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1第1頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四第3章機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality3.1

加工表面質(zhì)量及其對使用性能的影響MachiningSurfaceQualityanditsInfluencetoUsePerformance機(jī)械制造工藝學(xué)2第2頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四表面粗糙度波度紋理方向傷痕（劃痕、裂紋、砂眼等）表面質(zhì)量表面幾何形狀精度表面缺陷層表層加工硬化表層金相組織變化表層殘余應(yīng)力加工表面質(zhì)量加工質(zhì)量包含的內(nèi)容3.1.1加工表面質(zhì)量概念

3第3頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.1.1加工表面質(zhì)量概念

加工表面的幾何形貌表面粗糙度—波長/波高＜50波度—波長/波高=50～1000；且具有周期特性宏觀幾何形狀誤差（平面度、圓度等）—波長/波高＞1000紋理方向－表面刀紋形式表面缺陷－如劃痕、砂眼、氣孔、裂紋等是加工表面?zhèn)€別位置出現(xiàn)的缺陷

a）波度b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度與波度RZλHλRZ4第4頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.1.1加工表面質(zhì)量概念

無氧銅鏡面三維形貌及表面輪廓曲線5第5頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.1.1加工表面質(zhì)量概念

加工紋理方向及其符號標(biāo)注6第6頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.1.1加工表面質(zhì)量概念

表面層金屬力學(xué)物理性能和化學(xué)性能表面層金屬冷作硬化表面層金屬金相組織變化表面層金屬殘余應(yīng)力加工變質(zhì)層模型7第7頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.1.2表面質(zhì)量對零件使用性能的影響

表面質(zhì)量對零件耐磨性的影響Ra（μm）初始磨損量重載荷輕載荷表面粗糙度與初始磨損量關(guān)系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。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??；表面粗糙度太小，也會導(dǎo)致磨損加劇。因?yàn)楸砻嫣饣娌蛔櫥?，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。表面粗糙度的最佳值與機(jī)器零件的工作情況有關(guān)8第8頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.1.2表面質(zhì)量對零件使用性能的影響

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?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變形。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，將引起金屬組織過分“疏松”，在相對運(yùn)動(dòng)中可能會產(chǎn)生金屬剝落，在接觸面間形成小顆粒，使零件加速磨損。冷硬程度磨損量T7A鋼冷硬程度與耐磨性關(guān)系9第9頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.1.2表面質(zhì)量對零件使用性能的影響

表面紋理零件耐磨性的影響

表面紋理的形狀和刀紋方向?qū)δ湍バ砸灿杏绊?，原因是紋理形狀和刀紋方向影響有效接觸面積和潤滑液的存留，一般，圓弧狀、凹坑狀表面紋理的耐磨性好，尖峰狀的耐磨性差。在運(yùn)動(dòng)副中，兩相對運(yùn)動(dòng)零件的刀紋方向和運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，耐磨性較好，兩者的刀紋方向和運(yùn)動(dòng)方向垂直時(shí)，耐磨性最差。10第10頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.1.2表面質(zhì)量對零件使用性能的影響

表面粗糙度對零件疲勞強(qiáng)度的影響表面質(zhì)量對零件疲勞強(qiáng)度的影響表面粗糙度越大，抗疲勞破壞的能力越差。對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。11第11頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.1.2表面質(zhì)量對零件使用性能的影響

表面層冷作硬化與殘余應(yīng)力對零件疲勞強(qiáng)度的影響

適度的表面層冷作硬化能阻止疲勞裂紋生長并產(chǎn)生表面壓應(yīng)力，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，延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展，從而提高零件的疲勞強(qiáng)度。12第12頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.1.2表面質(zhì)量對零件使用性能的影響

表面質(zhì)量對零件配合質(zhì)量的影響表面粗糙度對配合質(zhì)量的影響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。表面殘余應(yīng)力對零件工作精度的影響

表面層有較大的殘余應(yīng)力，就會影響零件精度的穩(wěn)定性。表面殘余應(yīng)力對配合質(zhì)量的影響13第13頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.1.2表面質(zhì)量對零件使用性能的影響

表面質(zhì)量對零件耐腐蝕性能的影響表面粗糙度對零件耐腐蝕性能的影響

減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能。因?yàn)榱慵砻嬖酱植?，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。

表面殘余應(yīng)力對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)不易進(jìn)入，可增強(qiáng)零件的耐腐蝕性；表面殘余拉應(yīng)力則降低零件耐腐蝕性。14第14頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.1.2表面質(zhì)量對零件使用性能的影響

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(dòng)零件，可降低其摩擦系數(shù)，從而減少發(fā)熱和功率損失。表面質(zhì)量對零件使用性能還有其它方面的影響15第15頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.1.2表面質(zhì)量對零件使用性能的影響

對耐磨性影響

表面粗糙度值↓→耐疲勞性↑

適當(dāng)硬化（阻止疲勞裂紋生長并產(chǎn)生表面壓應(yīng)力）可提高耐疲勞性表面粗糙度值↓→耐蝕性↑表面壓應(yīng)力：有利于提高耐蝕性

表面粗糙度值↑→配合質(zhì)量↓表面殘余應(yīng)力↑→精度的穩(wěn)定性↓→配合質(zhì)量↓表面粗糙度值↓→耐磨性↑，但有限度對耐疲勞性影響對耐蝕性影響對配合質(zhì)量影響紋理形式與方向：圓弧狀、凹坑狀較好；紋理方向相同較好適當(dāng)硬化可提高耐磨性16第16頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四第3章機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality3.2

