表面质量改学习.pptx

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1、第第3 3章章 机械加工质量分析与控制机械加工质量分析与控制(前章要点回顾前章要点回顾)机械加工中的振动机械加工中的振动影响加工误差的因素影响加工误差的因素影响机械加工表面质量的因素影响机械加工表面质量的因素工艺系统几何误差工艺系统几何误差工艺系统受力变形工艺系统受力变形工艺系统热变形工艺系统热变形加工误差的统计分析加工误差的统计分析第1页/共77页 机械加工质量机械加工质量 尺寸精度形状精度位置精度（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）加工精度表面质量表面几何形状精度表面缺陷层表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力加工质量

2、加工质量图4-1 加工质量包含的内容第2页/共77页 第三章第三章 机械加工表面质量机械加工表面质量The Surface Quality Derived From MachiningThe Surface Quality Derived From Machining 第3页/共77页4一、概述一、概述1 1、加工表面层的组成、加工表面层的组成2 2、加工表面质量主要技术指标、加工表面质量主要技术指标3 3、表面质量对零件性能的影响、表面质量对零件性能的影响第4页/共77页 掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高产品性能的目的。

3、实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量。研究机械加工表面质量的目的机械产品的失效形式因设计不周而导致强度不够；磨损、腐蚀和疲劳破坏。少数多数问题:为什么要研究机械加工表面质量?第5页/共77页机械加工表面质量的含义1表面的几何特征2表面层物理力学、化学性能(1)表面粗糙度(2)表面波度(3)纹理方向(1)表面层加工硬化(冷作硬化)。(2)表面层金相组织变化。(3)表面层产生残余应力。第6页/共77页1、表面的几何形状特征 加工后表面形状，总是以“峰”、“谷”的形式偏离其理想光滑表面。按偏离程度有宏观和微观之

4、分。波距：峰与峰或谷与谷间的距离，以L表示；波高：峰与谷间的高度，以H 表示。波距与波高L/H1000时，属于宏观几何形状误差；L/H50时，属于微观形状误差，称作表面粗糙度；L/H=50 1000时，称作表面波度；主要是由机械加工过程中工艺系统低频振动所引起。第7页/共77页 纹理方向 是指表面刀纹的方向，取决于表面形成所采用的机械加工方法。一般运动副或密封件对纹理方向有要求。伤痕 是指在加工表面个别位置出现的缺陷，如沙眼、气孔、裂痕等。第8页/共77页表示方法(1)表面金属层的冷作硬化 指工件在加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形，使工件加工表面层的强度和硬度都有所提高的现象。冷硬层深

5、度 h硬化程度 N硬化程度：其中：H加工后表面层的显微硬度H0材料原有的显微硬度2、表面层物理力学、化学性能第9页/共77页(3)表面层产生残余应力 指的是加工中，由于切削热的作用引起表层金属金相组织发生变化的现象。如磨削时常发生的磨削烧伤，大大降低表面层的物理机械性能。指的是加工中，由于切削变形和切削热的作用，工件表层及其基体材料的交界处产生相互平衡的弹性应力的现象。残余应力超过材料强度极限就会产生表面裂纹。(2)表面层的金相组织变化第10页/共77页3、表面质量对机器零件使用性能的影响The impact of the machined surface quality on the com

6、ponent performance The impact of the machined surface quality on the component performance of a machineof a machine 第11页/共77页1表面质量对零件耐磨性的影响第一阶段 初期磨损阶段第二阶段 正常磨损阶段第三阶段 急剧磨损阶段零件的磨损可分为三个阶段 不是表面粗糙度值越小越耐磨，在一定工作条件下，摩擦副表面总是存在一个最佳表面粗糙度值，表面粗糙度Ra值约为0.320.25m较好。表面粗糙度对摩擦副的影响第12页/共77页 重载情况下，由于压强、分子亲和力和润滑液的储存等因素的变

