机械加工表面质量课件

第七章第七章 机械加工表面质量机械加工表面质量第一节第一节 表面质量的概念表面质量的概念第二节第二节 影响表面质量的因素影响表面质量的因素第三节第三节 控制加工表面质量的措施控制加工表面质量的措施第四节第四节 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动第一节第一节 表面质量的概念表面质量的概念1 1表面质量的含义：表面质量的含义：表面质量的含义：表面质量的含义：1.1.加工表面的几何形状特征：加工表面的几何形状特征：加工表面的几何形状特征：加工表面的几何形状特征：表面粗糙度表面粗糙度表面粗糙度表面粗糙度 指指加加工工表表面面的的微微观观几几何何形形状状误误差差。波波长长与与波波高高(L3/H3)的比值小于的比值小于50。表表面面粗粗糙糙度度的的现现行行标标准准为为：GB/T131-93GB/T131-93。表示方法：表示方法：RaRa、RzRz、RyRy。表面波度表面波度表面波度表面波度 介介于于形形状状误误差差与与表表面面粗粗糙糙度度之之间间的的周周期期性性形形状状误误差差。波波长长与与波波高高(L2/H2)的的比比值值一一般为：般为：501000。纹理方向纹理方向纹理方向纹理方向 指指表表面面刀刀纹纹的的方方向向。它它取取决决于于表表面面形形成成所所采采用用的的机机械械加工方法。加工方法。1表面质量的含义：表面质量的含义：2.2.加工表面的物理力学性能的变化：加工表面的物理力学性能的变化：加工表面的物理力学性能的变化：加工表面的物理力学性能的变化：表面层因塑性变形引起表面层因塑性变形引起表面层因塑性变形引起表面层因塑性变形引起的加工硬化（的加工硬化（的加工硬化（的加工硬化（冷作硬化冷作硬化）；）；）；）；表面层因力或热的作用表面层因力或热的作用表面层因力或热的作用表面层因力或热的作用产生的产生的产生的产生的残余应力残余应力；表面层因切削热或磨削表面层因切削热或磨削表面层因切削热或磨削表面层因切削热或磨削热的作用引起的热的作用引起的热的作用引起的热的作用引起的金相组金相组织变化织变化；2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1.1.对零件耐磨性的影响：对零件耐磨性的影响：对零件耐磨性的影响：对零件耐磨性的影响：表面粗糙度对耐磨性的影响表面粗糙度对耐磨性的影响表面粗糙度对耐磨性的影响表面粗糙度对耐磨性的影响刀纹方向对耐磨性的影响刀纹方向对耐磨性的影响刀纹方向对耐磨性的影响刀纹方向对耐磨性的影响冷作硬化对耐磨性的影响冷作硬化对耐磨性的影响冷作硬化对耐磨性的影响冷作硬化对耐磨性的影响残余应力对耐磨性的影响残余应力对耐磨性的影响残余应力对耐磨性的影响残余应力对耐磨性的影响表面为压应力时，耐磨性高。表面为压应力时，耐磨性高。2.2.对零件耐疲劳性的影响：对零件耐疲劳性的影响：对零件耐疲劳性的影响：对零件耐疲劳性的影响：表面粗糙度对耐疲劳性的影响表面粗糙度对耐疲劳性的影响表面粗糙度对耐疲劳性的影响表面粗糙度对耐疲劳性的影响残余应力对耐疲劳性的影响残余应力对耐疲劳性的影响残余应力对耐疲劳性的影响残余应力对耐疲劳性的影响冷作硬化对耐疲劳性的影响冷作硬化对耐疲劳性的影响冷作硬化对耐疲劳性的影响冷作硬化对耐疲劳性的影响表面为压应力时，耐疲劳性好。表面为压应力时，耐疲劳性好。冷作硬化程度冷作硬化程度 耐疲劳性耐疲劳性2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3.3.对零件耐腐蚀性的影响：对零件耐腐蚀性的影响：对零件耐腐蚀性的影响：对零件耐腐蚀性的影响：Ra值值耐腐蚀性耐腐蚀性表面压应力表面压应力表面致密表面致密耐腐蚀性耐腐蚀性4.4.对零件配合精度的影响：对零件配合精度的影响：对零件配合精度的影响：对零件配合精度的影响：1.1.1 1）表面粗糙度对零件配合精度的影）表面粗糙度对零件配合精度的影）表面粗糙度对零件配合精度的影）表面粗糙度对零件配合精度的影响响响响 1.1.在间隙配合中，若配合表面粗糙度较大，则初期磨损量较在间隙配合中，若配合表面粗糙度较大，则初期磨损量较在间隙配合中，若配合表面粗糙度较大，则初期磨损量较在间隙配合中，若配合表面粗糙度较大，则初期磨损量较大，从而使配合间隙增大，降低了配合精度。大，从而使配合间隙增大，降低了配合精度。大，从而使配合间隙增大，降低了配合精度。大，从而使配合间隙增大，降低了配合精度。2.2.过盈配合时，若配合表面粗糙度过大，装配时部分凸峰会过盈配合时，若配合表面粗糙度过大，装配时部分凸峰会过盈配合时，若配合表面粗糙度过大，装配时部分凸峰会过盈配合时，若配合表面粗糙度过大，装配时部分凸峰会被挤平，致使实际过盈量减小，降低了过盈配合表面的结合强度。