機械加工表面質(zhì)量

第十一章

機械加工表面質(zhì)量學(xué)習(xí)內(nèi)容一、機械加工表面質(zhì)量的含義

二、已加工表面形成機理三、影響加工表面質(zhì)量的因素四、機械加工過程中的振動五、控制加工表面質(zhì)量的途徑學(xué)習(xí)要求

了解機械加工表面質(zhì)量的基本內(nèi)容及對零件使用性能的影響。通過研究影響加工表面質(zhì)量的因素,控制加工過程中的相應(yīng)參數(shù)，以保征零件的機械加工表面質(zhì)量。第十一章機械加工表面質(zhì)量第一節(jié)機械加工表面質(zhì)量的含義第二節(jié)已加工表面形成機理第三節(jié)影響加工表面質(zhì)量的因素第四節(jié)機械加工過程中的振動第五節(jié)控制加工表面質(zhì)量的途徑第一節(jié)機械加工表面質(zhì)量的含義一、表面質(zhì)量的含義二、機械加工表面質(zhì)量對零件使用性能的影響三、表面的完整性

表面質(zhì)量是零件機械加工質(zhì)量的組成部分之一。加工表面質(zhì)量是指機械加工后零件表面層的幾何結(jié)構(gòu)和受加工過程的影響，表面層金屬材料與基體材料性質(zhì)產(chǎn)生變化的情況。零件的磨損、腐蝕和疲勞破壞都是從零件表面開始的，所以零件的表面加工質(zhì)量將直接影響零件的工作性質(zhì)。特別是在高速、高應(yīng)力和高溫情況下，表層的任何缺陷不僅直接影響零件的工作性能，而且還會引起應(yīng)力集中、應(yīng)力腐蝕等現(xiàn)象，加速零件的失敗。1、加工表面的幾何特征：一、表面質(zhì)量的含義

機械加工后的表面，不可能是理想的光滑表面，總存在一定的微觀幾何形狀偏差，表面層的物理力學(xué)性能也發(fā)生變化。因此機械加工表面質(zhì)量包括：加工表面的幾何特征和表面層物理力學(xué)性能的變化。2、表面層物理力學(xué)性能的變化加工表面的幾何特征是指其微觀幾何形狀，主要包括表面粗糙度、刀痕方向、和表面波度，一般情況下，當L/H（波距／波高）＜50為表面粗糙度，L/H＝50～1000時為表面波度，L/H＞1000時為宏觀的幾何形狀誤差。波度是介于幾何形狀誤差與表面粗糙度之間的表面偏差。

表面層金屬物理力學(xué)性能的變化主要受表面層加工硬化、殘余應(yīng)力和表面層的金相組織變化的影響。機械零件在加工中由于受切削力和熱的綜合作用，表面層金屬的物理力學(xué)性能相對于基體金屬的物理力學(xué)性能發(fā)生了變化。圖示零件表面層沿深度方向的變化過程，表面層可分為吸附層和壓縮層。

最外層是吸附層，是由氧化膜或其他化合物吸收、滲進了氣體粒子而形成的一層組織。第二層是壓縮層，是由于切削力和基體金屬共同作用造成的塑性變形區(qū)域，在其上部存有纖維組織，是由于刀具摩擦擠壓而形成的。有時在切削熱的作用下，表面層的材料還會產(chǎn)生相變和晶粒大小的變化。

表面層殘余應(yīng)力是在加工過程中，由于彈、塑性變形及溫度和金相組織的變化造成的不均勻體積變化而在表面層中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

表面層的物理力學(xué)性能隨表面層的加工硬化程度而變化；硬化程度越大，表面層的物理力學(xué)性能變化越大。

表面層的物理力學(xué)性能主要受壓縮層的組織結(jié)構(gòu)的影響。

表面層金相組織的變化是由于加工過程中產(chǎn)生的切削熱使工件表層材料的溫度發(fā)生變化而造成的。這種變化包括相變、晶粒大小和形狀的變化、析出物的產(chǎn)生和再結(jié)晶等。金相組織的變化主要通過對顯微組織的觀察來確定。1、表面質(zhì)量對耐磨性的影響

1）表面粗糙度對耐磨性的影響

2）表面加工硬化對耐磨性的影響2、表面質(zhì)量對疲勞強度的影響

1）表面粗糙度對疲勞強度的影響

2）殘余應(yīng)力、加工硬化對疲勞強度的影響3、表面質(zhì)量對耐蝕性的影響4、表面質(zhì)量對配合質(zhì)量的影響5、表面質(zhì)量對其他性能的影響二、機械加工表面質(zhì)量對零件使用性能的影響

表面粗糙度對零件表面磨損的影響很大。一般說表面粗糙度值愈小，其磨損性愈好。但表面粗糙度值太小，潤滑油不易儲存，接觸面之間容易發(fā)生分子粘接，磨損反而增加。因此，接觸面的粗糙度有一個最佳值，其值與零件的工作情況有關(guān)，工作載荷加大時，初期磨損量增大，表面粗糙度最佳值也加大。

加工表面的冷作硬化使摩擦副表面層金屬的顯微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。但也不是冷作硬化程度愈高，耐磨性就愈高，這是因為過分的冷作硬化將引起金屬組織過度疏松，甚至出現(xiàn)裂紋和表層金屬的剝落，使耐磨性下降。

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。表面粗糙度值愈大，表面的紋痕愈深，紋底半徑愈小，抗疲勞破壞底能力就愈差。

殘余應(yīng)力對零件疲勞強度的影響很大。表面層殘余拉應(yīng)力將使疲勞裂紋擴大，加速疲勞破壞；而表面層殘余應(yīng)力能夠阻止疲勞裂紋的擴展，延緩疲勞破壞的產(chǎn)生。

表面冷硬一般伴有殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，可以防止裂紋產(chǎn)生并阻止已有裂紋的擴展，對提高疲勞強度有利。

零件的耐蝕性在很大程度上取決于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，則凹谷中聚積腐蝕性物質(zhì)就愈多。抗蝕性就愈差。表面層的殘余拉應(yīng)力會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，降低零件的耐磨性，而殘余壓應(yīng)力則能防止應(yīng)力腐蝕開裂。