7、化，其规律与上述有所不同。表面纹理方向对耐磨性的影响表面纹理方向影响金属表面的实际接触面积和润滑液的存留情况。轻载时，两表面的纹理方向与相对运动方向一致时，磨损最小；当两表面纹理方向与相对运动方向垂直时，磨损最大。过度的加工硬化会使金属组织疏松，甚至出现疲劳裂纹和产生剥落现象，从而使耐磨性下降。表面层的加工硬化对耐磨性的影响 由于加工硬化提高了表面层的强度，减少了表面进一步塑性变形和咬焊的可能。一般能提高耐磨性0.5 1倍。第13页/共77页 在交变载荷作用下，零件表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷员易形成应力集中，并发展成疲劳裂纹，导致零件疲劳破坏。因此，对于重要零件表面如连杆、曲轴等，应进行光整

8、加工，减小表面粗糙度值，提高其疲劳强度。适当的加工硬化能阻碍已有裂纹的继续扩大和新裂纹的产生，有助于提高疲劳强度。但加工硬化程度过大，反而易产生裂纹，故加工硬化程度应控制在一定范围内。拉应力加剧疲劳裂纹的产生和扩展；残余压应力，能延缓疲劳裂纹的产生、扩展，而使零件疲劳强度提高。表面残余应力对疲劳强度的影响影响极大表面粗糙度对疲劳强度的影响表面层的加工硬化对疲劳强度影响2表面质量对零件疲劳强度的影响第14页/共77页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；表面粗糙度的影响表面粗糙度值越大，越容易积聚腐蚀性物质；波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。零件的耐腐蚀性在很大程度上

9、取决于表面粗糙度表面残余应力对零件耐腐蚀性影响拉应力则降低耐腐蚀性3表面质量对零件耐腐蚀性的影响第15页/共77页 表面残余应力会引起零件变形，使零件形状和尺寸发生变化，因此对配合性质有一定的影响。相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。表面粗糙度的影响 对间隙配合而言，表面粗糙度值太大，会使配合表面很快磨损而增大配合间隙，改变配合性质，降低配合精度。对过盈配合而言，装配时配合表面的波峰被挤平，减小实际过盈量，降低了连接强度，影响了配合的可靠性。表面残余应力的影响4表面质量对配合性质的影响第16页/共77页二、表面粗糙度Technological Factors Influencing

10、 Roughness第17页/共77页刀尖圆弧半径主偏角副偏角进给量 1、影响表面粗糙度的工艺因素表面粗糙度的形成和影响因素几何因素物理因素两方面1.切削加工表面粗糙度切削残留面积的高度金相组织 金相组织越粗大，粗糙度也越大；切削液的选用及刀具刃磨质量第18页/共77页 2.切削加工后表面粗糙度切削加工后表面粗糙度 图4-60 车削时残留面积的高度直线刃车刀（图直线刃车刀（图4-60a4-60a）（4-31）圆弧刃车刀（图圆弧刃车刀（图4-60b4-60b）（4-32）影响因素：影响因素：frRmaxvfrb）Rmaxfa）vf切削残留面积的高度切削残留面积的高度第19页/共77页 切切削削速

11、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屑瘤瘤和和鳞鳞刺刺，表表面面粗粗糙度最差。糙度最差。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，切削液等图4-61 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）0200400600hKsRz2 切削加工后表面粗糙度切削加工后表面粗糙度 切削表面塑性变形和积屑瘤切削表面塑性变形和积屑瘤第20页/共77页v 砂轮速度v，Rav

12、 工件速度vw，Ra v 砂轮纵向进给f，Ra v 磨削深度ap，Ra 图4-62 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）2.磨削加工后表面粗糙度磨削加工后表面粗糙度 磨削用量影响磨削用量影响 图4-63 光磨次数-Ra关系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)细粒度

13、砂轮(WA/GCW14KB)v光磨次数，Ra第21页/共77页v 砂轮粒度越细，Ra；但要适量v 砂轮硬度适中，Ra；常取中软v 砂轮组织适中，Ra ；常取中等组织v 采用超硬砂轮材料，Ra v 砂轮精细修整，Ra 2.磨削加工后表面粗糙度影响磨削加工后表面粗糙度影响 砂轮影响砂轮影响其他影响因素其他影响因素v 工件材料v 冷却润滑液等第22页/共77页 3、影响表层性能的工艺因素及改善措施第23页/共77页1.影响表面冷作硬化的因素影响表面冷作硬化的因素 切削加工切削加工 f f，冷硬程度，冷硬程度(图图4-64)4-64)切削用量影响 刀具影响 r r ，冷硬程度，冷硬程度 其他几何参数影

