機械制造工藝學：第三章 機械加工表面質量

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1、第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 表面粗糙度及其影響因素：表面粗糙度及其影響因素：第三節(jié)第三節(jié) 表面層的物理、機械性能的影響因素。表面層的物理、機械性能的影響因素。第四節(jié)第四節(jié) 控制加工表面質量的途徑控制加工表面質量的途徑第五節(jié)第五節(jié) 加工中的振動加工中的振動1零件的機械加工質量不僅指加工精度，而且零件的機械加工質量不僅指加工精度，而且零件的機械加工質量不僅指加工精度，而且零件的機械加工質量不僅指加工精度，而且包括加工表面質量。包括加工表面質量。包括加工表面質量。包括加工表面質量。機械加工后的零件表面實際上不是理想的光滑表面，機械加工后的零件表面實際上不是理想的光滑表面，機械加工后的零件表面

2、實際上不是理想的光滑表面，機械加工后的零件表面實際上不是理想的光滑表面，它存在著不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂紋等表面缺陷。它存在著不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂紋等表面缺陷。它存在著不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂紋等表面缺陷。它存在著不同程度的表面粗糙度、冷硬、裂紋等表面缺陷。雖然只有極薄的一層（幾微米雖然只有極薄的一層（幾微米雖然只有極薄的一層（幾微米雖然只有極薄的一層（幾微米 幾十微米），但都錯綜復幾十微米），但都錯綜復幾十微米），但都錯綜復幾十微米），但都錯綜復雜地影響著機械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蝕雜地影響著機械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蝕雜地影響著機械零件的精度、

3、耐磨性、配合精度、抗腐蝕雜地影響著機械零件的精度、耐磨性、配合精度、抗腐蝕性和疲勞強度等，從而影響產品的使用性能和壽命，因此性和疲勞強度等，從而影響產品的使用性能和壽命，因此性和疲勞強度等，從而影響產品的使用性能和壽命，因此性和疲勞強度等，從而影響產品的使用性能和壽命，因此必須加以足夠的重視。必須加以足夠的重視。必須加以足夠的重視。必須加以足夠的重視。第一節(jié)第一節(jié)概概述述2零件表面質量零件表面質量表面粗糙度表面粗糙度表面波度表面波度表面物理力學表面物理力學性能的變化性能的變化表面微觀幾何表面微觀幾何形狀特征形狀特征表面層冷作硬化表面層冷作硬化表面層殘余應力表面層殘余應力表面層金相組織的變化表面

4、層金相組織的變化一、表面質量的含義（內容）一、表面質量的含義（內容）3二、表面質量對零件使用性能的影響二、表面質量對零件使用性能的影響1表面質量對零件耐磨性的影響表面質量對零件耐磨性的影響4圖圖31 表面粗糙度與初期磨損量的關系表面粗糙度與初期磨損量的關系5（2）表面層的冷作硬化對零件耐磨性的影響）表面層的冷作硬化對零件耐磨性的影響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。因為它使磨擦副表面層金屬的顯微硬度提高，因為它使磨擦副表面層金屬的顯微硬度提高，塑性降低，減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和塑性降低，減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和塑性變形。塑性

5、變形。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。這是這是因為過分的冷作硬化，將引起金屬組織過度因為過分的冷作硬化，將引起金屬組織過度“疏疏松松”，在相對運動中可能會產生金屬剝落，在接，在相對運動中可能會產生金屬剝落，在接觸面間形成小顆粒，使零件加速磨損。觸面間形成小顆粒，使零件加速磨損。62表面質量對零件疲勞強度的影響表面質量對零件疲勞強度的影響（1）表面粗糙度對零件疲勞強度的影響）表面粗糙度對零件疲勞強度的影響表面粗糙度越大，抗疲勞破壞的能力越差。表面粗糙度越大，抗疲勞破壞的能力越差。對承受交變載荷零件的疲勞強度影響很大。在交對承受交變載荷零件的疲勞強度影響很大

