机械加工表面质量及其控制.ppt

1,机械加工表面质量及其控制,本章要点,表面质量及对使用性能影响,影响表面粗糙度工艺因素,机械加工中的振动,影响表层物理性能工艺因素,2,第3章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality,3.1加工表面质量及其对使用性能的影响MachiningSurfaceQualityanditsInfluencetoUsePerformance,机械制造工艺学,3,表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）,表面质量,加工质量包含的内容,3.1.1加工表面质量概念,4,3.1.1加工表面质量概念,加工表面的几何形貌,表面粗糙度波长/波高50波度波长/波高=501000；且具有周期特性宏观几何形状误差（平面度、圆度等）波长/波高1000纹理方向表面刀纹形式表面缺陷如划痕、砂眼、气孔、裂纹等是加工表面个别位置出现的缺陷,5,3.1.1加工表面质量概念,无氧铜镜面三维形貌及表面轮廓曲线,6,3.1.1加工表面质量概念,加工纹理方向及其符号标注,7,3.1.1加工表面质量概念,表面层金属力学物理性能和化学性能,表面层金属冷作硬化表面层金属金相组织变化表面层金属残余应力,加工变质层模型,8,3.1.2表面质量对零件使用性能的影响,表面质量对零件耐磨性的影响,表面粗糙度对零件耐磨性的影响,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。表面粗糙度的最佳值与机器零件的工作情况有关,9,3.1.2表面质量对零件使用性能的影响,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，将引起金属组织过分“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。,10,3.1.2表面质量对零件使用性能的影响,表面纹理零件耐磨性的影响,表面纹理的形状和刀纹方向对耐磨性也有影响，原因是纹理形状和刀纹方向影响有效接触面积和润滑液的存留，一般，圆弧状、凹坑状表面纹理的耐磨性好，尖峰状的耐磨性差。在运动副中，两相对运动零件的刀纹方向和运动方向相同时，耐磨性较好，两者的刀纹方向和运动方向垂直时，耐磨性最差。,11,3.1.2表面质量对零件使用性能的影响,表面粗糙度对零件疲劳强度的影响,表面质量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。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。,12,3.1.2表面质量对零件使用性能的影响,表面层冷作硬化与残余应力对零件疲劳强度的影响,适度的表面层冷作硬化能阻止疲劳裂纹生长并产生表面压应力，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。,13,3.1.2表面质量对零件使用性能的影响,表面质量对零件配合质量的影响,表面粗糙度对配合质量的影响,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。,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，就会影响零件精度的稳定性。,表面残余应力对配合质量的影响,14,3.1.2表面质量对零件使用性能的影响,表面质量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,减小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蚀性能。因为零件表面越粗糙，越容易积聚腐蚀性物质，凹谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。,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，腐蚀性物质不易进入，可增强零件的耐腐蚀性；表面残余拉应力则降低零件耐腐蚀性。,15,3.1.2表面质量对零件使用性能的影响,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。