機械加工中的振動

1、機械加工中的振動第1頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四零件表面質量表面粗糙度表面波度表面物理力學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力表面層金相組織的變化 表面質量的含義（內容）第2頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四 （1）表面粗糙度對零件耐磨性的影響 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，接觸表面的實際壓強增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、擠裂、切斷，故磨損加??；表面粗糙度太小，也會導致磨損加劇。因為表面太光滑，存不住潤滑油，接觸面間不易形成油膜，容易發(fā)生分子粘結而加劇磨損。表面粗糙度的最佳值與機器零件的工

2、作情況有關，載荷加大時，磨損曲線向上、向右移動，最佳表面粗糙度值也隨之右移。二、表面質量對零件使用性能的影響1表面質量對零件耐磨性的影響第3頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四圖438 表面粗糙度與初期磨損量的關系第4頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四（2）表面層的冷作硬化對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。因為它使磨擦副表面層金屬的顯微硬度提高，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。這是因為過分的冷作硬化，將引起金屬組織過度“疏松”，在相對運動中可能會產生金屬剝落，在接觸面間

3、形成小顆粒，使零件加速磨損。第5頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四2表面質量對零件疲勞強度的影響（1）表面粗糙度對零件疲勞強度的影響 表面粗糙度越大，抗疲勞破壞的能力越差。 對承受交變載荷零件的疲勞強度影響很大。在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應力集中，產生疲勞裂紋。 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78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四（2）表面層冷作硬化與殘余應力對零件疲勞強度的影響 適度的表面層冷作硬化能提高零件的疲勞強度。殘余應力有拉應

4、力和壓應力之分，殘余拉應力容易使已加工表面產生裂紋并使其擴展而降低疲勞強度殘余壓應力則能夠部分地抵消工作載荷施加的拉應力，延緩疲勞裂紋的擴展，從而提高零件的疲勞強度。第7頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四3.表面質量對零件工作精度的影響（1）表面粗糙度對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）表面殘余應力對零件工作精度的影響 表面層有較大的殘余應力，就會影響它們精度的穩(wěn)定性。第8頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四4表面質量對零件耐腐蝕性能的影響（1）表面粗糙度對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，凹谷越深，

5、滲透與腐蝕作用越強烈。 因此減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能。（2）表面殘余應力對零件耐腐蝕性能的影響 零件表面殘余壓應力使零件表面緊密，腐蝕性物質不易進入，可增強零件的耐腐蝕性，而表面殘余拉應力則降低零件耐腐蝕性。 表面質量對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、密封性和測量精度；對滑動零件，可降低其摩擦系數，從而減少發(fā)熱和功率損失。第9頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四表面質量對零件使用性能的影響零件表面質量粗糙度太大、太小都不耐磨適度冷硬能提高耐磨性對疲勞強度的影響對耐磨性影響對耐腐蝕性能的影響對工作精度的影響粗糙度越大，

6、疲勞強度越差適度冷硬、殘余壓應力能提高疲勞強度粗糙度越大、工作精度降低殘余應力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蝕性越差壓應力提高耐腐蝕性，拉應力反之則降低耐腐蝕性第10頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四三、 影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制 機械加工中，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因素兩個方面。（一）切削加工表面粗糙度1、幾何因素刀尖圓弧半徑r主偏角kr、副偏角kr進給量f（圖440）H=f/(cotr+cotr) (8-1)H=f 2/(8r) (8-2)第11頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四圖440 車削、刨削時殘留

7、面積高度第12頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四2、物理力學因素（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質處理。 脆性材料：加工脆性材料時，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，使表面粗糙。第13頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四（2）切削速度的影響 加工塑性材料時，切削速度對表面粗糙度的影響（對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

8、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，合理使用冷卻潤滑液，適當增大刀具的前角，提高刀具的刃磨質量等，均能有效地減小表面粗糙度值。（3）進給量的影響 減小進給量f固然可以減小表面粗糙度值，但進給量過小，表面粗糙度會有增大的趨勢。第14頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四圖441 加工塑性材料時切削速度對表面粗糙度的影響第15頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四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刃傾角會影響實際工作前角 v Raf Raap對R

