5-4,5表面質(zhì)量、振動(dòng)

1、 (第五章) 第四節(jié) 機(jī)械加工表面質(zhì)量 零件的機(jī)械加工質(zhì)量不僅指加工精度，而且包括加工表面質(zhì)量。 機(jī)械加工后的零件表面實(shí)際上不是理想的光滑表面，它存在著不同程度的表面粗糙度、冷硬、 裂紋等表面缺陷。雖然只有極薄的一層（幾微米幾十微米)，但都錯(cuò)綜復(fù)雜地影響著機(jī)械零件的精度、配合精度、耐磨性、抗腐蝕性和疲勞強(qiáng)度等，從而影響產(chǎn)品的使用性能和壽命，因此必須加以足夠的重視。一、 概 述零件表面面質(zhì)量表面粗糙度表面波度表面物理力學(xué)性能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(yīng)力表面層金相組織的變化表面質(zhì)量量的含義義（內(nèi)容容）（1）表表面粗糙糙度對(duì)零零件耐磨磨性的影影響 a.表面粗糙糙度太大大和太小

2、小都不耐耐磨。表面粗糙糙度太大，接觸表表面的實(shí)實(shí)際壓強(qiáng)強(qiáng)增大，粗糙不不平的凸凸峰相互互咬合、擠裂、切斷，故磨損損加?。槐砻娲植诓诙忍?，也會(huì)導(dǎo)導(dǎo)致磨損損加劇。因?yàn)楸肀砻嫣夤饣?，存存不住潤潤滑油，接觸面面間不易易形成油油膜，容容易發(fā)生生分子粘粘結(jié)而加加劇磨損損。二、表面面質(zhì)量對(duì)對(duì)零件使使用性能能的影響響1表面質(zhì)量對(duì)零件耐磨性的影響圖5-70 p199表面粗糙糙度與初初期磨損損量的關(guān)關(guān)系b.表面粗糙糙度的最最佳值與與機(jī)器零零件的工工作情況況有關(guān).載荷加大大時(shí)，磨磨損曲線線向上、向右移移動(dòng)，最最佳表面面粗糙度度值也隨隨之右移移。如圖5-70所示。（2）表表面層的的冷作硬硬化對(duì)零零件耐磨磨性的影影響

3、加工表面面的冷作作硬化，一般能能提高零零件的耐耐磨性。因?yàn)樗故鼓ゲ粮备北砻鎸訉咏饘俚牡娘@微硬硬度提高高，塑性性降低，減少了了摩擦副副接觸部部分的彈彈性變形形和塑性性變形。并非冷作作硬化程程度越高高，耐磨磨性就越越高。這是因?yàn)闉檫^分的的冷作硬硬化，將將引起金金屬組織織過度“疏松”，在相相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)中可能能會(huì)產(chǎn)生生金屬剝剝落，在在接觸面面間形成成小顆粒粒，使零零件加速速磨損。2表面質(zhì)量對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響（1）表表面粗糙糙度對(duì)零零件疲勞勞強(qiáng)度的的影響表面粗糙糙度越大大，抗疲疲勞破壞壞的能力力越差。特別是對(duì)對(duì)承受交交變載荷荷零件的的疲勞強(qiáng)強(qiáng)度影響響很大。在交變變載荷作作用下，表面粗粗糙度的的凹谷部部

4、位容易易引起應(yīng)應(yīng)力集中中，產(chǎn)生生疲勞裂裂紋。表面粗糙糙度值越越小，表表面缺陷陷越少，工件耐耐疲勞性性越好；反之，加工表表面越粗粗糙，表表面的紋紋痕越深深，紋底底半徑越越小，其其抗疲勞勞破壞的的能力越越差。（2）表表面層冷冷作硬化化與殘余余應(yīng)力對(duì)對(duì)零件疲疲勞強(qiáng)度度的影響響適度的表表面層冷冷作硬化化能提高高零件的的疲勞強(qiáng)強(qiáng)度。殘余應(yīng)力力有拉應(yīng)應(yīng)力和壓壓應(yīng)力之之分，殘余拉應(yīng)應(yīng)力容易使已已加工表表面產(chǎn)生生裂紋并并使其擴(kuò)擴(kuò)展而降低疲勞勞強(qiáng)度殘余壓應(yīng)應(yīng)力則能夠部部分地抵抵消工作作載荷施施加的拉拉應(yīng)力，延緩疲疲勞裂紋紋的擴(kuò)展展，從而而提高零件件的疲勞勞強(qiáng)度。3.表面面質(zhì)量對(duì)對(duì)零件工工作精度度的影響響（1）表