,表面质量对零件使用性能还有其它方面的影响,16,3.1.2表面质量对零件使用性能的影响,对耐磨性影响,表面粗糙度值耐疲劳性适当硬化（阻止疲劳裂纹生长并产生表面压应力）可提高耐疲劳性,表面粗糙度值耐蚀性表面压应力：有利于提高耐蚀性,表面粗糙度值配合质量表面残余应力精度的稳定性配合质量,表面粗糙度值耐磨性，但有限度,对耐疲劳性影响,对耐蚀性影响,对配合质量影响,纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好；纹理方向相同较好适当硬化可提高耐磨性,17,第3章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality,3.2影响加工表面质量工艺因素及其改进措施TechnologyFactorsInfluencingMachiningSurfaceQualityanditsImproving,机械制造工艺学,18,3.2.1切削加工表面粗糙度,几何因素的影响,影响因素：刀尖圆弧半径r、主偏角r、副偏角r、进给量f,切削加工后表面粗糙度的值主要取决于切削残留面积的高度,19,3.2.1切削加工表面粗糙度,工件材料的性质,韧性表面粗糙度工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。脆性表面粗糙度加工脆性材料时，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，使表面粗糙。,塑性表面粗糙度,工件材料塑性越好，塑性变形越大，易产生积屑瘤和鳞刺，加工表面粗糙。,物理因素的影响,同一材料金相组织越粗大表面粗糙度,故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。,20,3.2.1切削加工表面粗糙度,切削速度的影响,加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响随切削速度的变化而变化（对积屑瘤和鳞刺的影响）；切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小；选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度；切削速度对脆性材料的影响不大。,21,3.2.1切削加工表面粗糙度,切削表面塑性变形和积屑瘤,切削速度影响最大：v=2050m/min范围，易产生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差；v100m/min时减小，并趋于稳定。,22,积屑瘤的影响：,3.2.1切削加工表面粗糙度,23,鳞刺的影响,鳞刺的形成：抹试阶段、导裂阶段、层积阶段、刮成阶段,3.2.1切削加工表面粗糙度,24,3.2.1切削加工表面粗糙度,进给量的影响,其他影响因素刀具几何角度、刃磨质量，切削液等,减小进给量f固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势，效率降低。,适当增大刀具前角，提高刃磨质量，合理选择切削液，抑制积屑瘤和鳞刺。,精镗(车)后的表面轮廓图(横向粗糙度),25,3.2.2磨削加工表面粗糙度,磨削中影响粗糙度的几何因素,从几何因素和塑性变形两方面影响,工件的磨削表面是由砂轮上大量磨粒刻划出无数极细的刻痕形成的，工件单位面积上通过的磨粒数越多，则刻痕越多，刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小。,磨削时切削力大速度高温度高，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。,磨削中影响粗糙度的物理因素（通常是决定因素）,26,3.2.2磨削加工表面粗糙度,磨削用量,砂轮速度v，Ra工件速度vw，Ra砂轮纵向进给f，Ra磨削深度ap，Ra,光磨次数，Ra,27,3.2.2磨削加工表面粗糙度,砂轮及其修整,砂轮粒度，Ra;但要适量(4660)砂轮硬度适中，Ra；常取中软砂轮组织适中，Ra；常取中等组织砂轮材料：与工件材料相适应（如氧化铝适于磨钢，碳化物(硅硼)适于磨铸铁，金刚石砂轮适于磨陶瓷材料等）,工件材料冷却润滑液等,其他影响因素,金刚石砂轮磨削工程陶瓷零件,采用超硬砂轮材料，Ra但成本高；砂轮精细修整，fRa,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。