3章加工表面质量汇总课件

零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且零件的机械加工质量不仅指加工精度，而且包括加工表面质量。包括加工表面质量。包括加工表面质量。包括加工表面质量。机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，机械加工后的零件表面实际上不是理想的光滑表面，它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。它存在着不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂纹等表面缺陷。虽然只有极薄的一层（几微米虽然只有极薄的一层（几微米虽然只有极薄的一层（几微米虽然只有极薄的一层（几微米 几十微米），但都错综复几十微米），但都错综复几十微米），但都错综复几十微米），但都错综复杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蚀性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此性和疲劳强度等，从而影响产品的使用性能和寿命，因此必须加以足够的重视。必须加以足够的重视。必须加以足够的重视。必须加以足够的重视。一、一、概概述述第三章机械加工表面质量零件的机械加1零件表面质量零件表面质量表面粗糙度表面粗糙度表面波度表面波度表面物理力学表面物理力学性能的变化性能的变化表面微观几何表面微观几何形状特征形状特征表面层冷作硬化表面层冷作硬化表面层残余应力表面层残余应力表面层金相组织的变化表面层金相组织的变化表面质量的含义（内容）表面质量的含义（内容）纹理方向纹理方向零件表面质量表面粗糙度表面波度表面物理力学性能的变化表面微观2二、表面质量对零件使用性能的影响二、表面质量对零件使用性能的影响1表面质量对零件耐磨性的影响表面质量对零件耐磨性的影响（1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响二、表面质量对零件3图图338 表面粗糙度与初期磨损量的关系表面粗糙度与初期磨损量的关系图338表面粗糙度与初期磨损量的关系4（2）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。性。因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，因为它使磨擦副表面层金属的显微硬度提高，塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形。塑性变形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏疏松松”，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接，在相对运动中可能会产生金属剥落，在接触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。触面间形成小颗粒，使零件加速磨损。（2）表面层的冷作硬化对零件耐磨性的影响加工表面的冷作硬化，52表面质量对零件疲劳强度的影响表面质量对零件疲劳强度的影响（1）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响）表面粗糙度对零件疲劳强度的影响表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。表面粗糙度越大，抗疲劳破坏的能力越差。对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交对承受交变载荷零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。集中，产生疲劳裂纹。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。2表面质量对零件疲劳强度的影响（1）表面粗糙度对零件疲劳强6（2）表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响73.表面质量对零件工作精度的影响84表面质量对零件耐腐蚀性能的影响表面质量对零件耐腐蚀性能的影响（1）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响）表面粗糙度对零件耐腐蚀性能的影响零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。