新版機械制造工藝課件ch5機械加工表面質(zhì)量控制

第5章機械加工外表質(zhì)量控制5.1影響加工外表質(zhì)量的因素5.2機械加工中的振動5.3控制機械加工外表質(zhì)量的措施5.1影響加工外表質(zhì)量的因素機械加工外表質(zhì)量對機器零件的使用性能，甚至整機的工作性能都有很大影響。深入研究影響加工外表質(zhì)量的各種因素及其規(guī)律，探究提高和保證加工外表質(zhì)量的措施和方法是機械制造工藝學研究的重要內(nèi)容。影響外表粗糙度的工藝因素影響加工外表粗糙度的工藝因素主要有幾何因素和物理因素兩個方面。加工方式不同，影響的工藝因素也各不相同。1.切削加工的外表粗糙度1〕幾何因素影響外表粗糙度的幾何因素是指刀具相對工件作進給運動時，由于刀具的幾何形狀、幾何參數(shù)、進給運動及切削刃本身的粗糙度等影響，未能完全將加工余量切除，在加工外表留下殘留面積，形成外表粗糙度。以車削或刨削加工零件外表為例。切削殘留面積的高度與以下因素有關刀尖圓弧半徑re主偏角Kr副偏角Kr’進給量f刀刃本身的粗糙度等因素有關。切削深度較大且刀尖圓弧半徑很小時，或者采用尖刀刃具切削時，如圖5.1(a)所示，殘留面積的高度為

圓弧刀刃切削加工時，殘留面積的高度與刀尖圓弧半徑re和進給量f有關，圖5.1(b)所示的幾何關系可近似為

減小進給量、增大刀尖圓弧半徑、減小主偏角或副偏角都會使外表粗糙度得到改善，但以進給量和刀尖圓弧半徑的影響最為明顯。實際加工外表的粗糙度總是大于上面兩個殘留面積高度公式的理論計算值，只有切削脆性材料或高度切削塑性材料時，計算結(jié)果才比較接近實際。2〕物理因素在切削過程中刀具對工件的擠壓和摩擦等物理因素使金屬材料發(fā)生塑性變形，從而影響理論殘留局部的輪廓以及外表粗糙度。加工獲得的外表粗糙度輪廓形狀是幾何因素和物理因素綜合作用的結(jié)果。影響外表粗糙度的物理因素可歸結(jié)為以下幾個方面：〔1〕刀具幾何參數(shù)及刀具材料刀具的幾何參數(shù)對切削加工外表粗糙度影響很大。刀具的主偏角、副偏角和刀尖圓弧半徑影響較為顯著。適當增大刀具前角可以有效改善加工外表粗糙度。而刀具后角的大小與已加工外表的摩擦有關，后角大的刀具有利于改善外表粗糙度。但后角過大，對刀刃強度不利，易產(chǎn)生切削振動，外表粗糙度反而增大。選用強度好，特別是熱硬性高的材料制造的刀具，易于保持刃口鋒利，而且摩擦系數(shù)小、耐磨性好，在切削加工時那么能獲得較小的外表粗糙度?！?〕工件的材料及熱處理工件材料的品種、成分和性質(zhì)，以及熱處理方法的不同，加工外表的粗糙度也存在一定差異。塑性材料切削加工過程中，如低碳鋼、耐熱鋼、鋁合金和高溫合金等，在一定切速下會在刀面形成硬度很高的積屑瘤，從而改變刀具的幾何形狀和加工進給量，使加工外表的粗糙度嚴重惡化。而脆性材料加工后，一般其外表粗糙度易于到達要求。對于同樣的工件材料，假設金相組織的晶粒粗大，那么切削加工獲得的外表粗糙度越差。因此，為減小切削加工的外表粗糙度值，常在加工前對工件材料進行調(diào)質(zhì)處理，以獲得較均勻的、細密的晶粒組織和較高的硬度。〔3〕切削用量一般來說，切削深度對加工外表粗糙度影響不明顯，但過小的切削深度無法維持正常切削，常會引起刀刃與工件相互擠壓、摩擦，使加工外表質(zhì)量惡化。切削速度、進給量對外表粗糙度影響較大。較小的切削進給量可減少殘留面積的高度，減輕切削力和工件材料的塑性變形程度，從而獲得較低的外表粗糙度值。但進給量過小，刀刃不能進行切削而僅形成擠壓，致使工件的塑性變形程度增大，使外表粗糙度變大。切削過程中，切削速度越高，那么被加工外表的塑性變形程度越小，外表粗糙度越好?！?〕刀具的刃磨考慮到刀具刃口外表粗糙度在工件外表的復映效果，提高刀具的刃磨質(zhì)量也能改善外表粗糙度?！?〕潤滑冷卻液切削過程中，潤滑冷卻液可吸收、傳遞切削區(qū)內(nèi)的熱量，減小摩擦、促進切屑別離，減輕力、熱的綜合作用，抑制刀瘤和鱗刺的產(chǎn)生，減少切削的塑性變形，利于改善加工外表的粗糙度。2.磨削加工外表粗糙度磨削是較為常見的精加工方法，其外表粗糙度的形成也是由幾何因素和物理因素決定的，但磨削過程較切削過程復雜。1〕磨削加工外表粗糙度的形成磨削加工是通過砂輪和工件的相對運動，使得分布在砂輪外表上的磨粒對工件外表進行磨削加工。砂輪的磨粒分布存在很大的不均勻性和不規(guī)那么性，鋒利且突出的磨?？僧a(chǎn)生切削作用，而缺乏以形成切削的磨?？僧a(chǎn)生刻劃作用，形成劃痕并引起塑性變形，更低而鈍的磨粒那么在工件外表引起彈性變形，產(chǎn)生滑擦作用。因此磨削加工的外表是砂輪上大量的磨?？虅澇龅臒o數(shù)極細的刻痕形成的。另外，磨削加工時的速度較高，砂輪磨粒大多具有較大的負前角，磨粒與外表間的相互作用較強，將造成磨削比壓大、磨削區(qū)的溫度較高。如果工件表層溫度過高，那么表層金屬易軟化、微熔或產(chǎn)生相變。而且，每個磨粒所切削的厚度僅為0.2μm左右，大多數(shù)磨粒在磨削加工過程中僅起到擠壓作用，磨削余量是在磨粒的屢次擠壓作用下經(jīng)過充分塑性變形出現(xiàn)疲勞剝落產(chǎn)生的，因而磨削加工的塑性變形一般要比切削加工大。2〕影響磨削加工外表粗糙度的工藝因素影響磨削外表粗糙度的主要工藝因素有如下幾個方面：(1)砂輪的選擇砂輪的粒度、硬度、組織、材料及旋轉(zhuǎn)質(zhì)量平衡等因素都會影響磨削外表粗糙度，在選擇時應綜合考慮。單純從幾何因素考慮，在相同的磨削條件下，砂輪的粒度細，那么單位面積上的磨粒多，加工外表上的刻痕細密均勻，磨削獲得的外表粗糙度值小。但磨粒太細時，砂輪容易被磨屑堵塞。通常磨粒的大小和磨粒之間的距離用粒度表示，一般常取46號~60號。砂輪的硬度是指磨粒從砂輪上脫落的難以程度。砂輪選擇過硬，那么磨粒鈍化后不易脫落，使得工件外表受到強烈的摩擦和擠壓作用，致使塑性變形的程度增加，增大外表粗糙度。反之，砂輪選擇太軟，那么磨粒易于脫落，產(chǎn)生磨損不均勻，從而磨削作用減弱，難以保證工件外表的粗糙度。因此，砂輪硬度選擇要適當，通常選用中軟砂輪。砂輪的組織是指磨粒、結(jié)合劑和氣孔的比例關系。緊密組織能獲得高精度和較小的外表粗糙度值，而疏松組織的砂輪不易阻塞，適合加工軟金屬、非金屬軟材料和熱敏性材料。砂輪的材料，即磨料的選擇要綜合考慮加工質(zhì)量和本錢。高硬磨料的砂輪可獲得較小的外表粗糙度，但加工本錢很高。(2)磨削用量磨削用量主要指砂輪速度、工件速度、進給量和磨削深度等，即磨削加工的條件。提高砂輪速度，那么通過被磨削外表單位面積上的磨粒數(shù)和劃痕增加。與此同時，每個磨粒的負荷小，熱影響區(qū)淺，工件材料的塑性變形的傳播速度可能大于磨削速度，工件來不及產(chǎn)生塑性變形，使得外表層金屬的塑性變形現(xiàn)象減輕，磨削外表的粗糙度值將明顯減小。工件速度對外表粗糙度值的影響與砂輪速度的影響相反，增大工件速度時，單位時間內(nèi)通過被磨外表的磨粒數(shù)減少，工件外表粗糙度值將增加。砂輪縱向進給量減少，工件外表被砂輪重復磨削的次數(shù)將增加，外表粗糙度值會減??；而軸向進給量減小時，單位時間內(nèi)加工的長度短，外表粗糙度值也會減小。磨削深度對外表粗糙度的影響很大。減小磨削深度，工件材料的塑性變形減弱，被磨外表的粗糙度值會減小，但也會降低生產(chǎn)率。(3)砂輪的修整修整砂輪是改善磨削外表粗糙度的重要措施，因為砂輪外表的不平整在磨削時將被復映到被加工外表。修整砂輪的目的是使砂輪具有正確的幾何形狀和獲得具有磨削性能的銳利微刃。砂輪的修整與修整工具、修整砂輪縱向進給量等有密切關系。以單顆金剛石筆修整砂輪時，金剛石筆縱向進給量越小，金剛石越鋒利，修出的砂輪外表越光滑，磨粒微刃的等高性越好，磨出的工件外表粗糙度越小。此外，工件材料的性質(zhì)、磨削液等對磨削外表粗糙度的影響也很明顯。影響磨削加工外表粗糙度的因素粒度↓→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↓砂輪粒度工件材料性質(zhì)砂輪修正磨削用量砂輪硬度砂輪V↑→Ra↓ap、工件V↑→塑變↑→Ra↑粗磨ap↑→生產(chǎn)率↑精磨ap↓→Ra↓(ap=0光磨)