表面粗糙度值的大小將影響配合表面的配合質(zhì)量。對于間隙配合，粗糙度值大會使磨損加大，間隙增大，破壞了要求的配合性質(zhì)。對于過盈配合，裝配過程中一部分表面凸峰被擠平，實際過盈量減小，降低了配合件間的連接強度。

表面質(zhì)量對零件的接觸剛度、結(jié)合面的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、密封性、光的反射與吸收、氣體和液體的流動阻力均有一定程度的影響。表面的的完整整性主主要是是反映映表面面層的的性能能，包包括：：1、表面面形貌貌：主要包包括表表面粗粗糙度度、表表面波波度和和紋理理。4、表面面層物物理力力學(xué)性性能：：主要包包括表表面層層硬化化深度度和程程度、、表面面層殘殘余應(yīng)應(yīng)力的的大小小、分分布。。5、表面面層的的其他他工程程技術(shù)術(shù)特征征：主要包包括摩摩擦特特性、、光的的反射射率、、導(dǎo)電電性和和導(dǎo)磁磁性。。3、微觀觀組織織和表表面層層的冶冶金化化學(xué)性性能主要包包括微微觀裂裂紋、、微觀觀組織織變化化及晶晶間腐腐蝕等等。2、表面面缺陷陷：主要是是指加加工表表面上上出現(xiàn)現(xiàn)的宏宏觀裂裂紋、、傷痕痕和腐腐蝕。。三、表表面的的完整整性二、已已加工工表面面形成成機理理金屬切切削過過程中中，加加工表表面經(jīng)經(jīng)過第第三變變形區(qū)區(qū)后，，形成成已加加工表表面。。第三三變形形區(qū)的的刀具具與加加工表表面的的相互互作用用將直直接影影響已已加工工表面面質(zhì)量量。O點以下下，厚厚度為為Δa的一層層金屬屬在圓圓弧刃刃的作作用下下，被被擠壓壓留在在已加加工表表面上上，在在BC段，這這層金金屬又又受到到后刀刀面上上被磨磨損的的一段段小棱棱面VB的擠壓壓與摩摩擦，，使該該層金金屬又又發(fā)生生塑性性變形形，表表層下下面的的基體體金屬屬則受受到彈彈性變變形。。當?shù)兜毒吲c與之脫脫離接接觸后后，該該層金金屬又又彈性性恢復(fù)復(fù)Δh，最后后形成成已加加工表表面。。由此此可見見，圓圓弧部部分OB、磨損損小棱棱面BC(VB)及CD三部分分構(gòu)成成后刀刀面上上的總總接觸觸長度度，其其接觸觸情況況直接接影響響已加加工表表面質(zhì)質(zhì)量。。已加加工表表面形形成機機理是是分析析已加加工表表面質(zhì)質(zhì)量的的重要要物理理基礎(chǔ)礎(chǔ)。在實際際生產(chǎn)產(chǎn)中使使用的的刀具具，為為提高高刃口口的承承載能能力，，刀具具刃口口都具具有一一個半半徑為為γβ的鈍圓，，其大小小決定于于刀具的的刃磨質(zhì)質(zhì)量、刀刀具材料料。由圖圖可知，，當切削削層金屬屬以V的速度趨趨近于刀刀刃時，，由于γβ的作用切切削層金金屬O點以上的的部分通通過剪切切滑移，，沿前刀刀面流出出成為切切屑；第三節(jié)影影響響加工表表面質(zhì)量量的因素素加工表面面質(zhì)量主主要受到到表面粗粗糙度的的大小、、加工硬硬化程度度、殘余余應(yīng)力和和金相組組織變化化的影響響。因而而分析影影響加工工表面質(zhì)質(zhì)量的因因素，就就需要分分析加工工過程中中的諸因因素對表表面粗糙糙度、加加工硬化化程度、、殘余應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)態(tài)和金相相組織變變化的影影響。一、影響響表面粗粗糙度的的因素二、影響響加工表表面層物物理力學(xué)學(xué)性能的的因素在切削過過程中，，當?shù)毒呔咔暗睹婷嫔洗嬖谠诜e屑瘤瘤時，由由于積屑屑瘤的頂頂部很不不穩(wěn)定，，容易破破裂，一一部分連連附于切切屑底部部而排出出，一部部分則殘殘留在加加工表面面上，使使表面粗粗糙度增增大。積積屑瘤突突出刀刃刃部分的的尺寸變變化，會會引起切切削層厚厚度的變變化，從從而使加加工表面面的粗糙糙度值增增大。因因此，在在精加工工時必須須避免或或減小積積屑瘤。。與工件材材質(zhì)相關(guān)關(guān)的因素素包括材材料的塑塑性、金金相組織織等。一一般地講講，韌性性較大的的塑性材材料，易易于產(chǎn)生生塑性變變形．與與刀具的的粘結(jié)作作用也較較大．加加工后粗粗糙度大大。相反反．脆性性材料則則易于得得到較小小的表面面粗糙度度值。對于同樣樣的材料料，晶粒粒組織愈愈是粗大大、加工工后的表表面粗糙糙度值也也愈大，，利用調(diào)調(diào)質(zhì)或正正火等熱熱處理方方法、可可以提高高材料的的力學(xué)性性能．細細化晶粒粒，改善善切削性性能，減減小表面面粗糙度度值。