渗透与腐蚀作用越强烈。因此因此减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。能。（2）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响）表面残余应力对零件耐腐蚀性能的影响零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不零件表面残余压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降易进入，可增强零件的耐腐蚀性，而表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。低零件耐腐蚀性。表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响：如减如减小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；小表面粗糙度可提高零件的接触刚度、密封性和测量精度；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。失。4表面质量对零件耐腐蚀性能的影响（1）表面粗糙度对零件耐腐9表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响零件表面质量零件表面质量粗糙度太大、太小都不耐磨粗糙度太大、太小都不耐磨适度冷硬能提高耐磨性适度冷硬能提高耐磨性对疲劳强度的对疲劳强度的影响影响对耐磨性影响对耐磨性影响对耐腐蚀性能对耐腐蚀性能的影响的影响对工作精度的对工作精度的影响影响粗糙度越大，疲劳强度越差粗糙度越大，疲劳强度越差适度冷硬、残余压应力能提高疲劳适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度强度粗糙度越大、工作精度降低粗糙度越大、工作精度降低残余应力越大，工作精度降低残余应力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蚀性越差粗糙度越大，耐腐蚀性越差压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性则降低耐腐蚀性表面质量对零件使用性能的影响零件表面质量粗糙度太大、太小都不10.影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制（一）切削加工表面粗糙度（一）切削加工表面粗糙度1、几何因素、几何因素刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r主偏角主偏角kr、副偏角副偏角kr进给量进给量f（图图340）H=f/(cotr+cotr)(3-1)H=f2/(8r)(3-2).影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制机11图图340 车削、刨削时残留面积高度车削、刨削时残留面积高度图340车削、刨削时残留面积高度122、物理力学因素、物理力学因素（1）工件材料的影响）工件材料的影响v韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，韧性材料：工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。加工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的工件，故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。精加工前安排正火或调质处理。v脆性材料：加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，脆性材料：加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。面粗糙。2、物理力学因素（1）工件材料的影响韧性材料：工件材料韧性愈13（2）切削速度的影响）切削速度的影响加工塑性材料时，切削速度对表加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞刺的面粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞刺的影响）见如影响）见如图图3-41所示。所示。