机械加工表面质量加工培训教材.pptx

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1、1 第五章第五章 机械加工表面质量机械加工表面质量25.1 加工表面质量及其对使用性能的影响5.2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施5.3 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改善措施5.4 机械加工中的振动本章内容本章内容3第第5章章 机械加工表面质量机械加工表面质量4一、加工表面质量的概念加工表面质量（或表面完整性）包含的内容：已加工已加工表面质量表面质量表面粗糙度表面粗糙度表面波度表面波度表面层表面层材质变化材质变化表面表面几何学几何学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纹理方向纹理方向表面缺陷表面缺陷(伤痕伤痕)5.

2、1 加工表面质量及其对使用性能的影响微观几何轮廓宏观几何轮廓51. 表面粗糙度对耐磨性的影响表面粗糙度对耐磨性的影响 表面粗糙度太大和太小都不耐磨 表面粗糙度太大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、挤裂、切断，故磨损加剧； 表面粗糙度太小，也会导致磨损加剧。因为表面太光滑，存不住润滑油，接触面间不易形成油膜，容易发生分子粘结而加剧磨损。（一）表面质量对零件耐磨性的影响（一）表面质量对零件耐磨性的影响二、加工表面质量对机器零件使用性能的影响二、加工表面质量对机器零件使用性能的影响6图图3-4 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表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作

3、情况有关，载荷加大时，磨损曲线向上、向右移动，最佳表面粗糙度值也随之右移。 7 2. 表面纹理对耐磨性的影响表面纹理对耐磨性的影响表面纹理的形状及刀纹方向对耐磨性的影响，纹理形状及刀纹方向影响有效接触面积与润滑液的存留。8 3. 冷作硬化对耐磨性的影响冷作硬化对耐磨性的影响 加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。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变形。 并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。这是因为过分的冷作硬化，将引起金属组织过度“疏松”，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。图3-59（二）表面质量对零

4、件疲劳强度的影响（二）表面质量对零件疲劳强度的影响 1. 表面粗糙度对疲劳强度的影响表面粗糙度对疲劳强度的影响 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。 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，纹底半径越小，其抗疲劳破坏的能力越差。 材料对应力集中敏感程度。钢，铸铁、非铁金属102. 表面层金属的力学物理性质对耐疲劳性表面层金属的力学物理性质对耐疲劳性的影响的影响 适度的表面层冷作硬化能提高零件的疲劳强度 残余应力有拉应力和压应力之分，残余

5、拉应力容易使已加工表面产生裂纹并使其扩展而降低疲劳强度。 残余压应力则能够部分地抵消工作载荷施加的拉应力，延缓疲劳裂纹的扩展，从而提高零件的疲劳强度。11（三）表面质量对耐蚀（三）表面质量对耐蚀性性的影响的影响 1. 表面粗糙度对耐腐蚀性的影响表面粗糙度对耐腐蚀性的影响 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。减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。 2. 表面金属的力学物理性质对耐腐蚀性能的影响表面金属的力学物理性质对耐腐蚀性能的影响 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。 表面质量

6、对零件使用性能还有其它方面的影响：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；对滑动零件，可降低其摩擦系数，从而减少发热和功率损失。12（四）表面质量对零件配合质量的影响（四）表面质量对零件配合质量的影响（1）表面粗糙度对零件配合精度的影响 表面粗糙度较大，则降低了配合精度。 对间隙配合、对过盈配合影响。（2）表面残余应力对零件工作精度的影响 表面层有较大的残余应力，就会影响它们精度的稳定性。13加工表面质量对零件使用性能的影响加工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

7、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配合质量的对配合质量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适度冷硬、残余压应力能提高疲劳强度劳强度粗糙度越大、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，拉应力反压应力提高耐腐蚀性，拉应力反之则降低耐腐蚀性之则降低耐腐蚀性14 机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面。何因素和

