择工件最终工序加工

27、方法的选择工件最终工序加工方法的选择工件最终工序加工方法的选择加工方法加工方法残余应力符号残余应力符号 /MPa应力层深度应力层深度h/mm车削车削一般外拉内压一般外拉内压 外压内拉外压内拉200800 刀具磨损刀具磨损1000一般外拉内压一般外拉内压0.050.1高速、负前角时高速、负前角时0.65磨削磨削一般外压内拉一般外压内拉20010000.050.30铣削铣削外压内拉外压内拉6001500碳钢淬硬碳钢淬硬外压内拉外压内拉400750钢珠滚压钢件钢珠滚压钢件外压内拉外压内拉700800喷丸强化钢件喷丸强化钢件外压内拉外压内拉10001200渗碳淬火渗碳淬火外压内拉外压内拉1000110

28、0镀铬镀铬外拉内压外拉内压400镀铜镀铜外拉内压外拉内压200各种加工方法在工件表面残余的内应力各种加工方法在工件表面残余的内应力 利利用用淬淬硬硬和和精精细细研研磨磨过过的的滚滚轮轮或或滚滚珠珠，在在常常温温状状态态挤挤压压金金属属表表面面，将将凸凸起起部部分分下下压压下下，凹凹下下部部分分上上凸凸，修修正正工工件件表表面面的的微微观观几几何何形形状状,形形成成压压缩缩残残余余应应力力，提提高高耐疲劳强度耐疲劳强度 利利用用珠珠丸丸高高速速打打击击工工件件表表面面,使使工工件件表表面面产产生生冷冷硬硬层层和和压压应应力力,提提高疲劳强度高疲劳强度喷丸强化喷丸强化喷丸强化喷丸强化 滚压加工原理

29、图 用用于于强强化化形形状状复复杂杂或或不不宜宜用用其其它它方方法法强强化化的的工工件件，例例如如板板弹弹簧簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等螺旋弹簧、齿轮、焊缝等滚压加工滚压加工滚压加工滚压加工珠丸挤压引起残余应力 压缩拉伸塑性变形区域表面强化工艺表面强化工艺表面强化工艺表面强化工艺机械加工过程中振动的危害机械加工过程中振动的危害v 影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度v 影响生产效率 v 加速刀具磨损，易引起崩刃v 影响机床、夹具的使用寿命v 产生噪声污染，危害操作者健康v 工艺系统受到初始干扰力而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。v 由于系统中总存在由阻尼，

30、自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。机械加工过程中振动的类型机械加工过程中振动的类型自由振动自由振动自由振动强迫振动自激振动3.4 3.4 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动强迫振动产生原因强迫振动产生原因v 由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起v 强迫振动振源：机外机内。机外：振源均通过地基把振动传给机床 机内：1）回转零部件质量的不平衡 2）机床传动件的制造误差和缺陷 3）切削过程中的冲击3.4 3.4 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动强迫振动概念强迫振动概念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

31、就不会被阻尼衰减掉。强迫振动的数学描述及特性强迫振动的数学描述及特性内圆磨削振动系统 a)模型示意图 b）动力学模型 c）受力图（4-4-1 1）（4-24-2）（4-3）v 频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数v 幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振v 相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。强迫振动的特征强迫振动的特征 方法：振动信号测量和频谱分析(或其它现代谱分析手段，如EMD，倒谱，小波分析，ARMA等)，从而在工艺系统内部或外界寻找相同频率（或整倍数的频率

32、）振源来确定干扰源，然后根据不同的干扰源采用不同的措施予以控制。措施：u消除工艺系统中回转零件的不平衡。u提高机床传动件的制造精度。u 减振与隔振。u合理安排 固有频率，避开共振区。u提高工艺系统的刚度及增加阻尼。减小强迫振动的措施减小强迫振动的措施自激振动的概念自激振动的概念 在在没没有有周周期期性性外外力力作作用用下下，由由系系统统内内部部激激发发反反馈馈产生的周期性振动产生的周期性振动 自自激激振振动动过过程程可可用用传传递递函数概念说明（图函数概念说明（图3-323-32）自激振动是一种不衰减振动自激振动是一种不衰减振动 自自激激振振动动的的频频率率等等于于或或接接近近于系统的固有频率