14、响不明显其他几何参数影响不明显 后刀面磨损影响显著（图后刀面磨损影响显著（图4-654-65）00.20.40.60.81.0磨损宽度VB(mm)100180260340硬度(HV)50钢，v=40(m/min)f =0.120.2(mm/z)图4-65 后刀面磨损对冷硬影响 工件材料 材料塑性材料塑性，冷硬倾向，冷硬倾向 切切削削速速度度影影响响复复杂杂（力力与与热热综综合合作作用结果）用结果）切削深度影响不大切削深度影响不大图4-64 f 和 v 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

15、)100200300400工件材料：45第24页/共77页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（图（图4-664-66）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 图4-66 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1.影响表面冷作硬化的因素影响表面冷作

16、硬化的因素 磨削加工磨削加工第25页/共77页2.影响表层金属残余应力的因影响表层金属残余应力的因素素 v v残余应力残余应力（热应力起主导作（热应力起主导作用，图用，图4-674-67）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 铸铁等脆性材料易产生残余压应力铸铁等脆性材料易产生残余压应力图4-68 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)0.2000.200100200300400距离表面深度(m)f =0.40mm/r f =0.25mm/

17、r f =0.12mm/r仅讨论切削加工 f f残余应力残余应力（图（图4-684-68）切削深度影响不显著切削深度影响不显著图4-67 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第26页/共77页3.磨削烧伤与磨削裂纹磨削烧伤与磨削裂纹 合理选择砂轮合理选择砂轮 合理选择磨削用量合理选择磨削用量 改善冷却条件改善冷却条件工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时

18、，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜磨削烧伤磨削烧伤磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现 图4-69 带空气挡板冷却喷嘴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裂纹磨削裂纹第27页/共77页提高和改善零件表面层的物理力学性能的措施 因此，最终工序加工方法的选择，须考虑零件的具体工作条件及零件可能产生的破坏形式。(一)零件破坏形式和最终工序的选择 一般来说，零件表面残余应力的数值及性质主要取决于零件最终工序加工方法的选择。1疲劳破坏2滑动磨损3滚动磨损零件破坏形式零件表面

19、层金属的残余应力将直接影响机器零件的使用性能。第28页/共77页 从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑，最终工序应选择能在加工表面产生残余压应力的加工方法。1.疲劳破坏机器零件表面上局部产生微观裂纹在交变载荷的 作 用 下拉应力作用下原生裂纹扩大导致零件破坏滑动摩擦的机械作用物理化学方面的综合作用2滑动磨损指的是两个零件作相对滑动，滑动面逐渐磨损的现象。滑动磨损机理粘接磨损扩散磨损化学磨损第29页/共77页 从提高零件抵抗滑动摩擦引起的磨损考虑，最终工序应选择能在加工表面产生残余拉应力的加工方法。从抵抗粘接磨损、扩散磨损、化学磨损考虑对残余应力的性质无特殊要求时，应尽量减小表面残余应力值。滑动摩擦

20、工作应力分布如图所示。当表面层的压缩工作应力超过材料的许用应力时，将使表面层金属磨损。改善措施第30页/共77页 3滚动磨损指的是两个零件作相对滚动，滚动面将逐渐磨损的现象。滚动磨损来自滚动摩擦的机械作用物理化学方面综合作用 从提高零件抵抗滚动摩擦引起的磨损考虑，最终工序应选择能在表面层下深h处产生压应力的加工方法。滚动磨损的决定性因素是表面层下深h处的最大拉应力。最终工序加工方法的选择可参考下表第31页/共77页各种加工方法在工件表面残留的内应力情况。第32页/共77页(二)表面强化工艺 由前述可知，表面质量尤其是表面层的物理力学性能，对零件的使用性能及寿命影响很大，如果最终工序不能保证零件

21、表面获得预期的表面质量要求，则可在工艺过程中增设表面强化工序，以改善表面性能。表面强化工艺是指通过冷压加工方法使表面层金属发生冷态塑性变形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面层产生残余压应力。这种方法工艺简单、成本低廉，应用广泛。喷九强化滚压加工液体磨料强化等表面强化常用工艺方法第33页/共77页 1喷九强化 利用压缩空气或离心力将大量的珠丸(直径为0.4 4mm)以高速打击被加工零件表面，使表面产生冷硬层和残余压应力，可以显著提高零件的疲劳强度。珠丸可以是铸铁或砂石，钢丸更好。喷丸所用设备是压缩空气喷丸装置或机械离心式喷丸装置，这些装置使珠丸能以35 50ms的速度喷出。珠丸(直径为