被挤平，致使实际过盈量减小，降低了过盈配合表面的结合强度。被挤平，致使实际过盈量减小，降低了过盈配合表面的结合强度。被挤平，致使实际过盈量减小，降低了过盈配合表面的结合强度。1.1.2 2）表面残余应力对零件工作精度的影响）表面残余应力对零件工作精度的影响）表面残余应力对零件工作精度的影响）表面残余应力对零件工作精度的影响 1.1.残余应力在经过一段时间后会自行减弱以至消失，从而残余应力在经过一段时间后会自行减弱以至消失，从而残余应力在经过一段时间后会自行减弱以至消失，从而残余应力在经过一段时间后会自行减弱以至消失，从而引起零件的变形，引起零件尺寸和形状误差。引起零件的变形，引起零件尺寸和形状误差。引起零件的变形，引起零件尺寸和形状误差。引起零件的变形，引起零件尺寸和形状误差。一定的精度应有相应的表面粗糙度！一定的精度应有相应的表面粗糙度！一定的尺寸公差要有相应的表面粗糙度！一定的尺寸公差要有相应的表面粗糙度！实验研究表明：实验研究表明：零件尺寸大于零件尺寸大于50mm时，推荐：时，推荐：Ra=(0.10.15)T零件尺寸在零件尺寸在1850mm时，推荐：时，推荐：Ra=(0.150.20)T零件尺寸小于零件尺寸小于18mm时，推荐：时，推荐：Ra=(0.200.25)T2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影对疲劳强度的影响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强度适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度粗糙度越大、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，拉应力反之第二节第二节 影响表面质量的因素影响表面质量的因素1 1切削加工中影响表面粗糙度的因素切削加工中影响表面粗糙度的因素切削加工中影响表面粗糙度的因素切削加工中影响表面粗糙度的因素1.1.几何因素：几何因素：几何因素：几何因素：考虑刀尖圆弧角：考虑刀尖圆弧角：考虑刀尖圆弧角：考虑刀尖圆弧角：Ra值值1切削加工中影响表面粗糙度的因素切削加工中影响表面粗糙度的因素2.2.物理因素：物理因素：物理因素：物理因素：切削速度：切削速度：切削速度：切削速度：v Ra工件材料性质：工件材料性质：工件材料性质：工件材料性质：塑性材料塑性材料塑性材料塑性材料RaRa正火调正火调正火调正火调质质质质脆性材料脆性材料脆性材料脆性材料表面有麻点表面有麻点表面有麻点表面有麻点刀具几何形状、材料：刀具几何形状、材料：刀具几何形状、材料：刀具几何形状、材料：前角前角Ra值值冷却润滑：冷却润滑：冷却润滑：冷却润滑：3.3.工艺系统的振动：工艺系统的振动：工艺系统的振动：工艺系统的振动：1切削加工中影响表面粗糙度的因素切削加工中影响表面粗糙度的因素影响切削加工表面粗影响切削加工表面粗糙度的因素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残留面积Ra前角前角 Ra后角后角摩擦摩擦Ra刃倾角会影响实际工作前角刃倾角会影响实际工作前角 v Raf Raap对对Ra影响不大，太小会打滑，影响不大，太小会打滑，划伤已加工表面划伤已加工表面材料塑性材料塑性 Ra同样材料晶粒组织大同样材料晶粒组织大 Ra，常用正火、调质处理常用正火、调质处理刀具材料强度刀具材料强度 Ra刃磨质量刃磨质量 Ra冷却、润滑冷却、润滑 Ra2磨削加工中影响表面粗糙度的因素磨削加工中影响表面粗糙度的因素1.1.磨削用量磨削用量磨削用量磨削用量2.2.砂轮的特性砂轮的特性砂轮的特性砂轮的特性粒度：粒度：粒度：粒度：粒度号粒度号Ra值值砂轮的硬度：砂轮的硬度：砂轮的硬度：砂轮的硬度：硬度硬度难脱落难脱落Ra值值硬度硬度易脱落易脱落不易保持形状不易保持形状精度精度砂轮的修整：砂轮的修整：砂轮的修整：砂轮的修整：“复印复印复印复印”3.3.冷却冷却冷却冷却2磨削加工中影响表面粗糙度的因素磨削加工中影响表面粗糙度的因素影响磨削加工表面粗影响磨削加工表面粗糙度的因素糙度的因素粒度粒度Ra 金刚石笔锋利金刚石笔锋利，修正导程、径修正导程、径向进给量向进给量 Ra磨粒等高性磨粒等高性Ra硬度硬度钝化磨粒脱落钝化磨粒脱落 Ra硬度硬度磨粒脱落磨粒脱落Ra硬度合适、自励性好硬度合适、自励性好Ra太硬、太软、韧性、导热性差太硬、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砂轮V Raap、工件工件V 塑变塑变 Ra粗磨粗磨ap生产率生产率精磨精磨ap Ra(ap=0光磨光磨)3影响表面层物理、力学性能变化的因素影响表面层物理、力学性能变化的因素1.1.