5、表面粗糙糙度對(duì)零零件配合合精度的的影響表面粗糙糙度較大大，則降降低了配配合精度度。（2）表表面殘余余應(yīng)力對(duì)對(duì)零件工工作精度度的影響響表面層有有較大的的殘余應(yīng)應(yīng)力，就就會(huì)影響響零件精精度的穩(wěn)穩(wěn)定性。4表面面質(zhì)量對(duì)對(duì)零件耐耐腐蝕性性能的影影響（1）表表面粗糙糙度對(duì)零零件耐腐腐蝕性能能的影響響零件表面面越粗糙糙，越容容易積聚聚腐蝕性性物質(zhì)，凹谷越越深，滲滲透與腐腐蝕作用用越強(qiáng)烈烈。因此減小零件件表面粗粗糙度，可以提提高零件件的耐腐腐蝕性能能。（2）表表面殘余余應(yīng)力對(duì)對(duì)零件耐耐腐蝕性性能的影影響零件表面面殘余壓壓應(yīng)力使使零件表表面緊密密，腐蝕蝕性物質(zhì)質(zhì)不易進(jìn)進(jìn)入，可可增強(qiáng)零零件的耐耐腐蝕性性，而表表面

6、殘余余拉應(yīng)力力則降低低零件耐耐腐蝕性性。5表面質(zhì)量量對(duì)零件件使用性性能還有有其它方方面的影影響：如減小表表面粗糙糙度可提提高零件件的接觸觸剛度、密封性性和測量量精度；對(duì)滑動(dòng)動(dòng)零件，可降低低其摩擦擦系數(shù)，從而減減少發(fā)熱熱和功率率損失。表面質(zhì)量量對(duì)零件件使用性性能的影影響零件表面面質(zhì)量粗糙度太太大、太太小都不不耐磨適度冷硬硬能提高高耐磨性性對(duì)疲勞強(qiáng)強(qiáng)度的影影響對(duì)耐磨性性影響對(duì)耐腐蝕蝕性能的的影響對(duì)工作精精度的影影響粗糙度越越大，疲疲勞強(qiáng)度度越差適度冷硬硬、殘余余壓應(yīng)力力能提高高疲勞強(qiáng)強(qiáng)度粗糙度越越大、工工作精度度降低殘余應(yīng)力力越大，工作精精度降低低粗糙度越越大，耐耐腐蝕性性越差壓應(yīng)力提提高耐腐腐蝕

7、性，拉應(yīng)力力反之則則降低耐耐腐蝕性性三、影影響加加工表面面粗糙度度的主要要因素及及其控制制機(jī)械加工工中，表表面粗糙糙度形成成的原因因大致可可歸納為為幾何因因素和物物理力學(xué)學(xué)因素兩兩個(gè)方面面。（一）切切削加工工表面粗粗糙度1、幾何何因素刀尖圓弧弧半徑r主偏角kr、副偏角kr進(jìn)給量f（圖5-71）圖5-71 p200車削、刨刨削時(shí)殘殘留面積積高度車削、刨刨削時(shí)殘殘留面積積高度:H=f/(cotr+cotr)H=f2/(8r)2、物理理力學(xué)因因素（1）工工件材料料的影響響韌性材料料：工件件材料韌韌性愈好好，金屬屬塑性變變形愈大大，加工工表面愈愈粗糙。故對(duì)中碳碳鋼和低低碳鋼材材料的工工件，為為改善切切

8、削性能能，減小小表面粗粗糙度，常在粗粗加工或或精加工工前安排排正火或或調(diào)質(zhì)處處理。脆性材料料：加工工脆性材材料時(shí)，其切削削呈碎粒粒狀，由由于切屑屑的崩碎碎而在加加工表面面留下許許多麻點(diǎn)點(diǎn)，使表表面粗糙糙。（2）切切削速度度的影響響加工塑性性材料時(shí)時(shí)，切削削速度對(duì)對(duì)表面粗粗糙度的的影響（對(duì)積屑屑瘤和鱗鱗刺的影影響）如如圖5-75曲線所示示。此外，切切削速度度越高，塑性變變形越不不充分，表面粗粗糙度值值越小。選擇低速速寬刀精精切和高高速精切切，可以以得到較較小的表表面粗糙糙度。（4）其其它因素素的影響響此外，合合理使用用冷卻潤潤滑液，適當(dāng)增增大刀具具的前角角，提高高刀具的的刃磨質(zhì)質(zhì)量等，均能有有效

9、地減減小表面面粗糙度度值。（3）進(jìn)進(jìn)給量的的影響減小進(jìn)給給量f固然可以以減小表表面粗糙糙度值，但進(jìn)給量過過小，表表面粗糙糙度會(huì)有有增大的的趨勢。圖5-75 p202加工塑性性材料時(shí)時(shí)切削速速度對(duì)表表面粗糙糙度的影影響影響切削削加工表表面粗糙糙度的因因素刀具幾何何形狀刀具材料料、刃磨磨質(zhì)量切削用量量工件材料料殘留面積 Ra前角 Ra后角摩擦Ra刃傾角會(huì)影響實(shí)際工作前角 v Raf Raap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、潤滑 Ra影響切削削加工表表面粗糙糙度的因因素（二）磨磨削加工工表面粗粗