影響加工表面質(zhì)量工藝因素及其改進(jìn)措施TechnologyFactorsInfluencingMachiningSurfaceQualityanditsImproving機(jī)械制造工藝學(xué)17第17頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.2.1切削加工表面粗糙度

幾何因素的影響直線刃車刀：圓弧刃車刀：

影響因素：刀尖圓弧半徑rε、主偏角κr、副偏角κ’r、進(jìn)給量f車削時(shí)殘留面積的高度fκrRmaxvfⅠⅡrεb）RmaxⅠⅡfa）vf切削加工后表面粗糙度的值主要取決于切削殘留面積的高度

18第18頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.2.1切削加工表面粗糙度

工件材料的性質(zhì)韌性↓

→表面粗糙度↓

工件材料韌性愈好，金屬塑性變形愈大，加工表面愈粗糙。脆性↑→表面粗糙度↓

加工脆性材料時(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)，使表面粗糙。塑性↓→表面粗糙度↓

工件材料塑性越好，塑性變形越大，易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，加工表面粗糙。物理因素的影響

同一材料金相組織越粗大→表面粗糙度↑故對中碳鋼和低碳鋼材料的工件，為改善切削性能，常在粗加工或精加工前安排正火或調(diào)質(zhì)處理。19第19頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.2.1切削加工表面粗糙度

切削速度的影響加工塑性材料時(shí)，切削速度對表面粗糙度的影響隨切削速度的變化而變化（對積屑瘤和鱗刺的影響）；切削速度越高，塑性變形越不充分，表面粗糙度值越??；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；切削速度對脆性材料的影響不大。20第20頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.2.1切削加工表面粗糙度

切削表面塑性變形和積屑瘤切削速度影響最大：v=20～50m/min范圍，易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，表面粗糙度最差；v＞100m/min時(shí)減小，并趨于穩(wěn)定

。切削45鋼時(shí)切削速度與粗糙度關(guān)系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（μm）481216202428收縮系數(shù)Ks1.52.02.53.0積屑瘤高度h（μm）0200400600hKsRz21第21頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四積屑瘤的影響：3.2.1切削加工表面粗糙度

22第22頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四鱗刺的影響鱗刺的形成：抹試階段、導(dǎo)裂階段、層積階段、刮成階段3.2.1切削加工表面粗糙度

23第23頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.2.1切削加工表面粗糙度

進(jìn)給量的影響

其他影響因素刀具幾何角度、刃磨質(zhì)量，切削液等減小進(jìn)給量f固然可以減小表面粗糙度值，但進(jìn)給量過小，表面粗糙度會有增大的趨勢，效率降低。

適當(dāng)增大刀具前角，提高刃磨質(zhì)量，合理選擇切削液，抑制積屑瘤和鱗刺。精鏜(車)后的表面輪廓圖(橫向粗糙度)24第24頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.2.2磨削加工表面粗糙度

磨削中影響粗糙度的幾何因素

從幾何因素和塑性變形兩方面影響工件的磨削表面是由砂輪上大量磨?？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磨粒數(shù)越多，則刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。磨削時(shí)切削力大速度高溫度高，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(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。磨削中影響粗糙度的物理因素（通常是決定因素）25第25頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.2.2磨削加工表面粗糙度

磨削用量砂輪速度v↑，Ra↓工件速度vw↑，Ra↑砂輪縱向進(jìn)給f↑，Ra

↑磨削深度ap↑，Ra

↑光磨次數(shù)↑，Ra↓磨削用量對表面粗糙度的影響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(μm)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(μm)00.20.60.020.030.04b）光磨次數(shù)-Ra關(guān)系Ra(μm)01020300.020.040.06光磨次數(shù)粗粒度砂輪(WA60KV)細(xì)粒度砂輪(WA/GCW14KB)26第26頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.2.2磨削加工表面粗糙度

砂輪及其修整砂輪粒度↑，Ra↓;但要適量(46~60﹟)砂輪硬度適中，Ra↓；常取中軟砂輪組織適中，Ra↓

；常取中等組織砂輪材料：與工件材料相適應(yīng)（如氧化鋁適于磨鋼，碳化物(硅硼)適于磨鑄鐵，金剛石砂輪適于磨陶瓷材料等）工件材料冷卻潤滑液等

其他影響因素金剛石砂輪磨削工程陶瓷零件采用超硬砂輪材料，Ra

↓但成本高；砂輪精細(xì)修整，f↓→Ra↓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)率差會使磨粒早期崩落→Ra↑。27第27頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.2.3表面粗糙度和表面微觀形貌測量

比較法觸針法：Ra0.02～5μm表面粗糙度測量工件驅(qū)動(dòng)箱放大器處理器記錄器顯示器觸針傳感器觸針法工作原理光切法：Rz0.5～60μm

干涉法：Rz0.05～0.8μm28第28頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.2.3表面粗糙度和表面微觀形貌測量

雙管顯微鏡測量原理1－光源2－聚光鏡3－窄縫4－工件表面5－目鏡透鏡6－分劃板7－目鏡29第29頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.2.3表面粗糙度和表面微觀形貌測量

干涉顯微鏡測量原理1－光源2、10、15－聚光鏡3－濾色片4－光闌5－透鏡6、9－物鏡7－分光鏡8－補(bǔ)償鏡10、14、16－反射鏡12－目鏡13－透光窗30第30頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.2.3表面粗糙度和表面微觀形貌測量