表面层的加工硬化表面层的加工硬化表面层的加工硬化表面层的加工硬化机械加工中，金属被加工表面层受切削力的作用产生塑性变形，使晶格扭曲，机械加工中，金属被加工表面层受切削力的作用产生塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生滑移剪切，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，引起表面层的强度和晶粒间产生滑移剪切，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，引起表面层的强度和硬度都提高的现象，称加工硬化。硬度都提高的现象，称加工硬化。评定指标：评定指标：表面层的显微硬度表面层的显微硬度 HV硬化层深度硬化层深度 h硬化程度硬化程度 N影响因素：影响因素：刀具刀具径向力径向力(右图右图)切削用量切削用量v、f(右图右图)工件材料工件材料塑性塑性冷硬冷硬3影响表面层物理、力学性能变化的因素影响表面层物理、力学性能变化的因素2.2.表面层的残余应力表面层的残余应力表面层的残余应力表面层的残余应力冷态塑性变形冷态塑性变形冷态塑性变形冷态塑性变形热态塑性变形热态塑性变形热态塑性变形热态塑性变形局部金相组织变化局部金相组织变化局部金相组织变化局部金相组织变化在切削力的作用下，已加工面受后刀面的挤压，使在切削力的作用下，已加工面受后刀面的挤压，使晶格扭曲，表层金属比容积增大，体积膨胀，而内晶格扭曲，表层金属比容积增大，体积膨胀，而内层金属又阻止其伸长。故加工后表面层残余应力为层金属又阻止其伸长。故加工后表面层残余应力为压应力压应力(-)，里层为拉应力，里层为拉应力(+)。在切削热的作用下，已加工面产生热膨胀，此时表在切削热的作用下，已加工面产生热膨胀，此时表层产生热压应力。加工后，层产生热压应力。加工后，表层已产生的热塑性变表层已产生的热塑性变形收缩受到内层金属的阻碍形收缩受到内层金属的阻碍。故加工后表面层残余。故加工后表面层残余应力为拉应力应力为拉应力(+)，里层为压应力，里层为压应力(-)。不同的金相组织有不同的密度，如不同的金相组织有不同的密度，如M M=7.75g/cm=7.75g/cm3 3 A A=7.96g/cm=7.96g/cm3 3、P P=7.78g/cm=7.78g/cm3 3、F F=7.88g/cm=7.88g/cm3 3当金相组织变化时，由于密度不同，体积会发生变当金相组织变化时，由于密度不同，体积会发生变化。如果表层金属膨胀则残余应力为压应力化。如果表层金属膨胀则残余应力为压应力(-)，反，反之，之，如果表层金属体积缩小则产生残余如果表层金属体积缩小则产生残余拉应力拉应力(+)。例如：淬火钢表面回火，表层金属由马氏体转变成屈氏体或索氏体，密度由例如：淬火钢表面回火，表层金属由马氏体转变成屈氏体或索氏体，密度由7.757.75变为变为7.78g/cm7.78g/cm3 33影响表面层物理、力学性能变化的因素影响表面层物理、力学性能变化的因素3.3.表面层的金相变化表面层的金相变化表面层的金相变化表面层的金相变化磨削烧伤磨削烧伤磨削烧伤磨削烧伤加工中加工中产生产生产生产生达到相变温度达到相变温度产生相变产生相变烧伤的形式：烧伤的形式：烧伤的形式：烧伤的形式：退火烧伤退火烧伤回火烧伤回火烧伤淬火烧伤淬火烧伤工件表面温度超过相变温度工件表面温度超过相变温度AC3，但，但无冷却液，工件表面被退火。无冷却液，工件表面被退火。工件干磨时易发生这种烧伤。工件干磨时易发生这种烧伤。工工件件表表面面温温度度未未达达到到相相变变温温度度AC3，但但超超过过马马氏氏体体的的转转变变温温度度，工工件件表表层组织为回火屈氏体或索氏体。层组织为回火屈氏体或索氏体。工工件件表表面面温温度度超超过过相相变变温温度度AC3，冷冷却却充充分分，工工件件表表面面被被二二次次淬淬火火。但但淬淬透透层层很很薄薄，其其下下层层仍仍为为回回火火屈屈氏氏体或索氏体。体或索氏体。3.