9、a影響不大，太小會打滑，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、調質處理刀具材料強度 Ra刃磨質量 Ra冷卻、潤滑 Ra影響切削加工表面粗糙度的因素第16頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四（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粒刻劃出無數極細的刻痕形成的，工件單位面積上通過的砂粒數越多，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，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密均勻，表面粗糙度值就越小。（1）砂輪的磨粒第17頁，

10、共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四砂輪轉速越高，單位時間內通過被磨表面的磨粒數越多，表面粗糙度值就越小。工件轉速對表面粗糙度值的影響剛好與砂輪轉速的影響相反。工件的轉速增大，通過加工表面的磨粒數減少，因此表面粗糙度值增大。砂輪的縱向進給量小于砂輪的寬度時，工件表面將被重疊切削，而被磨次數越多，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447）。因此，砂輪修整的質量對磨削表面的粗糙度影響很大。第18頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四圖447 砂輪上的磨

11、粒第19頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四2、 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，且磨粒大多數是負前角，切削刃又不銳利，大多數磨粒在磨削過程中只是對被加工表面擠壓，沒有切削作用。加工表面在多次擠壓下出現溝槽與隆起，又由于磨削時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，通常在開始磨削時采用較大的徑向進給量，而在磨削后期采用較小的徑向進給量或無進給量磨削，以減小表面粗糙度值。第20頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，

12、星期四（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，熱導率差會使磨粒早期崩落Ra 。（2）砂輪粒度與硬度磨粒太細，砂輪易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，若導熱情況不好，還會燒傷工件表面。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78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四影響磨削加工表面粗糙度的因素粒度Ra 金剛石筆鋒利，修正導程、徑向進給量 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、自勵性好Ra太硬、太軟、韌性、導熱性差 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砂輪修正磨削用量砂輪硬度砂輪V

13、 Raap、工件V 塑變 Ra粗磨ap生產率精磨ap Ra(ap=0光磨) 第22頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四四、 影響表面層物理力學性能的主要因素及其控制影響表面層物理力學性能的主要因素表面物理力學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78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四1. 表面層的冷作硬化（1） 表面層加工硬化的產生定義：機械加工時，工件表面層金屬受到切削力的作用產生強烈的塑性變形，使晶格扭曲，晶粒間產生剪切滑移，晶粒被拉長、纖維化甚至碎化

14、，從而使表面層的強度和硬度增加，這種現象稱為加工硬化，又稱冷作硬化和強化。第24頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四（2） 衡量表面層加工硬化的指標衡量表面層加工硬化程度的指標有下列三項： 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)/HV0100 （8-3） 式中 HV0工件原表面層的顯微硬度。第25頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四（3）影響表面層加工硬化的因素刀具幾何形狀的影響切削刃 r、前角、后面磨損量VB 表層金屬的塑變加劇冷硬切削用量的影響 切削速度v塑變冷硬 f切削力塑變冷硬工件材料性能的影響 材料塑性冷

15、硬第26頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四2. 表面層殘余應力定義： 機械加工中工件表面層組織發(fā)生變化時，在表面層及其與基體材料的交界處會產生互相平衡的彈性力。這種應力即為表面層的殘余應力。第27頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四（1）表面層殘余應力的產生 1） 冷態(tài)塑變 工件表面受到擠壓與摩擦，表層產生伸長塑變，基體仍處于彈性變形狀態(tài)。切削后，表層產生殘余壓應力，而在里層產生殘余拉伸應力。2） 熱態(tài)塑變 表層產生殘余拉應力，里層產生產生殘余壓應力(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，產生拉應力，反之，產生壓應力。（密度

16、小，比容大）第28頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四圖 切削熱在表層金屬產生殘余拉應力的示意圖第29頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四 機械加工后工件表面層的殘余應力是冷態(tài)塑性變形、熱 態(tài)塑性變形和金相組織變化的綜合結果。切削加工時起主要作用的往往是冷態(tài)塑性變形，表面層常產生殘余壓縮應力。磨削加工時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，表面層常產生殘余拉伸應力。（2）磨削裂紋的產生 磨削裂紋和殘余應力有著十分密切的關系。在磨削過程中，當工件表面層產生的殘余應力超過工件材料的強度極限時，工件表面就會產生裂紋。磨削裂紋常與燒傷同時出