此外，切削速度越高，塑性变形此外，切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小越不充分，表面粗糙度值越小选择低速宽刀精切和高速精切，选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度。可以得到较小的表面粗糙度。（4）其它因素的影响）其它因素的影响此外，合理使用冷却润滑液，此外，合理使用冷却润滑液，适当增大刀具的前角，提高刀具适当增大刀具的前角，提高刀具的刃磨质量等，均能有效地减小的刃磨质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。表面粗糙度值。（3）进给量的影响）进给量的影响减小进给量减小进给量f固然可以减小固然可以减小表面粗糙度值，但表面粗糙度值，但进给量过小，进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势。表面粗糙度会有增大的趋势。（2）切削速度的影响（4）其它因素的影响（3）进给量14图图341 加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响图341加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响15影响切削加工表面影响切削加工表面粗糙度的因素粗糙度的因素刀具几何形状刀具几何形状刀具材料、刃磨质量刀具材料、刃磨质量切削用量切削用量工件材料工件材料残留面积Ra前角Ra后角摩擦Ra刃倾角会影响实际工作前角 v RafRaap对Ra影响不大，太小会打滑，划伤已加工表面材料塑性Ra同样材料晶粒组织大Ra，常用正火、调质处理刀具材料强度Ra刃磨质量Ra冷却、润滑Ra影响切削加工表面粗糙度的因素刀具几何形状刀具材料、刃磨质量切16（二）磨削加工表面粗糙度（二）磨削加工表面粗糙度1、磨削中影响粗糙度的几何因素磨削中影响粗糙度的几何因素磨粒在砂轮上的分布越磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨粒越细，刃口的等均匀、磨粒越细，刃口的等高性越好。则砂轮单位面积高性越好。则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒越多，磨上参加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越细密均削表面上的刻痕就越细密均匀，表面粗糙度值就越小。匀，表面粗糙度值就越小。（1）砂轮的磨粒）砂轮的磨粒（二）磨削加工表面粗糙度1、磨削中影响粗糙度的几何因素17v砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多，表面粗糙度值就越小。多，表面粗糙度值就越小。v工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影工件转速对表面粗糙度值的影响刚好与砂轮转速的影响相反。响相反。工件的转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，工件的转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，因此表面粗糙度值增大因此表面粗糙度值增大。v砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被重叠切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小。重叠切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小。（3）磨削用量）磨削用量（2）砂轮修整）砂轮修整砂轮修整除了使砂轮具砂轮修整除了使砂轮具有正确的几何形状外，更重有正确的几何形状外，更重要的是使砂轮工作表面形成要的是使砂轮工作表面形成排列整齐而又锐利的微刃排列整齐而又锐利的微刃（图图447）。因此，砂轮修）。因此，砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大。度影响很大。砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多，表面粗糙度18图图447 砂轮上的磨粒砂轮上的磨粒图447砂轮上的磨粒192、磨削中影响粗糙度的物理因素磨削中影响粗糙度的物理因素（1）磨削用量）磨削用量砂轮的转速砂轮的转速材料塑性变形材料塑性变形表面粗糙表面粗糙度值度值；磨削深度磨削深度、工件速度工件速度塑性变形塑性变形表表面粗糙度值面粗糙度值；为提高磨削效率，通常在开始磨削时采为提高磨削效率，通常在开始磨削时采用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较用较大的径向进给量，而在磨削后期采用较小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表面粗糙度值。