表面层的金相变化表面层的金相变化影响磨削烧伤的因素：影响磨削烧伤的因素：影响磨削烧伤的因素：影响磨削烧伤的因素：a)a)磨削用量磨削用量磨削用量磨削用量aP 工件表层温度工件表层温度烧伤烧伤 V砂轮砂轮 工件表层温度工件表层温度烧伤烧伤f 工件表层温度工件表层温度烧伤烧伤V工件工件 工件表层温度工件表层温度热源作用时间热源作用时间烧伤烧伤b)b)工件材料工件材料工件材料工件材料导热性导热性导热性导热性c)c)砂轮特性砂轮特性砂轮特性砂轮特性锋利程度、自锐性锋利程度、自锐性锋利程度、自锐性锋利程度、自锐性d)d)冷却冷却冷却冷却第三节第三节 控制加工表面质量的措施控制加工表面质量的措施1 1采用光整加工方法降低表面粗糙度采用光整加工方法降低表面粗糙度采用光整加工方法降低表面粗糙度采用光整加工方法降低表面粗糙度2 2表面强化工艺改善物理力学性能表面强化工艺改善物理力学性能表面强化工艺改善物理力学性能表面强化工艺改善物理力学性能1.1.渗氮、渗碳等化学热处理渗氮、渗碳等化学热处理渗氮、渗碳等化学热处理渗氮、渗碳等化学热处理2.2.激光表面处理技术激光表面处理技术激光表面处理技术激光表面处理技术3.3.机械强化工艺：机械强化工艺：机械强化工艺：机械强化工艺：滚压加工；滚压加工；滚压加工；滚压加工；喷丸强化；喷丸强化；喷丸强化；喷丸强化；液体磨料强化；液体磨料强化；液体磨料强化；液体磨料强化；表面强化工艺表面强化工艺 利利利利用用用用淬淬淬淬硬硬硬硬和和和和精精精精细细细细研研研研磨磨磨磨过过过过的的的的滚滚滚滚轮轮轮轮或或或或滚滚滚滚珠珠珠珠，在在在在常常常常温温温温状状状状态态态态挤挤挤挤压压压压金金金金属属属属表表表表面面面面，将将将将凸凸凸凸起起起起部部部部分分分分下下下下压压压压下下下下，凹凹凹凹下下下下部部部部分分分分上上上上凸凸凸凸，修修修修正正正正工工工工件件件件表表表表面面面面的的的的微微微微观观观观几几几几何何何何形形形形状状状状,形形形形成成成成压压压压缩缩缩缩残残残残余余余余应应应应力，提高耐疲劳强度（图力，提高耐疲劳强度（图力，提高耐疲劳强度（图力，提高耐疲劳强度（图4-714-714-714-71）利利利利用用用用大大大大量量量量快快快快速速速速运运运运动动动动珠珠珠珠丸丸丸丸打打打打击击击击工工工工件件件件表表表表面面面面,使使使使工工工工件件件件表表表表面面面面产产产产生生生生冷冷冷冷硬硬硬硬层层层层和和和和压压压压应应应应力力力力,疲疲疲疲劳劳劳劳强度强度强度强度喷丸强化喷丸强化喷丸强化喷丸强化滚压加工原理图滚压加工原理图 用用用用于于于于强强强强化化化化形形形形状状状状复复复复杂杂杂杂或或或或不不不不宜宜宜宜用用用用其其其其它它它它方方方方法法法法强强强强化化化化的的的的工工工工件件件件，例例例例如如如如板板板板弹弹弹弹簧簧簧簧、螺螺螺螺旋旋旋旋弹弹弹弹簧簧簧簧、齿轮、焊缝等齿轮、焊缝等齿轮、焊缝等齿轮、焊缝等滚压加工滚压加工滚压加工滚压加工珠丸挤压引起残余应力珠丸挤压引起残余应力 压缩拉伸塑性变形区域第四节第四节 机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动机械加工过程中振动的危害机械加工过程中振动的危害机械加工过程中振动的危害机械加工过程中振动的危害v 影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度v 影响生产效率影响生产效率 v 加速刀具磨损，易引起崩刃加速刀具磨损，易引起崩刃v 影响机床、夹具的使用寿命影响机床、夹具的使用寿命v 产生噪声污染，危害操作者健康产生噪声污染，危害操作者健康v 工工艺艺系系统统受受到到初初始始干干扰扰力力而而破破坏坏了了其其平平衡衡状状态态后后，系系统统仅仅靠靠弹弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。性恢复力来维持的振动称为自由振动。v 由由于于系系统统中中总总存存在在由由阻阻尼尼，自自由由振振动动将将逐逐渐渐衰衰弱弱，对对加加工工影影响响不大。不大。机械加工过程中振动的类型机械加工过程中振动的类型机械加工过程中振动的类型机械加工过程中振动的类型自由振动自由振动自由振动自由振动自由振动（占自由振动（占5%）强迫振动强迫振动（占（占35%）自激振动自激振动（占（占65%）一、机械加工过程中强迫振动一、机械加工过程中强迫振动强迫振动产生原因强迫振动产生原因v 由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起v 强强迫迫振振动动振振源源：机机外外机机内内。机机外外振振源源均均通通过过地地基基把把振振动动传传给给机机床。机内：床。机内：v 1 1）回转零部件质量的不平衡）回转零部件质量的不平衡v 2 2）机床传动件的制造误差和缺陷）机床传动件的制造误差和缺陷v 3 3）切削过程中的冲击）切削过程中的冲击不连续切削不连续切削v 频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数v 幅幅值值特特征征：与与干干扰扰力力幅幅值值、工工艺艺系系统统动动态态特特性性有有关关。