表面三維微觀形貌測量表面三維形貌測量與處理系統(tǒng)原理圖1－驅(qū)動(dòng)2－撞塊3－電觸點(diǎn)4－觸針5－工作臺6－工件7－步進(jìn)電機(jī)8－控制電路9－驅(qū)動(dòng)電路10－放大電路11－A/D變換器12－微機(jī)13－顯示器14－打印機(jī)31第31頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.2.3表面粗糙度和表面微觀形貌測量

TOPO移相干涉顯微鏡光學(xué)原理圖1－光源2、4、12－透鏡3－視場光闌6－干涉濾光片7－CCD面陣探測器8－輸出信號9－目鏡10－分光鏡11－壓電陶瓷13－反射鏡14－參考基準(zhǔn)板15－分光板16－被測工件32第32頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.2.3表面粗糙度和表面微觀形貌測量

表面微觀形貌a）表面形貌干涉條紋b）表面三維形貌a）b）相位值：輪廓高度：33第33頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四第3章機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality3.3

影響表層物理性能的工藝因素及其改進(jìn)措施TechnologyFactorsInfluencingSurfacePhysicsPerformanceanditsImproving機(jī)械制造工藝學(xué)34第34頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.3.1加工表面層冷作硬化

概述加工硬化—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，使晶格扭曲，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，晶粒被拉長、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，又稱冷作硬化和強(qiáng)化。加工硬化度量表層金屬顯微硬度HV硬化層深度h（μm）硬化程度N式中HV——硬化層顯微硬度（HV）；

HV0——基體層顯微硬度（HV）。35第35頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四

表面層冷作硬化的程度決定于產(chǎn)生塑性變形的力、變形速度及變形時(shí)的溫度。

冷作硬化產(chǎn)生的原因

3.3.1加工表面層冷作硬化

力越大，塑性變形越大，則硬化程度越大；速度越大，塑性變形越不充分，則硬化程度越??；變形時(shí)的溫度不僅影響塑性變形程度，還會影響變形后金相組織的恢復(fù)程度。

切削加工時(shí)表面層的硬化是不穩(wěn)定的，一有條件，就會產(chǎn)生弱化現(xiàn)象：若溫度超過（0.25~0.30）T熔（熔化絕對溫度），則除了強(qiáng)化現(xiàn)象外，同時(shí)還有回復(fù)現(xiàn)象，此時(shí)歪扭的晶格局部得到恢復(fù)，減低了冷硬作用；36第36頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四結(jié)論：

機(jī)械加工時(shí)表面層的冷作硬化就是強(qiáng)化作用和回復(fù)作用的綜合結(jié)果。

3.3.1加工表面層冷作硬化

切削溫度越高、高溫持續(xù)時(shí)間越長、強(qiáng)化程度越大，則回復(fù)作用也就越強(qiáng)。因此對高溫下工作的零件，能保證疲勞強(qiáng)度的最佳表面層是沒有冷硬層或者只有極小（10~20μm）冷作硬化的表面層。

如果溫度超過0.30T熔就會發(fā)生金屬再結(jié)晶，此時(shí)由于強(qiáng)化而改變了的表面層物理機(jī)械性能幾乎可以完全恢復(fù)。37第37頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.3.1加工表面層冷作硬化

影響切削加工表面冷作硬化因素

f↑→切削力↑→塑變↑→冷硬↑

切削用量影響

刀具影響rε↑→塑變↑→冷硬↑其他幾何參數(shù)影響不明顯后刀面磨損影響顯著（綜合作用）00.20.40.60.81.0磨損寬度VB(mm)100180260340硬度(HV)50鋼，v

=40(m/min)f=0.12～0.2(mm/z)后刀面磨損對冷硬影響

工件材料材料塑性↑，冷硬傾向↑切削速度影響復(fù)雜（力與熱綜合作用結(jié)果）切削深度影響不大f和v對冷硬的影響硬度(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：4538第38頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.3.1加工表面層冷作硬化

影響磨削加工表面冷作硬化因素

磨削用量

砂輪

工件材料磨削速度↑→塑變↓

溫度↑

→冷硬程度↓（弱化作用加強(qiáng)）工件轉(zhuǎn)速↑→溫度↑

→冷硬程度↑（弱化作用減弱）縱向進(jìn)給量影響復(fù)雜（綜合作用）磨削深度↑→磨削力↑→塑變↑→冷硬程度↑砂輪粒度↑→冷硬程度↓砂輪硬度、組織影響不顯著材料塑性↑→塑變↑→冷硬傾向↑材料導(dǎo)熱性↑→溫度↑→冷硬傾向↓磨削深度對冷硬的影響ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削39第39頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.3.1加工表面層冷作硬化

冷作硬化測量方法

表層顯微硬度HV

硬化層深度測量斜截面測量－可同時(shí)測出硬化層深度h顯微硬度計(jì)－采用頂角為136°金剛石壓頭，載荷≤2N斜截面測量顯微硬度40第40頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.3.2表面金屬金相組織變化

磨削加工時(shí)切削力大（功率消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它切削方法），切削速度高（通常40~50m/s，高達(dá)80~200m/s）

，磨削區(qū)溫度高（短時(shí)間內(nèi)可上升到400~1000oC，甚至更高）。這樣大的加熱速度，促使加工表面局部形成瞬時(shí)熱聚集現(xiàn)象，有很高溫升和很大的溫度梯度，出現(xiàn)金相組織的變化，強(qiáng)度和硬度下降，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，甚至引起裂紋，這就是磨削燒傷現(xiàn)象。

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，當(dāng)工件表層溫度達(dá)到或超過金屬材料相變溫度時(shí)，表層金相組織、顯微硬度發(fā)生變化，并伴隨殘余應(yīng)力產(chǎn)生，同時(shí)出現(xiàn)彩色氧化膜。表面層金相組織變化