面粗糙度值。2、磨削中影响粗糙度的物理因素磨削速度比20（2）工件材料）工件材料太硬易使磨粒磨钝Ra；太软容易堵塞砂轮Ra；韧性太大，热导率差会使磨粒早期崩落Ra。（2）砂轮粒度与硬度）砂轮粒度与硬度磨粒太细，砂轮易被磨屑磨粒太细，砂轮易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，堵塞，使表面粗糙度值增大，若导热情况不好，还会烧伤若导热情况不好，还会烧伤工件表面。工件表面。砂轮太硬，使表面粗糙度增大；砂轮太硬，使表面粗糙度增大；砂轮选得太软，使表面粗糙度砂轮选得太软，使表面粗糙度值增大。值增大。（2）工件材料太硬易使磨粒磨钝Ra；（2）砂轮粒21影响磨削加工表面影响磨削加工表面粗糙度的因素粗糙度的因素粒度Ra 金刚石笔锋利，修正导程、径向进给量Ra磨粒等高性Ra硬度钝化磨粒脱落Ra硬度磨粒脱落Ra硬度合适、自励性好Ra太硬、太软、韧性、导热性差Ra砂轮粒度砂轮粒度工件材料性质工件材料性质砂轮修正砂轮修正磨削用量磨削用量砂轮硬度砂轮硬度砂轮VRaap、工件V塑变Ra粗磨ap生产率精磨apRa(ap=0光磨)影响磨削加工表面粗糙度的因素粒度Ra金刚石笔锋利，22影响表面层物理力学性能的主要因素影响表面层物理力学性能的主要因素表面物理力学表面物理力学性能性能影响金相组织变化影响金相组织变化因素因素影响显微硬度因素影响显微硬度因素影响残余应力因素影响残余应力因素塑变引起的冷硬金相组织变化引起的硬度变化冷塑性变形热塑性变形金相组织变化切削热四、影响表面层物理力学性能的影响表面层物理力学性能的主要231.表面层的冷作硬化表面层的冷作硬化（1 1）表面层加工硬化的产生表面层加工硬化的产生定义：定义：机械加工时，工件表面层金属受到机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为加工硬化，度和硬度增加，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化和强化。又称冷作硬化和强化。1.表面层的冷作硬化（1）表面层加工硬化的产生定义：机械24（2 2）衡量表面层加工硬化的指标衡量表面层加工硬化的指标衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项：衡量表面层加工硬化程度的指标有下列三项：1）表面层的显微硬度）表面层的显微硬度HV；2）硬化层深度硬化层深度h；3）硬化程度硬化程度NN=(HV-HV0)/HV0100（8-3）式中式中HV0工件原表面层的显微硬度。工件原表面层的显微硬度。（2）衡量表面层加工硬化的指标衡量表面层加工硬化程度的指标25（3）影响表面层加工硬化的因素）影响表面层加工硬化的因素刀具几何形状的影响刀具几何形状的影响切削刃切削刃r、前角前角、后面磨损量、后面磨损量VB表层金属的塑变加剧表层金属的塑变加剧冷硬冷硬切削用量的影响切削用量的影响切削速度切削速度v塑变塑变冷硬冷硬f切削力切削力塑变塑变冷硬冷硬工件材料性能的影响工件材料性能的影响材料塑性材料塑性冷硬冷硬（3）影响表面层加工硬化的因素刀具几何形状的影响切削刃262.表面层残余应力表面层残余应力定义：定义：机械加工中工件表面层组织发生机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力。这种应界处会产生互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层的残余应力。力即为表面层的残余应力。2.表面层残余应力定义：机械加工中工件表面层组织发生变27（1）表面层残余应力的产生）表面层残余应力的产生1）冷态塑变冷态塑变工件表面受到挤压与摩擦，表层产生伸长塑变，基体仍处于弹性变形状态。切削后，表层产生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力。2）热态塑变热态塑变表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力3）金相组织变化金相组织变化比容大的组织比容小的组织体积收缩，产生拉应力，反之，产生压应力。