22、0.4 4mm)高 速(35 50 m/s)打击被加工零件表面使表面产生冷硬层和残余压应力方法概要 喷九加工主要用于强化形状复杂的零件，如齿轮、连杆、曲轴等。零件经喷九强化后，硬化层深度可达0.7mm，表面租糙度Ra值可由3.2 减少到0.4 ，使用寿命可提高几倍到几十倍。应用 喷丸加工主要用于强化形状复杂的零件，如齿轮、连杆、曲轴等。零件经喷丸强化后，硬化层深度可达0.7mm，表面租糙度Ra值可由3.2 减少到0.4 ，使用寿命可提高几倍到几十倍。第34页/共77页 2滚压加工 利用淬硬的滚压工具(滚轮或滚珠)在常温下对工件表面施加压力，使其产生塑性变形，工件表面上原有的波峰被填充到相邻的波

23、谷中，以减小表面粗糙度值，并使表面产生冷硬层和残余压应力，从而提高零件的承裁能力和疲劳强度。方法滚压工具波峰被填充到相邻的波谷中表面产生冷硬层和 残 余 压 应 力 滚压可以加工外圆、孔、平面及成形表面，通常在卧式车床、转塔车床或自动车床上进行。功效表面层硬度一般可提高20 40；表面层金属的耐疲劳强度可提高30 50。应用第35页/共77页滚压加工应用实例1.弹性外圆滚压工具弹簧主要用于控制压力的大小为了提高强化效率，可以采用双排滚压工具，第一排滚珠直径较小，作粗加工用，第二排滚珠直径较大，作精加工用。2.孔滚压工具小滚珠作粗加工用大滚珠作精加工用第36页/共77页3液体磨料强化 如图所示，

24、液体和磨料在400 800kPa下，经过喷嘴高速喷出，射向工件表面，借磨粒的冲击作用，磨平工件表面的表面粗糙度并碾压金属表面。液体磨料强化是利用液体和磨料的混合物强化工件表面的方法。方法 由于磨粒的冲击和微量切削作用，使工件表面产生几十微米的塑性变形层。加工后的工件表面层具有残余压应力，提高了工件的耐磨性、抗蚀性和疲劳强度。效果 液体磨料强化工艺最宜于加工复杂型面，如锻摸、汽轮机叶片、螺旋桨、仪表零件和切削刀具等。应用第37页/共77页38三、机械加工后表面的机械性能第38页/共77页391)表面层的显微硬度HV2)硬化层深度h03)硬化程度N1加工表面的冷作硬化 HV0 金属原来的显微硬度

25、磨削时，磨削深度和纵向进给速度，磨削力，塑性变形加剧，表面冷硬趋向。影响加工硬化的因素 1)切削力，塑性变形，硬化程度和硬化层深度。如：切削时进给量，切削力，塑性变形程度，硬化程度；刀具的刃口圆角和后刀面的磨损量增大，塑性变形，冷硬层深度和硬化程度随之。第39页/共77页40 各种机械加工方法在加工钢件时表面加工硬化的情况如下表所示。2)切削温度，软化作用，冷硬作用。如：切削速度增大，会使切削温度升高，有利于软化；磨削时提高磨削速度和纵向进给速度，有时会使磨削区产生较大热量而使冷硬减弱。3)被加工材料的硬度低、塑性好，则切削时塑性变形越大，冷硬现象就越严重。第40页/共77页41第41页/共7

26、7页422.加工表面层的金相组织变化热变质层 热变质层：在磨削加工时，由于磨削比压大，磨削速度高，砂轮消耗的能量绝大部分转化为热并传给工件表面，使 之温度升高，引起金相组织显著变化的加工表面层。（1）磨削烧伤磨削烧伤：当工件表面层温度达到相变温度以上时，表层金 属所发生的金相组织变化，强度、硬度降低，并伴随有 残余应力产生，甚至出现微观裂纹的现象。第42页/共77页43（2）改善磨削烧伤的措施 途径尽量减少磨削时产生的磨削热迅速将磨削热传走，以降低表层温度 改善砂轮的性能，减少磨削热的产生。如合理选择砂轮：考察砂轮的自锐能力、磨料、组织、硬度等；增大磨削刃间距：如在砂轮上开槽。磨削烧伤色：是由