10、糙度(簡介)1、磨磨削中影影響粗糙糙度的幾幾何因素素工件的磨磨削表面面是由砂砂輪上大大量磨粒粒刻劃出出無數(shù)極極細(xì)的刻刻痕形成成的，工工件單位位面積上上通過的的砂粒數(shù)數(shù)越多，則刻痕痕越多，刻痕的的等高性性越好，表面粗粗糙度值值越小。磨粒在砂砂輪上的的分布越越均勻、磨粒越越細(xì)，刃刃口的等等高性越越好。則則砂輪單單位面積積上參加加磨削的的磨粒越越多，磨磨削表面面上的刻刻痕就越越細(xì)密均均勻，表表面粗糙糙度值就就越小。（1）砂砂輪的磨磨粒砂輪轉(zhuǎn)速速越高，單位時(shí)時(shí)間內(nèi)通通過被磨磨表面的的磨粒數(shù)數(shù)越多，表面粗粗糙度值值就越小小。工件轉(zhuǎn)速速對(duì)表面面粗糙度度值的影影響剛好好與砂輪輪轉(zhuǎn)速的的影響相相反。工件的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)

11、速增大大，通過過加工表表面的磨磨粒數(shù)減減少，因因此表面面粗糙度度值增大大。砂輪的縱縱向進(jìn)給給量小于于砂輪的的寬度時(shí)時(shí)，工件件表面將將被重疊疊切削，而被磨磨次數(shù)越越多，工工件表面面粗糙度度值就越越小。（3）磨磨削用量量（2）砂砂輪修整整砂輪修整整除了使使砂輪具具有正確確的幾何何形狀外外，更重重要的是是使砂輪輪工作表表面形成成排列整整齊而又又銳利的的微刃（如下圖5-77）。因此此，砂輪輪修整的的質(zhì)量對(duì)對(duì)磨削表表面的粗粗糙度影影響很大大。圖5-77 p203砂輪上的的磨粒2、磨磨削中影影響粗糙糙度的物物理因素素磨削速度度比一般般切削速速度高得得多，且且磨粒大大多數(shù)是是負(fù)前角角，切削削刃又不不銳利，大

12、多數(shù)數(shù)磨粒在在磨削過過程中只只是對(duì)被被加工表表面擠壓壓，沒有有切削作作用。加加工表面面在多次次擠壓下下出現(xiàn)溝溝槽與隆隆起，又又由于磨磨削時(shí)的的高溫更更加劇了了塑性變變形，故故表面粗粗糙度值值增大。（1）磨磨削用量量砂輪的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速材料塑性性變形表面粗糙糙度值；磨削深度度、工件速度度塑性變形形表面粗糙糙度值；為提高磨磨削效率率，通常常在開始始磨削時(shí)時(shí)采用較較大的徑徑向進(jìn)給給量，而而在磨削削后期采采用較小小的徑向向進(jìn)給量量或無進(jìn)進(jìn)給量磨磨削，以以減小表表面粗糙糙度值。（2）工工件材料料太硬易使使磨粒磨磨鈍Ra；太軟容易易堵塞砂砂輪Ra；韌性太大大，熱導(dǎo)導(dǎo)率差會(huì)會(huì)使磨粒粒早期崩崩落Ra 。（2）砂砂輪粒

13、度度與硬度度磨粒太細(xì)細(xì)，砂輪輪易被磨磨屑堵塞塞，使表表面粗糙糙度值增增大，若若導(dǎo)熱情情況不好好，還會(huì)會(huì)燒傷工工件表面面。砂輪太硬硬，使表表面粗糙糙度增大大；砂輪選得得太軟，使表面面粗糙度度值增大大。影響磨削削加工表表面粗糙糙度的因因素粒度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影響磨削削加工表表面粗糙糙度的因因素砂輪粒度度工件材料料性質(zhì)砂輪修正正磨削用量量砂輪硬度度砂輪V Raap、工件V 塑變 Ra粗磨ap生產(chǎn)率精磨ap Ra(ap=0光磨) 四、影影響表表面層物物理力學(xué)學(xué)性能的的

14、主要因素素及其控控制影響表面面層物理理力學(xué)性性能的主主要因素素表面物理理力學(xué)性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(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1.表表面層的的冷作硬硬化（1）表表面層層加工硬硬化的產(chǎn)產(chǎn)生定義：機(jī)械加工工時(shí)，工工件表面面層金屬屬受到切切削力的的作用產(chǎn)產(chǎn)生強(qiáng)烈烈的塑性性變形，使晶格格扭曲，晶粒間間產(chǎn)生剪剪切滑移移，晶粒粒被拉長長、纖維維化甚至至碎化，從而使使表面層層的強(qiáng)度度和硬度度增加，這種現(xiàn)現(xiàn)象稱為為加工硬硬化，又又稱冷作作硬化和和強(qiáng)化。（2）衡衡量表表面層加加工硬化化的指標(biāo)標(biāo)衡量表面面層加工工硬化程程度的指指