（密度小，比容大）（1）表面层残余应力的产生1）冷态塑变28（2 2）磨削裂纹的产生）磨削裂纹的产生（3 3）影响表面残余应力的主要因素）影响表面残余应力的主要因素机械加工后工件表面层的残余应力是冷态塑性变形、29三、表面层金相组织变化与磨削烧伤三、表面层金相组织变化与磨削烧伤1.1.表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生表面层金相组织变化与磨削烧伤的产生切削加工中，由于切削热的作用，在工件的加工区30淬火烧伤淬火烧伤回火烧伤回火烧伤退火烧伤退火烧伤磨削时工件表面温度超过相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。在冷却液作用下，工件最外层金属会出现二次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火马氏体高，但很薄，其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏体。由于二次淬火层极薄，表面层总的硬度是降低的，这种现象称为淬火烧伤。磨削时，如果工件表面层温度只是超过原来的回火温度，则表层原来的回火马氏体组织将产生回火现象而转变为硬度较低的回火组织（索氏体或屈氏体），这种现象称为回火烧伤。磨削时，当工件表面层温度超过相变临界温度Ac3时，则马氏体转变为奥氏体。若此时无冷却液，表层金属空冷冷却比较缓慢而形成退火组织。硬度和强度均大幅度下降。这种现象称为退火烧伤。2.磨削烧伤的三种形式磨削烧伤的三种形式淬火烧伤回火烧伤退火烧伤磨削时工件31磨削用量磨削用量砂轮与工件材料砂轮与工件材料改善冷却条件改善冷却条件1 1）砂轮转速）砂轮转速 磨削烧伤磨削烧伤2 2）径向进给量）径向进给量f fp p 磨削烧伤磨削烧伤3 3）轴向进给量轴向进给量f fa a磨削烧伤磨削烧伤4 4）工件速度）工件速度v vw w磨削烧伤磨削烧伤1)磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃口锋利口锋利磨削力磨削力磨削区的温度磨削区的温度2)磨削导热性差的材料磨削导热性差的材料(耐热钢、轴承耐热钢、轴承钢、不锈钢钢、不锈钢)磨削烧伤磨削烧伤3)应合理选择砂轮的硬度、结合剂和应合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织组织磨削烧伤磨削烧伤采用内冷却法磨削烧伤图3.影响磨削烧伤的因素及改善途径采用开槽砂轮采用开槽砂轮间断磨削受热磨削烧伤磨削用量砂轮与工件材料改善冷却条件1）砂轮转速磨削烧32 图图 内冷却装置内冷却装置1锥形盖锥形盖 2通道孔通道孔 3砂轮中心孔砂轮中心孔 4有径向小孔的薄壁套有径向小孔的薄壁套图内冷却装置33第四节第四节提高表面层物理力学性能的加工方法提高表面层物理力学性能的加工方法1滚压加工滚压加工滚压加工是利用经过淬火和精细研磨过的滚轮或滚压加工是利用经过淬火和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态下对金属表面进行挤压，使受压滚珠，在常温状态下对金属表面进行挤压，使受压点产生弹性和塑性变形，表层的凸起部分向下压，点产生弹性和塑性变形，表层的凸起部分向下压，凹下部分向上挤，逐渐将前工序留下的波峰压平，凹下部分向上挤，逐渐将前工序留下的波峰压平，降低了表面粗糙度；同时它还能使工件表面产生硬降低了表面粗糙度；同时它还能使工件表面产生硬化层和残余压应力。因此提高了零件的承载能力和化层和残余压应力。因此提高了零件的承载能力和疲劳强度。疲劳强度。滚压加工可以加工外圆、孔、平面及成型表面，滚压加工可以加工外圆、孔、平面及成型表面，通常在普通车床、转塔车床或自动车床上进行。如通常在普通车床、转塔车床或自动车床上进行。如图图为典型的滚压加工示意图。为典型的滚压加工示意图。第四节提高表面层物理力学性能的加工方法1滚压加工34图图 滚压加工原理滚压加工原理图滚压加工原理352.喷丸强化喷丸强化喷丸强化是利用大量快速运动的珠丸打击被加工工件喷丸强化是利用大量快速运动的珠丸打击被加工工件表面，使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力，如图表面，使工件表面产生冷硬层和压缩残余应力，如图8-13所示为珠丸挤压工件表面的状态所示为珠丸挤压工件表面的状态,可显著提高零件的疲劳可显著提高零件的疲劳强度。强度。珠丸可以是铸铁的，也可以是切成小段的钢丝（使用珠丸可以是铸铁的，也可以是切成小段的钢丝（使用一段时间后，自然变成球状）。对于铝质工件，为避免表一段时间后，自然变成球状）。对于铝质工件，为避免表面残留铁质微粒而引起电解腐蚀，宜采用铝丸或玻璃丸。面残留铁质微粒而引起电解腐蚀，宜采用铝丸或玻璃丸。