27、磨削热引起的磨削表面上的一种可见的颜 色的变化。烧伤类型回火烧伤 淬火烧伤 退火烧伤 磨削温度超过250300度，得到与回火相近似的组织。磨削温度超过相变临界温度（720度），得到二次淬火马氏体组织。与回火相似，没有冷却液，缓慢冷却而形成退火组织。第43页/共77页44提高冷却效果。如采用高压大流量冷却冷却并清洗；加装空气挡板；采用内冷却。正确选择磨削用量。第44页/共77页45 3、加工表面层的残余应力(1)冷态塑性变形引起的残余应力(2)热态塑性变形引起的残余应力(3)金相组织变化引起的残余应力l、表面层残余应力及其产生的原因 表面层残余应力 外部载荷去除后，工件表面层及其与基体材料的交界

28、处仍残存的互相平衡的应力。表面层残余应力产生的原因第45页/共77页46(1)冷态塑性变形引起的残余应力 当刀具从被加工表面上去除金属时，由于后刀面的挤、压和摩擦作用，加大了表面层伸长的塑性变形，表面层的伸长变形受到基体金属的限制，也在表面层产生了残余压应力。在切削力作用下，已加工表面产生强烈的塑性变形。表面层金属比容增大，体积膨胀，与它相连的里层金属阻止其体积膨胀；里层产生残余拉应力表面层产生残余压应力结果：第46页/共77页47(2)热态塑性变形引起的残余应力 磨削温度越高，热塑性变形越大，残余拉应力也越大，有时甚至产生裂纹。在切削热作用下产生热膨胀金属基体温度较低工件加工表面表层产生热压

29、应力切削时切削过程结束时温度下降，已产生热塑性变形的表层收缩基体表层收缩结果表面产生残余拉应力第47页/共77页48(3)金相组织变化引起的残余应力 如：马氏体密度为7.75 g/cm3，奥氏体密度为7.96 g/cm3，珠光体密度为7.78 g/cm3，铁素体密度为7.88 g/cm3；切削时产生的高温会引起表面层金相组织变化。因为不同的金属组织，它们的密度不同，因而引起残余应力。以淬火钢磨削为例淬火钢原来的组织是马氏体7.75 g/cm3磨削加工后表层可能产生回火，马氏体变为珠光体7.78 g/cm3密度增大而体积减小表面产生残余拉应力导致结果第48页/共77页492、影响表面层残余应力及

30、磨削裂纹的因素 机械加上后表面层的残余应力，是由冷态塑性变形、热态塑性变形和金相组织变化这三方面原因引起的综合结果。在一定条件下，其中某种或两种因素可能起主导作用。磨削时起主导作用的是“热”。磨削用量工件材料及热处理规范首要因素影响磨削裂纹的因素第49页/共77页50磨削碳钢时，含碳量越高，越容易产生裂纹；当碳的质量小于0.6至0.7时，几乎不产生裂纹；淬火钢晶界脆弱，渗碳、渗氮钢受温度影响大，磨削时易产生裂纹。磨削用量对磨削裂纹影响 粗磨时，表面产生极浅的残余压应力，接着就是较深且较大的残余拉应力，这说明表面产生了一薄层一次淬火层，下层是回火组织。精细磨削时，温度影响很小、更没有金相组织变化

31、，主要是冷态塑性变形的影响，故表面产生浅而小的残余压应力；精磨时，热塑性变形起了主导作用，表面产生很浅的残余拉应力；磨削裂纹与工件材料及热处理规范的关系第50页/共77页 四、振动的分类第51页/共77页1、机械加工中的强迫振动如其它机床或机器的振动通过地基传给正在进行加工的机床，引起工艺系统振动。（1）强迫振动产生的原因强迫振动是由于机床外部和内部振源的激振力所引发的振动。(1)系统外部的周期性激振力如齿轮啮合时的冲击、带传动中的带厚不均或接头不良、滚动轴承滚动体误差、液压系统中的冲击现象以及往复运动部件换向时的惯性力等，都会引起强迫振动。(2)高速回转零件的质量不平衡引起的振动如砂轮、齿轮