,28,3.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量,比较法触针法：Ra0.025m,表面粗糙度测量,光切法：Rz0.560m干涉法：Rz0.050.8m,29,3.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量,30,3.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量,干涉显微镜测量原理1光源2、10、15聚光镜3滤色片4光阑5透镜6、9物镜7分光镜8补偿镜10、14、16反射镜12目镜13透光窗,31,3.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量,表面三维形貌测量与处理系统原理图1驱动2撞块3电触点4触针5工作台6工件7步进电机8控制电路9驱动电路10放大电路11A/D变换器12微机13显示器14打印机,32,3.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量,TOPO移相干涉显微镜光学原理图1光源2、4、12透镜3视场光阑6干涉滤光片7CCD面阵探测器8输出信号9目镜10分光镜11压电陶瓷13反射镜14参考基准板15分光板16被测工件,33,3.2.3表面粗糙度和表面微观形貌测量,34,第3章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality,3.3影响表层物理性能的工艺因素及其改进措施TechnologyFactorsInfluencingSurfacePhysicsPerformanceanditsImproving,机械制造工艺学,35,3.3.1加工表面层冷作硬化,概述,加工硬化机械加工时，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。加工硬化度量,表层金属显微硬度HV硬化层深度h（m）硬化程度N,式中HV硬化层显微硬度（HV）；HV0基体层显微硬度（HV）。,表面层冷作硬化的程度决定于产生塑性变形的力、变形速度及变形时的温度。,冷作硬化产生的原因,3.3.1加工表面层冷作硬化,力越大，塑性变形越大，则硬化程度越大；速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度越小；变形时的温度不仅影响塑性变形程度，还会影响变形后金相组织的恢复程度。,切削加工时表面层的硬化是不稳定的，一有条件，就会产生弱化现象：若温度超过（0.250.30）T熔（熔化绝对温度），则除了强化现象外，同时还有回复现象，此时歪扭的晶格局部得到恢复，减低了冷硬作用；,结论：机械加工时表面层的冷作硬化就是强化作用和回复作用的综合结果。,3.3.1加工表面层冷作硬化,切削温度越高、高温持续时间越长、强化程度越大，则回复作用也就越强。因此对高温下工作的零件，能保证疲劳强度的最佳表面层是没有冷硬层或者只有极小（1020m）冷作硬化的表面层。,如果温度超过0.30T熔就会发生金属再结晶，此时由于强化而改变了的表面层物理机械性能几乎可以完全恢复。,38,3.3.1加工表面层冷作硬化,影响切削加工表面冷作硬化因素,f切削力塑变冷硬,切削用量影响,刀具影响,r塑变冷硬其他几何参数影响不明显后刀面磨损影响显著（综合作用）,工件材料,材料塑性，冷硬倾向,切削速度影响复杂（力与热综合作用结果）切削深度影响不大,39,3.3.1加工表面层冷作硬化,影响磨削加工表面冷作硬化因素,磨削用量,砂轮,工件材料,磨削速度塑变温度冷硬程度（弱化作用加强）工件转速温度冷硬程度（弱化作用减弱）纵向进给量影响复杂（综合作用）,磨削深度磨削力塑变冷硬程度,砂轮粒度冷硬程度砂轮硬度、组织影响不显著,材料塑性塑变冷硬倾向材料导热性温度冷硬倾向,40,3.3.1加工表面层冷作硬化,冷作硬化测量方法,表层显微硬度HV,硬化层深度测量,斜截面测量可同时测出硬化层深度h,显微硬度计采用顶角为136金刚石压头，载荷2N,斜截面测量显微硬度,41,3.3.2表面金属金相组织变化,磨削加工时切削力大（功率消耗远远大于其它切削方法），切削速度高（通常4050m/s，高达80200m/s），磨削区温度高（短时间内可上升到4001000C，甚至更高）。