33、于系统的固有频率 自自激激振振动动能能否否产产生生及及振振幅幅的的大大小小取取决决于于振振动动系系统统在在每每一一个个周周期期内内获获得得和和消消耗耗的的能能量量对对比比情况（图情况（图3-333-33）。）。图3-33 自激振动系统能量关系A B C能量EQEE0振幅电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)图3-32 自激振动闭环系统机床振动系统（弹性环节）调节系统（切削过程）自激振动的特征自激振动的特征3.4 3.4 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动 自激振动系统维持稳定振动的条件是，在个振动周期内，从能源输入到系统的能量(E)等于系统阻尼所消耗的能量(E)。如果吸收能量大

34、于消耗能量，则振动会不断加强；如果吸收能量小于消耗能量则振动将不断衰减而被抑制。自激振动机理自激振动机理uu负摩擦激振学说负摩擦激振学说:以车削加工为例将切削模型简化为单自由度振动系统。刀具等效质量m、只作y方向运动。刀架等系统刚度k。负摩擦特性切削力随滑动速度的增加而下降的特性。当刀具由于偶然原因产生振动时，它将在平衡位置y0附近作往复运动，刀具与工件相对趋近时称为切入（图b中的ABC段)，相对脱离时称为切出(图b中的CDA段)。切人与切出时的最大和最小滑动速度分别为、和 ，它们各自对应的径向切削分力分别为Fy1和Fy2。负摩擦特性曲线用能量关系说明颤振的产生 稳定切削时：刀尖处于y0位置，

35、刀具和切屑的相对滑动速度为v1。在切人的半个周期中，刀具运动方向与径向切削分力Fy的方向(切屑流出方向)相反，故切屑对刀具做负功；在切出的半个周期中，切屑对刀具做正功。由图b右下角可知，正功大于负功，其差值即为椭圆的面积。此即为一个振动周期中系统所获得的能量补充，因而使振动得以维持。再再生生机机理理：切削过程，由于偶然干扰，使加工系统产生振动并在加工表面上留下振纹。第二次走刀时，刀具将在有振纹的表面上切削，使切削厚度发生变化，导致切削力周期性地变化，产生自激振动 自激振动机理自激振动机理 产生条件（图产生条件（图4-744-74）：a）b）c）系统无能量获得；d）y 滞后于y0，即 0-，此时

36、切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出时切削力所作正功（获得能量）大于切入时所作负功，系统有能量获得，产生自激振动3.4 3.4 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动图4-74 再生自激振动原理图f切入 切出y0ya）b）y0y切入 切出fc）fy0y切入 切出d）切入 切出fy0y=0=0-振振型型耦耦合合机机理理：将车床刀架简化为两自由度振动系统，等效质量m用相互垂直的等效刚度分别为k1、k2两组弹簧支撑（设x1为低刚度主轴，图4-75）图4-75 车床刀架振型耦合模型Fmabcdx1x1x2x2k2k112X 自激振动的产生：自激振动的产生：k1=k2，x1与x2无相位差,轨迹为直

37、线，无能量输入 k1k2，x1超前x2，轨迹dcba为一椭圆，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的大，系统无能量输入 k1k2，x1滞后于x2，轨迹为一顺时针方向椭圆，即：abcd。此时，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的小，有能量获得，振动能够维持。3.4 3.4 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动 减小切削或磨削时的重叠系数（图3-48）式中 bd 等效切削宽度，即本次切削实际切到上次切削残留振纹 在垂直于振动方向投影宽度；b 本次切削在垂直于振动方向上的切削宽度；B,fa 砂轮宽度与轴向进给量。图3-48 重叠系数apfaB振动方向XDfbbda）切削b）磨削rr，3

38、.4 3.4 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动消除或减弱产生自激振动的条件消除或减弱产生自激振动的条件 调整振动系统小刚度主轴的位置（图3-49）x2x2x1x1x1x1x2x2图3-49 两种尾座结构3.4 3.4 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动v 减小重叠系数方法 增加主偏角增加主偏角 增大进给量增大进给量图3-50 车刀消振棱0.10.3-5-202 3 增加切削阻尼（例采用倒棱车刀，图3-50）提高工艺系统刚度 增大工艺系统阻尼 改善工艺系统动态特性改善工艺系统动态特性阻尼材料铸铁环铸铁套筒图4-79 零件上加阻尼材料3.4 3.4 机械加工过程中的振动机械加工过程中

39、的振动图4-80 摩擦式减振器1飞轮 2摩擦盘 3摩擦垫 4螺母 5弹簧v动力减振器 v摩擦式减振器（图4-80）v冲击式减振器（图4-81）采用减振装置采用减振装置图4-81 冲击式减振镗刀与减振镗杆1冲击块 2紧定螺钉a）减振镗刀 b）减振镗杆3.4 3.4 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动总结：控制自激振动的途径总结：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。