珠丸的直径一般为珠丸的直径一般为0.24mm，对于尺寸较小、表面粗糙度对于尺寸较小、表面粗糙度值较小的工件，采用直径较小的珠丸。值较小的工件，采用直径较小的珠丸。喷丸强化主要用于强化形状复杂或不宜用其它方法强喷丸强化主要用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，如板弹簧、螺旋弹簧、连杆、齿轮、焊缝等。化的工件，如板弹簧、螺旋弹簧、连杆、齿轮、焊缝等。经喷丸加工后的表面，硬化层深度可达经喷丸加工后的表面，硬化层深度可达0.7mm，零件表面零件表面粗糙度值可由粗糙度值可由Ra52.5m减小到减小到Ra0.630.32m，可几倍可几倍甚至几十倍地提高零件的使用寿命。甚至几十倍地提高零件的使用寿命。2.喷丸强化36一、机械加工中的振动现象一、机械加工中的振动现象1、振动对机械加工的影响、振动对机械加工的影响第四节第四节机械加工中的振动机械加工中的振动振动会在工件加工表面出现振纹，降低了工件的加工精度和表面质量37机械加工中振动的种类及其主要特点机械加工中振动的种类及其主要特点机械加工振动机械加工振动自激振动自激振动自由振动自由振动强迫振动强迫振动当系统受到初始干扰力激励破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。由于总存在阻尼，自由振动将逐渐衰减，如图3-17a所示。(占5%)系统在周期性激振力(干扰力)持续作用下产生的振动，称为强迫振动。强迫振动的稳态过程是谐振动，只要有激振力存在振动系统就不会被阻尼衰减掉。如图3-17b所示。(占35%)在没有周期性干扰力作用的情况下，由振动系统本身产生的交变力所激发和维持的振动，称为自激振动。切削过程中产生的自激振动也称为颤振。(占65%)机械加工中振动的种类及其主要特点机械加工振动自激振动自由振动383-173-1739一）强迫振动的振源一）强迫振动的振源系统外部的周期性干扰力系统外部的周期性干扰力旋转零件的质量偏心旋转零件的质量偏心传动机构的缺陷和惯性力传动机构的缺陷和惯性力切削过程的间隙特性切削过程的间隙特性，如铣削，如铣削二、机械加工中的强迫振动与控制二、机械加工中的强迫振动与控制一）强迫振动的振源系统外部的周期性干扰力二、机械加工中的强迫40二）强迫振动的数学描述及特性二）强迫振动的数学描述及特性1、动力学模型的建立、动力学模型的建立几点假设：几点假设：1）（a）只有质量、没有弹性的集中质量，（b）只有弹性、没有质量的集中弹簧；2）阻尼力在线性范围内，即：3）系统在平衡位置附近作微小的振动（图1示）二）强迫振动的数学描述及特性1、动力学模型的建立几点假设：341 图1 内圆磨削振动系统 a)模型示意图 b）动力学模型 c）受力图图1内圆磨削振动系统42根据牛顿运动规律建立微分方程：式中 衰减系数，0系统无阻尼振动时的固有频率，激振力频率 该式是一个二阶常系数线性非齐次微分方程。根据微分方程理论，当系统为小阻尼时，它的解由令而得到的齐次方程的通解和非齐次方程的一个特解组成：根据牛顿运动规律建立微分方程：式中衰减系数，0系43a）有阻尼的自由振动b）强迫振动c）有阻尼的自由振动和强迫振动的合成a）有阻尼的自由振动b）强迫振动c）有阻尼的自由振动44进入稳态后的振动方程为：进入稳态后的振动方程为：式中 A强迫振动的幅值；振动体位移相对于激振力的相位角；t 时间其中强迫振动的振幅为：相位角为：进入稳态后的振动方程为：式中A强迫振动的幅值；相位角为45式中 f f=F/m；A0系统在静力F作用下的静位移（m)k系统的静刚度（N/m）；频率比，/0阻尼比，c临界阻尼系数，式中ff=F/m；k系统的静刚度（N/m）；461）强迫振动是由周期性激振力引起的，不会被阻尼衰减掉，）强迫振动是由周期性激振力引起的，不会被阻尼衰减掉，振动本身也不能使激振力变化。振动本身也不能使激振力变化。2）强迫振动的振动频率与外界激振力的频率相同，而与系）强迫振动的振动频率与外界激振力的频率相同，而与系统的固有频率无关。统的固有频率无关。3）强迫振动的幅值既与激振力的幅值有关，又与工艺系统强迫振动的幅值既与激振力的幅值有关，又与工艺系统的特性有关。的特性有关。激振力的激振力的影响影响。A0=F/k2、强迫振动的特征强迫振动的特征1）强迫振动是由周期性激振力引起的，不会被阻尼衰减掉，振动本47）当当0时，时，1，0.60.7，准静态区，在该区增准静态区，在该区增加系统静刚度，可减小振动。加系统静刚度，可减小振动。）当当1时，时，会急剧增大，此现象称为共振，会急剧增大，此现象称为共振，0.71.4的区域称为共振区，在该区增大阻尼的区域称为共振区，在该区增大阻尼共振共振）当当1时，时，0，1.4区域称为惯性区，在该区域称为惯性区，在该区增加振动体的质量，可减小振动振幅。