6、。在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應力變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應力集中，產生疲勞裂紋。集中，產生疲勞裂紋。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲勞表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲勞性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的紋痕越深，性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的紋痕越深，紋底半徑越小，其抗疲勞破壞的能力越差。紋底半徑越小，其抗疲勞破壞的能力越差。7894表面質量對零件耐腐蝕性能的影響表面質量對零件耐腐蝕性能的影響（1）表面粗糙度對零件耐腐蝕性能的影響）表面粗糙度對零件耐腐蝕性能的影響零件表面越粗糙，越容易積聚腐蝕性物質，凹谷越深，零件表面越粗糙，越容易

7、積聚腐蝕性物質，凹谷越深，滲透與腐蝕作用越強烈。滲透與腐蝕作用越強烈。因此因此減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能。能。（2）表面殘余應力對零件耐腐蝕性能的影響）表面殘余應力對零件耐腐蝕性能的影響零件表面殘余壓應力使零件表面緊密，腐蝕性物質不零件表面殘余壓應力使零件表面緊密，腐蝕性物質不易進入，可增強零件的耐腐蝕性，而表面殘余拉應力則降易進入，可增強零件的耐腐蝕性，而表面殘余拉應力則降低零件耐腐蝕性。低零件耐腐蝕性。表面質量對零件使用性能還有其它方面的影響：表面質量對零件使用性能還有其它方面的影響：如減如減小表面粗糙度可提高零件的接觸剛度、密封

8、性和測量精度；小表面粗糙度可提高零件的接觸剛度、密封性和測量精度；對滑動零件，可降低其摩擦系數(shù)，從而減少發(fā)熱和功率損對滑動零件，可降低其摩擦系數(shù)，從而減少發(fā)熱和功率損失。失。10表面質量對零件使用性能的影響表面質量對零件使用性能的影響零件表面質量零件表面質量粗糙度太大、太小都不耐磨粗糙度太大、太小都不耐磨適度冷硬能提高耐磨性適度冷硬能提高耐磨性對疲勞強度的對疲勞強度的影響影響對耐磨性影響對耐磨性影響對耐腐蝕性能對耐腐蝕性能的影響的影響對工作精度的對工作精度的影響影響粗糙度越大，疲勞強度越差粗糙度越大，疲勞強度越差適度冷硬、殘余壓應力能提高疲勞適度冷硬、殘余壓應力能提高疲勞強度強度粗糙度越大、工

9、作精度降低粗糙度越大、工作精度降低殘余應力越大，工作精度降低殘余應力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蝕性越差粗糙度越大，耐腐蝕性越差壓應力提高耐腐蝕性，拉應力反之壓應力提高耐腐蝕性，拉應力反之則降低耐腐蝕性則降低耐腐蝕性11第二節(jié)、第二節(jié)、影響加工表面粗糙度的主要因素及其控制影響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、幾何因素、幾何因素主偏角主偏角kr、副偏角副偏角kr刀尖圓弧半徑刀尖圓弧半徑r進給量進給量f（圖圖32）H=f/(cotr+cotr)(8-1)H=f2/(8r)(8-2)12圖圖32 車削、刨削時殘留面積高度車削、刨削時殘留面積高度

10、132、物理力學因素、物理力學因素（1）工件材料的影響）工件材料的影響v韌性材料：工件材料韌性愈好，金屬塑性變形愈大，韌性材料：工件材料韌性愈好，金屬塑性變形愈大，加工表面愈粗糙。加工表面愈粗糙。故對中碳鋼和低碳鋼材料的工件，故對中碳鋼和低碳鋼材料的工件，為改善切削性能，減小表面粗糙度，常在粗加工或為改善切削性能，減小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或調質處理。精加工前安排正火或調質處理。v脆性材料：加工脆性材料時，其切削呈碎粒狀，脆性材料：加工脆性材料時，其切削呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點，使表由于切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點，使表面粗糙。面粗糙。14（2）

11、切削速度的影響）切削速度的影響加工塑性材料時，切削速度對表加工塑性材料時，切削速度對表面粗糙度的影響（對積屑瘤和鱗刺的面粗糙度的影響（對積屑瘤和鱗刺的影響）見如影響）見如圖圖3-3所示。所示。此外，切削速度越高，塑性變形此外，切削速度越高，塑性變形越不充分，表面粗糙度值越小越不充分，表面粗糙度值越小選擇低速寬刀精切和高速精切，選擇低速寬刀精切和高速精切，可以得到較小的表面粗糙度?？梢缘玫捷^小的表面粗糙度。（4）其它因素的影響）其它因素的影響此外，合理使用冷卻潤滑液，此外，合理使用冷卻潤滑液，適當增大刀具的前角，提高刀具適當增大刀具的前角，提高刀具的刃磨質量等，均能有效地減小的刃磨質量等，均能有