15、標(biāo)有下下列三項(xiàng)項(xiàng)：1）表面面層的顯顯微硬度度HV；2）硬化層深深度h；3）硬化程度度NN=(HV-HV0)/HV0100式中HV0工件原表表面層的的顯微硬硬度。（3）影影響表面面層加工工硬化的的因素刀具幾幾何形狀狀的影響響切削刃 r、前角、后面磨損量VB 表層金屬的塑變加劇冷硬切削用用量的影影響 切削速度v塑變冷硬 f切削力塑變冷硬工件材材料性能能的影響響 材料塑性冷硬2.表表面層層殘余應(yīng)應(yīng)力定義：機(jī)械加工工中工件件表面層層組織發(fā)發(fā)生變化化時(shí)，在在表面層層及其與與基體材材料的交交界處會(huì)會(huì)產(chǎn)生互互相平衡衡的應(yīng)力力。這種種應(yīng)力即即為表面面層的殘殘余應(yīng)力力。（1）表表面層殘殘余應(yīng)力力的產(chǎn)生生1）冷態(tài)

16、塑變變 工件表面受到擠壓與摩擦，表層產(chǎn)生伸長塑變，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）熱熱態(tài)態(tài)塑變 表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力(其分析見下圖)3）金金相組織織變化 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）圖切削熱在在表層金金屬產(chǎn)生生殘余拉拉應(yīng)力的的示意圖圖機(jī)械加工工后工件件表面層層的殘余余應(yīng)力是是冷態(tài)塑性性變形、熱態(tài)態(tài)塑塑性變形形和金相相組織變變化的綜綜合結(jié)果果。切削加工工時(shí)起主要作作用的往往往是冷冷態(tài)塑性性變形，表面層層常產(chǎn)生生殘余壓壓縮應(yīng)力力。磨削加工工時(shí)起主要作作用的通通常是熱熱態(tài)塑性性變

17、形或或金相組組織變化化引起的的體積變變化，表表面層常常產(chǎn)生殘殘余拉伸伸應(yīng)力。（2）磨磨削裂紋紋的產(chǎn)生生磨削裂紋紋和殘余余應(yīng)力有有著十分分密切的的關(guān)系。在磨削削過程中中，當(dāng)工工件表面面層產(chǎn)生生的殘余余應(yīng)力超超過工件件材料的的強(qiáng)度極極限時(shí)，工件表表面就會(huì)會(huì)產(chǎn)生裂裂紋。磨磨削裂紋紋常與燒燒傷同時(shí)時(shí)出現(xiàn)。（3）影影響表面面殘余應(yīng)應(yīng)力的主主要因素素切削加工工中，由由于切削削熱的作作用，在在工件的的加工區(qū)區(qū)及其鄰鄰近區(qū)域域產(chǎn)生了了一定的的溫升。定義：磨削加工工時(shí)，表表面層有有很高的的溫度，當(dāng)溫度度達(dá)到相相變臨界界點(diǎn)時(shí)，表層金金屬就發(fā)發(fā)生金相相組織變變化，強(qiáng)強(qiáng)度和硬硬度降低低、產(chǎn)生生殘余應(yīng)應(yīng)力、甚甚至出現(xiàn)現(xiàn)

18、微觀裂裂紋。這這種現(xiàn)象象稱為磨磨削燒傷傷。淬火鋼在在磨削時(shí)時(shí)，由于于磨削條條件不同同，產(chǎn)生生的磨削削燒傷有有三種形形式。3、表面面層金相相組織變變化與磨磨削燒傷傷(1).表面層層金相組組織變化化與磨削削燒傷的的產(chǎn)生淬火燒傷傷回火燒傷傷退火燒傷傷磨削時(shí)工工件表面面溫度超超過相變變臨界溫度(Ac3)時(shí)，則馬馬氏體轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W奧氏體。在冷卻液作作用下，工件最最外層金金屬會(huì)出出現(xiàn)二次淬火馬馬氏體組組織。其其硬度比比原來的的回火馬氏體高高，但很很薄，其其下為硬硬度較低低的回火索氏體體和屈氏氏體。由由于二次次淬火層層極薄，表面層總總的硬度度是降低低的，這這種現(xiàn)象象稱為淬火燒傷傷。磨削時(shí)，如果工工件表面面層溫

19、度度只是超過原原來的回回火溫度度，則表表層原來來的回火馬馬氏體組組織將產(chǎn)產(chǎn)生回火火現(xiàn)象而而轉(zhuǎn)變?yōu)橛灿捕容^低低的回火火組織（索氏體體或屈氏體體），這這種現(xiàn)象象稱為回回火燒傷傷。磨削時(shí)，當(dāng)工件件表面層層溫度超超過相變臨界界溫度(Ac3)時(shí)，則馬馬氏體轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體體。若此此時(shí)無冷冷卻液，表層金金屬空冷冷冷卻比較較緩慢而而形成退退火組織織。硬度和強(qiáng)強(qiáng)度均大大幅度下下降。這這種現(xiàn)象象稱為退火火燒傷。(2). 磨削削燒傷的的三種形形式磨削用量量砂輪與工工件材料料改善冷卻卻條件1）砂輪轉(zhuǎn)速速 磨削燒傷傷2）徑向進(jìn)給給量fp磨削燒傷傷3）軸向進(jìn)給給量fa磨削燒傷傷4）工件件速度vw磨削燒傷傷1)磨削削時(shí)，砂