影響磨削加工外表粗糙度的因素影響零件表層物理力學性能的因素機械加工過程中，工件表層在力、熱的綜合作用下，外表層的物理力學性能會發(fā)生變化，使其與金屬基體材料性能有所不同。最主要的變化是表層金屬顯微硬度的改變，金相組織的變化和在表層金屬中產(chǎn)生剩余應力和外表強化現(xiàn)象。不同的工件材料，不同的加工條件，會產(chǎn)生不同的外表層特性。在磨削加工時所產(chǎn)生的塑性變形和切削熱比切削加工時更嚴重，因而磨削加工外表層的上述三項物理力學性能的變化會很大。影響外表層物理力學性能的主要因素外表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剩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1.加工外表的冷作硬化磨削和切削加工中，假設加工工件外表層產(chǎn)生的塑性變形使外表層材料沿晶面產(chǎn)生剪切滑移，使晶格扭曲、畸變，產(chǎn)生晶粒拉長、破碎和纖維化，這將引起材料的強化，使工件外表層的強度和硬度增加，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化。評定外表層冷作硬化的指標主要以硬化層深度、外表層金屬的顯微硬度和硬化程度表示。一般硬化程度越大，硬化深度也越大。硬化程度的表達式如下，式中HV——加工后外表層顯微硬度，單位GPa；HV0——基體材料的顯微硬度，單位GPa。外表層冷作硬化的程度取決于產(chǎn)生塑性變形的力、變形速度和變形時的溫度。產(chǎn)生塑性變形的力越大，塑性變形越大，硬化程度越大。變形速度越大，那么塑性變形越不充分，硬化程度反而減少。變形時的溫度會影響塑性變形的程度和變形后金相組織恢復的能力。冷作硬化的外表層金屬處于高能位不穩(wěn)定狀態(tài)，在某些條件下(如溫度變化在某范圍內(nèi))，金屬結(jié)構(gòu)會向穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，從而局部地消除冷作硬化，即弱化。因此，工件加工后外表層的最終性質(zhì)是強化和弱化作用的綜合結(jié)果。實際上，冷作硬化的程度和深度還與金屬基體的性質(zhì)、機械加工的方法和條件有關。1〕影響切削加工外表冷作硬化的因素切削加工過程中，被加工材料、刀具幾何參數(shù)和切削用量均在不同程度上影響外表層的冷作硬化程度。(1)被加工材料的影響工件材料的硬度越小、塑性越大，切削后的冷硬程度越嚴重。就碳素結(jié)構(gòu)鋼而言，含碳量越低，強度越低，塑性越大，因外表層的而冷硬程度嚴重。(2)刀具幾何參數(shù)的影響刀具的前角、刃鈍圓半徑和后面的磨損對冷硬程度有很大影響，而后角、主偏角、副偏角及刀尖圓弧半徑等的影響不大。刀具刃鈍圓半徑增大時，加工后外表的冷硬層深度和硬度也隨之增大。原因在于切削刃鈍圓半徑增大會加大徑向切削力，從而加劇塑性變形，導致硬化現(xiàn)象嚴重。刀具后面的磨損量增加時，使得刀具后面與被加工外表的摩擦加劇，塑性變形增大，從而表層冷硬程度增大。(3)切削用量的影響在切削用量中，以切削速度和進給量影響較大。在不致引起表層金相組織發(fā)生相變的范圍內(nèi)，增加切削速度時，刀具與工件的接觸時間縮短，使得塑性變形程度減小，硬化層深度和硬度都有所減小。進給量增大時，切削力增大，表層的塑性變形程度也增大，從而加劇外表層的冷作硬化程度。進給量過小時，由于刀具刃口圓角在加工外表單位長度上的擠壓次數(shù)增多，反而會增大硬化程度。影響外表層加工硬化的因素