当当干干扰扰力力频频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振v 相相角角特特征征：强强迫迫振振动动位位移移的的变变化化在在相相位位上上滞滞后后干干扰扰力力一一个个角角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。强迫振动的特征强迫振动的特征二、二、机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动（1 1）自激振动的产生）自激振动的产生）自激振动的产生）自激振动的产生 机械加工系统是一个由振动系统和调节系统组成的闭环系机械加工系统是一个由振动系统和调节系统组成的闭环系统，激励工艺系统产生振动运动的交变力是由统，激励工艺系统产生振动运动的交变力是由切削过程本身切削过程本身产产生的，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。的振动一旦停止，动态切削力也就随之消失。?1 1自激振动的产生及特征自激振动的产生及特征自激振动的产生及特征自激振动的产生及特征二、二、机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动在没有周期性干扰力作用的情况下，由振动系统本身产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。生的交变力所激发和维持的振动，称为自激振动。如果切削过程很平稳，即使系统存在产生自激振动的条如果切削过程很平稳，即使系统存在产生自激振动的条件，也因切削过程没有件，也因切削过程没有交变的动态切削力交变的动态切削力，使自激振动不可，使自激振动不可能产生。能产生。如果工艺系统存在产生自激振动的条件，就会使工艺系如果工艺系统存在产生自激振动的条件，就会使工艺系统产生持续的振动。统产生持续的振动。维持自激振动的能量来自电动机，电动机通过动态切削维持自激振动的能量来自电动机，电动机通过动态切削过程把能量传输给振动系统，以维持振动运动。过程把能量传输给振动系统，以维持振动运动。（1 1）自激振动的产生）自激振动的产生）自激振动的产生）自激振动的产生1 1自激振动的产生及特征自激振动的产生及特征自激振动的产生及特征自激振动的产生及特征二、二、机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动（2 2）自激振动的特征）自激振动的特征）自激振动的特征）自激振动的特征 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，它由振动过程本身引起切削力周期性变化，从不具备交变从不具备交变特性的能源特性的能源中周期获得能量，使振动得以维持。中周期获得能量，使振动得以维持。f 自自=f 固固自激振动的频率接近于系统的固有频率，即颤振频率取决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。本不同。取决于切削过程本身取决于切削过程本身自激振动由自激振动由振动系统本身参数振动系统本身参数决定，与强迫振动显著不同。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。而衰减。1 1自激振动的产生及特征自激振动的产生及特征自激振动的产生及特征自激振动的产生及特征二、二、机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动设工件系统为绝对刚体，振动系统与刀架相连，且只在设工件系统为绝对刚体，振动系统与刀架相连，且只在y方方向作单自由度振动。向作单自由度振动。在背向力在背向力Fp作用下，刀具作切入、切出运动（振动）。作用下，刀具作切入、切出运动（振动）。刀架振动系统同时还有刀架振动系统同时还有F弹弹作用在它上面。作用在它上面。y越大，越大，F弹弹也越大，也越大，当当Fp=F弹弹时，刀架的振动停止。时，刀架的振动停止。刀具刀具切出切出，其运动方向与背向力，其运动方向与背向力方向相同方向相同，作正功；即振动，作正功；即振动系统要吸收能量系统要吸收能量W振出振出；刀具刀具切入切入，其运动方向，其运动方向与背向力方向相反，作与背向力方向相反，作负功；即振动系统要消耗负功；即振动系统要消耗能量能量W振入振入。