20、砂輪表面面上磨粒粒的切削削刃口鋒利磨削削力磨削區(qū)區(qū)的溫度度磨削燒傷傷2)磨削削導(dǎo)熱性性差的材材料(耐耐熱鋼、軸承鋼、不銹銹鋼)磨削削燒傷3)應(yīng)合合理選擇擇砂輪的的硬度、結(jié)合劑劑和組織磨磨削燒傷傷采用內(nèi)冷冷卻法磨削燒燒傷如下圖(3).影響磨磨削燒傷傷的因素素及改善善途徑采用開槽槽砂輪間斷磨削削受熱熱磨削燒燒傷如后圖5-86圖內(nèi)冷卻裝裝置1錐形形蓋2通通道孔3砂輪中中心孔4有徑徑向小孔孔的薄壁壁套圖5-86 p206開槽砂輪輪a）槽均勻分分布b）槽不均勻勻分布五、提提高表表面層物物理力學(xué)學(xué)性能的的加工方方法1滾壓壓加工滾壓加工工是利用用經(jīng)過淬淬火和精精細(xì)研磨磨過的滾滾輪或滾滾珠，在在常溫狀狀態(tài)下對(duì)

21、對(duì)金屬表表面進(jìn)行行擠壓，使受壓壓點(diǎn)產(chǎn)生生彈性和和塑性變變形，表表層的凸凸起部分分向下壓壓，凹下下部分向向上擠，逐漸將將前工序序留下的的波峰壓壓平，降低了表表面粗糙糙度；同同時(shí)它還還能使工工件表面面產(chǎn)生硬硬化層和和殘余壓壓應(yīng)力。因此提提高了零零件的承承載能力力和疲勞勞強(qiáng)度。滾壓加工工可以加加工外圓圓、孔、平面及及成型表表面，通通常在普普通車床床、轉(zhuǎn)塔塔車床或或自動(dòng)車車床上進(jìn)進(jìn)行。如下圖為典型的的滾壓加加工示意意圖。圖滾滾壓壓加工原原理2.噴噴丸強(qiáng)化化噴丸強(qiáng)化化是利用用大量快快速運(yùn)動(dòng)動(dòng)的珠丸丸打擊被被加工工工件表面面，使工工件表面面產(chǎn)生冷冷硬層和和壓縮殘殘余應(yīng)力力，可顯顯著提高高零件的的疲勞強(qiáng)強(qiáng)度

22、。珠丸可以以是鑄鐵鐵的，也也可以是是切成小小段的鋼鋼絲（使使用一段段時(shí)間后后，自然然變成球球狀）。對(duì)于鋁鋁質(zhì)工件件，為避避免表面面殘留鐵鐵質(zhì)微粒粒而引起起電解腐腐蝕，宜宜采用鋁鋁丸或玻玻璃丸。珠丸的直直徑一般般為0.24mm。對(duì)于尺寸寸較小、表面粗粗糙度值值較小的的工件，采用直直徑較小小的珠丸丸。噴丸強(qiáng)化化主要用用于強(qiáng)化化形狀復(fù)復(fù)雜或不不宜用其其它方法法強(qiáng)化的的工件，如板彈彈簧、螺螺旋彈簧簧、連桿桿、齒輪輪、焊縫縫等。經(jīng)噴丸加加工后的的表面，硬化層層深度可可達(dá)0.7mm，零件表面面粗糙度度值可由由Ra52.5m減小到Ra0.630.32m ，可幾倍甚甚至幾十十倍地提提高零件件的使用用壽命。第五

23、節(jié)機(jī)機(jī)械械加工中中的振動(dòng)動(dòng)（略）振動(dòng)會(huì)在在工件加加工表面面出現(xiàn)振振紋，降降低了工工件的加加工精度度和表面面質(zhì)量；振動(dòng)會(huì)引引起刀具具崩刃打打刀現(xiàn)象象并加速速刀具或或砂輪的的磨損；振動(dòng)使機(jī)機(jī)床連接接部分松松動(dòng)，影影響運(yùn)動(dòng)動(dòng)副的工工作性能能，并導(dǎo)導(dǎo)致機(jī)床床喪失精精度；強(qiáng)烈的振振動(dòng)及伴伴隨而來來的噪聲聲，還會(huì)會(huì)污染環(huán)環(huán)境，危危害操作作者的身身心健康康。為減減小加工工過程中中的振動(dòng)動(dòng)，有時(shí)時(shí)不得不不降低切切削用量量，使機(jī)機(jī)械加工工生產(chǎn)率率降低。一、機(jī)械械加工中中的振動(dòng)動(dòng)現(xiàn)象1、振動(dòng)動(dòng)對(duì)機(jī)械械加工的的影響機(jī)械加工工中振動(dòng)動(dòng)的種類類及其主主要特點(diǎn)點(diǎn)機(jī)械加工工振動(dòng)自激振動(dòng)自由振動(dòng)強(qiáng)迫振動(dòng)當(dāng)系統(tǒng)受受到初始始干擾