刀具相對于工件作進給運動時，在加工表面留下了切削層殘留面積，其形狀是刀具幾何形狀的復(fù)映。減小進給量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圓弧半徑，均可減小殘留面積的高度。此外適當增大刀具的前角以減小切削時的塑性變形程度，合理選擇潤滑液和提高刀具刃磨質(zhì)量以減小切削時的塑性變形和抑制刀瘤、鱗刺的生成，也是減小表面粗糙度值的有效措施。背吃刀量量對表面面粗糙度度影響不不明顯，，一般可可忽略。。但當aｐ＜0.02～0.03以下時，，由于刀刀刃有一一定的圓圓弧半徑徑，使正正常切削削不能維維持，刀刀刃僅與與工件發(fā)發(fā)生擠壓壓與摩擦擦從而使使表面惡惡化。因因此加工工時，不不能選用用過小的的背吃刀刀量。減小進給給量f可以減小小切削殘殘留面積積高度，，使表面面粗糙度度值減小小。但進進給量f太小刀刃刃不能切切削而形形成擠壓壓，增大大了工件件的塑性性變形，，反而使使表面粗粗糙度值值增大。。(1)刀具幾何何形狀及及切削運運動的影影響(2)工件材料料性質(zhì)的的影響(3)積屑瘤的的影響(4)切削用量量的影響響磨削徑向向進給量量增大使使磨削時時的切削削深度增增大，使使塑性變變形加劇劇，因而而表面粗粗糙度增增大。適適當增加加光磨次次數(shù)，可可以有效效減小表表面粗糙糙度。提高磨削削速度，，增加了了工件單單位面積積上的磨磨削磨粒粒數(shù)量，，使刻痕痕數(shù)量增增大，同同時塑性性變形減減小，因因而表面面粗糙度度減小。。高速切切削時塑塑性變形形減小是是因為高高速下塑塑性變形形的傳播播速度小小于磨削削速度，，材料來來不及變變形所致致。工件圓周周進給和和軸向進進給量增增大，均均會減小小工件單單位面積積上的磨磨削磨粒粒數(shù)量，，使刻痕痕數(shù)量減減少，表表面粗糙糙度增大大砂輪的修整是用金剛石筆尖在砂輪的工作表面上車出一道螺紋，修整導(dǎo)程和修正深度愈小，修出的磨粒的微刃數(shù)量越多，修出的微刃等高性也愈好，因而磨出的工件表面粗糙度值也就愈小。修整用的金剛石筆尖是否鋒利對砂輪的修正質(zhì)量有很大影響。圖示為經(jīng)過精細修正后砂輪磨粒上的微刃。太硬的材材料使磨磨粒易鈍鈍，磨削削時的塑塑性變形形和摩擦擦加劇，，使表面面粗糙度度增大，，且表面面易燒傷傷甚至產(chǎn)產(chǎn)生裂紋紋而使零零件報廢廢。太軟軟的材料料塑性大大，在磨磨削時磨磨屑易堵堵塞砂輪輪，使表表面粗糙糙度增大大。韌性性大導(dǎo)熱熱性差的的耐熱合合金易使使砂粒早早期崩落落，使砂砂輪表面面不平，，導(dǎo)致磨磨削表面面粗糙度度值增大大。采用切削削液可以以降低磨磨削區(qū)溫溫度，減減少燒傷傷，沖去去脫落的的磨粒和和磨屑，，可以避避免劃傷傷工件，，從而降降低表面面粗糙度度。但必必須合理理選擇冷冷卻方法法和切削削液。１．切削削加工對對表面粗粗糙度的的影響因因素一、影響響表面粗粗糙度的的因素2．磨削加加工對表表面粗糙糙度的影影響因素素(1)砂輪的粒粒度(2)砂輪的硬硬度(3)砂輪的修修整(4)磨削速度度(5)磨削徑向向進給量量與光磨磨次數(shù)(6)工件圓周周進給速速度與軸軸向進給給量(7)工件材料料(8)切削液砂輪的粒粒度愈細細，則砂砂輪工作作表面單單位面積積上的磨磨粒數(shù)越越多，因因而在工工件上的的刀痕也也越密而而細，所所以粗糙糙度值愈愈小。但但是粗粒粒度的砂砂輪如果果經(jīng)過精精細修整整，在磨磨粒上車車出微刃刃后，也也能加工工出粗糙糙度值小小的表面面。砂輪的硬硬度太大大，磨粒粒鈍化后后不容易易脫落，，工件表表面受到到強烈的的摩擦和和擠壓，，加劇了了塑性變變形，使使表面粗粗糙度值值增大甚甚至產(chǎn)生生表面燒燒傷。砂砂輪太軟軟則磨粒粒易脫落落，會產(chǎn)產(chǎn)生不均均勻磨損損現(xiàn)象，，影響表表面粗糙糙度。因因此，砂砂輪的硬硬度應(yīng)適適中。