8、物理力学因素两个方面。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f5.2 影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施15副偏角主偏角，：进给量，rrrrKKfkctgctgkfH刀尖圆弧半径rrfH28残留面积高度的计算：当刀尖圆弧半径r=0时，残留面积高度H为残留面积高度的计算：当刀尖圆弧半径r0时，残留面积高度H为v 减小进给量f、减小主偏角kr和副偏角kr、增大刀尖圆弧半径r，都能减小理论残留面积的高度H，也就减小了零件的表面粗糙度 162. 非几何因素

9、非几何因素（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。形愈大，加工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳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，常在粗加工或精加工前安排正火或调质糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。处理。v 脆性材料：加工脆性材料时，其切削呈碎粒脆性材料：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状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。点，使表面粗糙。17（2）切削速度的影响）切削速

10、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（对面粗糙度的影响（对积屑瘤和鳞刺积屑瘤和鳞刺的的影响）。加工脆性材料，切削速度影影响）。加工脆性材料，切削速度影响不大。响不大。 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，合理使用此外，合理使用冷却润滑液冷却润滑液，适当适当增大刀具的前角增大刀具的前角，提高，提高刀具刀具的刃磨的刃磨质量等，均能

11、有效地减小质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。表面粗糙度值。振动振动（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。18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 Raf Raap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

12、度 Ra刃磨质量 Ra冷却、润滑 Ra影响加工表面粗糙度的因素影响加工表面粗糙度的因素19外圆磨削外圆磨削二、磨削加工表面粗糙度二、磨削加工表面粗糙度磨削用量：砂轮转速、工件转速、轴向进给量（f）、砂轮纵向进给量（ap）砂轮的六因素：磨料，粒度，结合剂，硬度，组织，形状尺寸20（一）几何因素的影响（一）几何因素的影响 工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的刻痕形成的，工件单位面积上通过的砂粒数越多，则刻痕刻痕形成的，工件单位面积上通过的砂粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。

13、v砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多，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。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响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。相反。工件转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，因此工件转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，因此表面粗糙度值增大表面粗糙度值增大。v砂轮纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被重叠砂轮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。切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小。1. 磨削用量对表面粗糙度值的影响磨

14、削用量对表面粗糙度值的影响21 3. 砂轮修整砂轮修整 砂轮修整除了使砂轮具有正砂轮修整除了使砂轮具有正确的几何形状外，更重要的是确的几何形状外，更重要的是使砂轮工作表面形成排列整齐使砂轮工作表面形成排列整齐而又锐利的微刃。因此，砂轮而又锐利的微刃。因此，砂轮修整的质量对磨削表面的粗糙修整的质量对磨削表面的粗糙度影响很大。度影响很大。 磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨粒在砂轮上的分布越均匀、磨粒越细，刃口的等高性越好。磨粒越细，刃口的等高性越好。则砂轮单位面积上参加磨削的则砂轮单位面积上参加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越细密均匀，表面粗糙度值就越细密均匀，表面粗糙度

15、值就越小。就越小。2. 砂轮粒度砂轮粒度22（二）物理因素的影响（二）物理因素的影响-表面层金属的塑性变形表面层金属的塑性变形 磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多数是负前角，切磨削速度比一般切削速度高得多，且磨粒大多数是负前角，切削刃又不锐利，大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压，没削刃又不锐利，大多数磨粒在磨削过程中只是对被加工表面挤压，没有切削作用。加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起，又由于磨削时有切削作用。加工表面在多次挤压下出现沟槽与隆起，又由于磨削时的高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。的高温更加剧了塑性变形，故表面粗糙度值增大。 1. 磨削用量磨削用量 砂轮的转速

16、砂轮的转速 材料塑性变形材料塑性变形 表面粗表面粗糙度值糙度值 ；磨削深度磨削深度工件速度工件速度 塑性变形塑性变形 表面表面粗糙度值粗糙度值 ； 为提高磨削效率，通常在开始磨削时采用为提高磨削效率，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小较大的径向进给量，而在磨削后期采用较小的径向进给量或无进给量磨削，以减小表面的径向进给量或无进给量磨削，以减小表面粗糙度值。粗糙度值。232. 砂轮的选择砂轮的选择砂轮粒度。磨粒太细，砂轮易砂轮粒度。磨粒太细，砂轮易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，若导热情况不好，还会烧伤大，若导热情况不好，还会烧伤工件表面。工件