24、力力激勵(lì)破壞了了其平衡衡狀態(tài)后后，系統(tǒng)統(tǒng)僅靠彈性性恢復(fù)力力來維持持的振動(dòng)動(dòng)稱為自由由振動(dòng)。由于總總存在阻阻尼，自由由振動(dòng)將將逐漸衰衰減，如如下圖a所示。(占5%)系統(tǒng)在周周期性激激振力(干擾力)持續(xù)續(xù)作用下下產(chǎn)生的的振動(dòng)，稱為強(qiáng)迫振振動(dòng)。強(qiáng)強(qiáng)迫振動(dòng)動(dòng)的穩(wěn)態(tài)態(tài)過程是諧諧振動(dòng)，只要有有激振力力存在振動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)就就不會(huì)被被阻尼衰衰減掉。如如下圖b所示。(占35%)在沒有周周期性干干擾力作作用的情況下下，由振振動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)本身產(chǎn)產(chǎn)生的交變變力所激激發(fā)和維維持的振振動(dòng)，稱為為自激振振動(dòng)。切切削過程程中產(chǎn)生的的自激振振動(dòng)也稱稱為顫振振。(占65%)圖a圖b自由振動(dòng)動(dòng)逐漸衰衰減強(qiáng)迫振動(dòng)動(dòng)一）強(qiáng)迫振動(dòng)的振源系統(tǒng)外部

25、部的周期期性干擾擾力旋轉(zhuǎn)零件件的質(zhì)量量偏心傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)的缺陷陷切削過程程的間隙隙特性二、機(jī)械械加工中中的強(qiáng)迫迫振動(dòng)與與控制二）強(qiáng)迫振動(dòng)的數(shù)學(xué)描述及特性1、動(dòng)力學(xué)模型的建立幾點(diǎn)假設(shè)設(shè)：1）（a）只有質(zhì)量量、沒有有彈性的的集中質(zhì)質(zhì)量，（b）只有彈性性、沒有有質(zhì)量的的集中彈彈簧；2）阻尼力在在線性范范圍內(nèi)，即：3）系統(tǒng)統(tǒng)在平衡衡位置附附近作微微小的振振動(dòng)（圖1示）圖1內(nèi)內(nèi)圓磨磨削振動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)a)模型示意意圖b）動(dòng)力學(xué)模模型c）受力圖根據(jù)牛頓頓運(yùn)動(dòng)規(guī)規(guī)律建立立微分方方程：式中衰減系數(shù)數(shù)，0系統(tǒng)無阻阻尼振動(dòng)動(dòng)時(shí)的固固有頻率率，激振力頻頻率該式是一一個(gè)二階階常系數(shù)數(shù)線性非非齊次微微分方程程。根據(jù)據(jù)微分方程理論

26、論，當(dāng)系系統(tǒng)為小小阻尼時(shí)時(shí)，它的的解由令令而得到的的齊次方程程的通解解和非齊齊次方程程的一個(gè)個(gè)特解組組成：a）有阻尼的的自由振振動(dòng)b）強(qiáng)迫振動(dòng)動(dòng)c）有阻尼的的自由振振動(dòng)和強(qiáng)迫振振動(dòng)的合合成進(jìn)入穩(wěn)態(tài)態(tài)后的振振動(dòng)方程程為：式中A強(qiáng)迫振動(dòng)動(dòng)的幅值值；振動(dòng)體位位移相對(duì)對(duì)于激振振力的相相位角；t時(shí)間其中強(qiáng)迫迫振動(dòng)的的振幅為為：相位角為為：式中ff=F/m；A0系統(tǒng)在靜靜力F作用下的的靜位移移（m)k系統(tǒng)的靜靜剛度（N/m）；頻率比，/0阻尼比，c臨界阻尼尼系數(shù)，1）強(qiáng)迫迫振動(dòng)是是由周期期性激振振力引起起的，不不會(huì)被阻阻尼衰減減掉，振振動(dòng)本身身也不能能使激振振力變化化。2）強(qiáng)迫迫振動(dòng)的的振動(dòng)頻頻率與外外界

27、激振振力的頻頻率相同同，而與與系統(tǒng)的的固有頻頻率無關(guān)關(guān)。3）強(qiáng)迫振動(dòng)動(dòng)的幅值值既與激激振力的的幅值有有關(guān)，又又與工藝藝系統(tǒng)的的特性有有關(guān)。 激振振力的影響。A0=F/k2、強(qiáng)迫振動(dòng)的特征）當(dāng)0時(shí)，1，0.60.7，準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)區(qū)，在該該區(qū)增加加系統(tǒng)靜靜剛度，可減小小振動(dòng)。）當(dāng)1時(shí)，會(huì)急劇增增大，此此現(xiàn)象稱稱為共振振，0.71.4的區(qū)域稱稱為共振振區(qū)，在在該區(qū)增增大阻尼尼共振振）當(dāng) 1時(shí)，0， 1.4區(qū)區(qū)域稱為為慣性區(qū)區(qū)，在該該區(qū)增加加振動(dòng)體體的質(zhì)量量，可減減小振動(dòng)動(dòng)振幅。 頻率率比的影響（圖示）三）、 減小強(qiáng)迫振動(dòng)的措施減小激振振力調(diào)整振源源頻率提高工藝藝系統(tǒng)的的剛度和阻尼采取隔振振措施采用減振振