这样大的加热速度，促使加工表面局部形成瞬时热聚集现象，有很高温升和很大的温度梯度，出现金相组织的变化，强度和硬度下降，产生残余应力，甚至引起裂纹，这就是磨削烧伤现象。,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，当工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜。,表面层金相组织变化,一般的切削加工方法不太严重，磨削时易产生磨削烧伤现象。,42,表面颜色与烧伤之间的关系：黑青淡青米黄淡黄,3.3.2表面金属金相组织变化,磨削淬火钢时，由于磨削烧伤，工件表面产生氧化膜并呈现出不同颜色，相当于钢的回火色。不同的烧伤色表示受到不同温度的作用与产生不同的烧伤深度。有时表面虽看不出变色，但并不等于表面未受热损伤。例如在磨削过程中由于采用过大的磨削用量，造成了很深的烧伤层，以后的无进给磨削中磨去了表面的烧伤色，而未能除去烧伤层，则留在工件上的烧伤层就会成为使用中的隐患。,回火烧伤磨削区温度超过马氏体转变温度(350)而未超过相变温度(Ac3)，则工件表面原来的马氏体组织将产生回火现象，转化成硬度降低的回火组织索氏体或屈氏体；淬火烧伤磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，由于冷却液的急冷作用，表层会出现二次淬火马氏体，硬度较原来的回火马氏体高，而它的下层则因为冷却缓慢成为硬度降低的回火组织。退火烧伤(最为严重)不用冷却液进行干磨削时，磨削区温度超过相变温度，马氏体转变为奥氏体，因工件冷却缓慢，则表层硬度急剧下降，这时工件表层被退火。,磨削淬火钢时表面层产生的烧伤有以下三种：,3.3.2表面金属金相组织变化,磨削温度（组织变化)温度梯度（组织变化不同)冷却速度（得到组织不同),影响磨削加工时金相组织变化的因素,3.3.2表面金属金相组织变化,工件材料,低碳钢时不会发生相变；高合金钢如轴承钢、高速钢、镍铬钢等传热性特别差，在冷却不充分时易出现磨削烧伤。未淬火钢为扩散度低的珠光体，磨削时间短时不会发生金相组织的变化；淬火钢极易相变。,45,3.3.2表面金属金相组织变化,改善冷却条件（冷却液进入磨削区）,合理选择砂轮,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应根据工件材料合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织磨削烧伤,合理选择磨削用量,砂轮转速磨削烧伤径向进给量fp磨削烧伤轴向进给量fa磨削烧伤工件速度vw磨削烧伤,采用内冷却法磨削烧伤,内冷却装置1锥形盖2通道孔3中心腔4有径向小孔薄壁套,采用开槽砂轮（冷却条件好）,间断磨削受热磨削烧伤,46,3.3.2表面金属金相组织变化,图3-24开槽砂轮a）槽均匀分布b）槽不均匀分布,47,3.3.3表面金属残余应力,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。,残余应力产生的原因,冷态塑性变形机械加工时，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。热态塑性变形机械加工时，切削或磨削热使工件表面局部温升过高，引起高温塑性变形。表层产生残余拉应力，里层产生产生残余压应力；金相组织变化切削时产生的高温会引起表面的相变。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。,48,3.3.3表面金属残余应力,实际机械加工后的表面层残余应力及其分布，是上述三方面因素综合作用的结果，在一定条件下，其中某一或二种因素可能起主导作用。,切削时切削热不多（一般切削加工）时则以冷态塑性变形为主，表面层常产生残余压缩应力。若切削热多则以热态塑性变形为主，表面层常产生残余拉伸应力。磨削时表面层残余应力岁磨削条件不同而不同：轻磨削条件产生浅而小的残余压应力，因为此时没有金相组织变化，温度影响也很小，主要是塑性变形的影响在起作用。中等磨削条件产生浅而大的拉应力。淬火钢重磨削条件则产生深而大的拉应力（最外表面可能出现小而浅的压应力），这里显然是由于热态塑性变形和金相组织变化的影响在起主导作用的缘故。