一般的切削加工方法不太嚴(yán)重，磨削時(shí)易產(chǎn)生磨削燒傷現(xiàn)象。41第41頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四表面顏色與燒傷之間的關(guān)系：黑青淡青米黃淡黃3.3.2表面金屬金相組織變化

磨削淬火鋼時(shí)，由于磨削燒傷，工件表面產(chǎn)生氧化膜并呈現(xiàn)出不同顏色，相當(dāng)于鋼的回火色。

不同的燒傷色表示受到不同溫度的作用與產(chǎn)生不同的燒傷深度。有時(shí)表面雖看不出變色，但并不等于表面未受熱損傷。例如在磨削過程中由于采用過大的磨削用量，造成了很深的燒傷層，以后的無進(jìn)給磨削中磨去了表面的燒傷色，而未能除去燒傷層，則留在工件上的燒傷層就會成為使用中的隱患。42第42頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四

回火燒傷磨削區(qū)溫度超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度(350°)而未超過相變溫度(Ac3)

，則工件表面原來的馬氏體組織將產(chǎn)生回火現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化成硬度降低的回火組織——索氏體或屈氏體；淬火燒傷磨削區(qū)溫度超過相變溫度，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，由于冷卻液的急冷作用，表層會出現(xiàn)二次淬火馬氏體，硬度較原來的回火馬氏體高，而它的下層則因?yàn)槔鋮s緩慢成為硬度降低的回火組織。退火燒傷(最為嚴(yán)重)不用冷卻液進(jìn)行干磨削時(shí)，磨削區(qū)溫度超過相變溫度，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，因工件冷卻緩慢，則表層硬度急劇下降，這時(shí)工件表層被退火。磨削淬火鋼時(shí)表面層產(chǎn)生的燒傷有以下三種：3.3.2表面金屬金相組織變化

43第43頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四磨削溫度（組織變化)溫度梯度（組織變化不同)冷卻速度（得到組織不同)影響磨削加工時(shí)金相組織變化的因素

3.3.2表面金屬金相組織變化

工件材料低碳鋼時(shí)不會發(fā)生相變；高合金鋼如軸承鋼、高速鋼、鎳鉻鋼等傳熱性特別差，在冷卻不充分時(shí)易出現(xiàn)磨削燒傷。未淬火鋼為擴(kuò)散度低的珠光體，磨削時(shí)間短時(shí)不會發(fā)生金相組織的變化；淬火鋼極易相變。44第44頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.3.2表面金屬金相組織變化

改善冷卻條件（冷卻液進(jìn)入磨削區(qū)）改善磨削燒傷的途徑

合理選擇砂輪磨削時(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↓應(yīng)根據(jù)工件材料合理選擇砂輪的硬度、結(jié)合劑和組織→磨削燒傷↓合理選擇磨削用量砂輪轉(zhuǎn)速↑→磨削燒傷↑徑向進(jìn)給量fp↑→磨削燒傷↑軸向進(jìn)給量fa↑→磨削燒傷↓工件速度vw↑→磨削燒傷↓采用內(nèi)冷卻法→磨削燒傷↓內(nèi)冷卻裝置1－錐形蓋2－通道孔3－中心腔4－有徑向小孔薄壁套采用開槽砂輪（冷卻條件好）間斷磨削→受熱↓→磨削燒傷↓45第45頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.3.2表面金屬金相組織變化

圖3-24開槽砂輪

a）槽均勻分布b）槽不均勻分布46第46頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.3.3表面金屬殘余應(yīng)力

表面層殘余應(yīng)力定義：

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界處會產(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。殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因

冷態(tài)塑性變形

機(jī)械加工時(shí)，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。熱態(tài)塑性變形機(jī)械加工時(shí)，切削或磨削熱使工件表面局部溫升過高，引起高溫塑性變形。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；金相組織變化切削時(shí)產(chǎn)生的高溫會引起表面的相變。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。47第47頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.3.3表面金屬殘余應(yīng)力

實(shí)際機(jī)械加工后的表面層殘余應(yīng)力及其分布，是上述三方面因素綜合作用的結(jié)果，在一定條件下，其中某一或二種因素可能起主導(dǎo)作用。切削時(shí)切削熱不多（一般切削加工）時(shí)則以冷態(tài)塑性變形為主，表面層常產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力。若切削熱多則以熱態(tài)塑性變形為主，表面層常產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力。

磨削時(shí)表面層殘余應(yīng)力歲磨削條件不同而不同：輕磨削條件產(chǎn)生淺而小的殘余壓應(yīng)力，因?yàn)榇藭r(shí)沒有金相組織變化，溫度影響也很小，主要是塑性變形的影響在起作用。中等磨削條件產(chǎn)生淺而大的拉應(yīng)力。淬火鋼重磨削條件則產(chǎn)生深而大的拉應(yīng)力（最外表面可能出現(xiàn)小而淺的壓應(yīng)力），這里顯然是由于熱態(tài)塑性變形和金相組織變化的影響在起主導(dǎo)作用的緣故。48第48頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.3.3表面金屬殘余應(yīng)力

v↑→殘余應(yīng)力↑（熱應(yīng)力起主導(dǎo)作用）切削用量材料塑性↑→殘余應(yīng)力↑鑄鐵等脆性材料易產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力不同材料差異明顯f對殘余應(yīng)力的影響工件：45，切削條件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液殘余應(yīng)力(Gpa)0.2000.200100200300400距離表面深度(μm)f