切削用量中，切削速度對表面粗糙度的影響比較復(fù)雜。在切削塑性材料時，一般情況下低速或高速切削時因不會產(chǎn)生積屑瘤，加工表面粗糙度值較小。但在中等速度下，塑性材料由于容易產(chǎn)生積屑瘤與鱗刺，且塑性變形較大，因此表面粗糙度值會變大。切削加工過程中的切削變形愈大，加工表面就愈粗糙。在高速切削時，由于變形的傳播速度低于切削速度，表面層金屬的塑性變形較小，因而高速切削時表面粗糙度較低。加工脆性材料時，由于塑性變形很小，主要形成崩碎切屑，切削速度的變化，對脆性材料的表面粗糙度影響較小。二、影響響加工表表面層物物理力學(xué)學(xué)性能的的因素在切削加加工中，，工件由由于受到到切削力力和切削削熱的作作用，使使表面層層金屬的的物理機機械性能能產(chǎn)生變變化，最最主要的的變化是是表面層層金屬顯顯微硬度度的變化化、金相相組織的的變化和和殘余應(yīng)應(yīng)力的產(chǎn)產(chǎn)生。由由于磨削削加工時時所產(chǎn)生生的塑性性變形和和切削熱熱比刀刃刃切削時時更嚴重重，因而而磨削加加工后加加工表面面層上述述三項物物理機械械性能的的變化會會很大。。1、表面層層加工硬硬化2、表面層層金相組組織的變變化3、表面層層殘余應(yīng)應(yīng)力1、表面層層加工硬硬化1)冷作硬化化及其評評定參數(shù)數(shù)機械加工工過程中中因切削削力作用用產(chǎn)生的的塑性變變形，使使晶格扭扭曲、畸畸變，晶晶粒間產(chǎn)產(chǎn)生剪切切滑移,晶粒被拉拉長和纖纖維化，，甚至破破碎，這這些都會會使表面面層金屬屬的硬度度和強度度提高，，這種現(xiàn)現(xiàn)象稱為為冷作硬硬化（或或稱為強強化）。。表面層層金屬強強化的結(jié)結(jié)果，會會增大金金屬變形形的阻力力，減小小金屬的的塑性，，金屬的的物理性性質(zhì)也會會發(fā)生變變化。被冷作硬硬化的金金屬處于于高能位位的不穩(wěn)穩(wěn)定狀態(tài)態(tài)，只有有一種可可能，金金屬的不不穩(wěn)定狀狀態(tài)就要要向比較較穩(wěn)定的的狀態(tài)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化，這這種現(xiàn)象象稱為弱弱化。弱弱化作用用的大小小取決于于溫度的的高低、、溫度持持續(xù)時間間的長短短和強化化程度的的大小。。由于金金屬在機機械加工工過程中中同時受受到力和和熱的作作用，因因此，加加工后表表層金屬屬的最后后性質(zhì)取取決于強強化和弱弱化綜合合作用的的結(jié)果。。評定冷作硬硬化的指標標：表層金金屬的顯微微硬度HV、硬化層深深度h和硬化程度度N。N＝((Hv－Hv0)/Hv0)×100％Hv—加工后表面面層的顯微微硬度；Hv0—原材料的顯顯微硬度。。2)影響冷作硬硬化的主要要因素①切削用量切削速度增增大，刀具具與工件的的作用時間間縮短，使使塑性變形形擴展深度度減小，冷冷硬層深度度減小。切切削速度增增大后，切切削熱在工工件表面層層上的作用用時間也縮縮短樂，將將使冷硬程程度增加。。進給量增增大，切削削力也增大大，表層金金屬的塑性性變形加劇劇，冷硬作作用加強。。②切削溫度切削刃鈍圓圓半徑增大大，對表層層金屬的擠擠壓作用增增強，塑性性變形加劇劇，導(dǎo)致冷冷硬增強。。刀具后刀刀面磨損增增大，后刀刀面與被加加工表面的的摩擦加劇劇，塑性變變形增大，，導(dǎo)致冷硬硬增強。③工件材料工件材料的的塑性愈大大，冷硬現(xiàn)現(xiàn)象就愈嚴嚴重。2、表面層金金相組織的的變化金相組織的的變化主要要受溫度的的影響。當當被磨工件件表面層溫溫度達到相相變溫度以以上時，表表層金屬發(fā)發(fā)生金相組組織的變化化，使表層層金屬強度度和硬度降降低，并伴伴有殘余應(yīng)應(yīng)力產(chǎn)生，，甚至出現(xiàn)現(xiàn)微觀裂紋紋時稱為磨磨削燒傷。。在磨削淬火火鋼時，可可能產(chǎn)生以以下三種燒燒傷：①回火燒傷②淬火燒傷③退火燒傷如果磨削區(qū)區(qū)溫度超過過了相變溫溫度，而磨磨削區(qū)域又又無冷卻液液進入，表表層金屬將將產(chǎn)生退火火組織，表表面硬度將將急劇下降降。如果磨削區(qū)區(qū)溫度超過過了相變溫溫度，再加加上冷卻液液的急冷作作用，表層層金屬發(fā)生生二次淬火火，使表層層金屬出現(xiàn)現(xiàn)二次淬火火馬氏體組組織，其硬硬度比原來來的回火馬馬氏體的高高，在它的的下層，因因冷卻較慢慢，出現(xiàn)了了硬度比原原先的回火火馬氏體低低的回火組組織（索氏氏體或托氏氏體）。如果磨削區(qū)區(qū)的溫度未未超過淬火火鋼的相變變溫度，但但已超過馬馬氏體的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變溫度，，工件表層層金屬的回回火馬氏體體組織將轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變成硬度度較低的回回火組織（（索氏體或或托氏體））。1）磨削燒傷2）防止磨削燒傷的的途徑磨削熱是造造成磨削燒燒傷的根源源，故改善善磨削燒傷傷由兩個途途徑：一是盡可能能地減少磨磨削熱地產(chǎn)產(chǎn)生；二是是改善冷卻卻條件，盡盡量使產(chǎn)生生地?zé)崃可偕賯魅牍ぜ?。具體工工藝措施如如下：(1)正確選擇砂砂輪(2)合理選擇磨磨削用量(3)改善冷卻條條件a)采用高壓大流量冷卻b)為了減輕高速旋轉(zhuǎn)的砂輪表面的高壓附著氣流的作用，可以加裝空氣檔板,使冷卻液能順利地噴注到磨削區(qū)，這對于高速磨削更為必要。c)采用內(nèi)冷卻法應(yīng)在保證表表面質(zhì)量的的前提下盡盡量不影響響生產(chǎn)率和和表面粗糙糙度。磨削削深度不能能選得太大大,磨削深度增增加，溫度度隨之升高高、燒傷增增加．工件的縱向向進給量越越大．