⑴刀具幾何形狀的影響切削刃rε↑、前角↓、后面磨損量VB↑→表層金屬的塑變加劇→冷硬↑⑵切削用量的影響切削速度v↑→塑變↓→冷硬↓f↑→切削力↑→塑變↑→冷硬↑⑶工件材料性能的影響

材料塑性↑→冷硬↑2〕影響磨削加工外表冷作硬化的因素相比較而言，磨削加工的溫度比切削加工溫度高很多，磨削過程中的弱化作用或金相組織的變化起主導作用，使得磨削加工外表的硬化規(guī)律較為復雜。(1)被加工材料的影響工件材料的塑性好，那么磨削加工時塑性變形大，冷硬傾向大。導熱性能佳的材料，磨削加工產(chǎn)生的熱量不易集中于外表層，弱化傾向小。例如磨削高碳工具鋼T8時，加工外表冷硬程度平均達60%~65%；磨削純鐵時，加工外表冷硬程度可達75%~80%，甚至有時可達140%~150%。原因在于純鐵的塑性好，磨削時的塑性變形大，強化傾向大，而且純鐵的導熱性比高碳鋼高，熱不易集中于外表層，弱化傾向小。(2)磨削用量的影響磨削速度的提高會減弱塑性變形的程度，而且磨削區(qū)溫度的增高會加強弱化作用。所以，高速磨削加工外表的冷硬程度一般比普通磨削低。相對而言，工件速度對冷硬程度的影響與磨削速度的影響根本相反。磨削加工的磨削力會隨磨削深度的加大而增大，從而加工件外表的塑性變形程度，外表冷硬傾向增大。加大縱向進給速度時，磨削加工的磨削力加大，冷硬傾向增大。但縱向進給速度的提高也可能使磨削區(qū)產(chǎn)生較大的熱量而使冷硬減弱。因而加工外表的冷硬狀況要考慮這兩種因素的綜合作用。2.加工外表的金相組織變化與磨削燒傷1〕外表層金相組織的變化及磨削燒傷的發(fā)生機械加工過程中，加工時所消耗的能量絕大局部轉(zhuǎn)化為熱能，而使工件外表的加工區(qū)域及其附近區(qū)域的溫度升高。當溫升超過工件材料金相組織變化的臨界點時，就會發(fā)生金相組織的變化。一般的切削加工不一定產(chǎn)生加工外表層金相組織的變化，原因是單位內(nèi)切削截面所消耗的功率不是很大，溫度升高一般不會到達相變溫度。磨削加工時，磨削比壓和磨削速度較高，切除單位截面金屬所消耗的功率大于其它加工方法。這些熱量局部由切屑帶走，很小一局部傳給砂輪。假假設冷卻效果不好，那么這些熱量中的大局部(80%左右)將傳給被加工工件外表，使工件表層金屬強度和硬度降低，并伴有剩余應力的產(chǎn)生，甚至出現(xiàn)微觀裂紋，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。磨削加工是一種典型的、易使加工外表層產(chǎn)生金相組織變化的加工方法。影響磨削加工時外表層金相組織變化的因素主要有工件材料、磨削溫度、溫度梯度及冷卻速度等。然而，各種材料的金相組織及其轉(zhuǎn)變特性是不同的。如軸承鋼、高速鋼及鎳鉻鋼等高合金鋼材料，磨削時假設冷卻不充分那么容易使工件外表層上形成的瞬時高溫，產(chǎn)生磨削燒傷。磨削淬火鋼時，根據(jù)溫度的不同一般分為三種燒傷：(1)回火燒傷如果磨削區(qū)的溫度超過馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度(中碳鋼為350℃)，但末超過淬火鋼的相變臨界溫度(碳鋼的相變溫度約為720℃)時，那么工件外表層金屬的馬氏體組織會產(chǎn)生回火現(xiàn)象，轉(zhuǎn)變成硬度較低的回火組織(索氏體或托氏體)。這種燒傷稱為回火燒傷。(2)淬火燒傷如果磨削區(qū)溫度超過了相變溫度，且在冷卻液的急冷作用下，外表會出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織，硬度比原來的回火馬氏體高，但其厚度很薄。在它的下層，因冷卻較慢會出現(xiàn)硬度比原來回火馬氏體低的回火索氏體或托氏體。這稱為淬火燒傷。(3)退火燒傷如果磨削區(qū)溫度超過相變溫度，但磨削過程沒有冷卻液，這時工件表層金屬將被退火，外表硬度急劇下降。這稱為退火燒傷。一般干磨時很容易產(chǎn)生這種情況。

淬火燒傷回火燒傷退火燒傷磨削時工件外表溫度超過相變臨界溫度Ac3時，那么馬氏體轉(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，外表層總的硬度是降低的，這種現(xiàn)象稱為淬火燒傷。磨削時，如果工件外表層溫度只是超過原來的回火溫度，那么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，當工件外表層溫度超過相變臨界溫度Ac3時，那么馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。假設此時無冷卻液，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(xiàn)象稱為退火燒傷。磨削燒傷的三種形式2〕防止磨削燒傷的工藝措施如果在磨削加工中出現(xiàn)磨削燒傷現(xiàn)象，零件的使用性能將會受到嚴重影響。磨削熱是磨削燒傷的根源改善磨削燒傷的途徑主要有兩個：一是減少磨削熱的產(chǎn)生；二是改善冷卻條件。通常采用以下工藝途徑改善磨削燒傷的程度。合理選擇砂輪砂輪的硬度、粒度、結(jié)合劑和組織等對磨削燒傷有很大影響。磨削導熱性差的材料(如耐熱鋼、軸承鋼及不銹鋼等)，或干磨、磨削空心薄壁零件以及工件與砂輪接觸弧較長時，更易產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象。為防止產(chǎn)生燒傷，應選擇較軟的砂輪。具有一定彈性的結(jié)合劑(如橡膠結(jié)合劑，樹脂結(jié)合劑)，或組織疏松的砂輪，利于減輕燒傷。在砂輪的孔隙內(nèi)浸入石蠟之類的潤滑物質(zhì)，對降低磨削區(qū)的溫度、防止工件燒傷也有一定效果?？刂颇ハ饔昧恳话闱闆r下，提高工件回轉(zhuǎn)速度具有減小燒傷層深度的作用，同時相應提高砂輪速度可防止燒傷，并能兼顧工件的外表粗糙度。減小磨削深度和加大縱向進給量，也能夠降低外表層溫度改善燒傷，但會導致外表粗糙度值增大。一般采用提高砂輪轉(zhuǎn)速或較寬砂輪來彌補。改善冷卻條件改善冷卻條件可將磨削產(chǎn)生的熱量迅速帶走，從而降低磨削區(qū)的溫度，有效地防止燒傷現(xiàn)象的產(chǎn)生。磨削冷卻液能降低溫度、減少燒傷、沖去脫落的砂粒和切屑，既能改善燒傷又能減小外表粗糙度。選取比熱大的磨削冷卻液，加大磨削液的壓力和流量，能夠提高熱傳遞效率，利于防止燒傷。目前通用的冷卻方法較差，由于砂輪的高速旋轉(zhuǎn)，圓周方向產(chǎn)生強大氣流，使得磨削液很難直接送入磨削區(qū)，冷卻效果很差。而內(nèi)冷卻是一種較為有效的方法，如圖5.2所示。內(nèi)冷卻工作原理是將嚴格過濾后的冷卻液通過中空主軸法蘭套引入砂輪的中心腔內(nèi)，在離心力的作用下冷卻液會通過砂輪內(nèi)部的孔隙向砂輪四周的邊緣灑出，冷卻液就有可能直接注入磨削區(qū)。內(nèi)冷卻裝置會產(chǎn)生大量水霧，影響加工條件，而且磨削冷卻液必須嚴格過濾，要求雜質(zhì)不超過0.02%，以防止堵塞砂輪內(nèi)部孔隙。所以，其應用不廣。實際中多采用開槽砂輪，即在砂輪的圓周上開一些橫槽，開槽砂輪的形狀如下圖，這就能使砂輪將冷卻液帶入磨削區(qū)；同時，開槽可使砂輪間斷磨削，工件受熱時間縮短，金相組織來不及轉(zhuǎn)變，開槽砂輪還能起到風冷作用，改善散熱條件。因此，開槽砂輪可有效地防止燒傷現(xiàn)象產(chǎn)生。開槽的形狀主要有兩種形式：均勻等距開槽和變距開槽。(4)回火工序處理