12、效地減小表面粗糙度值。表面粗糙度值。（3）進給量的影響）進給量的影響減小進給量減小進給量f固然可以減小固然可以減小表面粗糙度值，但表面粗糙度值，但進給量過小，進給量過小，表面粗糙度會有增大的趨勢。表面粗糙度會有增大的趨勢。15圖圖33 加工塑性材料時切削速度對表面粗糙度的影響加工塑性材料時切削速度對表面粗糙度的影響16影響切削加工表面影響切削加工表面粗糙度的因素粗糙度的因素刀具幾何形狀刀具幾何形狀刀具材料、刃磨質量刀具材料、刃磨質量切削用量切削用量工件材料工件材料殘留面積 Ra前角 Ra后角摩擦Ra刃傾角會影響實際工作前角 v Raf Raap對Ra影響不大，太小會打滑，劃傷已加工表面材料塑性

13、 Ra同樣材料晶粒組織大 Ra，常用正火、調質處理刀具材料強度 Ra刃磨質量 Ra冷卻、潤滑 Ra17（二）磨削加工表面粗糙度（二）磨削加工表面粗糙度1、磨削中影響粗糙度的幾何因素磨削中影響粗糙度的幾何因素磨粒在砂輪上的分布越磨粒在砂輪上的分布越均勻、磨粒越細，刃口的等均勻、磨粒越細，刃口的等高性越好。則砂輪單位面積高性越好。則砂輪單位面積上參加磨削的磨粒越多，磨上參加磨削的磨粒越多，磨削表面上的刻痕就越細密均削表面上的刻痕就越細密均勻，表面粗糙度值就越小。勻，表面粗糙度值就越小。（1）砂輪的磨粒）砂輪的磨粒18v砂輪轉速越高，單位時間內通過被磨表面的磨粒數(shù)越砂輪轉速越高，單位時間內通過被磨表

14、面的磨粒數(shù)越多，表面粗糙度值就越小。多，表面粗糙度值就越小。v工件轉速對表面粗糙度值的影響剛好與砂輪轉速的影工件轉速對表面粗糙度值的影響剛好與砂輪轉速的影響相反。響相反。工件的轉速增大，通過加工表面的磨粒數(shù)減少，工件的轉速增大，通過加工表面的磨粒數(shù)減少，因此表面粗糙度值增大因此表面粗糙度值增大。v砂輪的縱向進給量小于砂輪的寬度時，工件表面將被砂輪的縱向進給量小于砂輪的寬度時，工件表面將被重疊切削，而被磨次數(shù)越多，工件表面粗糙度值就越小。重疊切削，而被磨次數(shù)越多，工件表面粗糙度值就越小。（3）磨削用量）磨削用量（2）砂輪修整）砂輪修整砂輪修整除了使砂輪具砂輪修整除了使砂輪具有正確的幾何形狀外，更

15、重有正確的幾何形狀外，更重要的是使砂輪工作表面形成要的是使砂輪工作表面形成排列整齊而又銳利的微刃。排列整齊而又銳利的微刃。因此，砂輪修整的質量對磨因此，砂輪修整的質量對磨削表面的粗糙度影響很大。削表面的粗糙度影響很大。19圖圖34 砂輪上的磨粒砂輪上的磨粒202、磨削中影響粗糙度的物理因素磨削中影響粗糙度的物理因素（1）磨削用量）磨削用量砂輪的轉速砂輪的轉速材料塑性變形材料塑性變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變形塑性變形表表面粗糙度值面粗糙度值；為提高磨削效率，通常在開始磨削時采為提高磨削效率，通常在開始磨削時采用較大的徑向進給量，而在磨削后期采用較用較大的