砂輪輪與工件的的表面接觸觸時間相對對減少，因因而熱的作作用時間減減少，散熱熱條件得到到改善、磨磨削燒傷越越少。工工件線速度度增大時磨磨削區(qū)溫度度會上升。。但熱的作作用時間卻卻減少了。。一般在提提高工件速速度的同時時提高砂輪輪的速度。。一般選擇的的砂輪應(yīng)使使在磨削過過程中具有有自銳能力力(即砂粒磨鈍鈍后自動破破碎產(chǎn)生新新的鋒利的的新磨?；蚧蜃詣訌纳吧拜喺辰Y(jié)劑劑處脫落的的能力)。同時磨削削時砂輪應(yīng)應(yīng)不致產(chǎn)生生粘屑堵塞塞現(xiàn)象。3、表面層殘殘余應(yīng)力表面層殘余余應(yīng)力主要要是因為在在切削加工工過程中工工件受到切切削力和切切削熱的作作用，在表表面層金屬屬和基體金金屬之間發(fā)發(fā)生了不均均勻的體積積變化而引引起的。（１）冷態(tài)態(tài)塑性變形形引起的殘殘余應(yīng)力在在切削加加工過程中中，由于切切削力的作作用，工件件表面層產(chǎn)產(chǎn)生塑性變變形，使表表面金屬比比容增大，，體積膨脹脹，由于塑塑性變形只只在表層金金屬中產(chǎn)生生，表層金金屬的比容容增大，體體積膨脹，，不可避免免地要受到到與它相連連的里層金金屬的限制制，在表面面金屬層產(chǎn)產(chǎn)生了殘余余壓應(yīng)力，，而在里層層金屬中產(chǎn)產(chǎn)生殘余拉拉應(yīng)力。右右圖所示為為加工后由由冷塑態(tài)變變形產(chǎn)生的的殘余應(yīng)力力的分布情情況。（２）熱態(tài)態(tài)塑性變形形引起的殘殘余應(yīng)力切削加工中中，切削區(qū)區(qū)會有大量量的切削熱熱產(chǎn)生，使使工件產(chǎn)生生不均勻的的溫度變變化，從而而導(dǎo)致不均均勻的熱膨膨脹。切削削加工進行行時，當當表面溫度度升高到使使表層金屬屬進入到塑塑性狀態(tài)時時，其體積積膨脹受受到溫度較較低的基體體金屬的限限制而產(chǎn)生生熱塑性變變形。切削削加工結(jié)束束后，表面面溫度下降降，由于表表面已產(chǎn)生生熱塑性性變形要收收縮，此時時又會受到到基體金屬屬的限制，，在表面產(chǎn)產(chǎn)生殘余拉拉應(yīng)力。熱熱塑性變形形主要在磨磨削時產(chǎn)生生，磨削削溫度越高高，熱塑性性變形越大大，殘余拉拉應(yīng)力越大大，有時甚甚至?xí)a(chǎn)生生裂紋。右右圖所示為為磨削時由由熱塑性變變形產(chǎn)生的的殘余應(yīng)力力的分布情情況。(3)金相組織變變化引起的的殘余應(yīng)力力不同金金相組織具具有不同的的密度，金金相組織的的轉(zhuǎn)變會引引起金屬材材料的體積積變化。加加工過程中中，當切削削溫度的變變化使表面面層金屬產(chǎn)產(chǎn)生了金相相組織的變變化時，表表層金屬的的體積變化化（增大或或減?。┍乇厝灰艿降脚c之相連連的基體金金屬的阻礙礙，因而就就有殘余應(yīng)應(yīng)力產(chǎn)生。。不同磨削方方式下殘余余應(yīng)力的分分布情況。。一、機械加加工中的振振動現(xiàn)象二、受迫振振動三、減小受受迫振動的的途徑四、機械加加工過程中中受迫振源源的查找方方法第四節(jié)機機械加工工過程中的的振動加工過程中中的振動，，使刀具與與工件之間間產(chǎn)生相對對位移，使使加工表面面產(chǎn)生振痕痕、將嚴重重影響零件件的表面質(zhì)質(zhì)量和使用用性能。動動態(tài)交變載載荷使刀具具極易磨損損(甚至崩刃)，機床連接接特性受到到破壞，縮縮短了刀具具和機床的的使用壽命命、而且振振動嚴重時時，使加工工無法進行行，為了減減少振動，，有時不得得不降低切切削用量，，從而降低低了生產(chǎn)率率。振動的分類類按工藝系系統(tǒng)可分為為三類：1、自由振動動2、受迫振動動3、自激振動動。一、機械加加工中的振振動現(xiàn)象機械加工中中，由于刀刀具與工件件之間常常常產(chǎn)生周期期性往復(fù)運運動，既機機械加工振振動。一般般說它是一一種破壞正正常切削過過程的有害害觀象。各各種切削和和磨削過程程都可能發(fā)發(fā)生振動，，當速度高高、切削金金屬量大時時會產(chǎn)生較較強烈振動動。當系統(tǒng)受到到初步始干干擾力而破破壞了其平平衡狀態(tài)后后，僅靠彈彈性恢復(fù)力力來維持的的振動稱為為自由振動動。在切削削過程中，，由于材料料硬度不均均或工件表表面有缺陷陷，工藝系系統(tǒng)就會發(fā)發(fā)生振動，，但由于阻阻尼作用、、振動將迅迅速減弱，，因而對機機械加工的的影響不大大。在外界周期期性干擾力力，(激振力)持續(xù)作用下下，系統(tǒng)被被迫產(chǎn)生的的振動。系統(tǒng)在沒有有受到外界界周期性干干擾力(激振力)作用下產(chǎn)生生的持續(xù)振振動。維持持這種振動動的交變力力是由振動動系統(tǒng)在自自身運動中中激發(fā)出來來的、稱為為自激振動動。機械加工中中的強迫振振動與一般般機械中的的強迫振動動沒有什么么區(qū)別，強強迫振動的的頻率與干干擾力的頻頻率相同或或是它的倍倍數(shù)。1、強迫振動動的振源即來自機床床內(nèi)部的機機內(nèi)振源和和來自機床床外部的機機外振源兩兩大類。1）、機外振振源：甚多，但它它們都是通通過地基傳傳給機床的的，可通過過加設(shè)隔振振地基來隔隔離。2）、機內(nèi)振振源主要又又：a）機床高速速旋轉(zhuǎn)件不不平衡引起起的振動b）機床傳動動機構(gòu)缺陷陷引起的振振動c）切削過程程中的沖擊擊引起的振振動d）往復(fù)運動動部件的慣慣性力引起起的振動二、受迫振振動受迫振動的的振動頻率率與外界激激振力的頻頻率相同或或是它的倍倍數(shù)，而與與系統(tǒng)的固固有頻率無無關(guān)。2、受迫振動動的特點：：受迫振動是是由周期性性激振力引引起的，不不會被阻尼尼衰掉，振振動本身也也不能使激激振力發(fā)生生變化。