對某些塑性低、導熱系數(shù)小的材料，如淬火高碳鋼、滲碳鋼、耐熱合金、球墨鑄鐵等，磨削前在適當?shù)臏囟认掳才呕鼗鸸ば蛱幚恚蓽p少裂紋的產(chǎn)生。

磨削用量砂輪與工件材料改善冷卻條件1〕砂輪轉(zhuǎn)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，砂輪外表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(jié)合劑和組織→磨削燒傷↓采用內(nèi)冷卻法→磨削燒傷↓

圖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1)外表層產(chǎn)生剩余應力的原因外表層產(chǎn)生剩余應力的原因主要有以下三方面：冷塑性變形的影響機械加工過程中，被加工工件外表在切削里的作用下會產(chǎn)生強烈的塑性交形，使外表層金屬的比容增大、體積膨脹。而基體金屬受應力較小，處于彈性變形狀態(tài)。因此，外表層金屬的變形受到與它相連的里層基體金屬的阻礙，從而在外表層內(nèi)產(chǎn)生了剩余壓應力，里層產(chǎn)生剩余拉應力。當?shù)毒咔须x后，里層基體金屬的彈性變形將逐漸恢復，而外表層金屬的塑性變形不能恢復。趨向復原的內(nèi)層基體金屬將受到外表層已塑性變形金屬的限制，故而外表層有剩余壓應力，里層有剩余拉應力與之平衡。熱塑性變形的影響機械加工時，工件外表層受切削熱的作用而產(chǎn)生熱膨脹。由于外表層金屬的溫度比里層基體金屬的溫度高，外表層的熱膨脹會被里層基體金屬的膨脹所阻礙，因而外表層產(chǎn)生壓縮應力，而在里層產(chǎn)生熱態(tài)拉應力。假設外表層產(chǎn)生的壓縮應力沒有超過材料的屈服極限，不會產(chǎn)生塑性變形；假設外表層在加工時溫度很高，產(chǎn)生的壓縮應力超過材料的屈服極限時，就會產(chǎn)生熱塑性變形。加工時溫度越高，發(fā)生熱塑性變形的傾向越大，產(chǎn)生的剩余應力也越大。剩余應力的大小，除與溫度有關外，也與材料的特性有關，即與屈服極限的曲線及溫度升降的斜率有關。(3)金相組織的變化不同的金相組織，具有不同的密度和比容。機械加工過程中，如果工件外表層的金相組織發(fā)生變化，那么工件外表層金屬的比容也會發(fā)生變化。這種比容的變化必然受到里層基體金屬的阻礙，從而產(chǎn)生剩余應力。如果金相組織的變化引起外表層金屬的比容減小，那么外表層金屬產(chǎn)生拉應力，而里層產(chǎn)生壓應力；反之，假設金屬的比容減小，外表層金屬將產(chǎn)生壓應力，而里層產(chǎn)生拉應力。如在磨削淬火鋼時，由于磨削熱導致表層可能產(chǎn)生回火，表層金屬組織將由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏楣怏w的屈氏體或索氏體，密度增大，比熱容減小，表層金屬要產(chǎn)生相變收縮但會受到基體金屬的阻止，從而在表層金屬產(chǎn)生剩余拉應力，里層金屬產(chǎn)生剩余壓應力。如果磨削時表層金屬的溫度超過相變溫度且冷卻已充分，那么表層金屬將轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體，密度減小，比熱容增大，那么表層金屬產(chǎn)生剩余壓應力，里層金屬產(chǎn)生剩余拉應力。實際上，機械加工后外表層的剩余應力是上述三方面原因綜合作用的結(jié)果。2〕影響剩余應力的工藝因素影響剩余應力的主要工藝因素有工件材料的性質(zhì)、刀具(砂輪)、切削用量及冷卻潤滑液等方面。具體情況要根據(jù)切削的塑性變形、切削溫度和金相組織變化的影響程度而定。(1)切削加工影響剩余應力的工藝因素刀具的后角、刀尖的圓角半徑及刃鈍圓半徑對外表層剩余應力的影響不大，這是因為后角受到刀刃強度的制約變化不大，而刀尖的圓角半徑和刃鈍圓半徑在刃磨后很小。刀具幾何參數(shù)中前角的剩余應力影響較大。實際上當?shù)毒吣p到一定程度時，切削力以及刀具和工件的摩擦會顯著增加，使外表層溫度會升高，外表層的塑性變形加劇，因而刀具的磨損對剩余應力影響較大。加工用量對剩余應力的影響比較復雜，它與工件的材料、原來的狀態(tài)以及具體的加工條件等有關。在一般情況下，剩余應力的數(shù)值和方向與切削速度有關。以較低的速度切削時，工件外表層會產(chǎn)生剩余拉應力。但隨著切削速度的增大，拉應力值將逐漸減小，并在一定切削速度以上轉(zhuǎn)變?yōu)槭Ｓ鄩簯Α５退偾邢鲿r切削熱的作用占主導作用，表層產(chǎn)生剩余拉應力。而隨著切削速度的提高，表層溫度逐漸提高至淬火溫度，表層金屬的金相組織發(fā)生變化，使剩余拉應力的數(shù)值逐漸減小。高速切削時，表層金屬的金相組織變化起主導作用，因而表層產(chǎn)生剩余壓應力。進給量增加時，剩余應力的數(shù)值及擴展深度均隨進給量的增加而增加。增加切削深度，剩余應力也會隨之稍有增加。(2)磨削加工影響剩余應力的工藝因素一般而言，工件材料的硬度越高、塑性越低、導熱性能越差，那么外表金屬產(chǎn)生剩余拉應力的傾向越大。磨削導熱性能差的高強度合金鋼時，外表層的剩余拉應力很可能超過材料的強度極限，外表甚至會產(chǎn)生裂紋。磨削用量是影響剩余應力的首要因素。通過提高工件速度、減小磨削深度，均可減小剩余應力。當磨削深度減小到一定程度，可獲得較低剩余應力的外表。而增大工件速度和進給速度，將使外表金屬的塑性變形程度加劇，從而表層金屬中產(chǎn)生剩余拉應力的趨勢減小，產(chǎn)生剩余壓應力的趨勢增大。磨削時，輕磨削條件下因沒有金相組織變化，溫度影響也很小，主要是塑性變形的影響在起作用，因而產(chǎn)生淺而小的剩余壓應力；中等磨削條件下，產(chǎn)生淺而大的拉應力；重磨條件下，如磨削淬火鋼，那么產(chǎn)生深而大的拉應力(最外外表可能出現(xiàn)小而淺的壓應力)，是熱態(tài)塑性變形和金相組織變化起主導作用。3〕零件加工后外表層的剩余應力在不同的條件下，外表層剩余應力的可能所差異。例如：切削加工中，切削熱不多時那么以冷態(tài)塑性變形為主；假設切削熱多那么以熱態(tài)塑性變形為主。