16、徑向進給量，而在磨削后期采用較小的徑向進給量或無進給量磨削，以減小表小的徑向進給量或無進給量磨削，以減小表面粗糙度值。面粗糙度值。21（2）工件材料）工件材料太硬易使磨粒磨鈍太硬易使磨粒磨鈍 Ra ；太軟容易堵塞砂輪太軟容易堵塞砂輪Ra ；韌性太大，熱導率差會使磨粒韌性太大，熱導率差會使磨粒早期崩落早期崩落Ra 。（2）砂輪粒度與硬度）砂輪粒度與硬度磨粒太細，砂輪易被磨屑磨粒太細，砂輪易被磨屑堵塞，使表面粗糙度值增大，堵塞，使表面粗糙度值增大，若導熱情況不好，還會燒傷若導熱情況不好，還會燒傷工件表面。工件表面。砂輪太硬，使表面粗糙度增大；砂輪太硬，使表面粗糙度增大；砂輪選得太軟，使表面粗糙度砂

17、輪選得太軟，使表面粗糙度值增大。值增大。22影響磨削加工表面影響磨削加工表面粗糙度的因素粗糙度的因素粒度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砂輪粒度砂輪粒度工件材料性質工件材料性質砂輪修正砂輪修正磨削用量磨削用量砂輪硬度砂輪硬度砂輪V Raap、工件V 塑變 Ra粗磨ap生產率精磨ap Ra(ap=0光磨)23影響表面層物理機械性能的主要因素影響表面層物理機械性能的主要因素表面物理力學表面物理力學性能性能影響金相組織變化影響金相組織變化因素因素影響顯微硬度因素影響顯微硬度因素影響

18、殘余應力因素影響殘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241.表面層的冷作硬化表面層的冷作硬化（1 1）表面層加工硬化的產生表面層加工硬化的產生定義：定義：機械加工時，工件表面層金屬受到機械加工時，工件表面層金屬受到切削力的作用產生強烈的塑性變形，使晶切削力的作用產生強烈的塑性變形，使晶格扭曲，晶粒間產生剪切滑移，晶粒被拉格扭曲，晶粒間產生剪切滑移，晶粒被拉長、纖維化甚至碎化，從而使表面層的強長、纖維化甚至碎化，從而使表面層的強度和硬度增加，這種現(xiàn)象稱為加工硬化，度和硬度增加，這種現(xiàn)象稱為加工硬化，又稱冷作硬化和強化。又稱冷作硬化和強化。25

19、（2 2）衡量表面層加工硬化的指標衡量表面層加工硬化的指標衡量表面層加工硬化程度的指標有下列三項：衡量表面層加工硬化程度的指標有下列三項：1）表面層的顯微硬度）表面層的顯微硬度HV；2）硬化層深度硬化層深度h；3）硬化程度硬化程度NN=(HV-HV0)/HV0100式中式中HV0工件原表面層的顯微硬度。工件原表面層的顯微硬度。26（3）影響表面層加工硬化的因素）影響表面層加工硬化的因素刀具幾何形狀的影響刀具幾何形狀的影響切削刃切削刃r、前角前角、后面磨損量、后面磨損量VB表層金屬的塑變加劇表層金屬的塑變加劇冷硬冷硬切削用量的影響切削用量的影響切削速度切削速度v塑變塑變冷硬冷硬f切削力切削力塑變

20、塑變冷硬冷硬工件材料性能的影響工件材料性能的影響 材料塑性材料塑性冷硬冷硬272.表面層殘余應力表面層殘余應力定義：定義：機械加工中工件表面層組織發(fā)生機械加工中工件表面層組織發(fā)生變化時，在表面層及其與基體材料的交變化時，在表面層及其與基體材料的交界處會產生互相平衡的彈性力。這種應界處會產生互相平衡的彈性力。這種應力即為表面層的殘余應力。力即為表面層的殘余應力。28（1）表面層殘余應力的產生）表面層殘余應力的產生1）冷態(tài)塑變冷態(tài)塑變 工件表面受到擠壓與摩擦，表層產生伸長塑變，基體仍處于彈性變形狀態(tài)。切削后，表層產生殘余壓應力，而在里層產生殘余拉伸應力。2）熱態(tài)塑變熱態(tài)塑變 表層產生殘余拉應力，里