=0.40mm/rf

=0.25mm/rf

=0.12mm/r

f↑→殘余應(yīng)力↑切削深度影響不顯著vc對殘余應(yīng)力的影響γ0=5°,α0==5°,κr=75°,rε=0.8mm,工件：45切削條件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200距離表面深度(μm)殘余應(yīng)力(Gpa)-0.2000.20vc

=213m/minvc

=86m/minvc

=7.7m/min影響殘余應(yīng)力的工藝因素切削加工

工件材料49第49頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.3.3表面金屬殘余應(yīng)力

低速（6～20m/min）——?dú)堄嗬鞈?yīng)力（熱應(yīng)力起主導(dǎo)作用）中速（200～250m/min）——?dú)堄鄩嚎s應(yīng)力高速（500～850m/min）——?dú)堄鄩嚎s應(yīng)力（金相組織變化起主導(dǎo)作用）18CrNiMoA車削殘余應(yīng)力切削速度對殘余應(yīng)力的影響50第50頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.3.3表面金屬殘余應(yīng)力

刀具影響前角+→－，殘余拉應(yīng)力↓刀具磨損↑→殘余應(yīng)力↑51第51頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.3.3表面金屬殘余應(yīng)力

磨削過程中殘余應(yīng)力的影響磨削加工時(shí)表面層的殘余應(yīng)力總的來說，磨削加工中熱態(tài)塑性變形和金相組織變化的影響較大，故大多數(shù)磨削零件的表面層往往有殘余拉應(yīng)力。當(dāng)殘余拉應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)，零件表面就會出現(xiàn)裂紋，即磨削裂紋。磨削裂紋磨削裂紋一般很淺（0.25~.050mm），大多數(shù)垂直于磨削方向或成網(wǎng)狀（磨螺紋時(shí)有時(shí)也有平行于磨削方向的裂紋），裂紋總是拉應(yīng)力引起的，且常與燒傷同時(shí)出現(xiàn)。有的磨削裂紋也可能不在工件的外表面，而是在表面層下成為肉眼難以發(fā)現(xiàn)的缺陷。52第52頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四圖8.12磨削裂紋3.3.3表面金屬殘余應(yīng)力

53第53頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.3.3表面金屬殘余應(yīng)力

v↑→溫度↑

→拉應(yīng)力傾向↑磨削用量

f↑工件轉(zhuǎn)速↑→塑變↑→拉應(yīng)力↓背吃刀量：影響很大

ap很小→壓應(yīng)力（塑性變形起主要作用）；增大→拉應(yīng)力（熱變形起主要作用）；再增大→壓應(yīng)力（塑性變形起主要作用）；磨削殘余應(yīng)力的影響因素磨削工業(yè)鐵背吃刀量－殘余應(yīng)力磨削T8鋼背吃刀量－殘余應(yīng)力54第54頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.3.3表面金屬殘余應(yīng)力

材料強(qiáng)度↑導(dǎo)熱性↓塑性↓→拉應(yīng)力傾向↑工件材料磨削硬質(zhì)合金時(shí)，由于其脆性大，抗拉強(qiáng)度低以及導(dǎo)熱性差，所以特別容易產(chǎn)生磨削裂紋。磨削含碳量高的淬火鋼時(shí)，由于其晶界脆弱，也容易產(chǎn)生磨削裂紋。工件在淬火后如果存在殘余應(yīng)力，則即使在正常的磨削條件下也可能出現(xiàn)裂紋。工件材料的熱處理工件淬火后在磨削前進(jìn)行去除應(yīng)力的工序能收到很好的效果。滲碳、滲氮時(shí)如果工藝不當(dāng)，就會在表面層晶界面上析出脆性的碳化物、氮化物，當(dāng)磨削時(shí)在熱應(yīng)力作用下，就容易沿著這些組織發(fā)生脆性破壞，而出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋。55第55頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四冷卻方法選擇適宜的磨削液和有效的冷卻方法。采用高壓大流量冷卻內(nèi)冷卻加裝空氣擋板，減輕旋轉(zhuǎn)的砂輪表面的高壓附著氣流的作用，以使冷卻液能順利地噴注到磨削區(qū)。56第56頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.3.3表面金屬殘余應(yīng)力

最終工序加工方法選擇交變載荷——易產(chǎn)生局部微觀裂紋，選壓應(yīng)力滑動(dòng)摩擦——拉應(yīng)力抗機(jī)械磨損（擠壓壓潰）滾動(dòng)摩擦——表面層下h深處產(chǎn)生壓應(yīng)力有利a）b）應(yīng)力分布a）滑動(dòng)摩擦b）滾動(dòng)摩擦表面殘余應(yīng)力將直接影響零件的使用性能，一般工件表面殘余應(yīng)力的數(shù)值和性質(zhì)主要取決于工件最終加工工序的加工方法。零件的具體工作條件57第57頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.3.4表面強(qiáng)化工藝

是一種用壓縮空氣或離心力將大量直徑細(xì)?。?0.2～4mm）的丸粒（鋼丸、玻璃丸）以30～50m/s的速度向零件表面噴射的方法。

可使工件表面產(chǎn)生冷硬層和壓應(yīng)力,提高疲勞強(qiáng)度和使用壽命；噴丸強(qiáng)化用于強(qiáng)化形狀復(fù)雜或不宜用其它方法強(qiáng)化的工件，例如板彈簧、螺旋彈簧、齒輪、焊縫等珠丸擠壓引起殘余應(yīng)力

