機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制

1、機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 一、一、 概概 述述 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 零件表面質(zhì)量零件表面質(zhì)量 表面粗糙度表面粗糙度 表面波度表面波度 表面物理力學(xué)表面物理力學(xué) 性能的變化性能的變化 表面微觀幾何表面微觀幾何 形狀特征形狀特征 表面層冷作硬化表面層冷作硬化 表面層殘余應(yīng)力表面層殘余應(yīng)力 表面層金相組織的變化表面層金相組織的變化 表面質(zhì)量的含義（內(nèi)容）表面質(zhì)量的含義（內(nèi)容） 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 （1）表面粗糙度對(duì)零件耐磨性的影響）表面粗糙度對(duì)零件耐磨性的影響 v 表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如圖表面粗糙度太大和太小都不耐磨。如圖4-38所示。所示。 v表面粗糙度太大，接觸表面的實(shí)際壓

2、強(qiáng)增大，粗糙不平表面粗糙度太大，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?。坏耐狗逑嗷ヒШ?、擠裂、切斷，故磨損加劇； v表面粗糙度太小，也會(huì)導(dǎo)致磨損加劇。因?yàn)楸砻嫣饣?，表面粗糙度太小，也?huì)導(dǎo)致磨損加劇。因?yàn)楸砻嫣饣?存不住潤(rùn)滑油，接觸面間不易形成油膜，容易發(fā)生分子粘存不住潤(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。結(jié)而加劇磨損。 v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。隨之

3、右移。 二、表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響二、表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響 1表面質(zhì)量對(duì)零件耐磨性的影響表面質(zhì)量對(duì)零件耐磨性的影響 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 圖圖438 表面粗糙度與初期磨損量的關(guān)系表面粗糙度與初期磨損量的關(guān)系 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 （2）表面層的冷作硬化對(duì)零件耐磨性的影響）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，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降低，減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和 塑性變形。塑

4、性變形。 并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。這是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因?yàn)檫^分的冷作硬化，將引起金屬組織過度“疏疏 松松”，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中可能會(huì)產(chǎn)生金屬剝落，在接，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。觸面間形成小顆粒，使零件加速磨損。 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 2表面質(zhì)量對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響表面質(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。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

5、。在交對(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。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，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。紋底半徑越小，其抗疲勞破壞的能力越差。 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 （2）表面層冷作硬化與殘余應(yīng)力對(duì)零件疲）表面層冷作硬化與殘余應(yīng)力對(duì)零件疲 勞強(qiáng)度的影響勞強(qiáng)度的影響 適度的表面層冷作硬化能提高零件

6、的疲勞強(qiáng)度。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，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。延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展，從而提高零件的疲勞強(qiáng)度。 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 （1）表面粗糙度對(duì)零件配合精度的影響）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。表面粗糙度較大，則降低了配合精度。 （2）表面

7、殘余應(yīng)力對(duì)零件工作精度的影響）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。們精度的穩(wěn)定性。 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 4表面質(zhì)量對(duì)零件耐腐蝕性能的影響表面質(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）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，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。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因此減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性 能。能。 （2）表面殘余應(yīng)力對(duì)

8、零件耐腐蝕性能的影響）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。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；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。失。

9、機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響 零件表面質(zhì)量零件表面質(zhì)量 粗糙度太大、太小都不耐磨粗糙度太大、太小都不耐磨 適度冷硬能提高耐磨性適度冷硬能提高耐磨性 對(duì)疲勞強(qiáng)度的對(duì)疲勞強(qiáng)度的 影響影響 對(duì)耐磨性影響對(duì)耐磨性影響 對(duì)耐腐蝕性能對(duì)耐腐蝕性能 的影響的影響 對(duì)工作精度的對(duì)工作精度的 影響影響 粗糙度越大，疲勞強(qiáng)度越差粗糙度越大，疲勞強(qiáng)度越差 適度冷硬、殘余壓應(yīng)力能提高疲適度冷硬、殘余壓應(yīng)力能提高疲 勞強(qiáng)度勞強(qiáng)度 粗糙度越大、工作精度降低粗糙度越大、工作精度降低 殘余應(yīng)力越大，工作精度降低殘余應(yīng)力越大，工作精度降低 粗糙度越大，耐腐蝕性越差粗糙度越大