17、表面。砂轮硬度。砂轮硬度。太硬，太硬，磨粒脱落磨粒脱落,表表面粗糙度增大；太软，磨粒脱落面粗糙度增大；太软，磨粒脱落,使表面粗糙度值使表面粗糙度值增大增大。硬度合适、。硬度合适、自励性好自励性好Ra砂轮组织。紧密组织在精密磨获砂轮组织。紧密组织在精密磨获得高精度和较小的表面粗糙度值；得高精度和较小的表面粗糙度值；疏松组织不易堵塞。疏松组织不易堵塞。砂轮材料。砂轮材料。氧化物（刚玉）砂轮磨钢类零件；碳化物（碳化硅、碳化硼）砂轮磨铸铁、硬质合金等；高硬材料（人造金刚石、立方氮化硼）砂轮可获极小表面粗糙度值，成本高。磨削液。磨削液。24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

18、 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V Raap、工件V 塑变 Ra粗磨ap生产率精磨ap Ra(ap=0光磨) 影响磨削加工表面粗糙度的因素影响磨削加工表面粗糙度的因素25三、表面粗糙度和表面微观形貌的测量比较法触针法表面微观形貌26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

19、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5.3 影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改善措施影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改善措施27一、加工一、加工 表面层的冷作硬化表面层的冷作硬化（一）表面层加工硬化的产生（一）表面层加工硬化的产生定义：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。28衡量表面层加工硬化程度的指标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HV；2）硬化

20、层深度h；3）硬化程度NN=(HV-HV0)/HV0100 （3-3） 式中 HV0工件原表面层的显微硬度。29（二）影响切削加工表面冷作硬化的因素（二）影响切削加工表面冷作硬化的因素 (2)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(1)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30（三）影响磨削加工表面冷作硬化的因素（三）影响磨削加工表面冷作硬化的因素1.工件材料性能的影响工件材料

21、性能的影响 材料塑性材料塑性 、导热性、导热性 冷硬冷硬2.磨削用量的影响磨削用量的影响背吃刀量背吃刀量磨削力磨削力、塑变、塑变冷硬冷硬纵向进给速度纵向进给速度磨削力磨削力 冷硬冷硬工件转速工件转速弱化弱化冷硬冷硬 磨削速度磨削速度塑变塑变、弱化、弱化 冷硬冷硬3.砂轮粒度的影响砂轮粒度的影响砂轮粒度砂轮粒度 每颗磨粒载荷每颗磨粒载荷冷硬冷硬（四）冷作硬化程度的测量方法31 切削加工中，由于切削热的作用，在工件的加工区及其邻近区域产生了一定的温升。 磨削加工时，表面层有很高的温度，当温度达到相变临界点时，表层金属就发生金相组织变化，强度和硬度降低、产生残余应力、甚至出现微观裂纹，使工件表面呈现

22、氧化膜颜色。这种现象称磨削烧伤磨削烧伤。 二、表层金属的金相组织变化二、表层金属的金相组织变化（一）机械加工表面层金相组织变化32 1）淬火烧伤淬火烧伤 2）回火烧伤回火烧伤 3）退火烧伤退火烧伤 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。淬火钢在磨削时，由于磨削条件不同，产生的磨削磨削烧伤有三种形式烧伤有三种形式

23、： 磨削时工件表面温度超过相变临界温度时，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。33合理选择磨削用量合理选择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）砂轮转速 磨削烧伤2）径向进给量fp 磨削烧伤3） 轴向进给量fa磨削烧伤4）工件速度vw磨削烧伤1)磨削时，砂轮表面上磨粒的切削刃口锋利磨削力磨削区的温度2)磨削导热性差的材料(耐热钢、轴承钢、不锈钢)磨削烧伤3)应合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织