加工方法的不同，也可能某一種或兩種因素占主導地位。如圖5.4為三類磨削條件下產(chǎn)生的工件外表層剩余應力：(1)精細磨削條件下產(chǎn)生淺而小的剩余壓應力，因為表層金屬的金相組織沒有變化，主要是塑性變形的影響起主導作用；(2)精磨條件下那么產(chǎn)生淺而大的拉應力；(3)粗磨條件下產(chǎn)生深而大的拉應力，原因在于熱態(tài)塑性變形和金相組織的變化影響占據(jù)主導作用。4〕零件加工后外表層的磨削裂紋的產(chǎn)生外表層存在剩余壓應力時，可使工件的疲勞強度和耐磨性能提高；外表層存在剩余拉應力時，會使工件的疲勞強度和耐磨性能降低。當剩余應力值超過材料的疲勞極限時，工件外表層就會出現(xiàn)磨削裂紋。磨削裂紋一般很淺(約0.25~0.50mm)，根本垂直于磨削方向或呈網(wǎng)狀。磨削裂紋的產(chǎn)生常與磨削燒傷同時出現(xiàn)。當零件加工外表層存在磨削燒傷和磨削裂紋時，將使零件的疲勞強度和使用壽命受到嚴重影響。因此，在磨削加工中應嚴格控制外表層剩余拉應力，以免產(chǎn)生磨削裂紋。5.2機械加工中的振動機械加工過程中常產(chǎn)生振動，振動對于加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率都有很大影響。新型的、難加工材料的加工過程中工藝系統(tǒng)更易產(chǎn)生振動。所以研究振動產(chǎn)生的誘因及機理，進而防止、抑制或消除振動是非常有意義的。5.2.1機械加工動力學系統(tǒng)1.振動對機械加工過程的影響工藝系統(tǒng)的振動影響主要表現(xiàn)在：(1)振動使工藝系統(tǒng)的正常切削過程受到干擾和破壞，工件及切削工具等的正常相對運動會疊加振動，使零件加工外表產(chǎn)生振痕，惡化零件的加工精度和外表質(zhì)量。(2)振動會使刀具極易磨損，振動嚴重時甚至使刀具出現(xiàn)崩刃、打刀現(xiàn)象，影響機械加工的正常進行。磨削加工時的振動雖不如切削劇烈，但可能出現(xiàn)振動燒傷，嚴重影響外表質(zhì)量。(3)機床連接特性受到振動可能遭到破壞，進而產(chǎn)生局部松動，影響軸承的工作性能，縮短刀具的耐用度和機床的使用壽命。(4)振動限制了切削用量的進一步提高，致使機床、刀具的工作性能偏離最正確工作區(qū)，制約了生產(chǎn)率的提高。(5)振動所發(fā)出的刺耳噪聲，也會污染環(huán)境，影響人的身心健康，不符合綠色環(huán)保的開展要求。隨著機械加工工藝的開展，振動問題愈發(fā)突出，因此分析振動的產(chǎn)生機理、消除和抑制振動是一個重要的課題。2.機械振動的根本類型根據(jù)工藝系統(tǒng)振動產(chǎn)生的原因，大致可分為自由振動、受迫振動和自激振動三類。(1)自由振動系統(tǒng)在外界干擾力作用下會產(chǎn)生振動，振動頻率是系統(tǒng)的固有頻率，而外力消除后由于系統(tǒng)中存在阻尼的能量耗散作用，振動會逐漸衰減。這種振動稱為自由振動。(2)受迫振動機械加工過程中，工藝系統(tǒng)由外界周期性干擾力的作用而被迫產(chǎn)生的振動，稱為受迫振動。(3)自激振動機械加工過程中，在未受到外界周期性干擾力作用下工藝系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)振動，維持振動的交變力是振動系統(tǒng)在自身運動中激發(fā)產(chǎn)生的。這種由系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)反響而引起的持續(xù)性周期性振動，稱為自激振動，簡稱為顫振。由于實際的工藝系統(tǒng)存在阻尼作用，自由振動會在外界干擾力去除后迅速衰減，因而對加工過程影響較小。機械加工過程中產(chǎn)生的振動主要是受迫振動和自激振動。據(jù)統(tǒng)計，受迫振動約占65%，自激振動約占30%，自由振動所占比例那么很小。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(tǒng)受到初始干擾力鼓勵破壞了其平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)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。(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，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(tǒng)就不會被阻尼衰減掉。(占35%)在沒有周期性干擾力作用的情況下，由振動系統(tǒng)本身產(chǎn)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(chǎn)生的自激振動也稱為顫振。(占65%)3.機械加工系統(tǒng)的動力學特性機械加工過程中產(chǎn)生的振動與機床、夾具、刀具和工件組成的工藝系統(tǒng)動力學特性有關。實際工藝系統(tǒng)的動力學特性極為復雜，精確地分析和解算工藝系統(tǒng)動力學模型是極為困難的，通常根據(jù)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)特點、所研究振動問題的性質(zhì)、要求的精度和實際振動狀況將其簡化為有限個自由度的振動系統(tǒng)。

單自由度系統(tǒng)是最簡單的振動系統(tǒng)。下面以圖5.5(a)內(nèi)圓磨削加工為例，討論單自由度受迫振動情況。磨削加工過程中磨頭受周期性變化的干擾力作用會產(chǎn)生振動。當工件的剛度遠大于磨頭系統(tǒng)的剛度時，可簡化為如圖5.5(b)所示質(zhì)量—彈簧—阻尼的單自由度系統(tǒng)。磨頭系統(tǒng)的等效質(zhì)量是m，等效彈簧剛度為K，等效黏性阻尼系數(shù)為c。將作用在磨頭與工件之間的激振力取定為簡諧激振力，F(xiàn)sinωt簡諧激振力的幅值F,角頻率ω系統(tǒng)的運動方程式為