28、裝置。3、振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)剛度當(dāng)系統(tǒng)在在周期性性動(dòng)載荷荷作用下下，交變變力的幅幅值與振振幅（動(dòng)動(dòng)態(tài)位移移）之比比稱為系系統(tǒng)的動(dòng)動(dòng)剛度。即：靜剛度k=F/A0是工藝系系統(tǒng)本身身的屬性性，在線線性范圍圍內(nèi)，可可以認(rèn)為為它與外外載荷無無關(guān)，動(dòng)動(dòng)剛度kd除與k成正比外外，還與與系統(tǒng)阻阻尼、頻頻率比有關(guān)。靜靜剛度影影響工件件的幾何何形狀及及尺寸精精度，動(dòng)動(dòng)剛度影影響工件件的表面面粗糙度度。三、機(jī)械械加工中中的自激激振動(dòng)與與控制1自激振動(dòng)的產(chǎn)生及特征在實(shí)際加加工過程程中，由由于偶然然的外界界干擾（如工件件材料硬硬度不均均、加工工余量有有變化等等），會(huì)會(huì)使切削削力發(fā)生生變化，從而使使工藝系系統(tǒng)產(chǎn)生生自由振振動(dòng)。

29、系系統(tǒng)的振振動(dòng)必然然會(huì)引起起工件、刀具間間的相對(duì)對(duì)位置發(fā)發(fā)生周期期性變化化，這一一變化若若又引起起切削力力的波動(dòng)動(dòng)，則使使工藝系系統(tǒng)產(chǎn)生生振動(dòng)。因此通通常將自自激振動(dòng)動(dòng)看成是是由振動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)（工藝系系統(tǒng)）和和調(diào)節(jié)系系統(tǒng)（切切削過程程）兩個(gè)個(gè)環(huán)節(jié)組組成的一一個(gè)閉環(huán)環(huán)系統(tǒng)，如圖所示。激勵(lì)工藝藝系統(tǒng)產(chǎn)產(chǎn)生振動(dòng)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的的交變力力是由切削過程程本身產(chǎn)生的，而切削削過程同同時(shí)又受受工藝系系統(tǒng)的振振動(dòng)的控控制，工工藝系統(tǒng)統(tǒng)的振動(dòng)動(dòng)一旦停停止，動(dòng)動(dòng)態(tài)切削削力也就就隨之消消失。圖自自激振動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)的的組成（2）自自激振動(dòng)動(dòng)的特征征自激振動(dòng)動(dòng)特點(diǎn)不衰減的振動(dòng)它由振動(dòng)動(dòng)過程本本身引起起切削力周周期性變變化，從從不具備交

30、交變特性性的能源源中周期獲獲得能量量，使振振動(dòng)得以維維持。自激振動(dòng)動(dòng)由振動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)本本身參數(shù)決決定，與與強(qiáng)迫振振動(dòng)顯著不不同。自由振動(dòng)動(dòng)受阻尼作作用將迅迅速衰減減，而自激振振動(dòng)不會(huì)會(huì)因阻尼尼存在而衰衰減。自激振動(dòng)動(dòng)的頻率率接近于于系統(tǒng)的固有頻頻率，即即顫振頻頻率取決于振動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)的的固有特特性。這與自由由振動(dòng)相相似，而而與強(qiáng)迫振動(dòng)根根本不同同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如圖2a所示為單單自由度度機(jī)械加加工振動(dòng)動(dòng)模型。設(shè)工件件系統(tǒng)為為絕對(duì)剛剛體，振振動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)與刀架架相連，且只在在y方向作單單自由度度振動(dòng)。在背向力力Fp作用下，刀具作作切入、切出運(yùn)

31、運(yùn)動(dòng)（振振動(dòng)）。刀架振動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)同同時(shí)還有有F彈作用在它它上面。y越大，F(xiàn)彈也越大，當(dāng)Fp=F彈時(shí)，刀架架的振動(dòng)動(dòng)停止。對(duì)上述振振動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)而言，背向力Fp是外力，F(xiàn)p對(duì)振動(dòng)系系統(tǒng)作功功如圖2b所示。刀具切入入，其運(yùn)運(yùn)動(dòng)方向向與背向向力方向向相反，作負(fù)功功；即振振動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)要消耗耗能量W振入；刀具切出出，其運(yùn)運(yùn)動(dòng)方向向與背向向力方向向相同，作正功功；即振振動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)要吸收收能量W振出；2產(chǎn)生生自激振振動(dòng)的條條件圖2單單自由度度機(jī)械加加工振動(dòng)動(dòng)模型a）振動(dòng)模型型b）力與位移移的關(guān)系系圖（1）當(dāng)W振出W振入時(shí)，刀架振動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)將將有持續(xù)續(xù)的自激激振動(dòng)產(chǎn)產(chǎn)生。三種情況況：W振出=W振入+W摩阻（振振入）時(shí)，系