,49,3.3.3表面金属残余应力,v残余应力（热应力起主导作用）,切削用量,材料塑性残余应力铸铁等脆性材料易产生残余压应力不同材料差异明显,f残余应力,切削深度影响不显著,工件材料,50,3.3.3表面金属残余应力,低速（620m/min）残余拉伸应力（热应力起主导作用）中速（200250m/min）残余压缩应力高速（500850m/min）残余压缩应力（金相组织变化起主导作用）,18CrNiMoA车削残余应力,切削速度对残余应力的影响,51,3.3.3表面金属残余应力,刀具影响,前角+，残余拉应力刀具磨损残余应力,52,3.3.3表面金属残余应力,磨削过程中残余应力的影响,总的来说，磨削加工中热态塑性变形和金相组织变化的影响较大，故大多数磨削零件的表面层往往有残余拉应力。当残余拉应力超过材料的强度极限时，零件表面就会出现裂纹，即磨削裂纹。,磨削裂纹,磨削裂纹一般很浅（0.25.050mm），大多数垂直于磨削方向或成网状（磨螺纹时有时也有平行于磨削方向的裂纹），裂纹总是拉应力引起的，且常与烧伤同时出现。有的磨削裂纹也可能不在工件的外表面，而是在表面层下成为肉眼难以发现的缺陷。,53,图8.12磨削裂纹,3.3.3表面金属残余应力,54,3.3.3表面金属残余应力,v温度拉应力倾向,磨削用量,f工件转速塑变拉应力,背吃刀量：影响很大ap很小压应力（塑性变形起主要作用）；增大拉应力（热变形起主要作用）；再增大压应力（塑性变形起主要作用）；,磨削工业铁背吃刀量残余应力,磨削T8钢背吃刀量残余应力,55,3.3.3表面金属残余应力,材料强度导热性塑性拉应力倾向,工件材料,磨削硬质合金时，由于其脆性大，抗拉强度低以及导热性差，所以特别容易产生磨削裂纹。磨削含碳量高的淬火钢时，由于其晶界脆弱，也容易产生磨削裂纹。工件在淬火后如果存在残余应力，则即使在正常的磨削条件下也可能出现裂纹。,工件材料的热处理,工件淬火后在磨削前进行去除应力的工序能收到很好的效果。渗碳、渗氮时如果工艺不当，就会在表面层晶界面上析出脆性的碳化物、氮化物，当磨削时在热应力作用下，就容易沿着这些组织发生脆性破坏，而出现网状裂纹。,冷却方法,选择适宜的磨削液和有效的冷却方法。采用高压大流量冷却内冷却,加装空气挡板，减轻旋转的砂轮表面的高压附着气流的作用，以使冷却液能顺利地喷注到磨削区。,57,3.3.3表面金属残余应力,最终工序加工方法选择,交变载荷易产生局部微观裂纹，选压应力滑动摩擦拉应力抗机械磨损（挤压压溃）滚动摩擦表面层下h深处产生压应力有利,表面残余应力将直接影响零件的使用性能，一般工件表面残余应力的数值和性质主要取决于工件最终加工工序的加工方法。,零件的具体工作条件,58,3.3.4表面强化工艺,是一种用压缩空气或离心力将大量直径细小（0.24mm）的丸粒（钢丸、玻璃丸）以3050m/s的速度向零件表面喷射的方法。,可使工件表面产生冷硬层和压应力,提高疲劳强度和使用寿命；,喷丸强化,用于强化形状复杂或不宜用其它方法强化的工件，例如板弹簧、螺旋弹簧、齿轮、焊缝等,表面硬度提高1040，耐疲劳强度提高3050，使用寿命可提高数倍至数十倍。如齿轮可提高倍，螺旋弹簧可提高倍以上。,硬化深度可达.mm,表面粗糙度可自.降到.。,59,3.3.4表面强化工艺,利用淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态挤压金属表面，使表层材料产生塑性流动，将凸起部分下压下，凹下部分上凸，形成新的光洁表面。修正工件表面的微观几何形状,形成压缩残余应力，提高耐疲劳强度。,滚压加工原理图,表面粗糙度可自.降至.，表面硬度提高1040，表面硬化深度达.mm，耐疲劳强度提高3050。,60,第3章机械加工表面质量及其控制AnalysisandControlofMachiningSurfaceQuality,3.4机械加工过程中的振动VibrationsinmachiningProcess,机械制造工艺学,61,3.4.1概述,机械加工过程中振动的危害,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，低频振动时会产生波度；振动会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨损；振动使机床夹具连接部分松动，影响运动副的工作性能，并导致机床丧失精度；产生噪声污染，危害操作者健康影响生产效率,62,3.4.1概述,工艺系统受到初始干扰力而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。由于系统中存在阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。