2 2产生自激振动的条件产生自激振动的条件产生自激振动的条件产生自激振动的条件二、二、机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动2 2产生自激振动的条件产生自激振动的条件产生自激振动的条件产生自激振动的条件（1）当）当W振出振出W振入振入时，刀架振动系统将有持续的自激振动产时，刀架振动系统将有持续的自激振动产生。生。E A1 A0 A2 AE-E+二、二、机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动如图所示，车刀只做横向进给。如图所示，车刀只做横向进给。在稳定的切削过程中，刀架系统受到偶然的扰动。刀架系在稳定的切削过程中，刀架系统受到偶然的扰动。刀架系统产生了一次自由振动，并在被加工表面留下相应的振纹。统产生了一次自由振动，并在被加工表面留下相应的振纹。当工件转过一转后，刀具要在留有振纹的表面上切削，因当工件转过一转后，刀具要在留有振纹的表面上切削，因切削厚度发生了变化，所以引起了切削力周期性的变化。产切削厚度发生了变化，所以引起了切削力周期性的变化。产生动态切削力。生动态切削力。将这种由于切削厚度的变化而引起的自激振动，称为将这种由于切削厚度的变化而引起的自激振动，称为“再生再生颤振颤振”。3 3产生自激振动的学说产生自激振动的学说产生自激振动的学说产生自激振动的学说（1 1）再生颤振）再生颤振）再生颤振）再生颤振 1 1）再生原理）再生原理）再生原理）再生原理 二、二、机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动3 3产生自激振动的学说产生自激振动的学说产生自激振动的学说产生自激振动的学说（1 1）再生颤振）再生颤振）再生颤振）再生颤振 1 1）再生原理）再生原理）再生原理）再生原理 二、二、机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动3 3产生自激振动的学说产生自激振动的学说产生自激振动的学说产生自激振动的学说（1 1）再生颤振）再生颤振）再生颤振）再生颤振 2 2）再生颤振产生的条件）再生颤振产生的条件）再生颤振产生的条件）再生颤振产生的条件 图图a前后两转的振纹相位差前后两转的振纹相位差=0，切入、切出时切削厚度没切入、切出时切削厚度没有变化，切削力也就没有变化，不会产生自激振动。有变化，切削力也就没有变化，不会产生自激振动。图图b前后两转的振纹相位差为前后两转的振纹相位差为=，切入、切出的平均切削切入、切出的平均切削厚度不变，两者没有能量差，也不可能产生自激振动。厚度不变，两者没有能量差，也不可能产生自激振动。图图c表示后一转的振纹相位超前，即表示后一转的振纹相位超前，即0-，这时切出比切这时切出比切入有较大的切削力，推动刀架后移，使刀架储能，正功大于入有较大的切削力，推动刀架后移，使刀架储能，正功大于负功，即可产生自激振动。负功，即可产生自激振动。二、二、机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动重迭系数重迭系数前一次切削工件表面形成的波纹面宽度在相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。继的后一次切削的有效宽度中所占的比例。3 3产生自激振动的学说产生自激振动的学说产生自激振动的学说产生自激振动的学说（1 1）再生颤振）再生颤振）再生颤振）再生颤振 3 3）重迭系数对再生颤振的影响）重迭系数对再生颤振的影响）重迭系数对再生颤振的影响）重迭系数对再生颤振的影响 二、二、机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动图示两个自由度振型耦合颤振动力学模型，刀具等效质量为图示两个自由度振型耦合颤振动力学模型，刀具等效质量为 m，由相互垂直的等效刚度系数分别为，由相互垂直的等效刚度系数分别为k1、k2（设（设k1 k2）的）的两组弹簧支承。为使两个自由度系统的振型能很好分开，最简两组弹簧支承。为使两个自由度系统的振型能很好分开，最简单的形式是两个单的形式是两个振型振型x 1和和x2互相垂直，互相垂直，刚度低的方向振型为刚度低的方向振型为x1，刚度高的方向振，刚度高的方向振型为型为x2。