24、磨削烧伤 采用内冷却法 磨削烧伤 （二）减少磨削烧伤的工艺途径采用开槽砂轮采用开槽砂轮间断磨削受热磨削烧伤34三、表面层残余应力三、表面层残余应力定义： 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。35（一）表面层残余应力的产生的原因（一）表面层残余应力的产生的原因 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，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。基体仍处于弹性变形状态。切削后，表层产生残切削后，表层产生残余压应力，而在里层产生残余拉伸应力余压应力，而在里层产生残余拉伸

25、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 比容大的组织比容大的组织比容小的组织比容小的组织体积收缩，产生拉体积收缩，产生拉应力，反之，产生压应力。（密度小，比容大）应力，反之，产生压应力。（密度小，比容大）36磨削裂纹的产生磨削裂纹的产生 磨削裂纹和残余应力有着十分密切的关系。在磨削磨削裂纹和残余应力有着十分密切的关系。在磨削过程中，当工件表面层产生的残余应力超过工件材料的强过程中，当工件表面层产生的残余应力超过工件材料的强度极限时，工件表面就会产生裂纹。磨削裂纹常与烧伤同度极限时，工件

26、表面就会产生裂纹。磨削裂纹常与烧伤同时出现。时出现。 37 机械加工后工件表面层的残余应力是冷态塑性变形、热态塑性变形和金相组织变化的综合结果。 切削加工时起主要作用的往往是冷态塑性变形，表面层常产生残余压缩应力。（二）影响表层金属残余应力的工艺因素（二）影响表层金属残余应力的工艺因素38（三）影响磨削残余应力的工艺因素（三）影响磨削残余应力的工艺因素 磨削加工中，塑性变形大且热量大，工件表面温度高，热因素和塑性变形对磨削表面残余应力的影响均较大。若热因素主导，工件表面产生残余拉应力；若塑性变形主导，工件表面产生残余压应力；当工件表面温度超过相变温度且又冷却充分时，工件表面出现淬火烧伤，此时金

27、相组织变化起主要作用，工件表面产生残余压应力。 精细磨削时，塑性变形起主导作用，工件表面产生残余压应力。39（四）工件最终工序加工方法的选择（四）工件最终工序加工方法的选择考虑零件具体工作条件及零件可能的破坏形式。交变载荷作用下，拉应力造成微观裂纹扩大，导致零件断裂破坏。压应力加工方法。滑动表面，抵抗磨损，拉应力加工方法。表3-3 各种加工方法在工件表面上残留的内应力40四、表面强化工艺四、表面强化工艺指通过冷压加工的方法使表面层金属发生冷态塑性变形，以减小表面粗糙度值，提高表面硬度，并在表面层产生残余压应力的表面强化工艺。滚压机轧辊表面强化滚压机轧辊表面强化41（一） 喷丸强化42 喷丸强化

28、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，珠丸挤压工件表面的状态, 可显著提高零件的疲劳强度。 珠丸珠丸可以是铸铁的，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0.24mm，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。 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。经喷丸加工后的表面，硬化层深度可达0.7mm，零件表面粗糙度值可由Ra52.5m 减小到Ra0.630.32m ，可几倍甚至几十倍

29、几倍甚至几十倍地提高零件的使用寿命地提高零件的使用寿命。43（二）滚压加工飞机起落架螺栓44 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，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疲劳强度。 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。典型的滚压加工示意图。45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；质量

30、； 振动会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨损；振动会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨损；振动使机床连接部分松动，影响运动副的工作性能，并导致机床振动使机床连接部分松动，影响运动副的工作性能，并导致机床丧失精度；丧失精度； 强烈的振动及伴随而来的噪声，还会污染环境，危害操作者的身强烈的振动及伴随而来的噪声，还会污染环境，危害操作者的身心健康。为减小加工过程中的振动，有时不得不降低切削用量，使机心健康。为减小加工过程中的振动，有时不得不降低切削用量，使机械加工生产率降低。械加工生产率降低。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