受迫振動的的幅值即與與激振力的的幅值有關(guān)關(guān)，又與工工藝系統(tǒng)的的動態(tài)特性性有關(guān)。3、減小受迫迫振動的途途徑１）減小激激振力可可通過提高高機床的制制造和裝配配精度，以以消除工藝藝系統(tǒng)內(nèi)部部的振動源源。如機床中高高速回轉(zhuǎn)的的零件要進進行靜平衡衡和動平衡衡（如磨床床的砂輪、、電動機的的轉(zhuǎn)子等））；提高齒齒輪的制造造和裝配精精度，或采采用對振動動和動平衡衡不敏感的的高阻尼材材料制造齒齒輪，以減減少齒輪嚙嚙合所造成成的振動。。２）調(diào)整振振源頻率調(diào)調(diào)整刀具具或工件的的轉(zhuǎn)速，使使激振力頻頻率偏離工工藝系統(tǒng)的的固有頻率率。３）增強工工藝系統(tǒng)的的剛性和阻阻尼以提高高其抗振能能力如采采用刮研各各零部件之之間的接觸觸表面，以以增加各種種部件間的的連接剛度度；利用跟跟刀架，縮縮短工件或或刀具裝夾夾時的懸伸伸長度等方方法以增加加工藝系統(tǒng)統(tǒng)的剛度。。４）采取取隔振措施施隔離外部部或內(nèi)部振振源對于于某些動力力源（如電電動機、油油泵等），，最好與機機床分開，，以達到隔隔振的目的的。５）采用各各種減振措措施如果果不能從根根本上消除除產(chǎn)生振動動的條件，，又不能有有效的提高高工藝系統(tǒng)統(tǒng)的動態(tài)特特性，可采采用消振減減振裝置。。4、機械加工工過程中受受迫振源的的查找方法法如果已經(jīng)確確認機械加加工過程中中發(fā)生了受受迫振動，，就要設(shè)法法查找振源源，以便去去除振源或或減小振源源對加工過過程的影響響。由受迫迫振動的特特征可知，，受迫振動動的頻率總總是與干擾擾力的頻率率相等或是是它的倍數(shù)數(shù)，我們可可以根據(jù)受受迫振動的的這個規(guī)律律去查找受受迫振動的的振源。三、機械加工工過程中的自自激振動機械加工中在在沒有周期性性外力（相對對于切削過程程而言）作用用下，由系統(tǒng)統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)反反饋產(chǎn)生的周周期性振動，，稱為自激振振動。其振動動頻率與系統(tǒng)統(tǒng)的國有頻率率相近。既然沒有周期期性外力的作作用，那么激激發(fā)自激振動動的交變力是是怎樣產(chǎn)生的的呢？用傳遞遞函數(shù)的概念念來分析，機機床加工系統(tǒng)統(tǒng)是一個由振振動系統(tǒng)和調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成成的閉環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)（如圖所示示）。激勵機床系統(tǒng)統(tǒng)產(chǎn)生振動運運動的交變力力是由切削過過程產(chǎn)生的，，而切削過程程同時又受機機床系統(tǒng)振動動運動的控制制，機床系統(tǒng)統(tǒng)的振動運動動一旦停止，，動態(tài)切削力力也就隨之消消失。自激振振動系統(tǒng)維持持穩(wěn)定振動的的條件為在一一個振動周期期內(nèi)，從能源源機構(gòu)經(jīng)調(diào)節(jié)節(jié)系統(tǒng)輸入到到振動系統(tǒng)的的能量，等于于系統(tǒng)阻尼所所消耗的能量量。如果切削過程程很平穩(wěn)，即即使系統(tǒng)存在在產(chǎn)生自激振振動的條件，，也因切削過過程沒有交變變的動態(tài)切削削力，使自激激振動不可能能產(chǎn)生。但是是，在實際加加工過程中，，偶然的外界界干擾（如工工件材料硬度度不均、加工工余量有變化化等）總是存存在的，這種種偶然性外界界干擾所產(chǎn)生生的切削力的的變化，作用用在機床系統(tǒng)統(tǒng)上，會使系系統(tǒng)產(chǎn)生振動動運動。系統(tǒng)統(tǒng)的振動運動動將引起工件件與刀具間的的相對位置發(fā)發(fā)生周期性變變化，使切削削過程產(chǎn)生維維持振動的動動態(tài)切削力。。如果工藝系系統(tǒng)不存在自自激振動的條條件，這種偶偶然性的外界界干擾，將因因工藝系統(tǒng)存存在阻尼而使使振動運動逐逐漸衰減。如如果工藝系統(tǒng)統(tǒng)存在產(chǎn)生自自激振動的條條件，就會使使機床加工系系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)續(xù)的振動運動動。（１）負摩擦擦自振原理在切削塑性材材料時，由切切削原理可知知，徑向切削削分力Fy開始隨切削速速度Vc的增加而增大大，自某一速速度開始，又又隨切削速度度的增加而下下降。在力－－速度曲線下下降區(qū)，極易易引起自激振振動。徑向切切削分力主要要取決于切屑屑與刀具相對對運動所產(chǎn)生生的摩擦力。。1、自激振動的的形成機理經(jīng)過對自激振振動的研究，，人們從不同同側(cè)面出發(fā)，，形成多種關(guān)關(guān)于自激振動動機理的理論論。圖所示為車削加加工的簡化振振動模型。將加工系統(tǒng)簡簡化為單自由由度系統(tǒng)，刀刀具簡化為等等效質(zhì)量ｍ，，僅能做徑向向運動。在穩(wěn)定切削時時，工件表面面的線速度為為Vc，則刀具和切切屑的相對滑滑動速度為V1＝Vc／ζ，為切屑收收縮系數(shù)。當當?shù)毒甙l(fā)生振振動時，前刀刀面與切屑的的相對滑動速速度便要ζ附加一個振動動速度V2，刀具切入工工件時相對滑滑動速度為V1＋V2，刀具退出工工件時，相對對滑動速度為為V1－V2，它們分別對對應(yīng)于徑向切切削力Fy1和Fy2。所以，刀具具切入工件的的半個周期中中，切削力所所做的負功小小于刀具切出出工件的半個個周期中所做做的正功，在在一個振動周周期中，便有有多余的能量量輸入振動系系統(tǒng)，從而激激起振動。