壓縮拉伸塑性變形區(qū)域表面硬度提高10～40％，耐疲勞強(qiáng)度提高30～50％，使用壽命可提高數(shù)倍至數(shù)十倍。如齒輪可提高４倍，螺旋彈簧可提高５５倍以上。↑硬化深度可達(dá)０.７mm,表面粗糙度可自３.２降到０.４。58第58頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.3.4表面強(qiáng)化工藝

利用淬硬和精細(xì)研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)擠壓金屬表面，使表層材料產(chǎn)生塑性流動(dòng)，將凸起部分下壓下，凹下部分上凸，形成新的光潔表面。修正工件表面的微觀幾何形狀,形成壓縮殘余應(yīng)力，提高耐疲勞強(qiáng)度。滾壓加工原理圖滾壓加工表面粗糙度可自１.６降至０.１，表面硬度提高10～40％，表面硬化深度達(dá)０.２～１.５mm，耐疲勞強(qiáng)度提高30～50％。59第59頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四第3章機(jī)械加工表面質(zhì)量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality3.4

機(jī)械加工過程中的振動(dòng)VibrationsinmachiningProcess機(jī)械制造工藝學(xué)60第60頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.4.1概述

機(jī)械加工過程中振動(dòng)的危害振動(dòng)會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，低頻振動(dòng)時(shí)會產(chǎn)生波度；振動(dòng)會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)床夾具連接部分松動(dòng)，影響運(yùn)動(dòng)副的工作性能，并導(dǎo)致機(jī)床喪失精度；產(chǎn)生噪聲污染，危害操作者健康影響生產(chǎn)效率

機(jī)械加工過程中振動(dòng)的類型自由振動(dòng)強(qiáng)迫振動(dòng)自激振動(dòng)61第61頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.4.1概述

工藝系統(tǒng)受到初始干擾力而破壞了其平衡狀態(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)。

由于系統(tǒng)中存在阻尼，自由振動(dòng)將逐漸衰弱，對加工影響不大。自由振動(dòng)62第62頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.4.2機(jī)械加工過程中強(qiáng)迫振動(dòng)強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生原因由穩(wěn)定的外界周期性的干擾力（激振力）作用引起；除了力之外,凡是隨時(shí)間變化的位移、速度和加速度，也可以激起系統(tǒng)的振動(dòng)。強(qiáng)迫振動(dòng)振源：機(jī)外＋機(jī)內(nèi)。機(jī)外：其他機(jī)床、鍛錘、火車、卡車等通過地基把振動(dòng)傳給機(jī)床機(jī)內(nèi)：1）回轉(zhuǎn)零部件質(zhì)量的不平衡（旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量偏心）2）機(jī)床傳動(dòng)件的制造誤差和缺陷（如齒輪嚙合時(shí)的沖擊、皮帶輪圓度誤差及皮帶厚度不均引起的張力變化，滾動(dòng)軸承的套圈和滾子尺寸及形狀誤差）3）切削過程中的沖擊（如往復(fù)部件的沖擊；液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)；斷續(xù)切削時(shí)的沖擊振動(dòng)）63第63頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.4.2機(jī)械加工過程中強(qiáng)迫振動(dòng)

頻率特征：與干擾力的頻率相同，或是干擾力頻率整倍數(shù)

幅值特征：與干擾力幅值、工藝系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性有關(guān)。當(dāng)干擾力頻率接近或等于工藝系統(tǒng)某一固有頻率時(shí)，產(chǎn)生共振

相角特征：強(qiáng)迫振動(dòng)位移的變化在相位上滯后干擾力一個(gè)φ角，其值與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及干擾力頻率有關(guān)強(qiáng)迫振動(dòng)的特征64第64頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四圖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）受力圖強(qiáng)迫振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程3.4.2機(jī)械加工過程中強(qiáng)迫振動(dòng)65第65頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.4.2機(jī)械加工中的自激振動(dòng)自激振動(dòng)(顫振)的概念在沒有周期性外力(相對于切削過程)作用下，由系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)反饋產(chǎn)生的周期性振動(dòng)自激振動(dòng)過程可用傳遞函數(shù)概念說明電動(dòng)機(jī)(能源)交變切削力F(t)振動(dòng)位移X(t)自激振動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)機(jī)床振動(dòng)系統(tǒng)（彈性環(huán)節(jié)）調(diào)節(jié)系統(tǒng)（切削過程）切削過程本身能引起某種交變切削力，而振動(dòng)系統(tǒng)能通過這種力的變化，從不具備交變特性的能源中周期性的獲得補(bǔ)充能量，從而維持住這個(gè)振動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)一停止，則這種外力的周期性變化和能量的補(bǔ)充過程也都立即停止。工藝系統(tǒng)中維持自激振動(dòng)的能量來自機(jī)床電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)除了供給切除切屑的能量外，還通過切削過程把能量輸給振動(dòng)系統(tǒng)，使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。66第66頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.4.2機(jī)械加工中的自激振動(dòng)自激振動(dòng)能否產(chǎn)生及振幅的大小取決于振動(dòng)系統(tǒng)在每一個(gè)周期內(nèi)獲得和消耗的能量對比情況自激振動(dòng)系統(tǒng)能量關(guān)系A(chǔ)BC能量EQE－E＋0振幅自激振動(dòng)的特征