3 3产生自激振动的学说产生自激振动的学说产生自激振动的学说产生自激振动的学说（2 2）振型耦合颤振）振型耦合颤振）振型耦合颤振）振型耦合颤振 1 1）振型耦合原理）振型耦合原理）振型耦合原理）振型耦合原理二、二、机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动当刀架系统以当刀架系统以的频率振动时，质量的频率振动时，质量m在在x1、x2两个方向上两个方向上以不同的振幅和相位进行振动，其合成运动轨迹近似椭圆以不同的振幅和相位进行振动，其合成运动轨迹近似椭圆E。若若ABC切入；切入；CDA切出切出由于切出时的平均由于切出时的平均切削厚度大于切入时的平均切削厚度，正功大于负功，在一切削厚度大于切入时的平均切削厚度，正功大于负功，在一个振动周期内，有多余的能量输入振动系统。因此，振动得个振动周期内，有多余的能量输入振动系统。因此，振动得以维持。反之，则不能维持。以维持。反之，则不能维持。ACBDE3 3产生自激振动的学说产生自激振动的学说产生自激振动的学说产生自激振动的学说（2 2）振型耦合颤振）振型耦合颤振）振型耦合颤振）振型耦合颤振 2 2）产生自激振动条件）产生自激振动条件）产生自激振动条件）产生自激振动条件二、二、机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动(1)(1)合理选择切削用量合理选择切削用量合理选择切削用量合理选择切削用量4 4控制自激振动的途径控制自激振动的途径控制自激振动的途径控制自激振动的途径V=3070m/min自振自振f自振自振；保证保证Ra时时fap 自振自振；保证保证Ra时时ap二、二、机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动(3)(3)提高工艺系统抗振性提高工艺系统抗振性提高工艺系统抗振性提高工艺系统抗振性(2)(2)合理选择刀具参数合理选择刀具参数合理选择刀具参数合理选择刀具参数(4)(4)采用减振装置采用减振装置采用减振装置采用减振装置4 4控制自激振动的途径控制自激振动的途径控制自激振动的途径控制自激振动的途径前角、主偏角前角、主偏角自振自振;后角后角自振自振；但太小时但太小时自振自振提高机床抗振性提高机床抗振性;提高刀具抗振性（采用消振刀具）提高刀具抗振性（采用消振刀具）;提高工件安装刚性提高工件安装刚性冲击式消振器冲击式消振器 干摩擦阻尼器干摩擦阻尼器 二、二、机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动(5)(5)合理调整主振模态刚度比合理调整主振模态刚度比合理调整主振模态刚度比合理调整主振模态刚度比及其组合及其组合及其组合及其组合4 4控制自激振动的途径控制自激振动的途径控制自激振动的途径控制自激振动的途径根据振型耦合原理，根据振型耦合原理，工艺系统的振动还受到各工艺系统的振动还受到各振型的刚度比及其组合的振型的刚度比及其组合的影响。合理调整它们之间影响。合理调整它们之间的关系，就可以有效地提的关系，就可以有效地提高系统的抗振性，抑制自高系统的抗振性，抑制自激振动。（激振动。（削扁镗杆削扁镗杆试验）试验）二、二、机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动二、二、机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动自激振动的概念自激振动的概念 在在在在没没没没有有有有周周周周期期期期性性性性外外外外力力力力作作作作用用用用下下下下，由由由由系系系系统统统统内内内内部部部部激激激激发发发发反反反反馈馈馈馈产产产产生生生生的的的的周周周周期性振动期性振动期性振动期性振动 自自自自激激激激振振振振动动动动过过过过程程程程可可可可用用用用传传传传递递递递函函函函数数数数概念说明概念说明概念说明概念说明 自激振动是一种不衰减振动自激振动是一种不衰减振动自激振动是一种不衰减振动自激振动是一种不衰减振动 自自自自激激激激振振振振动动动动的的的的频频频频率率率率等等等等于于于于或或或或接接接接近近近近于于于于系系系系统的固有频率统的固有频率统的固有频率统的固有频率 自自自自激激激激振振振振动动动动能能能能否否否否产产产产生生生生及及及及振振振振幅幅幅幅的的的的大大大大小小小小取取取取决决决决于于于于振振振振动动动动系系系系统统统统在在在在每每每每一一一一个个个个周周周周期期期期内内内内获获获获得和消耗的能量对比情况。得和消耗的能量对比情况。得和消耗的能量对比情况。得和消耗的能量对比情况。自激振动系统能量关系自激振动系统能量关系A B C能量EQEE0振幅电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)自激振动闭环系统自激振动闭环系统机床振动系统（弹性环节）调节系统（切削过程）自激振动的特征自激振动的特征 再再再再生生生生机机机机理理理理：切切削削过过程程，由由于于偶偶然然干干扰扰，使使加加工工系系统统产产生生振振动动并并在在加加工工表表面面上上留留下下振振纹纹。