兩邊分別除以m，那么有二階常系數(shù)線性非齊次微分方程式的解為

上式的第一項(齊次方程的通解)表示為有阻尼的、逐漸衰減的自由振動過程，如圖(a)所示；第二項(非齊次方程的特解)表示由激振力引起的頻率等于激振力頻率的受迫振動，如圖(b)所示。這兩局部振動的疊加為振動的響應，如圖(c)所示。經(jīng)歷過渡過程后的穩(wěn)定振動，即受迫振動的穩(wěn)態(tài)過程。穩(wěn)態(tài)振動方程為A是受迫振動響應的幅值

φ是振動響應幅值與激振力的相位差

在力作用下產(chǎn)生的靜位移頻率比值阻尼比動態(tài)放大系數(shù)的概念。動態(tài)放大系數(shù)V定義為受迫振動的振動幅值與系統(tǒng)靜位移的比值，

靜位移A0反映了激振力的影響，說明振動幅值與激振力幅值成正比。頻率比λ對振動的影響比較復雜，可用動態(tài)放大系數(shù)與頻率特性曲線表示，如圖5.7所示。〔1〕λ→0時，激振力頻率極低，相當于激振力作為靜載荷作用系統(tǒng)上，從而使系統(tǒng)產(chǎn)生的位移等于靜位移，V≈1。0≤λ≤0.7為準靜態(tài)區(qū)?！?〕λ接近或等于1時，振幅急劇增加，這種現(xiàn)象稱為共振。0.7≤λ≤1.3稱為共振區(qū)。工程上常把系統(tǒng)的固有頻率作為共振頻率，而把固有頻率前后20%~30%的區(qū)域作為禁區(qū)，防止產(chǎn)生共振?！?〕λ>>1時，V→0，振幅迅速下降，甚至消失。這說明振動系統(tǒng)的慣性跟不上快速變化的激振力。λ≥1.3稱為慣性區(qū)。圖5.7也反映了阻尼比ξ對振動的影響。在共振區(qū)域增加阻尼比對抑制振動的效果較為明顯，而其它區(qū)域阻尼比對振動的影響作用不大。當時，阻尼幾乎不起作用。

動剛度和動柔度是一對很重要的概念。二者能夠表示激振力與系統(tǒng)響應之間的關系，描述系統(tǒng)的動態(tài)特性。動剛度KD在數(shù)值上等于系統(tǒng)產(chǎn)生單位振幅所需的動態(tài)力。動柔度G是動剛度的倒數(shù)，表示單位激振力產(chǎn)生振幅的大小。

〔1〕激振頻率ω=0時，系統(tǒng)受到靜載荷作用，動剛度等于靜剛度，；〔2〕ω≈ω0時，系統(tǒng)將發(fā)生共振，此時系統(tǒng)動剛度值最小；〔4〕相同頻率比的條件下，隨著阻尼比的增大，系統(tǒng)的動剛度增大；〔3〕ξ=0，且ω=ω0時，系統(tǒng)動剛度，失去物理意義。顯然，系統(tǒng)的動剛度越大或系統(tǒng)阻尼比越大，說明產(chǎn)生一定振幅或動態(tài)位移的激振力越大，即振動鼓勵能量要求越大，說明系統(tǒng)的抗振能力強。提高工藝系統(tǒng)的動態(tài)剛度和阻尼比，能夠提高工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性。5.2.2機械加工中的受迫振動機械加工中的受迫振動與一般機械振動中的受迫振動沒有本質(zhì)上的區(qū)別，但其對機械加工的影響較大。受迫振動產(chǎn)生的原因可從機床、刀具和工件三方面入手分析，找出振源后，可采取適當措施加以控制。1.受迫振動產(chǎn)生的振源機械加工過程中產(chǎn)生受迫振動的振源主要有兩種：來自機床內(nèi)部的機內(nèi)振源；來自機床外部的機外振源。機外振源較多，但它們都是通過地基傳遞給機床的，通過一定的隔振措施可以消除，如加設隔振地基或采用隔振設備等。

機內(nèi)振源主要有以下幾種：〔1〕高速旋轉(zhuǎn)零件的不平衡各種旋轉(zhuǎn)零件，如砂輪、齒輪、帶輪、電動機轉(zhuǎn)子、軸、聯(lián)軸器或離合器等，因其形狀不對稱、材質(zhì)不均勻、加工誤差或裝配誤差等原因，旋轉(zhuǎn)件質(zhì)量分布不均，旋轉(zhuǎn)運動的不平衡會產(chǎn)生離心力，從而引起受迫振動?！?〕傳動機構(gòu)的缺陷齒輪嚙合的沖擊、帶傳動中的帶厚不均或帶接頭不良、軸承滾動體尺寸及形狀誤差等，都會引起受迫振動?！?〕過程的間歇性有些加工方法，如銑削、拉削、車削帶有溝槽的工件外表及滾齒等，由于切削的不連續(xù)，導致切削力產(chǎn)生的周期性變化，引起受迫振動。〔4〕往復運動部件的慣性力?！?〕液壓及氣壓動力系統(tǒng)的動態(tài)擾動液壓及氣壓的傳動及控制中，存在壓力脈動、沖擊現(xiàn)象以及管路動態(tài)特性，這些因素容易引起振動。2.受迫振動的特性受迫振動主要具有如下特點：〔1〕受迫振動在外界周期性干擾力作用下產(chǎn)生，其振動本身并不能引起干擾力的變化；〔2〕受迫振動的振動頻率與干擾力的頻率相同，與工藝系統(tǒng)的固有頻率無關；〔3〕受迫振動的幅值與干擾力的幅值有關，還與工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性有關。一般來說，在干擾力頻率不變的情況下，干擾力的幅值越大，受迫振動的幅值越大。如果干擾力的頻率與工藝系統(tǒng)各階模態(tài)的固有頻率相差甚遠，那么受迫振動響應將處于動態(tài)響應的衰減區(qū)，振動幅值很小。假設干擾力頻率接近工藝系統(tǒng)某一固有頻率時，受迫振動的幅值將明顯增大，一旦干擾力頻率和工藝系統(tǒng)某一固有頻率相同，系統(tǒng)將產(chǎn)生共振。如果工藝系統(tǒng)阻尼較小，那么共振幅值將很大。由于機械加工中產(chǎn)生的受迫振動頻率與干擾力頻率存在對應關系，因而可作為診斷機械加工中所產(chǎn)生的振動是否為受迫振動的主要依據(jù)，并可利用此頻率特征去分析、查找受迫振動的振源。根據(jù)受迫振動的響應特征，可通過改變干擾力的頻率或者改變工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使得干擾力的頻率遠離工藝系統(tǒng)的固有頻率，可在一定程度上減小受迫振動的強度。上一節(jié)論述的振動系統(tǒng)分析方法，完全適用于受迫振動。但需要注意的是，受迫振動的振源來自振動系統(tǒng)外部的、周期性的激振力，要根據(jù)實際振動狀況及分析問題的要求進行合理處理，這里不予贅述。