10、，耐腐蝕性越差 壓應(yīng)力提高耐腐蝕性，拉應(yīng)力反壓應(yīng)力提高耐腐蝕性，拉應(yīng)力反 之則降低耐腐蝕性之則降低耐腐蝕性 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 三、三、 影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制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。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（一）切削加工表面粗糙度 1、幾何因素、幾何因素 刀尖圓弧半徑刀尖圓弧半徑r 主偏角主偏角kr、副偏角副偏角kr 進(jìn)給量進(jìn)給量f（圖圖440） H=f/(cotr+cotr) (8-1) H=f 2/(

11、8r) (8-2) 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 圖圖440 車削、刨削時(shí)殘留面積高度車削、刨削時(shí)殘留面積高度 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 2、物理力學(xué)因素、物理力學(xué)因素 （1）工件材料的影響）工件材料的影響 v韌性材料：工件材料韌性愈好，金屬塑性變形愈韌性材料：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。加工或精加工前安排正火或調(diào)質(zhì)處理。 v 脆性材料：加工脆性材料時(shí)，其切削呈碎粒狀，脆性材料：加

12、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。面粗糙。 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 （2）切削速度的影響）切削速度的影響 加工塑性材料時(shí)，切削速度對(duì)加工塑性材料時(shí)，切削速度對(duì) 表面粗糙度的影響（對(duì)積屑瘤和鱗表面粗糙度的影響（對(duì)積屑瘤和鱗 刺的影響）見如圖刺的影響）見如圖4-41所示。所示。 此外，切削速度越高，塑性變此外，切削速度越高，塑性變 形越不充分，表面粗糙度值越小形越不充分，表面粗糙度值越小 選擇低速寬刀精切和高速精切，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?？梢缘玫捷^小的表面粗糙度。 （

13、4）其它因素的影響）其它因素的影響 此外，合理使用冷卻潤(rùn)滑液，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，均能有效地減小的刃磨質(zhì)量等，均能有效地減小 表面粗糙度值。表面粗糙度值。 （3）進(jìn)給量的影響）進(jìn)給量的影響 減小進(jìn)給量減小進(jìn)給量f固然可以減小固然可以減小 表面粗糙度值，但進(jìn)給量過小，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)。表面粗糙度會(huì)有增大的趨勢(shì)。 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 圖圖441 加工塑性材料時(shí)切削速度對(duì)表面粗糙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 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 影響切削加工表面影響切削

14、加工表面 粗糙度的因素粗糙度的因素 刀具幾何形狀刀具幾何形狀 刀具材料、刃磨質(zhì)量刀具材料、刃磨質(zhì)量 切削用量切削用量 工件材料工件材料 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 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 （二）磨削加工表面粗糙度（二）磨削加工表面粗糙度 1、 磨削中影響粗糙度的幾何因素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)工件的磨削表面是由砂輪上大

15、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。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磨粒在砂輪上的分布越 均勻、磨粒越細(xì)，刃口的等均勻、磨粒越細(xì)，刃口的等 高性越好。則砂輪單位面積高性越好。則砂輪單位面積 上參加磨削的磨粒越多，磨上參加磨削的磨粒越多，磨 削表面上的刻痕就越細(xì)密均削表面上的刻痕就越細(xì)密均 勻，表面粗糙度值就越小。勻，表面粗糙度值就越小。 （1）砂輪的磨粒）砂輪的磨粒 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 v砂輪轉(zhuǎn)速越高，單位時(shí)間內(nèi)通過被磨表面

16、的磨粒數(shù)越砂輪轉(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。多，表面粗糙度值就越小。 v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，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。因此表面粗糙度值增大。 v砂輪的縱向進(jìn)給量小于砂輪的寬度時(shí)，工件表面將被砂輪的縱向進(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。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）磨削用量 （2）砂輪修整）砂輪修整