32、、电动机转子、带轮、联铀器等旋转件不平衡产生离心力而引起强迫振动。(3)传动机构的缺陷和往复运动部件的惯性力引起的振动 有些加工方法如铣削、拉削及滚齿等，由于切削的不连续，导致切削力的周期性变化，引起强迫振动。(4)切削过程的间歇性 第52页/共77页 2、机械加工中的自激振动 切削加工时，在没有周期性外力作用的情况下，有时刀具与工件之间也可能产生强烈的相对振动，并在工件的加工表面上残留明显的、有规律的振纹。这种由振动系统本身产生的交变力激发和维持的振动称为自激振动，通常也称为颤振。(一)自激振动的产生条件和特性处于切削过程中的工艺系统作用干扰力产生自由振动引起刀具和工件相对位置的变化切削力的

33、波动这变化又引起工艺系统产生振动导致1、自激振动的产生example.第53页/共77页 自激振动系统是一个闭环反馈自控系统，调节系统把持续工作用的能源能量转变为交变力对振动系统进行激振，振动系统的振动又控制切削过程产生激振力，以反馈制约进入振动系统的能量。组成的一个闭环系统。自激振动的组成振动系统(工艺系统)调节系统(切削过程)第54页/共77页四、机械加工中振动的控制1、强迫振动的诊断方法消除或减弱产生机械振动的条件；改善工艺系统的动态特性，增强工艺系统的稳定性；采取各种消振减振装置。机械加工中控制振动的途径(一)消除或减弱产生强迫振动的条件诊断依据 强迫振动的频率与激振力的频率相等或是它

34、的整数倍。基本途径 测出振动的频率。第55页/共77页 较完善的方法：对机床的振动信号进行功率谱分析、功率谱中的尖峰点对应的频率就是机床振动的主要频率。测定振动频率的方法 简单方法：数出工件表面的波纹数，然后根据切削速度计算出振动频率。高转速（600rmin以上）零件必须进行平衡以减小和消除激振力；如砂轮、卡盘、电动机转子及刀盘等。减少传动机构的缺陷，提高带传动、链传动、齿轮传动及其他传动结构的稳定性，如采用完善的带接头、以斜齿轮或人字齿轮代替直齿轮等；使动力源(尤其是液系统）与机床本体放在两个分离的基础上。对于往复运动部件，应采用较平稳的换向机构。在条件允许时，适当降低换向速度及减小往复运动

35、件的质量，以减小惯性力。2消除或减弱产生强迫振动的条件1)减小激振力第56页/共77页 在选择转速时，尽可能使引起强迫振动的振源的频率避开共振区。使工艺系统部件在准静态区或惯性区运行，以免发生共振。2)调整振源频率 不论哪种方式，都是用弹性隔振装置将需防振的机床或部件与振源之间分开，使大部分振动被吸收，从而达到减小振源危害的目的，常用的隔振材料有橡皮、金属弹簧、空气弹簧、泡沫、乳胶、软木、矿渣棉、木屑等。3)采取隔振措施隔振方式主动隔振 阻止机床振源通过地基外传；被动隔振 阻止外干扰力通过地基传给机床。第57页/共77页(二)消除或减弱产生自激振动的条件切削进给量和切削深度与振幅的关系曲线表明

36、，选较大的进给量和较小的切削深度有利于减小振动。1、合理选择切削用量 从切削速度与振幅的关系曲线，可看出在低速或高速切削时，振动较小。第58页/共77页 2合理选择刀具几何参数刀具几何参数中对振动影响最大的是主偏角和前角。主偏角增大，则垂直于加工表面方向的切削分力减小，实际切削宽度减小，故不易产生自振。如左图所示，前角越大，切削力越小，振幅也小。如右图所示，主偏角90o时，振幅最小；主偏角 90o，振幅增大。第59页/共77页 适当减小刀具后角(a02o 3o)，可以增大工件和刀具后刀面之间的摩擦阻尼；在后刀面磨出带有负后角的消振棱，如图所示。3增加切削阻尼第60页/共77页（三）、增强工艺系