区增加振动体的质量，可减小振动振幅。频率比频率比的影响（的影响（图示图示）当0时，1，0.60.7，准静态区，483章加工表面质量汇总课件49三、三、减小强迫振动的措施减小强迫振动的措施减小激振力调整振源频率提高工艺系统的刚度和阻尼采取隔振措施采用减振装置。3、振动系统的动刚度振动系统的动刚度当系统在周期性动载荷当系统在周期性动载荷作用下，交变力的幅值与振作用下，交变力的幅值与振幅（动态位移）之比称为系幅（动态位移）之比称为系统的动刚度。即：统的动刚度。即：静刚度静刚度k=F/A0是工艺系统本身的属性，在线性范围内，是工艺系统本身的属性，在线性范围内，可以认为它与外载荷无关，动刚度可以认为它与外载荷无关，动刚度kd除与除与k成正比外，还与成正比外，还与系统阻尼、频率比系统阻尼、频率比有关。静刚度影响工件的几何形状及尺有关。静刚度影响工件的几何形状及尺寸精度，动刚度影响工件的表面粗糙度。寸精度，动刚度影响工件的表面粗糙度。三、减小强迫振动的措施减小激振力3、振动系统的动刚度50三、机械加工中的自激振动与控制三、机械加工中的自激振动与控制1自激振动的产生及特征自激振动的产生及特征在实际加工过程中，由于偶然的外界干扰（如工件材料硬度不均、加工余量有变化等），会使切削力发生变化，从而使工艺系统产生自由振动。系统的振动必然会引起工件、刀具间的相对位置发生周期性变化，这一变化若又引起切削力的波动，则使工艺系统产生振动。因此通常将自激振动看成是由振动系统（工艺系统）和调节系统（切削过程）两个环节组成的一个闭环系统，如图所示。激励工艺系统产生振动运动的交变力是由切削过程切削过程本身本身产生的，而切削过程同时又受工艺系统的振动的控制，工艺系统的振动一旦停止，动态切削力也就随之消失。三、机械加工中的自激振动与控制1自激振动的产生及特征51图图 自激振动系统的组成自激振动系统的组成图自激振动系统的组成52（2）自激振动的特征）自激振动的特征自激振动自激振动特点特点不衰减的振动不衰减的振动它由振动过程本身引起切削力周期性变化，从不具备交变特性的能源中周期获得能量，使振动得以维持。自激振动由振动系统本身参数决定，与强迫振动显著不同。自由振动受阻尼作用将迅速衰减，而自激振动不会因阻尼存在而衰减。自激振动的频率接近于系统的固有频率，即颤振频率取决于振动系统的固有特性。这与自由振动相似，而与强迫振动根本不同EEAA11AA00AA22AAEE-E+E+f自自=f固固取决于一周期获得的能量取决于一周期获得的能量取决于切削过程本身取决于切削过程本身（2）自激振动的特征自激振动它由振动过程本身引起自激振动由532产生自激振动的条件产生自激振动的条件如图2a所示为单自由度机械加工振动模型。设工54图图2 单自由度机械加工振动模型单自由度机械加工振动模型 a）振动模型振动模型 b）力与位移的关系图力与位移的关系图图2单自由度机械加工振动模型55（1）当当W振出振出W振入振入时时，刀架振动系统将有持续刀架振动系统将有持续的自激振动产生的自激振动产生。（1）当W振出W振入振入或或 FP振出振出FP振入振入三种情况：W振出=W振入+W摩阻（振入）时，系统有稳幅572产生自激振动的学说产生自激振动的学说（1）再生颤振再生颤振1）再生颤振原理）再生颤振原理2产生自激振动的学说（1）再生颤振1）再生颤振原理如图358图图3 自由正交切削时再生颤振的产生自由正交切削时再生颤振的产生图3自由正交切削时再生颤振的产生592）再生颤振产生的条件）再生颤振产生的条件图图4表示了四种情况。图中实线表示前一转表示了四种情况。图中实线表示前一转切削的工件表面振纹，虚线表示后一转切削的表切削的工件表面振纹，虚线表示后一转切削的表面。面。结论：在再生颤振中，只有当结论：在再生颤振中，只有当后一转的振纹的相位滞后于后一转的振纹的相位滞后于前一转振纹时前一转振纹时才有可能产生再生颤振。才有可能产生再生颤振。a）前后两转的振纹没有相位差（前后两转的振纹没有相位差（=0）图图4ab）前后两转的振纹相位差为前后两转的振纹相位差为=图图4bc）后一转的振纹相位超前，后一转的振纹相位超前，0-图图4d2）再生颤振产生的条件图4表示了四种情况。60图图4 再生颤振时振纹相位角与平均切削厚度的关系再生颤振时振纹相位角与平均切削厚度的关系 a）=0b）=c）0-图4再生颤振时振纹相位角与平均切削厚度的关系612）重迭系数对再生颤振的影响）重迭系数对再生颤振的影响重重迭迭系系数数前一次切削工件表面形成的波纹面宽度在相继的后一次切削的有效宽度中所占的比例，用表示。=（B-f）/BB切削宽度，f 进给量。