17、 砂輪修整除了使砂輪具砂輪修整除了使砂輪具 有正確的幾何形狀外，更重有正確的幾何形狀外，更重 要的是使砂輪工作表面形成要的是使砂輪工作表面形成 排列整齊而又銳利的微刃排列整齊而又銳利的微刃 （圖（圖447）。因此，砂輪修）。因此，砂輪修 整的質(zhì)量對(duì)磨削表面的粗糙整的質(zhì)量對(duì)磨削表面的粗糙 度影響很大。度影響很大。 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 圖圖447 砂輪上的磨粒砂輪上的磨粒 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 2、 磨削中影響粗糙度的物理因素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

18、磨削過程中只是對(duì)被加工表面擠壓，沒削刃又不銳利，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)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。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）磨削用量 砂輪的轉(zhuǎn)速砂輪的轉(zhuǎn)速 材料塑性變形材料塑性變形 表面粗表面粗 糙度值糙度值 ； 磨削深度磨削深度、工件速度工件速度 塑性變形塑性變形 表表 面粗糙度值面粗糙度值 ； 為提高磨削效率，通常在開始磨削時(shí)采為提高磨削效率，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

19、期采用較用較大的徑向進(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。面粗糙度值。 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 （2）工件材料）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）砂輪粒度與硬度 磨粒太細(xì)，砂輪易被磨屑磨粒太細(xì)，砂輪易被磨屑 堵塞，使表面粗糙度值增大，堵塞，使表面粗糙度值增大， 若導(dǎo)熱情況不好，還會(huì)燒傷若導(dǎo)熱情況不好，還會(huì)燒傷 工件表面。工件表面。 砂輪太硬，使表面粗糙度增砂輪太硬，使表面粗糙度增 大；大； 砂輪選得太軟，使表面粗糙砂

20、輪選得太軟，使表面粗糙 度值增大。度值增大。 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 影響磨削加工表面影響磨削加工表面 粗糙度的因素粗糙度的因素 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 砂輪粒度砂輪粒度 工件材料性質(zhì)工件材料性質(zhì) 砂輪修正砂輪修正 磨削用量磨削用量 砂輪硬度砂輪硬度 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) 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 四、四、 影響表面層物理力學(xué)性能的影響表面層物理力學(xué)性能的 主要因素及其控制主要因素及

21、其控制 影響表面層物理力學(xué)性能的主要因素影響表面層物理力學(xué)性能的主要因素 表面物理力學(xué)表面物理力學(xué) 性能性能 影響金相組織變化影響金相組織變化 因素因素 影響顯微硬度因素影響顯微硬度因素 影響殘余應(yīng)力因素影響殘余應(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 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 1. 表面層的冷作硬化表面層的冷作硬化 （1 1） 表面層加工硬化的產(chǎn)生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

22、剪切滑移，晶粒被拉格扭曲，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)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，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。又稱冷作硬化和強(qiáng)化。 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 （2 2） 衡量表面層加工硬化的指標(biāo)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)：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）表面層的顯微硬度HV； 2）硬化層深度硬化層深度h； 3）硬化程度硬化程度N N=(HV-HV0)/HV0100 （8-3） 式中式中 HV0工件原表面層的顯微硬

23、度。工件原表面層的顯微硬度。 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 （3）影響表面層加工硬化的因素）影響表面層加工硬化的因素 刀具幾何形狀的影響刀具幾何形狀的影響 切削刃切削刃 r、前角前角、后面磨損量、后面磨損量VB 表層金屬的塑變加劇表層金屬的塑變加劇冷硬冷硬 切削用量的影響切削用量的影響 切削速度切削速度v塑變塑變冷硬冷硬 f切削力切削力塑變塑變冷硬冷硬 工件材料性能的影響工件材料性能的影響 材料塑性材料塑性冷硬冷硬 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 2. 表面層殘余應(yīng)力表面層殘余應(yīng)力 定義：定義： 機(jī)械加工中工件表面層組織發(fā)生機(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變化時(shí)，在表面層