37、统抗振性和稳定性的措施 首先要提高工艺系统薄弱环节的刚度，合理配置刚度主轴的位置，使小刚度主轴位于切削力和加工表面法线方向的夹角范围之外。如调整主轴系统、进给系统的间隙，合理改变机床的结构，减小工件和刀具安装中的悬伸长，车刀反装切削等。（1）、提高工艺系统的刚度 其次是减轻工艺系统中各构件的质量，因为质量小的构件在受动载荷作用时惯力小。第61页/共77页 工艺系统的阻尼主要来自零部件材料的内阻尼、结合面上的摩擦阻尼以及其他附加阻尼。（2）增大系统的阻尼选用阻尼比大的材料制造零件；把高阻尼的材料附加到零件上去，如图所示的薄壁封砂的床身结构，可提高抗振性。增大系统的阻尼的方法增加摩擦阻尼，对于机床

38、的活动结合面，可通过间隙调整施加预紧力增大摩擦；对于固定结合面应增加摩擦阻尼，如选用合理的加工方法、表面粗糙度等级、结合面上的比压以及固定方式等。第62页/共77页（四）、采用各种消振减振措施 如果不能从根本上消除产生机械振动的条件，又不能有效地提高工艺系统的动态特性，为保证加工质量和生产率，就要采用消振减振装置。(1)摩擦式减振器 它是利用固体或液体的摩擦阻尼来消耗振动的能量。常用的减振装置有：如图所示，通过阻尼套和主轴间隙中的粘性油的阻尼作用来减振。第63页/共77页 它是用弹性元件把一个附加质量块连接到振动系统中，利用附加质量的动力作用，使弹性元件加在系统上的力与系统的激振力相抵消。(2

39、)动力式减振器 如图所示：在振动系统中增加了附加系统m2后，则变为两自由度系统。只要参数m 2、2及k2选取得合适，原系统的m1就不再振动，只有附加系统(减振器)m2在振动，从而达到减振目的。第64页/共77页(3)冲击式减振器 它是由一个与振动系统刚性连接的壳体和一个在壳体内自由冲击的质量块所组成，当系统振动时，自由质量块反复冲击壳体，以消耗振动能量，达到减振的目的。第65页/共77页 为了获得最佳碰撞条件，希望振动体和冲击块都以最大的速度运动时碰撞，这样会造成最大的能量损失。为达到减振的最佳效果，应保证质量块在壳体内的间隙，冲击的材料要选密度大、弹性恢复系数大的材料制造。冲击式减振器虽有因

40、碰撞产生噪声的缺点，但由于具有结构简单、质量轻、体积小以及在较大的频率范围内都适用的优点，所以应用较广。第66页/共77页 本章结束第67页/共77页 3.2 机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动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，由由系系统内部激发反馈产生的周期性振动统内部激发反馈产生的周期性振动 自自激激振振动动过过程程可可用用传传递递函函数数概概念念说明（图说明（图4-724-72）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于系系统统的的固有频率固有频率 自自激激振振动动能能否否产产

41、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能量对比情况（图的能量对比情况（图4-734-73）。）。图4-73 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4-72 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第68页/共77页 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

42、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 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，产生自激振动机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动第69页/共77页 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Fmabc

43、dx1x1x2x2k2k112X 自激振动的产生：自激振动的产生：k1=k2，x1与x2无相位差,轨迹为直线，无能量输入3.2 机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动 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。第70页/共77页3.2 机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治 减小机内干扰力的幅值减小机内干扰力的幅值 调整振源的频率，一般要求：调整振源的频率，一般要求：调整振动系统小

44、刚度主轴的位置（图4-76）消除或减弱产生强迫振动的条件消除或减弱产生强迫振动的条件式中 f 和 fn 分别为振源频率和系统固有频率 隔振隔振x2x2x1x1x1x1x2x2图4-76 两种尾座结构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（4-33）第71页/共77页机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治 减小切削或磨削时的重叠系数（图4-77）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4-77 重叠系数apfaB振动方向XDfbbda）切削b）磨削rr，

45、（4-34）第72页/共77页v 减小重叠系数方法图4-78 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4-78）增加主偏角增加主偏角 增大进给量增大进给量机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治第73页/共77页 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机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治阻尼材料铸铁环铸铁套筒图4-79 零件上加阻尼材料第74页/共77页图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）机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治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）减振镗杆第75页/共77页自激振动举例第76页/共77页77感谢您的观看。第77页/共77页