31、5.4 5.4 机械加工中的振动机械加工中的振动46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。(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。(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中振动的种类及

32、其主要特点47（一）强迫振动产生的原因（一）强迫振动产生的原因系统外部的周期性干扰力系统外部的周期性干扰力机外振源（通过地基）、机内震源机外振源（通过地基）、机内震源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传动机构的缺陷油泵排出的压力油脉动性油泵排出的压力油脉动性切削过程的间隙特性切削过程的间隙特性 往复运动往复运动二、机械加工过程中的强迫振动与控制二、机械加工过程中的强迫振动与控制481）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。2）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。3）强迫振动的幅值既与激振力的幅值有关，又与工艺

33、系统的特性有关。 激振力的影响。 A0 = F/k（二）（二）强迫振动的特征强迫振动的特征49）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，此现象称为会急剧增大，此现象称为共振共振，0.7 1.4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。2220)2()1 (1AA 频率比的影响50三、机械加工中的自激振

34、动（颤振）三、机械加工中的自激振动（颤振） 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。 激励工艺系统产生振动运动的交变力是由切削过程本切削过程本身身产生的，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。51不衰减的振动不衰减的振动自激振动自激振动特点特点它由振动过程本

35、身引起它由振动过程本身引起切削力周期性变化，从切削力周期性变化，从不具备交变特性的能源不具备交变特性的能源中周期获得能量，使振中周期获得能量，使振动得以维持。动得以维持。自激振动由振动系统本自激振动由振动系统本身参数决定，与强迫振身参数决定，与强迫振动显著不同。动显著不同。自由振动自由振动受阻尼作用将迅速衰减，受阻尼作用将迅速衰减，而自激振动不会因阻尼而自激振动不会因阻尼存在而衰减。存在而衰减。自激振动的频率接近于系统自激振动的频率接近于系统的固有频率，即颤振频率取的固有频率，即颤振频率取决于振动系统的固有特性。决于振动系统的固有特性。这与自由振动相似，而与强这与自由振动相似，而与强迫振动根本

36、不同迫振动根本不同E A1 A0 A2 AE-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自激振动的特征自激振动的特征 52自激振动的激振机理：再生原理、振型耦合原理、负摩擦原理、滞后原理。53四、机械加工振动的诊断技术四、机械加工振动的诊断技术机械加工中产生振动分两大类：强迫振动和自激振机械加工中产生振动分两大类：强迫振动和自激振动（颤振）。自激振动（颤振）又分动（颤振）。自激振动（颤振）又分4种类型。种类型。机械加工振动诊断机械加工振动诊断：（1）分清强迫、自激振动）分清强迫、自激振动（2）进一步分清自激振动）进一步分清自激振动1强迫振

37、动诊断强迫振动诊断诊断依据诊断依据：强迫振动频率和外界干扰力频率相同：强迫振动频率和外界干扰力频率相同（或整数倍）。（或整数倍）。强迫振动诊断方法和诊断步骤强迫振动诊断方法和诊断步骤：(1)现场加工振动信号提取现场加工振动信号提取(2)频谱分析频谱分析(3)环境试验，查机外振源（停机）环境试验，查机外振源（停机）(4)空转试验，查机内振源（空转，不加工）空转试验，查机内振源（空转，不加工）(5)查干扰力源，确定机内震源查干扰力源，确定机内震源54 （1)1)时域分析法时域分析法（直观） 了解信号的幅值和时间的关系，确定振动的程度，设备是否有故障及严重程度。不能确定故障部位（特征量的统计分析、相

38、关分析等、均值、有效值、均方根值、方差等）。（2)2)频域分析法频域分析法(了解信号的频率结构，寻找故障源) 幅值谱分析-应用傅里叶变换、傅里叶傅里叶积分将时域信号变为频域信号。 功率谱分析-在频域中对信号能量或功率分布情况的描述。 滤波谱-分析平稳性故障信号 解调谱-分析冲击性故障信号机械振动故障诊断信号分析方法机械振动故障诊断信号分析方法552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