24、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)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。力即為表面層的殘余應(yīng)力。 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 （1）表面層殘余應(yīng)力的產(chǎn)生）表面層殘余應(yīng)力的產(chǎn)生 1） 冷態(tài)塑變冷態(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） 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 圖圖

25、切削熱在表層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的示意圖切削熱在表層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的示意圖 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 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。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。化引起的體積變化，表面層常產(chǎn)生殘余拉

26、伸應(yīng)力。 （2 2）磨削裂紋的產(chǎn)生）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)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)。時(shí)出現(xiàn)。 （3 3）影響表面殘余應(yīng)力的主要因素）影響表面殘余應(yīng)力的主要因素 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 切削加工中，由于切削熱的作用，在工件的加切削加工中，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。工區(qū)及其鄰近區(qū)域產(chǎn)生了一定的

27、溫升。 定義：磨削加工時(shí)，表面層有很高的溫度，當(dāng)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)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。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。磨削燒傷有三種形式。 三、表面層金相組織變化與磨削燒傷三、表面層金相組織變化與磨削燒傷 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 淬火燒傷淬火燒傷 回火燒傷回火燒傷 退火燒傷退火

28、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 為奧氏體。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

29、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磨削燒傷的三種形式 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 磨削用量磨削用量 砂輪與工件材料砂輪與工件材料 改善冷卻條件改善冷卻條件 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 采用開槽砂輪采用開槽砂輪 間斷磨削受熱 磨削燒傷 圖 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 圖圖 內(nèi)冷卻裝置內(nèi)冷卻裝置 1

30、錐形蓋錐形蓋 2通道孔通道孔 3砂輪中心孔砂輪中心孔 4有徑向小孔的薄壁套有徑向小孔的薄壁套 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 圖圖 開槽砂輪開槽砂輪 a） 槽均勻分布槽均勻分布 b）槽均勻分布槽均勻分布 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 第四節(jié)第四節(jié) 提高表面層物理力學(xué)性能的加工方法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 滾壓加工是利用經(jīng)過淬火和精細(xì)研磨過的滾輪或滾壓加工是利用經(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，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

31、上擠，逐漸將前工序留下的波峰壓平，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。疲勞強(qiáng)度。 滾壓加工可以加工外圓、孔、平面及成型表面，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。圖為典型的滾壓加工示意圖。 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 圖圖 滾壓加工原理滾壓加工原理 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 2.

32、 噴丸強(qiáng)化噴丸強(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)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可顯著提高零件的疲勞 強(qiáng)度。強(qiáng)度。 珠丸可以是鑄鐵的，也可以是切成小段的鋼絲（使用珠丸可以是鑄鐵的，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。面殘留鐵質(zhì)微粒而引起電

33、解腐蝕，宜采用鋁丸或玻璃丸。 珠丸的直徑一般為珠丸的直徑一般為0.24mm，對(duì)于尺寸較小、表面粗糙度對(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。值較小的工件，采用直徑較小的珠丸。 mm，零件表面粗糙度值可由零件表面粗糙度值可由Ra52.5m 減小到減小到 Ra0.630.32m ，可幾倍甚至幾十倍地提高零件的使用壽可幾倍甚至幾十倍地提高零件的使用壽 命。命。 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 第五節(jié)第五節(jié) 機(jī)械加工中的振動(dòng)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；質(zhì)量； 振動(dòng)會(huì)引起刀具崩刃打

34、刀現(xiàn)象并加速刀具或砂輪的磨損；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；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)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。械加工生產(chǎn)率降低。 一、機(jī)械加工中的振動(dòng)現(xiàn)象一、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、振動(dòng)對(duì)機(jī)械加工的影響 機(jī)械加工表

35、面質(zhì)量及其控制 機(jī)械加工中振動(dòng)的種類及其主要特點(diǎn)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)機(jī)械加工振動(dòng) 自激振動(dòng)自激振動(dòng) 自由振動(dòng)自由振動(dòng) 強(qiáng)迫振動(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