21、層產生產生殘余壓應力(其原理見圖3-5)3）金相組織變化金相組織變化 比容大的組織比容小的組織體積收縮，產生拉應力，反之，產生壓應力。（密度小，比容大）29圖圖3-5 切削熱在表層金屬產生殘余拉應力的示意圖切削熱在表層金屬產生殘余拉應力的示意圖30（2 2）磨削裂紋的產生）磨削裂紋的產生（3 3）影響表面殘余應力的主要因素）影響表面殘余應力的主要因素31三、表面層金相組織變化與磨削燒傷三、表面層金相組織變化與磨削燒傷1.1.表面層金相組織變化與磨削燒傷的產生表面層金相組織變化與磨削燒傷的產生32淬火燒傷淬火燒傷回火燒傷回火燒傷退火燒傷退火燒傷 磨削時工件表面溫度超過相變臨界溫度Ac3時，則馬氏

22、體轉變?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，表面層總的硬度是降低的，這種現(xiàn)象稱為淬火燒傷。磨削時，如果工件表面層溫度只是超過原來的回火溫度，則表層原來的回火馬氏體組織將產生回火現(xiàn)象而轉變?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，當工件表面層溫度超過相變臨界溫度Ac3時，則馬氏體轉變?yōu)閵W氏體。若此時無冷卻液，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。2.磨削燒傷的三種形式磨削燒傷的三種形式33磨削用量磨削用

23、量砂輪與工件材料砂輪與工件材料改善冷卻條件改善冷卻條件1）砂輪轉速 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，砂輪表面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、結合劑和組織磨削燒傷 采用內冷卻法 磨削燒傷 圖3-63.影響磨削燒傷的因素及改善途徑采用開槽砂輪采用開槽砂輪間斷磨削受熱磨削燒傷圖37 34 圖圖3-6 內冷卻裝置內冷卻裝置1錐形蓋錐形蓋 2通道孔通道孔 3砂輪中心孔砂輪中心孔 4有徑向小孔的薄壁套有徑向小孔的薄壁套35 圖圖37 開槽砂輪開槽砂輪 a

24、）槽均勻分布槽均勻分布 b）槽均勻分布槽均勻分布 36第四節(jié)第四節(jié)控制加工表面質量的途徑控制加工表面質量的途徑提高表面質量的途徑：控制磨削參數(shù)采用超精加工，珩磨等光整加工方法作為最終加工工序采用噴丸、滾壓、輾光等強化工藝表面質量的檢查371滾壓加工滾壓加工滾壓加工是利用經(jīng)過淬火和精細研磨過的滾輪或滾壓加工是利用經(jīng)過淬火和精細研磨過的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)下對金屬表面進行擠壓，使受壓滾珠，在常溫狀態(tài)下對金屬表面進行擠壓，使受壓點產生彈性和塑性變形，表層的凸起部分向下壓，點產生彈性和塑性變形，表層的凸起部分向下壓，凹下部分向上擠，逐漸將前工序留下的波峰壓平，凹下部分向上擠，逐漸將前工序留下的波峰壓

25、平，降低了表面粗糙度；同時它還能使工件表面產生硬降低了表面粗糙度；同時它還能使工件表面產生硬化層和殘余壓應力。因此提高了零件的承載能力和化層和殘余壓應力。因此提高了零件的承載能力和疲勞強度。疲勞強度。滾壓加工可以加工外圓、孔、平面及成型表面，滾壓加工可以加工外圓、孔、平面及成型表面，通常在普通車床、轉塔車床或自動車床上進行。如通常在普通車床、轉塔車床或自動車床上進行。如圖圖38為典型的滾壓加工示意圖。為典型的滾壓加工示意圖。38圖圖38 滾壓加工原理滾壓加工原理392.噴丸強化噴丸強化噴丸強化是利用大量快速運動的珠丸打擊被加工工件表面，使噴丸強化是利用大量快速運動的珠丸打擊被加工工件表面，使工

26、件表面產生冷硬層和壓縮殘余應力，如圖工件表面產生冷硬層和壓縮殘余應力，如圖8-13所示為珠丸擠壓工所示為珠丸擠壓工件表面的狀態(tài)件表面的狀態(tài),可顯著提高零件的疲勞強度?？娠@著提高零件的疲勞強度。珠丸可以是鑄鐵的，也可以是切成小段的鋼絲（使用一段時間珠丸可以是鑄鐵的，也可以是切成小段的鋼絲（使用一段時間后，自然變成球狀）。對于鋁質工件，為避免表面殘留鐵質微粒而后，自然變成球狀）。對于鋁質工件，為避免表面殘留鐵質微粒而引起電解腐蝕，宜采用鋁丸或玻璃丸。珠丸的直徑一般為引起電解腐蝕，宜采用鋁丸或玻璃丸。珠丸的直徑一般為0.24mm，對于尺寸較小、表面粗糙度值較小的工件，采用直徑較小的珠丸。對于尺寸較小