機(jī)械加工中的自激振動(dòng)是在沒有周期性外力(相對于切削過程而言)干擾下所產(chǎn)生的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，這一點(diǎn)與強(qiáng)迫振動(dòng)有原則區(qū)別。自激振動(dòng)的頻率接近于系統(tǒng)的某一固有頻率，或者說，顫振頻率取決于振動(dòng)系統(tǒng)的固有特性。這一點(diǎn)與強(qiáng)迫振動(dòng)根本不同，強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率取決于外界干擾力的頻率。自激振動(dòng)是一種不衰減的振動(dòng)。振動(dòng)過程本身能引起某種不衰減的周期性變化，而振動(dòng)系統(tǒng)能通過這種力的變化，從不具備交變特性的能源中周期性的獲得補(bǔ)充能量，從而維持住這個(gè)振動(dòng)。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)不會因阻尼存在而衰減。67第67頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四

如圖3-33a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。對上述振動(dòng)系統(tǒng)而言，背向力Fp是外力，F(xiàn)p對振動(dòng)系統(tǒng)作功如圖3-33b所示。

刀具切入，其運(yùn)動(dòng)方向與背向力方向相反，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；產(chǎn)生自激振動(dòng)的條件3.4.2機(jī)械加工中的自激振動(dòng)68第68頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四圖3-33單自由度機(jī)械加工振動(dòng)模型

a）振動(dòng)模型b）力與位移的關(guān)系圖3.4.2機(jī)械加工中的自激振動(dòng)69第69頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四

當(dāng)W振出<W振入時(shí)，由于刀架振動(dòng)系統(tǒng)吸收的能量小于消耗的能量，故不會產(chǎn)生自激振動(dòng)。當(dāng)W振出=W振入時(shí)，因?qū)嶋H機(jī)械加工系統(tǒng)中存在阻尼，刀架系統(tǒng)在振入過程中，為克服阻尼還需消耗能量W摩阻（振入），故刀架振動(dòng)系統(tǒng)每振動(dòng)一次，刀架系統(tǒng)便會損失一部分能量。因此，刀架系統(tǒng)也不會有自激振動(dòng)產(chǎn)生。

當(dāng)W振出>W振入時(shí)，刀架振動(dòng)系統(tǒng)將有持續(xù)的自激振動(dòng)產(chǎn)生。3.4.2機(jī)械加工中的自激振動(dòng)70第70頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四三種情況：

W振出=W振入+W摩阻（振入）時(shí)，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動(dòng)；

W振出＞W(wǎng)振入+W摩阻（振入）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)；

W振出＜

W振入+W摩阻（振入）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)；故振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生自激振動(dòng)的基本條件是：W振出>W振入或

FP振出>FP振入3.4.2機(jī)械加工中的自激振動(dòng)71第71頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.4.2機(jī)械加工中的自激振動(dòng)

再生原理自激振動(dòng)機(jī)理如圖所示，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”。圖自由正交切削時(shí)再生顫振的產(chǎn)生72第72頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.4.2機(jī)械加工中的自激振動(dòng)產(chǎn)生條件再生自激振動(dòng)原理圖f切入切出y0ya）b）φy0y切入切出fc）φfy0y切入切出d）切入切出fy0yφ圖中

a）b）c）系統(tǒng)無能量獲得；d）此時(shí)切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出時(shí)切削力所作正功（獲得能量）大于切入時(shí)所作負(fù)功，系統(tǒng)有能量獲得，產(chǎn)生自激振動(dòng)。

圖中綠線表示前一轉(zhuǎn)切削的工件表面振紋，紅線表示后一轉(zhuǎn)切削的表面。

a）前后兩轉(zhuǎn)的振紋沒有相位差（ψ=0）圖ab）前后兩轉(zhuǎn)的振紋相位差為ψ=π圖bc）后一轉(zhuǎn)的振紋相位超前圖c

d）后一轉(zhuǎn)的振紋相位滯后圖d

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。73第73頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四apfaB振動(dòng)方向XDfbbda）切削b）磨削κrκr，重迭系數(shù)前一次走刀工件表面形成的波紋面寬度在相繼的后一次走刀的有效寬度中所占的比例，用μ表示。重迭系數(shù)對再生顫振的影響在縱向切削或磨削工件表面時(shí)，后一次走刀(進(jìn)給)和前一次走刀（進(jìn)給）總會有部分重疊，有重迭切削，則可能發(fā)生再生顫振。3.4.2機(jī)械加工中的自激振動(dòng)74第74頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四

一般0＜μ＜1，軸向切削時(shí)，0＜μ＜1徑向切入（前后兩次走刀完全重疊時(shí)），

μ=1（如切槽、鉆、端銑等）車方牙螺紋，μ=0，無重迭切削，不可能發(fā)生再生顫振。3.4.2機(jī)械加工中的自激振動(dòng)在金屬切削過程中，除極少數(shù)情況外，刀具總是部分地或完全地在帶有波紋的表面上進(jìn)行切削的。式中bd

——等效切削寬度，即本次切削實(shí)際切到上次切削殘留振紋在垂直于振動(dòng)方向投影寬度；

b——本次切削在垂直于振動(dòng)方向上的切削寬度；

B,fa——砂輪寬度與軸向進(jìn)給量。75第75頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.4.2機(jī)械加工中的自激振動(dòng)

振型耦合原理振動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際上都是多自由度的，如圖是一個(gè)二自由度振動(dòng)系統(tǒng)示意圖。不考慮再生效應(yīng)，當(dāng)?shù)都芟到y(tǒng)產(chǎn)生了角頻率為ω的振動(dòng)，則刀架將在x1和x2兩個(gè)方向上同時(shí)振動(dòng)，刀具振動(dòng)的軌跡一般為橢圓形的封閉曲線A→C→B→D→A