32、統(tǒng)統(tǒng)有穩(wěn)幅幅的自激激振動(dòng)；W振出W振入+W摩阻（振振入）時(shí)，系統(tǒng)統(tǒng)為振幅幅遞增的的自激振動(dòng)，至至一定程程度，系系統(tǒng)有穩(wěn)穩(wěn)幅的自自激振動(dòng)動(dòng)；W振出W振入+W摩阻（振振入）時(shí)，系統(tǒng)統(tǒng)為振幅幅遞減的的自激振動(dòng)，至至一定程程度，系系統(tǒng)有穩(wěn)穩(wěn)幅的自自激振動(dòng)動(dòng)；故振動(dòng)系系統(tǒng)產(chǎn)生生自激振振動(dòng)的基基本條件件是：W振出W振入或FP振出FP振入2產(chǎn)生生自激振振動(dòng)的學(xué)學(xué)說（1） 再生顫振1）再生生顫振原原理如圖3a)所示，車車刀只做做橫向進(jìn)進(jìn)給。在穩(wěn)定的的切削過過程中，刀架系系統(tǒng)因材材料的硬硬點(diǎn)，加加工余量量不均勻勻，或其其它原因因的沖擊擊等，受受到偶然然的擾動(dòng)動(dòng)。刀架架系統(tǒng)因因此產(chǎn)生生了一次次自由振振動(dòng)，并并在被

33、加加工表面面留下相相應(yīng)的振振紋。當(dāng)工件轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)后，刀刀具要在在留有振振紋的表表面上切切削，因因切削厚厚度發(fā)生生了變化化，所以以引起了了切削力力周期性性的變化化。產(chǎn)生生動(dòng)態(tài)切切削力。將這種由由于切削削厚度的的變化而而引起的的自激振振動(dòng)，稱稱為“再生顫顫振”。圖3自自由由正交切切削時(shí)再再生顫振振的產(chǎn)生生2）再生生顫振產(chǎn)產(chǎn)生的條條件圖4表示了四四種情況況。圖中中實(shí)線表表示前一一轉(zhuǎn)切削削的工件件表面振振紋，虛虛線表示示后一轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)切削的的表面。結(jié)論：在在再生顫顫振中，只有當(dāng)當(dāng)后一轉(zhuǎn)的的振紋的的相位滯滯后于前前一轉(zhuǎn)振振紋時(shí)才有可能能產(chǎn)生再再生顫振振。a）前后兩轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的振紋紋沒有相相位差（=0）圖4ab）前

34、后兩轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的振紋紋相位差差為=圖4bc）后一轉(zhuǎn)的的振紋相相位超前前，0 -圖4d圖4再再生生顫振時(shí)時(shí)振紋相相位角與與平均切切削厚度度的關(guān)系系a）=0b）=c）0-一般01，徑向切入入=1（切槽、鉆鉆、端銑銑等）橫向切削削01車方牙螺螺紋，=0，無重迭切切削，不不可能發(fā)發(fā)生再生生顫振。2）重迭迭系數(shù)對(duì)對(duì)再生顫顫振的影影響重 迭系系數(shù)數(shù)前一次切切削工件件表面形形成的波波紋面寬寬度在相相繼的后后一次切切削的有有效寬度度中所占占的比例例，用表示。=（B-f） /BB切削寬度度，f進(jìn)給量。（2） 振型耦合顫振1）振型型耦合原原理當(dāng)縱車方方牙螺紋紋的外圓圓表面如如圖5所示，刀刀具并未未發(fā)生重重疊切削削，若按

35、按再生顫顫振原理理，則不不應(yīng)該產(chǎn)產(chǎn)生顫振振。但在在實(shí)際加加工中，當(dāng)切削削深度達(dá)達(dá)到一定定值時(shí)，仍會(huì)發(fā)發(fā)生顫振振，這可可以用振振型耦合合原理來來解釋。圖6是兩個(gè)自自由度振振型耦合合顫振動(dòng)動(dòng)力學(xué)模模型刀具等效效質(zhì)量為為m，相互垂直直的等效效剛度系系數(shù)分別別為k1、k2（設(shè)k1 k2）剛度低的的方向振振型為x1，剛度高的的方向振振型為x2。圖5縱縱車方牙牙螺紋外外表面圖6兩兩個(gè)自由由度的耦耦合振動(dòng)動(dòng)模型a）切削模型型b）動(dòng)力學(xué)模模型當(dāng)?shù)都芟迪到y(tǒng)以的頻率振振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量m在x1、x2兩個(gè)方向向上以不不同的振振幅和相相位進(jìn)行行振動(dòng)，其合成成運(yùn)動(dòng)軌軌跡近似似橢圓E。若ABC切入；CDA切出由由于切出出時(shí)的平平均切削削厚度大大于切入入時(shí)的平平均切削削厚度，正功大大于負(fù)功功，在一一個(gè)振動(dòng)動(dòng)周期內(nèi)內(nèi)，有多多余的能能量輸入入振動(dòng)系系統(tǒng)。因因此，振振動(dòng)得以以維持。反之，則不能能維持。ACBDE4控制制自激振振動(dòng)的途途徑抑制自激激振動(dòng)途途徑V=3070m/min自振f自振；保證Ra時(shí)f提高機(jī)床床抗振性性提高刀具具抗振性性（采用消消振刀具具）提高工件件安裝剛剛性