17、現。 （3）影響表面殘余應力的主要因素第30頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四 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)域產生了一定的溫升。 定義：磨削加工時，表面層有很高的溫度，當溫度達到相變臨界點時，表層金屬就發(fā)生金相組織變化，強度和硬度降低、產生殘余應力、甚至出現微觀裂紋。這種現象稱為磨削燒傷。 淬火鋼在磨削時，由于磨削條件不同，產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生第31頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四 淬火燒傷回火燒傷退火燒傷 磨削時工件表面溫度超過相變臨界溫度Ac3

18、時，則馬氏體轉變?yōu)閵W氏體。在冷卻液作用下，工件最外層金屬會出現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，這種現象稱為淬火燒傷。 磨削時，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生回火現象而轉變?yōu)橛捕容^低的回火組織（索氏體或屈氏體），這種現象稱為回火燒傷。 磨削時，當工件表面層溫度超過相變臨界溫度Ac3時，則馬氏體轉變?yōu)閵W氏體。若此時無冷卻液，表層金屬空冷冷卻比較緩慢而形成退火組織。硬度和強度均大幅度下降。這種現象稱為退火燒傷。2. 磨削燒傷的三種形式第32頁，共78頁，

19、2022年，5月20日，2點34分，星期四磨削用量砂輪與工件材料改善冷卻條件1）砂輪轉速 磨削燒傷2）徑向進給量fp 磨削燒傷3）軸向進給量fa磨削燒傷4）工件速度vw磨削燒傷1)磨削時，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)磨削導熱性差的材料(耐熱鋼、軸承鋼、不銹鋼)磨削燒傷3)應合理選擇砂輪的硬度、結合劑和組織磨削燒傷 采用內冷卻法 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78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四 圖 內冷卻裝置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78頁，2022年，5月

20、20日，2點34分，星期四 圖 開槽砂輪 a） 槽均勻分布 b）槽均勻分布 第35頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四第四節(jié) 提高表面層物理力學性能的加工方法1滾壓加工 滾壓加工是利用經過淬火和精細研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)下對金屬表面進行擠壓，使受壓點產生彈性和塑性變形，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；同時它還能使工件表面產生硬化層和殘余壓應力。因此提高了零件的承載能力和疲勞強度。 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、轉塔車床或自動車床上進行。如圖為典型的滾壓加工示意圖。第36頁，共78頁，20

21、22年，5月20日，2點34分，星期四圖 滾壓加工原理第37頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四2. 噴丸強化 噴丸強化是利用大量快速運動的珠丸打擊被加工工件表面，使工件表面產生冷硬層和壓縮殘余應力，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（使用一段時間后，自然變成球狀）。對于鋁質工件，為避免表面殘留鐵質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0.24mm，對于尺寸較小、表面粗糙度值較小的工件，采用直徑較小的珠丸。 噴丸強化主要用于強化形狀復雜或不宜用其它方法強化的工件，如板彈簧、螺旋彈

22、簧、連桿、齒輪、焊縫等。經噴丸加工后的表面，硬化層深度可達0.7mm，零件表面粗糙度值可由Ra52.5m 減小到Ra0.630.32m ，可幾倍甚至幾十倍地提高零件的使用壽命。第38頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四 第五節(jié) 機械加工中的振動振動會在工件加工表面出現振紋，降低了工件的加工精度和表面質量； 振動會引起刀具崩刃打刀現象并加速刀具或砂輪的磨損；振動使機床連接部分松動，影響運動副的工作性能，并導致機床喪失精度； 強烈的振動及伴隨而來的噪聲，還會污染環(huán)境，危害操作者的身心健康。為減小加工過程中的振動，有時不得不降低切削用量，使機械加工生產率降低。一、機械加工中的振動

23、現象1、振動對機械加工的影響第39頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四機械加工中振動的種類及其主要特點機械加工振動自激振動自由振動強迫振動當系統受到初始干擾力激勵破壞了其平衡狀態(tài)后，系統僅靠彈性恢復力來維持的振動稱為自由振動。由于總存在阻尼，自由振動將逐漸衰減，如圖8-14a所示。(占5%)系統在周期性激振力(干擾力)持續(xù)作用下產生的振動，稱為強迫振動。強迫振動的穩(wěn)態(tài)過程是諧振動，只要有激振力存在振動系統就不會被阻尼衰減掉。如圖8-14b所示。(占35%)在沒有周期性干擾力作用的情況下，由振動系統本身產生的交變力所激發(fā)和維持的振動，稱為自激振動。切削過程中產生的自激振動也稱