27、、表面粗糙度值較小的工件，采用直徑較小的珠丸。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，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，如板彈簧、螺旋彈簧、連桿、齒輪、焊縫等。經(jīng)噴丸加工后的表面，如板彈簧、螺旋彈簧、連桿、齒輪、焊縫等。經(jīng)噴丸加工后的表面，硬化層深度可達硬化層深度可達0.7mm，零件表面粗糙度值可由零件表面粗糙度值可由Ra52.5m減小到減小到Ra0.630.32m，可幾倍甚至幾十倍地提高零件的使用壽命。可幾倍甚至幾十倍地提高零件的使用壽命。40第五節(jié)第五節(jié)機械加工中的振動機械加工中的振動一、機械加工中的振動現(xiàn)象一、機械加工中的振動現(xiàn)象1、振動對機械加工的

28、影響、振動對機械加工的影響412 2、機械加工中振動的種類及其主要特點、機械加工中振動的種類及其主要特點機械加工振動機械加工振動自激振動自激振動自由振動自由振動強迫振動強迫振動當系統(tǒng)受到初始干擾力激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，如圖39a所示。(占5%)系統(tǒng)在周期性激振力(干擾力)持續(xù)作用下產生的振動，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。如圖3-9b所示。(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。切削過程中產生的

29、自激振動也稱為顫振。(占65%)42圖圖圖圖3 39 9 43一）強迫振動的振源一）強迫振動的振源系統(tǒng)外部的周期性干擾力系統(tǒng)外部的周期性干擾力旋轉零件的質量偏心旋轉零件的質量偏心傳動機構的缺陷傳動機構的缺陷切削過程的間隙特性切削過程的間隙特性二、機械加工中的強迫振動與控制二、機械加工中的強迫振動與控制44二）強迫振動的數(shù)學描述及特性二）強迫振動的數(shù)學描述及特性1、動力學模型的建立、動力學模型的建立幾點假設：幾點假設：1）（a）只有質量、沒有彈性的集中質量，（b）只有彈性、沒有質量的集中彈簧；2）阻尼力在線性范圍內，即：3）系統(tǒng)在平衡位置附近作微小的振動（圖310示）45 圖310 內圓磨削振動

30、系統(tǒng) a)模型示意圖 b）動力學模型 c）受力圖46根據(jù)牛頓運動規(guī)律建立微分方程：式中 衰減系數(shù)，0系統(tǒng)無阻尼振動時的固有頻率，激振力頻率 該式是一個二階常系數(shù)線性非齊次微分方程。根據(jù)微分方程理論，當系統(tǒng)為小阻尼時，它的解由令而得到的齊次方程的通解和非齊次方程的一個特解組成：47a）有阻尼的自由振動b）強迫振動c）有阻尼的自由振動和強迫振動的合成48進入穩(wěn)態(tài)后的振動方程為：進入穩(wěn)態(tài)后的振動方程為：式中 A強迫振動的幅值；振動體位移相對于激振力的相位角；t 時間其中強迫振動的振幅為：相位角為：49式中 f f=F/m；A0系統(tǒng)在靜力F作用下的靜位移（m)k系統(tǒng)的靜剛度（N/m）；頻率比，/0阻尼

31、比，c臨界阻尼系數(shù)，501）強迫振動是由周期性激振力引起的，不會被阻尼衰減掉，）強迫振動是由周期性激振力引起的，不會被阻尼衰減掉，振動本身也不能使激振力變化。振動本身也不能使激振力變化。2）強迫振動的振動頻率與外界激振力的頻率相同，而與系）強迫振動的振動頻率與外界激振力的頻率相同，而與系統(tǒng)的固有頻率無關。統(tǒng)的固有頻率無關。3）強迫振動的幅值既與激振力的幅值有關，又與工藝系統(tǒng)強迫振動的幅值既與激振力的幅值有關，又與工藝系統(tǒng)的特性有關。的特性有關。激振力的激振力的影響影響。A0=F/k2、強迫振動的特征強迫振動的特征51）當）當0時，時，1，0.60.7，準靜態(tài)區(qū)，在該區(qū)增準靜態(tài)區(qū)，在該區(qū)增加系統(tǒng)