。自激振動(dòng)的產(chǎn)生條件：②k1＞k2，x1超前x2，軌跡A→D→B→C→A為一橢圓，切入半周期內(nèi)的平均切削厚度比切出半周期內(nèi)的大，系統(tǒng)無能量輸入③k1＜k2，x1滯后于x2，軌跡為一順時(shí)針方向橢圓，即：A→C→B→D→A

。此時(shí)，切入半周期內(nèi)的平均切削厚度比切出半周期內(nèi)的小，有能量獲得，振動(dòng)能夠維持。①k1=k2，x1與x2無相位差,軌跡為直線，無能量輸入76第76頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.4.2機(jī)械加工中的自激振動(dòng)

負(fù)摩擦原理切削塑性材料時(shí)，吃刀抗力Fp自某一速度開始隨切削速度增加而下降。在此區(qū)域，極易引起自激振動(dòng)。Fp

/N切削速度對吃刀抗力Fp的影響Fp主要取決于切屑與刀具相對運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力。切削過程若有振動(dòng)，切入半周期切削速度高→Fp小→切入半周期切削力所作負(fù)功小于切出半周期切削力所作正功，系統(tǒng)有能量輸入，振動(dòng)維持Fp主要由摩擦引起，故將切削速度增高導(dǎo)致摩擦力下降的特性稱為負(fù)摩擦特性負(fù)摩擦激振原理77第77頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.4.2機(jī)械加工中的自激振動(dòng)

切削力滯后原理由于存在慣性和阻尼，作用在刀具上的切削力滯后主振動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)振入過程實(shí)際切削厚度小于名義值→Fp小→切入半周期切削力所作負(fù)功小于切出半周期切削力所作正功，系統(tǒng)有能量輸入，振動(dòng)維持vFpkc動(dòng)力學(xué)模型振出振入xFpFp與x關(guān)系由切削力滯后引起，故稱為滯后型顫振78第78頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.4.3機(jī)械加工振動(dòng)診斷技術(shù)振動(dòng)診斷的目的

明確振動(dòng)類型，以便采取針對性的解決措施。振動(dòng)診斷振動(dòng)診斷內(nèi)容

首先判定振動(dòng)類型，明確所測頻率屬于強(qiáng)迫振動(dòng)和顫振的部分；若有屬于自激振動(dòng)的頻率成分，則需進(jìn)一步判定其屬于哪一種顫振類型；自激振動(dòng)類型診斷的關(guān)鍵在于確定診斷參數(shù)；所確定的診斷參數(shù)必須充分并只是反映該類振動(dòng)最本質(zhì)、最核心的參數(shù)。79第79頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.4.3機(jī)械加工振動(dòng)診斷技術(shù)

強(qiáng)迫振動(dòng)診斷依據(jù)

強(qiáng)迫振動(dòng)頻率與干擾力頻率相同（或?yàn)槠湔稊?shù)）強(qiáng)迫振動(dòng)診斷

強(qiáng)迫振動(dòng)診斷步驟

采集現(xiàn)場加工振動(dòng)信號——加工部位振動(dòng)敏感方向頻譜分析處理——自功率譜密度函數(shù)處理，各峰值點(diǎn)頻率即振動(dòng)頻率，最大譜峰值頻率對應(yīng)主振頻率環(huán)境試驗(yàn)、查找機(jī)外振源——機(jī)床停止?fàn)顟B(tài)，拾取信號進(jìn)行頻譜分析，得到機(jī)外干擾力源頻率成分，并與加工時(shí)振動(dòng)頻率比較。若相同，可確定為強(qiáng)迫振動(dòng)空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、查找機(jī)內(nèi)振源——機(jī)床按加工參數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)（不加工），拾取信號進(jìn)行頻譜分析，并與加工時(shí)振動(dòng)頻率比較。若相同，可確定為強(qiáng)迫振動(dòng)查找干擾力源——確定內(nèi)部干擾源具體位置80第80頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.4.3機(jī)械加工振動(dòng)診斷技術(shù)

診斷參數(shù)——相位差，再生型顫振產(chǎn)生的根本原因再生型顫振診斷

相位差測量與計(jì)算相位差可通過測量顫振頻率f及工件轉(zhuǎn)數(shù)n間接求得車削：工件每轉(zhuǎn)切削振痕數(shù)J式中Jz、Jω分別為J的整數(shù)和小數(shù)部分相位差ψ：ψ＝360°×（1－Jω）為控制ψ測量誤差，需采用頻率細(xì)化技術(shù)

診斷要領(lǐng)相位差ψ位于Ⅰ、Ⅱ象限，即0°＜ψ＜180°，有再生型顫振相位差ψ位于Ⅲ、Ⅳ象限，即180°＜ψ＜360°，非再生型顫振81第81頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.4.3機(jī)械加工振動(dòng)診斷技術(shù)

診斷參數(shù)——y向振動(dòng)相對于x向振動(dòng)的相位差耦合型顫振診斷

診斷要領(lǐng)根據(jù)理論推導(dǎo)：相位差ψ位于Ⅰ、Ⅱ象限，非耦合型顫振相位差ψ位于Ⅲ、Ⅳ象限，為耦合型顫振

相位差測量與計(jì)算相位差ψ可通過求取振動(dòng)信號x(t)與y(t)的互功率譜密度函數(shù)Sxy(ω)在主振頻率成分上的相位值獲得82第82頁，共93頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)12分，星期四3.4.3機(jī)械加工振動(dòng)診斷技術(shù)

工作條件與測試裝置診斷實(shí)例

工作條件——C6140車床車電機(jī)軸，長度800mm，最大直徑50mm，YT15車刀，主偏角45