5.2.3機械加工中的自激振動機械加工過程中，還常常出現(xiàn)一種與受迫振動形式完全不同的強烈振動。這種振動是當工藝系統(tǒng)在外界或系統(tǒng)本身某些偶然的瞬時干擾力作用下而觸發(fā)自由振動后，由振動過程本身的某些原因使得切削力產(chǎn)生周期性變化，并由這個周期性變化的動態(tài)力反過來加強和維持振動，使振動系統(tǒng)補充了由阻尼消耗的能量，這種類型的振動稱為自激振動。強烈的自激振動又稱為顫振。

1.自激振動的原因及特征機械加工系統(tǒng)是一個由振動系統(tǒng)(工藝系統(tǒng))和調(diào)節(jié)系統(tǒng)(切削過程)兩個環(huán)節(jié)組成的閉環(huán)系統(tǒng)，如圖5.9所示。以切削加工為例，振動系統(tǒng)的運動控制著調(diào)節(jié)系統(tǒng)的振動，而調(diào)節(jié)系統(tǒng)所產(chǎn)生的交變切削力反過來控制著振動系統(tǒng)的運動。二者相互作用，相互制約，形成了閉環(huán)的自激振動系統(tǒng)。維持振動的能量來源于系統(tǒng)工作的能源。

自激振動與自由振動和受迫振動不同，具有以下特征自激振動是沒有周期性外力干擾下所產(chǎn)生的振動，這與受迫振動有本質(zhì)區(qū)別。自激振動的頻率等于或接近系統(tǒng)的低階固有頻率，即由系統(tǒng)本身固有的物理特性所決定。這與受迫振動根本不同，受迫振動的頻率取決于外界干擾力的頻率。自激振動是一種不衰減的運動，振動過程本身能引起周期性變化的力，能量來源于非交變特性的能源，以維持這個振動。而自由振動會因存在阻尼作用而衰減。自激振動的振幅大小取決于每個振動周期內(nèi)振動系統(tǒng)所獲得和消耗能量情況。如果吸收能量大于消耗能量，那么振幅會不斷加強；反之，如果吸收能量小于消耗能量，那么振幅將不斷衰減。2.自激振動的產(chǎn)生機理自激振動的產(chǎn)生機理非常復雜，針對某些特定問題，許多學者提出了一些解釋自激振動的學說，比較公認的理論有再生顫振機理、負摩擦機理及振型耦合機理等。這些學說都是從振動維持的能量補償來源及規(guī)律這一最根本、最必要的物理條件進行分析和研究的。(1)再生顫振機理切削加工過程中，多數(shù)情況下刀具總是完全重復或局部重復地切削已加工的外表，見圖5.10。再生顫振機理假定切削過程在某一時刻受到瞬時的偶然性擾動，那么刀具和工件會發(fā)生相對振動，并在加工外表留下振紋，見圖5.11(b)。當再次切削殘留振紋的外表時，切削厚度將發(fā)生波動，見圖5.11(c)，從而引起切削力的周期性變化。如果動態(tài)變化的切削力在一定條件下是促進和維持振動的，這種切削力和振紋相互作用引起的自激振動將進一步開展為顫振，稱為再生顫振，見圖5.11(d)。(2)振型耦合機理

實際的機械加工系統(tǒng)是由不同剛度和阻尼組成的多自由度系統(tǒng)。振型耦合機理認為各個自由度上的振動是相互影響、相互耦合的，滿足一定組合條件就會產(chǎn)生自激振動，這種自激振動稱為振型耦合顫振。

(3)負摩擦原理

徑向切削力Fy主要決定于切削加工過程中切屑和刀具相對運動時產(chǎn)生的摩擦力。徑向切削力Fy起初時隨切削速度的增大而增大，自某一速度開始隨切削速度增加而下降。上述現(xiàn)象說明切削過程中存在負摩擦特性。依據(jù)控制理論可知負摩擦特性會引起振動。

3.自激振動的產(chǎn)生條件實際加工中，重復切削是極為常見、不可防止的，但不一定產(chǎn)生能自激振動。如果工藝系統(tǒng)是穩(wěn)定的，非但不會產(chǎn)生振動，還可以將前次切削殘留的振紋消除。這說明，任何一個工藝系統(tǒng)受到外界一個瞬時的偶然擾動穩(wěn)定與否，能否產(chǎn)生自激振動，是有一定的前提條件的。1)自激振動的產(chǎn)生條件假假設工藝系統(tǒng)發(fā)生了自激振動，那么振出運動和振入運動的過程中，振動系統(tǒng)會吸收能量和消耗能量。振動系統(tǒng)吸收的能量來源于切削過程對其所作的功，而實際上機械加工系統(tǒng)必然存在阻尼，阻尼那么會消耗能量。振動系統(tǒng)在振入過程中，為克服阻尼需要消耗能量。那么振動系統(tǒng)的吸收能量和消耗能量滿足何種關系，機械加工過程才能產(chǎn)生持續(xù)的自激振動呢？設振動系統(tǒng)振出過程中吸收的能量表示為W振出，振入過程中消耗的能量表示為W振入，克服阻尼消耗能量表示為W阻尼〔振入〕。在每一個振動周期之內(nèi)，振動系統(tǒng)從外界獲得能量為ΔW=W振出-〔W振入+W阻尼〔振入〕〕分析式(5.13)可知，W振出<W振入或W振出=W振入時，ΔW<0，這說明振動系統(tǒng)吸收的能量小于消耗的能量。振動系統(tǒng)每振動一次，系統(tǒng)便會損失一局部能量，即使振動系統(tǒng)內(nèi)部原來就儲存一局部能量，但假設干次振動也會使這局部能量耗盡。因此，加工系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)也不會有自激振動產(chǎn)生。W振出>W振入時，ΔW>0，系統(tǒng)將獲得維持自激振動的能量，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