圖為徑向切削削力Fy與切屑和前刀刀面相對滑動動速度ｖ的關(guān)關(guān)系曲線。外圓磨削時，，設(shè)砂輪寬度為為Ｂ，工件每每轉(zhuǎn)進給量為為ｆ，砂輪輪前一轉(zhuǎn)的磨磨削區(qū)和后一一轉(zhuǎn)磨削區(qū)有有重疊部分，，其大小用重重疊系數(shù)μ表示：（２）再生效效應(yīng)自振原理理切削或磨削加加工時，后一一次走刀和前前一次走刀總總會有部分重重疊。圖為外圓磨削削簡圖。Ｂ－ｆμ＝——Ｂ前后兩次走刀刀完全重疊時時，μ＝１；無重疊疊時，μ＝０；一般情情況μ在０～１之間間。在穩(wěn)定的切削削過程中，由由于偶然的擾擾動（如刀具具碰到工件材材料上的硬質(zhì)質(zhì)點、余量不不均勻等），，引起工件與與刀具發(fā)生相相對的自由振振動，從而在在切削表面上上留下振紋，，當?shù)诙巫咦叩稌r，刀具具將在有波紋紋的表面上進進行切削。設(shè)第ｉ次切削削時刀具與工工件間的振紋紋為y0，第ｉ＋１次次（振紋為ｙｙ）就要從從已有振紋的的表面上切除除切屑。圖ａａ中表示在一一個周期中切切削厚度處處處相等，切入入時切削力ＦＦ所做的負功功（因為切入入時刀具的速速度方向與切切削力Ｆ的方方向相反）與與切出時所做做的正功相等等，振紋保持持原有的狀態(tài)態(tài)；圖ｂ中表表示振幅ｙｙ比ｙ００滯后φ角，刀具切入入半周期中平平均切削厚度度比切出時的的平均厚度小小，因此，切切入時的平均均切削力比切切出時的小，，所以，在一一個振動周期期中，切削力力做的正功大大于負功，系系統(tǒng)得到了能能量的輸入，，振動加強。。圖ｃ中ｙｙ中ｙ比比ｙ０超前前φ角，刀具切入入的半周期，，平均切削厚厚度比切出時時的大，因此此，切削力所所做的負功大大于正功，振振動逐漸衰減減。振動的發(fā)生與與維持可用下下圖所示的三三種切削過程程的能量關(guān)系系說明。綜上所述，振振動ｙ滯滯后于ｙ００是產(chǎn)生再生生顫振的必要要條件。橢圓形曲線的的旋向是順時時針的，則刀刀具沿ABC的軌跡是切入入工件，它的的運動方向與與切削力Ｆ的的方向相反，，F(xiàn)做負功。沿著著BDA軌跡退出時，，Ｆ力做正功功。由于切出出時平均切削削厚度大于切切入時平均切切削厚度，故故切削力做的的正功大于負負功，在一個個振動周期中中便有多余的的能量輸入振振動系統(tǒng)，維維持系統(tǒng)的振振動。（３）振型藕藕合自振原理理振動系統(tǒng)實際際上都是多自自由度的，圖圖是一個二自自由度振動系系統(tǒng)示意圖。。設(shè)切削前工件件表面是光滑滑的，即不考考慮再生效應(yīng)應(yīng)，當?shù)都芟迪到y(tǒng)產(chǎn)生了角角頻率為ω的振動，則刀刀架將在X1和X2兩個方方向上上同時時振動動，刀刀具振振動的的軌跡跡一般般為橢橢圓形形的封封閉曲曲線。。２．自自激振振動的的特征征與其他他類型型的振振動相相比，，自激激振動動有以以下特特征：：（１））機械械加工工中的的自激激振動動是在在沒有有周期期性外外力（（相對對于切切削過過程而而言））干擾擾下所所產(chǎn)生生的振振動運運動，，這一一點與與強迫迫振動動有原原則區(qū)區(qū)別。。（２））自激激振動動的頻頻率接接近于于系統(tǒng)統(tǒng)的某某一固固有頻頻率，，或者者說，，顫振振頻率率取決決于振振動系系統(tǒng)的的固有有特性性。這這一點點與強強迫振振動根根本不不同，，強迫迫振動動的頻頻率取取決于于外界界干擾擾力的的頻率率。（３））自激激振動動是一一種不不衰減減的振振動。。振動動過程程本身身能引引起某某種不不衰減減的周周期性性變化化，而而振動動系統(tǒng)統(tǒng)能通通過這這種力力的變變化，，從不不具備備交變變特性性的能能源中中周期期性的的獲得得補充充能量量，從從而維維持住住這個個振動動。當當運動動一停停止，，則這這種外外力的的周期期性變變化和和能量量的補補充過過程也也都立立即停停止。。工藝藝系統(tǒng)統(tǒng)中維維持自自激振振動的的能量量來自自機床床電動動機，，電動動機除除了供供給切切除切切屑的的能量量外，，還通通過切切削過過程把把能量量輸給給振動動系統(tǒng)統(tǒng)，使使工藝藝系統(tǒng)統(tǒng)產(chǎn)生生振動動運動動。３．自自激振振動的的控制制（１））盡量量減小小重疊疊系數(shù)數(shù)μ重疊系系數(shù)μ直接影影響再再生效效應(yīng)的的大小小。重重疊系系數(shù)值值取決決于加加工方方式、、刀具具的幾幾何形形狀、、切削削用量量等。。圖中中列出出了兩兩種加加工方方式的的μ值。車車螺紋紋（圖圖ａ））時，，μ＝０，，工藝藝系統(tǒng)統(tǒng)不會會有再再生型型自激激振動動產(chǎn)生生。切切斷工工件（（圖ｂｂ）時時，μ＝１，，再生生效應(yīng)應(yīng)最大大。對對于一一般外外圓，，縱向向車削削時，，μ＝０～～１，，此時時應(yīng)通通過改改變切切削用用量和和刀具具幾何何形狀狀，使使μ盡量減減小，，以提提高切切削的的穩(wěn)定定性。。自激振振動主主要受受切削削過程程中的的工藝藝系統(tǒng)統(tǒng)內(nèi)部部因素素的影影響。。主要要影響響因素素有切切削用用量、、刀具具幾何何參數(shù)數(shù)和切切削過過程中中的阻阻尼等等。通通過合合理控控制這這些因因素，，就能能減小小或消消除自自激振振動。。（２））合理理選擇擇刀具具幾何何參數(shù)數(shù)從圖可可以看看出，，當κｒ＝９９０°時，振振幅最最小。。前角角越大大，切切削力力越小小，振振幅也也越小小。前前角對對振幅幅的影影響。。適當當?shù)卦鲈龃笄扒敖?、、主偏偏角，，能減減小ＦＦｙ，，從從而減減小振振動。。后角角可盡盡量取取小，，但精精加工工中由由于切切削深深度較較小，，后角角較小小時，，刀刃刃不容容易切切入工工件，，且使使刀具具后面面與加加工表表面間間的摩摩擦加加劇，，反而而容易易引起起自振振。