36、振動(dòng)。切削過程中產(chǎn) 生的自激振動(dòng)也稱為顫振。 (占65%) 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 一）強(qiáng)迫振動(dòng)的振源一）強(qiáng)迫振動(dòng)的振源 系統(tǒng)外部的周期性干擾力系統(tǒng)外部的周期性干擾力 旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量偏心旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量偏心 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的缺陷傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的缺陷 切削過程的間隙特性切削過程的間隙特性 二、機(jī)械加工中的強(qiáng)迫振動(dòng)與控制二、機(jī)械加工中的強(qiáng)迫振動(dòng)與控制 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 二）強(qiáng)迫振動(dòng)的數(shù)學(xué)描述及特性二）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、動(dòng)力學(xué)模型的建立 幾點(diǎn)假設(shè)：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

37、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） xcR 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 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 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)規(guī)律建立微分方程： tFkxxxmsin 式中 衰減系數(shù)， m2 0系統(tǒng)無阻尼振動(dòng)時(shí)的固有頻率， m k 2 0 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 0 m F 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： )sin()sin( 21 22 01 tAteAx t 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 a）有阻尼的自由振動(dòng) b）

38、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 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的振動(dòng)方程為：進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的振動(dòng)方程為： )sin(tAx 式中 A強(qiáng)迫振動(dòng)的幅值； 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： 222 0 22222 0 )2()1 (4)( Af A 相位角為： 2 1 2 arctan 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 式中 f f=F/m； A0系統(tǒng)在靜力F作用下的靜位移（m) k F m k m F f A 2 0 0 k系統(tǒng)的靜剛度（N/m）； 頻率比，/0 阻尼比， c kmmk m 2/ 2/ 0 c臨界阻尼系數(shù)，km c 2 機(jī)械加工表面質(zhì)量

39、及其控制 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，）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。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）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)。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)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)。的特性有關(guān)。 激振力的影響。激振力的影響。A0=F/k 2、強(qiáng)迫振動(dòng)的特征強(qiáng)迫振動(dòng)的特征 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 ）當(dāng)當(dāng)0時(shí)，時(shí)， 1， 0.60.7，準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)，在該

40、區(qū)增準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)，在該區(qū)增 加系統(tǒng)靜剛度，可減小振動(dòng)。加系統(tǒng)靜剛度，可減小振動(dòng)。 ）當(dāng)當(dāng) 1時(shí)，時(shí)， 會(huì)急劇增大，此現(xiàn)象稱為共振，會(huì)急劇增大，此現(xiàn)象稱為共振，0.7 的區(qū)域稱為共振區(qū)，在該區(qū)增大阻尼的區(qū)域稱為共振區(qū)，在該區(qū)增大阻尼共振共振 ）當(dāng)當(dāng) 1時(shí)，時(shí)， 0， 1.4區(qū)域稱為慣性區(qū)，在該區(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。區(qū)增加振動(dòng)體的質(zhì)量，可減小振動(dòng)振幅。 222 0 )2()1 ( 1 A A 頻率比頻率比的影響（圖示）的影響（圖示） 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 三、三、 減小強(qiáng)迫振動(dòng)的措施減小強(qiáng)迫振動(dòng)的措施 減小激振力 調(diào)整振源頻率 提高工藝

41、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)剛度振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)剛度 當(dāng)系統(tǒng)在周期性動(dòng)載荷當(dāng)系統(tǒng)在周期性動(dòng)載荷 作用下，交變力的幅值與振作用下，交變力的幅值與振 幅（動(dòng)態(tài)位移）之比稱為系幅（動(dòng)態(tài)位移）之比稱為系 統(tǒng)的動(dòng)剛度。即：統(tǒng)的動(dòng)剛度。即： 222 )2()1 (k A F kd 靜剛度靜剛度k=F/A0是工藝系統(tǒng)本身的屬性，在線性范圍內(nèi)，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)剛度可以認(rèn)為它與外載荷無關(guān)，動(dòng)剛度kd除與除與k成正比外，還與成正比外，還與 系統(tǒng)阻尼、頻率比系統(tǒng)阻尼、頻率比有關(guān)。靜剛度影響工件的幾何形狀及尺有關(guān)。靜剛度影響工件的幾何形