一般01，径向切入=1（切槽、钻、端铣等）2）重62（2）振型耦合颤振振型耦合颤振1）振型耦合原理）振型耦合原理当纵车方牙螺纹的外圆表面如图5所示，刀具并未发生重叠切削，若按再生颤振原理，则不应该产生颤振。但在实际加工中，当切削深度达到一定值时，仍会发生颤振，这可以用振型耦合原理来解释。图6是两个自由度振型耦合颤振动力学模型刀具等效质量为m，相互垂直的等效刚度系数分别为k1、k2（设k1k2）刚度低的方向振型为x1，刚度高的方向振型为x2。（2）振型耦合颤振1）振型耦合原理当纵车方63图图5 纵车方牙螺纹外表面纵车方牙螺纹外表面图5纵车方牙螺纹外表面64图图6 两个自由度的耦合振动模型两个自由度的耦合振动模型 a）切削模型切削模型 b）动力学模型动力学模型图6两个自由度的耦合振动模型65AACCBBDDEE当刀架系统以的频率振动时，质量m在x1、x664 4控制自激振动的途径控制自激振动的途径抑制自激振动途径抑制自激振动途径V=3070m/min自振f自振；保证Ra时f提高机床抗振性提高刀具抗振性（采用消振刀具）提高工件安装刚性根据振型耦合原理，工艺系统的振动还受到各振型的刚度比及其组合的影响。合理调整它们之间的关系，就可以有效地提高系统的抗振性，抑制自激振动。（削扁镗杆试验）提高工艺系统抗振性提高工艺系统抗振性合理选择切削用量合理选择切削用量合理选择刀具参数合理选择刀具参数采用变速切削采用变速切削采用采用减振装置减振装置合理调整主振模态合理调整主振模态刚度比及其组合刚度比及其组合前角、主偏角自振后角自振；但太小时自振抑制再生颤振方法用于工艺系统刚性较好的场合。4控制自激振动的途径抑制自激振动途径V=3070m/mi67减振装置减振装置1）阻尼器的原理及应用阻尼器的原理及应用利用固体或液体的阻利用固体或液体的阻尼来消耗振动的能量，尼来消耗振动的能量，实现减振。实现减振。图图72）吸振器的原理及应用吸振器的原理及应用动力吸振器（动力吸振器（图图8）冲击吸振器（冲击吸振器（图图9）减振装置1）阻尼器的原理及应用利用固体或液体的阻尼68图7 阻尼器减振装置图7阻尼器减振装置69图图8 用于镗刀杆的用于镗刀杆的 动力吸振器动力吸振器图图9 冲击式吸振器冲击式吸振器 1自由质量自由质量 2弹簧弹簧 3螺钉螺钉图8用于镗刀杆的图9冲击式吸振器70根据振型耦合原理，工艺系统的振动还受到各振型的刚度比及其组合的影响。合理调整它们之间的关系，就可以有效地提高系统的抗振性，抑制自激振动。图10所示为削扁镗杆，x1是削扁镗杆的小刚度主轴，x2是削扁镗杆的大刚度主轴。理论分析与实验结果表明，方位角（为加工表面法向y与镗杆削边垂线的夹角）对镗孔系统的稳定性具有重要影响。图831b所示削扁镗杆的小刚度主轴的方位角介于切削力F与y方向的夹角范围内，容易产生振型耦合型颤振。图831c所示削扁镗杆的小刚度主轴的方位角落在F与y方向的夹角范围之外，可避免发生振型耦合型颤振。削扁镗杆实验削扁镗杆实验根据振型耦合原理，工艺系统的振动还受到各振71图图10 削扁镗杆镗孔削扁镗杆镗孔图10削扁镗杆镗孔72取镗杆a=0.8d，vc=40m/min，f=0.3mm/r，ap=3mm，镗杆悬伸长度为550mm。由图所示的“8”字形区域可知，最适宜的方位角在=120140(或=300320)之间。具有较高稳定性的方位角具有较高稳定性的方位角可通过削扁镗杆实验获得：可通过削扁镗杆实验获得：取镗杆a=0.8d，vc=40m/min，73图图11 削削 扁扁 镗镗 杆杆 实实 验验图11削扁镗杆实验74本章结束75本章习题本章习题3-2为什么会产生磨削烧伤及裂纹？它们对零件的使用性能为什么会产生磨削烧伤及裂纹？它们对零件的使用性能有何影响？试举例说明减小磨削烧伤及裂纹的办法有哪些有何影响？试举例说明减小磨削烧伤及裂纹的办法有哪些？3-3加工精密零件时，为了保证加工表面的表面质量，粗加加工精密零件时，为了保证加工表面的表面质量，粗加工前常有球化处理、退火、正火。粗加工后常有调质、回工前常有球化处理、退火、正火。粗加工后常有调质、回火。精加工前常有渗碳、渗氮及淬火工序。试分析这些热火。精加工前常有渗碳、渗氮及淬火工序。试分析这些热处理工序的作用。处理工序的作用。3-4什么是强迫振动，它有何特征？什么是自激振动，它有什么是强迫振动，它有何特征？什么是自激振动，它有何特征？自激振动与强迫振动有何区别？何特征？自激振动与强迫振动有何区别？3-5圆镗杆的刚度与削扁镗杆的刚度哪个高？两者的抗振性圆镗杆的刚度与削扁镗杆的刚度哪个高？两者的抗振性哪个好？为什么？哪个好？为什么？3-6车外圆时，车刀安装高一点或低一点哪种情况抗振性车外圆时，车刀安装高一点或低一点哪种情况抗振性好？镗孔时，镗刀安装高一点或低一点哪种情况抗振性好好？镗孔时，镗刀安装高一点或低一点哪种情况抗振性好？为什么？为什么？本章习题76