通通常在在刀具具的主主后面面上磨磨出一一段后后角為為負的的窄棱棱面，，如圖圖所示示，這這樣可可以增增大工工件和和后刀刀面之之間的的摩擦擦阻尼尼，起起到很很好的的減振振效果果。刀具幾幾何參參數(shù)中中對振振動影影響最最大的的是主主偏角角κｒ和前前角γ０。主主偏角角增大大，則則垂直直于加加工表表面方方向的的切削削分力力減小小，故故不易易產(chǎn)生生自振振。圖一是是切削削速度度與振振幅的的關(guān)系系曲線線。從從圖一一中可可見，，在低低速或或高速速切削削時，，振動動較小小。圖圖二、、圖三三是進進給量量和切切削深深度與與振幅幅的關(guān)關(guān)系曲曲線。。（３））合理理選擇擇切削削用量量它們表表明，，選較較大的的進給給量和和較小小的切切削深深度有有利于于減小小振動動。采采用高高速切切削或或低速速切削削可以以避免免自激激振動動。增增大進進給量量可使使振幅幅減小小，在在加工工表面面粗糙糙度允允許的的情況況下，，可以以選取取較大大的進進給量量以避避免自自激振振動。。切削削深度度增大大，切切削寬寬度也也增大大，振振動增增強，，選擇擇切削削深度度時一一定要要考慮慮切削削寬度度對振振動的的影響響。首先是是提高高機床床的抗抗振性性能。。例如如外圓圓磨床床的主主軸系系統(tǒng)要要適當當?shù)販p減小軸軸承的的間隙隙，滾滾動軸軸承要要加適適當?shù)牡念A(yù)緊緊力，，以增增強接接觸剛剛度。。工件件與刀刀具的的抗振振性能能成為為系統(tǒng)統(tǒng)薄弱弱環(huán)節(jié)節(jié)時，，應(yīng)采采取相相應(yīng)的的技術(shù)術(shù)措施施，如如加工工細長長軸時時，用用中心心架或或跟刀刀架來來提高高工件件的抗抗振性性能；；當用用細長長刀桿桿加工工孔時時，要要采用用中間間導(dǎo)向向支承承來提提高刀刀具的的抗振振性能能，等等等。。（４））提高高工藝藝系統(tǒng)統(tǒng)的剛剛度（５））采用用減振振裝置置在在采用用上述述措施施后仍仍然不不能達達到減減振目目的時時，可可考慮慮使用用減振振裝置置。常常用減減振裝裝置有有阻尼尼減振振器和和沖擊擊減振振器。。①阻尼尼減振振器：：它利利用固固體和和液體體的摩摩擦阻阻尼來來消耗耗振振動的的能量量。如如在機機床主主軸系系統(tǒng)中中附加加阻尼尼減振振器，，它相相當當于間間隙很很大的的滑動動軸承承，通通過阻阻尼套套和阻阻尼間間隙中中的粘粘性性油的的阻尼尼作用用來減減振。。②沖沖擊擊減減振振器器：：如如圖圖所所示示，，它它是是由由一一個個與與振振動動系系統(tǒng)統(tǒng)剛剛性性相相聯(lián)聯(lián)的的殼殼體體２２和和一一個個在在殼殼體體內(nèi)內(nèi)自自由由沖沖擊擊的的質(zhì)質(zhì)量量器器塊塊１１組組成成的的。。當當系系統(tǒng)統(tǒng)振振動動時時，，自自由由質(zhì)質(zhì)量量塊塊反反復(fù)復(fù)沖沖擊擊振振動動系系統(tǒng)統(tǒng)，，消消耗耗振振動動的的能能量量，，以以達達到到減減振振效效果果。。振紋紋再再生生原原理理在金金屬屬切切削削過過程程中中，，除除極極少少數(shù)數(shù)情情況況外外，，刀刀具具總總是是部部分分地地或或完完全全地地在在帶帶有有波波紋紋的的表表面面上上進進行行切切削削的的。。首首先先來來研研究究車車刀刀作作徑徑向向切切削削的的情情況況，，此此時時車車刀刀只只作作橫橫向向進進給給，，車車刀刀將將完完全全地地在在工工件件前前一一轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)切切削削時時留留下下的的波波紋紋表表面面上上進進行行切切削削，，如如右右上上圖圖示示。。假假定定切切削削過過程程受受到到一一個個瞬瞬時時的的偶偶然然擾擾動動力力Fd的作用，，如右下下圖示，，刀具與與工件便便會發(fā)生生相對運運動（自自由振動動），它它的幅值值將因系系統(tǒng)阻尼尼的存在在而逐漸漸衰減，，但該振振動會在在已加工工表面上上留下一一段振紋紋。此時時切削厚厚度將發(fā)發(fā)生波動動，因而而產(chǎn)生了了交變的的動態(tài)切切削力。。如果機機床加工工系統(tǒng)滿滿足產(chǎn)生生自激振振動的條條件，振振動便會會進一步步發(fā)展到到圖d示的持續(xù)續(xù)的顫振振狀態(tài)。。我們將將這種由由于切削削厚度變變化效應(yīng)應(yīng)而引起起的自激激振動稱稱為再生型顫顫振?？刂茩C械械加工振振動的途途徑當機械加加工過程程中出現(xiàn)現(xiàn)影響加加工質(zhì)量量的振動動時，首首先應(yīng)該該判別這這種振動動是強迫迫振動還還是自激激振動，，然后再再采取相相應(yīng)措施施來消除除或減小小振動。。

消除除振動的的途徑有有三：消除或減減弱產(chǎn)生生振動的的條件；改善工藝藝系統(tǒng)的的動態(tài)特特性；采用消振振減振裝裝置。消除或減減弱產(chǎn)生生振動的的條件1）減小小機內(nèi)外外干擾力力機機床上高高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的零部部件必須須進行平平衡，是是質(zhì)量不不平衡控控制在允允許范圍圍內(nèi)。（2）調(diào)調(diào)整振源源頻率由強迫振振動的特特征可知知，當干干擾力的的頻率接接近系統(tǒng)統(tǒng)某一固固有頻率率時，就就會發(fā)生生共振。。因此，，可通過過改變電電機轉(zhuǎn)速速或傳動動比，使使激振力力的頻率率遠離機機床加工工薄弱環(huán)環(huán)節(jié)的固固有頻率率，以免免共振。。（3）采采取隔振振措施使使振源產(chǎn)產(chǎn)生的部部分振動動被隔振振裝置所所隔離或或吸收。。隔振方方法有兩兩種：一一種使主動隔振振，阻止機機內(nèi)振源源通過基