24、為顫振。(占65%)第40頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四第41頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四一）強迫振動的振源系統外部的周期性干擾力旋轉零件的質量偏心傳動機構的缺陷切削過程的間隙特性 二、機械加工中的強迫振動與控制第42頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四二）強迫振動的數學描述及特性1、動力學模型的建立幾點假設：1）（a）只有質量、沒有彈性的集中質量，（b）只有彈性、沒有質量的集中彈簧；2）阻尼力在線性范圍內，即： 3）系統在平衡位置附近作微小的振動（圖1示）第43頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四

25、圖1 內圓磨削振動系統 a) 模型示意圖 b）動力學模型 c）受力圖第44頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四根據牛頓運動規(guī)律建立微分方程：式中 衰減系數，0系統無阻尼振動時的固有頻率，激振力頻率 該式是一個二階常系數線性非齊次微分方程。根據微分方程理論，當系統為小阻尼時，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特解組成：第45頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四a）有阻尼的自由振動b）強迫振動c）有阻尼的自由振動和強迫振動的合成第46頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四進入穩(wěn)態(tài)后的振動方程為：式中 A強迫振動的幅值； 振動

26、體位移相對于激振力的相位角； t 時間其中強迫振動的振幅為：相位角為：第47頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四式中 f f=F/m； A0系統在靜力F作用下的靜位移（m)k系統的靜剛度（N/m）；頻率比，/0阻尼比，c臨界阻尼系數，第48頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四1）強迫振動是由周期性激振力引起的，不會被阻尼衰減掉，振動本身也不能使激振力變化。2）強迫振動的振動頻率與外界激振力的頻率相同，而與系統的固有頻率無關。3）強迫振動的幅值既與激振力的幅值有關，又與工藝系統的特性有關。 激振力的影響。A0=F/k2、強迫振動的特征第49頁，共78頁，2

27、022年，5月20日，2點34分，星期四）當0時， 1， 0.60.7，準靜態(tài)區(qū)，在該區(qū)增加系統靜剛度，可減小振動。）當 1時， 會急劇增大，此現象稱為共振，0.7 1.4的區(qū)域稱為共振區(qū)，在該區(qū)增大阻尼共振）當 1時， 0， 1.4區(qū)域稱為慣性區(qū)，在該區(qū)增加振動體的質量，可減小振動振幅。 頻率比的影響（圖示）第50頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四第51頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四三、 減小強迫振動的措施減小激振力 調整振源頻率 提高工藝系統的剛度和阻尼采取隔振措施 采用減振裝置。3、振動系統的動剛度 當系統在周期性動載荷作用下，交變力的幅值

28、與振幅（動態(tài)位移）之比稱為系統的動剛度。即： 靜剛度k=F/A0是工藝系統本身的屬性，在線性范圍內，可以認為它與外載荷無關，動剛度kd除與k成正比外，還與系統阻尼、頻率比有關。靜剛度影響工件的幾何形狀及尺寸精度，動剛度影響工件的表面粗糙度。第52頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四三、機械加工中的自激振動與控制1自激振動的產生及特征 在實際加工過程中，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），會使切削力發(fā)生變化，從而使工藝系統產生自由振動。系統的振動必然會引起工件、刀具間的相對位置發(fā)生周期性變化，這一變化若又引起切削力的波動，則使工藝系統產生振動。因此通常

29、將自激振動看成是由振動系統（工藝系統）和調節(jié)系統（切削過程）兩個環(huán)節(jié)組成的一個閉環(huán)系統，如圖所示。 激勵工藝系統產生振動運動的交變力是由切削過程本身產生的，而切削過程同時又受工藝系統的振動的控制，工藝系統的振動一旦停止，動態(tài)切削力也就隨之消失。第53頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四圖 自激振動系統的組成第54頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四（2）自激振動的特征 自激振動特點不衰減的振動它由振動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，使振動得以維持。自激振動由振動系統本身參數決定，與強迫振動顯著不同。自由振動受阻尼作用將

30、迅速衰減，而自激振動不會因阻尼存在而衰減。自激振動的頻率接近于系統的固有頻率，即顫振頻率取決于振動系統的固有特性。這與自由振動相似，而與強迫振動根本不同E A1 A0 A2 AE-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78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四 如圖2a所示為單自由度機械加工振動模型。設工件系統為絕對剛體，振動系統與刀架相連，且只在y方向作單自由度振動。 在背向力Fp作用下，刀具作切入、切出運動（振動）。刀架振動系統同時還有F彈作用在它上面。y越大，F彈也越大，當Fp=F彈時，刀架的振動停止。 對上述振動系統而言，背向力Fp是外力，Fp對振動