第第二二次次走走刀刀时时，刀刀具具将将在在有有振振纹纹的的表表面面上上切切削削，使使切切削削厚厚度度发发生生变变化化，导导致致切切削削力力周周期期性性地地变变化化，产产生生自激振动自激振动 自激振动机理自激振动机理再生自激振动原理图f切入 切出y0ya）b）y0y切入 切出fc）fy0y切入 切出d）切入 切出fy0y 产生条件：产生条件：产生条件：产生条件：a a）b b）c c）系统无能量获得；）系统无能量获得；d d）y y 滞滞后后于于y y0 0，即即 0 0-，此此时时切切出出比比切切入入半半周周期期中中的的平平均均切切削削厚厚度度大大，切切出出时时切切削削力力所所作作正正功功（获获得得能能量量）大大于于切切入入时时所所作作负负功功，系统有能量获得，产生自激振动系统有能量获得，产生自激振动二、二、机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动 振振振振型型型型耦耦耦耦合合合合机机机机理理理理：将将车车床床刀刀架架简简化化为为两两自自由由度度振振动动系系统统，等等效效质质量量m m用用相相互互垂垂直直的的等等效效刚刚度度分分别别为为k k1 1、k k2 2两两组组弹弹簧簧支支撑撑（设设x x1 1为低刚度主轴）为低刚度主轴）车床刀架振型耦合模型Fmabcdx1x1x2x2k2k112X 自激振动的产生：自激振动的产生：k1=k2k1=k2，x1x1与与x2x2无无相相位位差差,轨轨迹为直线，无能量输入迹为直线，无能量输入 k1k1k2k2，x1x1超超前前x2 x2，轨轨迹迹dcbadcba为为一一椭椭圆圆，切切入入半半周周期期内内的的平平均切削厚度比切出半周期内的大，系统无能量输入均切削厚度比切出半周期内的大，系统无能量输入 k1k1k2k2，x1x1滞滞后后于于x2 x2，轨轨迹迹为为一一顺顺时时针针方方向向椭椭圆圆，即即：abcdabcd。此此时时，切切入入半半周周期期内内的的平平均均切切削削厚厚度度比比切切出出半半周周期期内内的的小小，有有能能量量获获得，振动能够维持得，振动能够维持 。二、二、机械加工过程中自激振动机械加工过程中自激振动三、三、机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治 减小机内干扰力的幅值减小机内干扰力的幅值减小机内干扰力的幅值减小机内干扰力的幅值 调整振源的频率，一般要求：调整振源的频率，一般要求：调整振源的频率，一般要求：调整振源的频率，一般要求：调整振动系统小刚度主轴的位置调整振动系统小刚度主轴的位置消除或减弱产生强迫振动的条件消除或减弱产生强迫振动的条件消除或减弱产生强迫振动的条件消除或减弱产生强迫振动的条件式式中中 f f 和和 f fn n 分分别别为为振振源源频频率率和和系系统统固有频率固有频率 隔振隔振隔振隔振x2x2x1x1x1x1x2x2两种尾座结构消除或减弱产生自激振动的条件消除或减弱产生自激振动的条件消除或减弱产生自激振动的条件消除或减弱产生自激振动的条件 减小切削或磨削时的重叠系数式中 bd 等效切削宽度，即本次切削实际切到上次切削残留振纹 在垂直于振动方向投影宽度；b 本次切削在垂直于振动方向上的切削宽度；B,fa 砂轮宽度与轴向进给量。重叠系数apfaB振动方向XDfbbda）切削b）磨削rr，三、三、机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治v 减小重叠系数方法图4-78 车刀消振棱0.10.3-5-202 3 增加切削阻尼（例采用倒棱车刀）增加主偏角增加主偏角 增大进给量增大进给量三、三、机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治 提高工艺系统刚度提高工艺系统刚度 增大工艺系统阻尼增大工艺系统阻尼 改善工艺系统动态特性改善工艺系统动态特性阻尼材料铸铁环铸铁套筒零件上加阻尼材料三、三、机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治摩擦式减振器1飞轮 2摩擦盘 3摩擦垫 4螺母 5弹簧v动力减振器 v摩擦式减振器v冲击式减振器采用减振装置采用减振装置冲击式减振镗刀与减振镗杆1冲击块 2紧定螺钉a）减振镗刀 b）减振镗杆三、三、机械加工中振动的防治机械加工中振动的防治