,63,3.4.2机械加工过程中强迫振动,强迫振动产生原因,由稳定的外界周期性的干扰力（激振力）作用引起；除了力之外,凡是随时间变化的位移、速度和加速度，也可以激起系统的振动。强迫振动振源：机外机内。,机外：其他机床、锻锤、火车、卡车等通过地基把振动传给机床机内：1）回转零部件质量的不平衡（旋转零件的质量偏心）2）机床传动件的制造误差和缺陷（如齿轮啮合时的冲击、皮带轮圆度误差及皮带厚度不均引起的张力变化，滚动轴承的套圈和滚子尺寸及形状误差）3）切削过程中的冲击（如往复部件的冲击；液压传动系统的压力脉动；断续切削时的冲击振动）,64,3.4.2机械加工过程中强迫振动,频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关,65,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,强迫振动的运动方程,3.4.2机械加工过程中强迫振动,66,3.4.2机械加工中的自激振动,自激振动(颤振)的概念,在没有周期性外力(相对于切削过程)作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动自激振动过程可用传递函数概念说明,切削过程本身能引起某种交变切削力，而振动系统能通过这种力的变化，从不具备交变特性的能源中周期性的获得补充能量，从而维持住这个振动。当运动一停止，则这种外力的周期性变化和能量的补充过程也都立即停止。工艺系统中维持自激振动的能量来自机床电动机，电动机除了供给切除切屑的能量外，还通过切削过程把能量输给振动系统，使工艺系统产生振动运动。,67,3.4.2机械加工中的自激振动,自激振动能否产生及振幅的大小取决于振动系统在每一个周期内获得和消耗的能量对比情况,机械加工中的自激振动是在没有周期性外力(相对于切削过程而言)干扰下所产生的振动运动，这一点与强迫振动有原则区别。自激振动的频率接近于系统的某一固有频率，或者说，颤振频率取决于振动系统的固有特性。这一点与强迫振动根本不同，强迫振动的频率取决于外界干扰力的频率。自激振动是一种不衰减的振动。振动过程本身能引起某种不衰减的周期性变化，而振动系统能通过这种力的变化，从不具备交变特性的能源中周期性的获得补充能量，从而维持住这个振动。,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。,68,如图3-33a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3-33b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；,产生自激振动的条件,3.4.2机械加工中的自激振动,69,图3-33单自由度机械加工振动模型a）振动模型b）力与位移的关系图,3.4.2机械加工中的自激振动,70,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。,3.4.2机械加工中的自激振动,71,三种情况：,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,3.4.2机械加工中的自激振动,72,3.4.2机械加工中的自激振动,再生原理,自激振动机理,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。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”。,图自由正交切削时再生颤振的产生,73,3.4.2机械加工中的自激振动,产生条件,图中a）b）c）系统无能量获得；d）此时切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出时切削力所作正功（获得能量）大于切入时所作负功，系统有能量获得，产生自激振动。,图中绿线表示前一转切削的工件表面振纹，红线表示后一转切削的表面。,a）前后两转的振纹没有相位差（=0）图ab）前后两转的振纹相位差为=图bc）后一转的振纹相位超前图c,d）后一转的振纹相位滞后图d,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。,74,重迭系数,前一次走刀工件表面形成的波纹面宽度在相继的后一次走刀的有效宽度中所占的比例，用表示。