31、系統作功如圖2b所示。 刀具切入，其運動方向與背向力方向相反，作負功；即振動系統要消耗能量W振入； 刀具切出，其運動方向與背向力方向相同，作正功；即振動系統要吸收能量W振出；2產生自激振動的條件第56頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四圖2 單自由度機械加工振動模型 a） 振動模型 b） 力與位移的關系圖第57頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四（1）當W振出W振入時，刀架振動系統將有持續(xù)的自激振動產生。第58頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四三種情況： W振出=W振入+ W摩阻（振入）時，系統有穩(wěn)幅的自激振動； W振出W振入+ W

32、摩阻（振入）時，系統為振幅遞增的自激 振動，至一定程度，系統有穩(wěn)幅的自激振動； W振出 W振入+ W摩阻（振入）時，系統為振幅遞減的自激 振動，至一定程度，系統有穩(wěn)幅的自激振動；故振動系統產生自激振動的基本條件是：W振出W振入或 FP振出FP振入第59頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四2產生自激振動的學說（1） 再生顫振1）再生顫振原理如圖3a)所示，車刀只做橫向進給。 在穩(wěn)定的切削過程中，刀架系統因材料的硬點，加工余量不均勻，或其它原因的沖擊等，受到偶然的擾動。刀架系統因此產生了一次自由振動，并在被加工表面留下相應的振紋。 當工件轉過一轉后，刀具要在留有振紋的表面上切削

33、，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。產生動態(tài)切削力。 將這種由于切削厚度的變化而引起的自激振動，稱為 “再生顫振”。第60頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四圖3 自由正交切削時再生顫振的產生第61頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四2）再生顫振產生的條件 圖4表示了四種情況。圖中實線表示前一轉切削的工件表面振紋，虛線表示后一轉切削的表面。結論：在再生顫振中，只有當后一轉的振紋的相位滯后于前一轉振紋時才有可能產生再生顫振。 a）前后兩轉的振紋沒有相位差（=0）圖4a b）前后兩轉的振紋相位差為=圖4b c）后一轉的振紋相位超前，0 -圖

34、4d第62頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四圖4 再生顫振時振紋相位角與平均切削厚度的關系 a）=0 b）= c）0 -第63頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四一般 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）重迭系數對再生顫振的影響重 迭 系 數 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 進給量。第64頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四（2） 振型耦合顫振1）振型耦合原理 當縱車方牙螺

35、紋的外圓表面如圖5所示，刀具并未發(fā)生重疊切削，若按再生顫振原理，則不應該產生顫振。但在實際加工中，當切削深度達到一定值時，仍會發(fā)生顫振，這可以用振型耦合原理來解釋。 圖6是兩個自由度振型耦合顫振動力學模型 刀具等效質量為 m， 相互垂直的等效剛度系數分別為k1、k2（設k1 k2）剛度低的方向振型為x1，剛度高的方向振型為x2。第65頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四圖5 縱車方牙螺紋外表面第66頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四圖6 兩個自由度的耦合振動模型 a）切削模型 b）動力學模型第67頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四

36、 當刀架系統以的頻率振動時，質量m在x1、x2兩個方向上以不同的振幅和相位進行振動，其合成運動軌跡近似橢圓E。 若ABC切入；CDA切出由于切出時的平均切削厚度大于切入時的平均切削厚度，正功大于負功，在一個振動周期內，有多余的能量輸入振動系統。因此，振動得以維持。反之，則不能維持。ACBDE第68頁，共78頁，2022年，5月20日，2點34分，星期四4控制自激振動的途徑抑制自激振動途徑V=3070m/min自振f自振；保證Ra時f提高機床抗振性提高刀具抗振性（采用消振刀具）提高工件安裝剛性根據振型耦合原理，工藝系統的振動還受到各振型的剛度比及其組合的影響。合理調整它們之間的關系，就可以有效地提高系統的抗振性，抑制自激振動。（削扁鏜桿試驗）提高工藝系統抗振性合理選擇切削用量合理選擇