32、靜剛度，可減小振動。加系統(tǒng)靜剛度，可減小振動。）當）當1時，時，會急劇增大，此現(xiàn)象稱為共振，會急劇增大，此現(xiàn)象稱為共振，0.71.4的區(qū)域稱為共振區(qū)，在該區(qū)增大阻尼的區(qū)域稱為共振區(qū)，在該區(qū)增大阻尼共振共振）當）當1時，時，0，1.4區(qū)域稱為慣性區(qū)，在該區(qū)域稱為慣性區(qū)，在該區(qū)增加振動體的質量，可減小振動振幅。區(qū)增加振動體的質量，可減小振動振幅。頻率比頻率比的影響（的影響（圖圖311示示）5253三、三、減小強迫振動的措施減小強迫振動的措施減小激振力 調整振源頻率 提高工藝系統(tǒng)的剛度和阻尼采取隔振措施 采用減振裝置。3、振動系統(tǒng)的動剛度振動系統(tǒng)的動剛度當系統(tǒng)在周期性動載荷作用下，交當系統(tǒng)在周期性動

33、載荷作用下，交變力的幅值與振幅（動態(tài)位移）之比稱變力的幅值與振幅（動態(tài)位移）之比稱為系統(tǒng)的動剛度。即：為系統(tǒng)的動剛度。即：靜剛度靜剛度k=F/A0是工藝系統(tǒng)本身的屬性，在線性范圍內，是工藝系統(tǒng)本身的屬性，在線性范圍內，可以認為它與外載荷無關，動剛度可以認為它與外載荷無關，動剛度kd除與除與k成正比外，還與成正比外，還與系統(tǒng)阻尼、頻率比系統(tǒng)阻尼、頻率比有關。靜剛度影響工件的幾何形狀及尺有關。靜剛度影響工件的幾何形狀及尺寸精度，動剛度影響工件的表面粗糙度。寸精度，動剛度影響工件的表面粗糙度。54三、機械加工中的自激振動與控制三、機械加工中的自激振動與控制1自激振動的產生及特征自激振動的產生及特征

34、在實際加工過程中，由于偶然的外界干擾（如工件材料硬度不均、加工余量有變化等），會使切削力發(fā)生變化，從而使工藝系統(tǒng)產生自由振動。系統(tǒng)的振動必然會引起工件、刀具間的相對位置發(fā)生周期性變化，這一變化若又引起切削力的波動，則使工藝系統(tǒng)產生振動。因此通常將自激振動看成是由振動系統(tǒng)（工藝系統(tǒng)）和調節(jié)系統(tǒng)（切削過程）兩個環(huán)節(jié)組成的一個閉環(huán)系統(tǒng)，如圖312所示。激勵工藝系統(tǒng)產生振動運動的交變力是由切削過程本身切削過程本身產生的，而切削過程同時又受工藝系統(tǒng)的振動的控制，工藝系統(tǒng)的振動一旦停止，動態(tài)切削力也就隨之消失55圖圖312 自激振動系統(tǒng)的組成自激振動系統(tǒng)的組成56（2）自激振動的特征）自激振動的特征自激振動自激振動特點特點不衰減的振動不衰減的振動它由振動過程本身引起切削力周期性變化，從不具備交變特性的能源中周期獲得能量，使振動得以維持。自激振動由振動系統(tǒng)本身參數(shù)決定，與強迫振動顯著不同。自由振動受阻尼作用將迅速衰減，而自激振動不會因阻尼存在而衰減。自激振動的頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率，即顫振頻率取決于振動系統(tǒng)的固有特性。這與自由振動相似，而與強迫振動根本不同EE AA1 1 A A0 0 AA22 A AEE-E+E+f自自=f固固取決于一周期獲得的能量取決于一周期獲得的能量取決于切削過程本身取決于切削過程本身57