42、狀及尺 寸精度，動(dòng)剛度影響工件的表面粗糙度。寸精度，動(dòng)剛度影響工件的表面粗糙度。 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 三、機(jī)械加工中的自激振動(dòng)與控制三、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

43、力是由切削過程切削過程 本身本身產(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。 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 圖圖 自激振動(dòng)系統(tǒng)的組成自激振動(dòng)系統(tǒng)的組成 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 （2）自激振動(dòng)的特征）自激振動(dòng)的特征 自激振動(dòng)自激振動(dòng) 特點(diǎn)特點(diǎn) 不衰減的振動(dòng)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

44、 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 A1 A0 A2 A E- E+ f自 自=f固固 取決于一周期獲得的能量取決于一周期獲得的能量 取決于切削過程本身取決于切削過程本身 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 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

45、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)的條件產(chǎn)生自激振動(dòng)的條件 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 圖圖2 單自由度機(jī)械加工振動(dòng)模型單自由度機(jī)械加工振動(dòng)模型 a） 振動(dòng)模型振動(dòng)模型 b） 力與位移的關(guān)系圖力與位移的關(guān)系圖 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 （1）當(dāng)當(dāng)W振出 振出W振入振入時(shí) 時(shí)，刀架振動(dòng)系統(tǒng)將有持續(xù)刀架振動(dòng)系統(tǒng)將有持續(xù) 的自激振動(dòng)產(chǎn)生的自激振動(dòng)產(chǎn)生。 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 三種情況：三種情況： W振出 振出=W振入振入+ W摩阻（振入）摩阻（振入）時(shí)，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動(dòng)； 時(shí)，系統(tǒng)有穩(wěn)幅

46、的自激振動(dòng)； W振出 振出 W振入 振入+ W摩阻（振入）摩阻（振入）時(shí)，系統(tǒng)為振幅遞增的自激 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)；振動(dòng)，至一定程度，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動(dòng)； W振出 振出 W振入 振入+ W摩阻（振入）摩阻（振入）時(shí)，系統(tǒng)為振幅遞減的自激 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)；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：故振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生自激振動(dòng)的基本條件是： W振出 振出W振入振入 或或 FP振出 振出FP振入振入 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 2產(chǎn)生自激振動(dòng)的學(xué)說產(chǎn)生自激振動(dòng)的學(xué)說 （1）

47、再生顫振再生顫振 1）再生顫振原理）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”。 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 圖圖3 自由正交切削時(shí)再生顫振的產(chǎn)生自由正交切削時(shí)再生顫振的產(chǎn)生 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 2）再生顫振產(chǎn)生的條件）再生顫振產(chǎn)生的條件 圖

48、圖4表示了四種情況。圖中實(shí)線表示前一轉(zhuǎn)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)切削的表切削的工件表面振紋，虛線表示后一轉(zhuǎn)切削的表 面。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。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（前后兩轉(zhuǎn)的振紋沒有相位差（=0）圖圖4a b）前后兩轉(zhuǎn)的振紋相位差為前后兩轉(zhuǎn)的振紋相位差為=圖圖4b c）后一轉(zhuǎn)的振紋相位超前，后一轉(zhuǎn)的振紋相位超前，0 -圖圖4d 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 圖圖4 再生顫振時(shí)振紋相位角與平均切削厚度的關(guān)系再生顫振時(shí)振紋相位角與平均切削厚度的關(guān)系 a）=0 b）= c）0 - 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 一般 01，徑向切入=1（切槽、鉆、端銑等） 橫向切削01 車方牙螺紋，=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)對(duì)再生顫振的影響 重重 迭迭 系系 數(shù)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 切削的有效寬度中所占的比例， 用表示。 =（B-f） / B B切削寬度， f 進(jìn)給量。 機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制 （2） 振型耦合顫振振型耦合顫振 1）振型耦合原理）振型耦合原理 當(dāng)縱車方牙螺紋