振動系統(tǒng)的振動狀態(tài)與W振出與W振入的差值大小有關，可分為以下三種情況：W振出=W振入+W阻尼〔振入〕，加工系統(tǒng)將產(chǎn)生穩(wěn)幅的自激振動；W振出>W振入+W阻尼〔振入〕，自激振動的振幅遞逐漸增加，當振幅增至一定程度時將會出現(xiàn)新的能量平衡，即=+。此時，加工系統(tǒng)的振動轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)幅的自激振動。W振出<W振入+W阻尼〔振入〕，自激振動的振幅逐漸減小，當振幅減至一定程度時將會出現(xiàn)新的能量平衡，即W振出=W振入+W阻尼〔振入〕，加工系統(tǒng)的振動又會轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)幅的自激振動。綜上所述，加工系統(tǒng)產(chǎn)生自激振動的根本條件為W振出>W振入，即在力與位移的關系曲線中，振出過程曲線的包絡范圍要大于振入過程曲線的包絡范圍。如圖5.12中，對于振動運動軌跡上任一點而言，振動系統(tǒng)在振出階段通過該點的力F振出(yi)應大于振入階段通過同一位置的力F振入(yi)，因而自激振動的條件也可描述為F振出(yi)>F振入(yi)。2)自激振動機理的分析根據(jù)自激振動的產(chǎn)生條件，可以分析工藝系統(tǒng)是否能夠產(chǎn)生和維持自激振動。以切削加工出現(xiàn)的再生性顫振為例，本次(轉(zhuǎn))切削產(chǎn)生的振紋與前次(轉(zhuǎn))的振紋根本上是不可能完全同步的，兩者之間存在一定的相位差，如圖5.13。定義前次切削殘留的振紋與本次切削的振紋間的相位差為φ，且兩次切削的產(chǎn)生的振動幅值相等，那么前次切削和本次切削的振動方程分別為瞬時切削厚度a(t)和切削力F(t)的表達式為在振動的一個周期內(nèi)，切削力對振動系統(tǒng)所做的功為其中，V(t)為振動速度，而β為切削力與軸的夾角。分析上式可知，切削力對振動系統(tǒng)作功的性質(zhì)取決于相位差φ的數(shù)值。0<φ<π時，切削力對振動系統(tǒng)作正功，振動系統(tǒng)因有能量輸入使得振動狀態(tài)得以維持，系統(tǒng)將有再生型顫振產(chǎn)生；φ=π/2時，振動系統(tǒng)外部輸入的能量最大，再生型顫振最為強烈；π<φ<2π時，振動系統(tǒng)將消耗能量，振動狀態(tài)趨向衰減，從而工藝系統(tǒng)趨向穩(wěn)定。(不可能出現(xiàn))時，振動系統(tǒng)沒有外部能量輸入，切削厚度根本保持不變，切削力根本穩(wěn)定。切削厚度變化效應引起的再生型顫振也稱為再生切削效應。為了描述前次切削殘留振紋對本次切削厚度變化的影響程度，通常引入重疊系數(shù)μ的概念，即式中，bdn-1為前次切削殘留振紋的寬度，單位m；bDn為本次切削層的公稱寬度，單位m。重疊系數(shù)μ反映了再生切削效應的程度，μ值越小那么產(chǎn)生再生型顫振的可能性越小。一般加工情況下，0<μ<1。在自由正交切削條件下，重疊系數(shù)μ=1。5.3控制機械加工外表質(zhì)量的措施實際上，機械加工過程中影響外表質(zhì)量的因素十分復雜，完全防止或消除這些不利因素是不可能實現(xiàn)的，因此經(jīng)過機械加工后不可能獲得完全理想的零件外表，但通過合理地制訂、控制機械加工工藝過程，以及采取一定的改善措施，保證所要求的加工外表質(zhì)量是能夠?qū)崿F(xiàn)的?？刂茩C械加工外表質(zhì)量的措施大致可分為三大類：減小加工外表粗糙度，改善工件外表層的物理力學性能，消減工藝系統(tǒng)的振動。1.減小外表祖糙度的措施1)減小切削加工外表粗糙度的工藝措施〔1〕根據(jù)工件材料、加工要求，合理選擇刀具材料，選用與工件親和力小的刀具材料，有利于減小外表粗糙度?！?〕對工件材料進行適當?shù)臒崽幚?，以細化晶粒、均勻晶粒組織，減小外表粗糙度。〔3〕在工藝系統(tǒng)剛度足夠時，適當?shù)夭捎幂^大的刀尖圓弧半徑，較小的副偏角，或采用較大的前角加工塑性大的材料，提高刀具的刃磨質(zhì)量，減小刀具前、后刀面的粗糙度數(shù)值，均能降低加工外表的粗糙度?！?〕選擇高效切削液，減小切削過程中的界面摩擦，降低切削區(qū)溫度，可減小切削變形，抑制鱗刺和積屑瘤的產(chǎn)生，減少外表粗糙度?！?〕根據(jù)工件材料、磨料等選擇適宜的砂輪硬度，選擇與工件材料親和力小的磨料，或采用適宜的彈性結(jié)合劑的砂輪及增大砂輪的寬度等，均可降低外表粗糙度?！?〕修整砂輪，去除外層已鈍化的磨粒(或被磨屑堵塞的一層膠粒)，從而保證砂輪具有足夠的等高微刃。另外也要注意砂輪的平衡。〔7〕正確選擇磨削用量，防止磨削區(qū)溫度過高，防止工件外表燒傷，可提高工件外表粗糙度。

2)減小外表粗糙度的加工方法對于外表質(zhì)量要求極高的零件，在經(jīng)過普通切削、磨削等方法加工后，還需要采用適當?shù)奶厥饧庸し椒▉硖岣咂渫獗碣|(zhì)量。超精密切削和低粗糙度磨削加工。超精密加工、珩磨、研磨等方法作為最終加工工序。2.改善外表層物理力學的工藝措施外表強化工藝可使材料外表層的硬度、組織和剩余應力得到改善，從而降低表層粗糙度值，提高外表層的物理力學性能。常用的方法主要有外表機械強化、化學熱處理及加鍍金屬等。機械強化工藝是一種簡便、有明顯效果的加工方法，因而應用十分廣泛。機械外表強化是通過冷壓加工方法使外表層金屬發(fā)生冷態(tài)塑性變形，以提高硬度．降低外表粗糙度，并在外表層消除剩余拉應力并產(chǎn)生剩余壓應力的強化工藝。1)噴丸強化噴丸強化是采用特定設備，將大量的一定當量直徑(一般為0.2mm~4mm)的珠丸進行加速后，向被加工工件的外表噴射，從而使工件外表層產(chǎn)生很大的塑性變形，引起表層冷作硬化．并產(chǎn)生剩余壓應力的一種外表強化工藝。噴丸強化可顯著提高零件的疲勞強度和使用壽命。珠丸可以是鑄鐵的，或者是砂石、玻璃丸、鋼丸，甚至是切成小段的鋼絲(使用一段之后，自然變成球狀)。對于鋁質(zhì)工件，為防止外表殘留鐵質(zhì)微粒而引起電解腐蝕，宜采用鋁丸或玻璃丸。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，例如板彈簧、螺旋彈簧、連桿、齒輪、曲軸、焊縫等。在磨削、電鍍等工序后進行噴丸強化可以有效地消除這些工序殘留的、有害的剩余拉應力。當外表粗糙度值要求較小時．也可在噴丸強化后再進行小余量磨削，但要注意磨削加工的溫度，以免影響噴丸的強化效果。2)滾壓加工滾壓加工是利用經(jīng)過淬硬和精細研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)下對金屬外表進行擠壓，將工件表層的原有凸起的局部向下壓，凹下局部往上擠，使其產(chǎn)生塑性變形，逐漸將前工序留下的波峰壓平，從而修正工件外表的微觀幾何形狀。同時使工件外表金屬組織細化，形成剩余壓應力。典型滾壓加工示意圖如下圖。滾壓加工可降低外表粗糙度等級，提高外表硬度，使零件的承載能力和疲勞強度得到一定程度上的改善。對于有應力集中的零件(如有鍵槽或橫向孔的軸)，效果尤為顯著。滾壓加工可加工外圓、內(nèi)孔、平面以及成形外表，通常在普通車床、轉(zhuǎn)塔車床或自動車床上進行。滾壓加工操作方便，工具結(jié)構(gòu)簡單，對