39、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。56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。2） 吸振器的原理及应用吸振器的原理及应用a) 动力吸振器动力吸振器b)

40、摩擦减震器摩擦减震器c)冲击吸振器冲击吸振器57阻尼器减振装置58 用于镗刀杆的 动力吸振器 冲击式吸振器 1自由质量 2弹簧 3螺钉591)加工表面质量（表面粗糙度、波度、纹理方向、表面缺陷）及其对使用性能的影响2)影响加工表面粗糙度的工艺因素（几何、物理）及其改善措施3)影响表层金属力学物理性能（冷作硬化、表层金相组织变化、残余应力，表面强化工艺）的工艺因素及其改善措施4)机械加工中的振动：强迫振动、自激振动习题习题P140页页第第1，3，7，16，18，21，22题题本章小结本章小结606162图图 加工变质层加工变质层63图3-6 车削、刨削时残留面积高度64图3-7 加工塑性材料时切

41、削速度对表面粗糙度的影响6566砂轮上的磨粒67 图3-23 内冷却装置1锥形盖 2通道孔 3砂轮中心孔 4有径向小孔的薄壁套68 图3-24 开槽砂轮 a） 槽均匀分布 b）槽均匀分布 69图3-19 切削热在表层金属产生残余拉应力的示意图70图3-25 滚压加工原理717273图图3-32 自激振动系统的组成自激振动系统的组成74 如图4-27a所示为单自由度机械加工振动模型。设工件系统为绝对刚体，振动系统与刀架相连，且只在y方向作单自由度振动。 在背向力Fp作用下，刀具作切入、切出运动（振动）。刀架振动系统同时还有F弹作用在它上面。y越大，F弹也越大，当Fp=F弹时，刀架的振动停止。 对

42、上述振动系统而言，背向力Fp是外力，Fp对振动系统作功如图4-27b所示。 刀具切入，其运动方向与背向力方向相反，作负功；即振动系统要消耗能量W振入； 刀具切出，其运动方向与背向力方向相同，作正功；即振动系统要吸收能量W振出；（二）产生自激振动的条件（二）产生自激振动的条件75图图3-27 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76（1）当W振出W振入时，刀架振动系统将有持续的自激振动产生。77三种情况： W振出=W振入+ W摩阻（振入）时，系统有稳幅的自激振动； W振出W振入+ W摩阻（振入）时，系统为振幅递增的自激

43、振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动； W振出 W振入+ W摩阻（振入）时，系统为振幅递减的自激 振动，至一定程度，系统有稳幅的自激振动；故振动系统产生自激振动的基本条件是：W振出W振入或 FP振出FP振入78（三）自激振动的激振机理（三）自激振动的激振机理1. 再生颤振原理再生颤振原理如图3-30所示，车刀只做横向进给。 在稳定的切削过程中，刀架系统因材料的硬点，加工余量不均匀，或其它原因的冲击等，受到偶然的扰动。刀架系统因此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

44、。 将这种由于切削厚度的变化而引起的自激振动，称为 “再生颤振”。79图3-30 自由正交切削图3-31 再生颤振的产生过程80再生颤振产生的条件再生颤振产生的条件 图3-32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面。结论：在再生颤振中，只有当后一转的振纹的相位滞后于前一转振纹时才有可能产生再生颤振。 a）前后两转的振纹没有相位差（=0）图4-32a b）前后两转的振纹相位差为=图4-32b c）后一转的振纹相位超前，0 -图4-32d81图3-32 再生颤振时振纹相位角与平均切削厚度的关系 a）=0 b）= c）0 -82一般 01，径向切入=1（切槽、

45、钻、端铣等）横向切削01车方牙螺纹，=0，无重迭切削，不可能发生再生颤振。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） / B B切削宽度， f 进给量。832. 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3-33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k1 k2）刚度低的方向振型为x1，刚度高的方向振型为x2。84 纵车方牙螺纹外表面85图图3-33 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