,重迭系数对再生颤振的影响,在纵向切削或磨削工件表面时，后一次走刀(进给)和前一次走刀（进给）总会有部分重叠，有重迭切削，则可能发生再生颤振。,3.4.2机械加工中的自激振动,75,一般01，轴向切削时，01径向切入（前后两次走刀完全重叠时），=1（如切槽、钻、端铣等）车方牙螺纹，=0，无重迭切削，不可能发生再生颤振。,3.4.2机械加工中的自激振动,在金属切削过程中，除极少数情况外，刀具总是部分地或完全地在带有波纹的表面上进行切削的。,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。,76,3.4.2机械加工中的自激振动,振型耦合原理,振动系统实际上都是多自由度的，如图是一个二自由度振动系统示意图。不考虑再生效应，当刀架系统产生了角频率为的振动，则刀架将在x1和x2两个方向上同时振动，刀具振动的轨迹一般为椭圆形的封闭曲线ACBDA。,自激振动的产生条件：,k1k2，x1超前x2，轨迹ADBCA为一椭圆，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的大，系统无能量输入k1k2，x1滞后于x2，轨迹为一顺时针方向椭圆，即：ACBDA。此时，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的小，有能量获得，振动能够维持。,k1=k2，x1与x2无相位差,轨迹为直线，无能量输入,77,3.4.2机械加工中的自激振动,负摩擦原理,切削塑性材料时，吃刀抗力Fp自某一速度开始随切削速度增加而下降。在此区域，极易引起自激振动。,Fp主要取决于切屑与刀具相对运动所产生的摩擦力。切削过程若有振动，切入半周期切削速度高Fp小切入半周期切削力所作负功小于切出半周期切削力所作正功，系统有能量输入，振动维持,Fp主要由摩擦引起，故将切削速度增高导致摩擦力下降的特性称为负摩擦特性,负摩擦激振原理,78,3.4.2机械加工中的自激振动,切削力滞后原理,由于存在惯性和阻尼，作用在刀具上的切削力滞后主振动系统运动振入过程实际切削厚度小于名义值Fp小切入半周期切削力所作负功小于切出半周期切削力所作正功，系统有能量输入，振动维持,由切削力滞后引起，故称为滞后型颤振,79,3.4.3机械加工振动诊断技术,振动诊断的目的,明确振动类型，以便采取针对性的解决措施。,振动诊断,振动诊断内容,首先判定振动类型，明确所测频率属于强迫振动和颤振的部分；若有属于自激振动的频率成分，则需进一步判定其属于哪一种颤振类型；自激振动类型诊断的关键在于确定诊断参数；所确定的诊断参数必须充分并只是反映该类振动最本质、最核心的参数。,80,3.4.3机械加工振动诊断技术,强迫振动诊断依据,强迫振动频率与干扰力频率相同（或为其整倍数）,强迫振动诊断,强迫振动诊断步骤,采集现场加工振动信号加工部位振动敏感方向频谱分析处理自功率谱密度函数处理，各峰值点频率即振动频率，最大谱峰值频率对应主振频率环境试验、查找机外振源机床停止状态，拾取信号进行频谱分析，得到机外干扰力源频率成分，并与加工时振动频率比较。若相同，可确定为强迫振动空运转试验、查找机内振源机床按加工参数运转（不加工），拾取信号进行频谱分析，并与加工时振动频率比较。若相同，可确定为强迫振动查找干扰力源确定内部干扰源具体位置,81,3.4.3机械加工振动诊断技术,诊断参数相位差，再生型颤振产生的根本原因,再生型颤振诊断,相位差测量与计算,相位差可通过测量颤振频率f及工件转数n间接求得车削：工件每转切削振痕数J,式中Jz、J分别为J的整数和小数部分相位差：360（1J）,为控制测量误差，需采用频率细化技术,诊断要领,相位差位于、象限，即0180，有再生型颤振相位差位于、象限，即180360，非再生型颤振,82,3.4.3机械加工振动诊断技术,诊断参数y向振动相对于x向振动的相位差,耦合型颤振诊断,诊断要领,根据理论推导：相位差位于、象限，非耦合型颤振相位差位于、象限，为耦合型颤振,相位差测量与计算,相位差可通过求取振动信号x(t)与y(t)的互功率谱密度函数Sxy()在主振频率成分上的相位值获得,83,3.4.3机械加工振动诊断技术,工作条件与测试装置,诊断实例,工作条件C6140车床车电机轴，长度800mm，最大直径50mm，YT15车刀，主偏角45，v84.4m/min，f0.12mm/r，ap0.4mm测试装置,84,3.4.3机械加工振动诊断技术,诊断过程与诊断结果,切削试