第三章机械加工表面质量

1、第三章第三章 机械加工表面质量机械加工表面质量 概概 述述 掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并 应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高 产品性能的目的。产品性能的目的。 实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的工作性能，尤实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的工作性能，尤 其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量。其是它的可靠性、耐久性等，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量。 研究机械加工表面质量的目的研究机械

2、加工表面质量的目的 机械产品的失效形式机械产品的失效形式 因设计不周而导致强度不够；因设计不周而导致强度不够； 磨损、腐蚀和疲劳破坏。磨损、腐蚀和疲劳破坏。 少数少数 多数多数 3.1 机械加工表面质量对零件使用性能的影响机械加工表面质量对零件使用性能的影响 一、机械加工表面质量的含义一、机械加工表面质量的含义 1表面的几何特征表面的几何特征 2表面层物理表面层物理 力学、化学性能力学、化学性能 (1)表面粗糙度表面粗糙度 (2)表面波度表面波度 (3)纹理方向纹理方向 (1)表面层加工硬化表面层加工硬化(冷作硬化冷作硬化)。 (2)表面层金相组织变化。表面层金相组织变化。 (3)表面层产生残

3、余应力。表面层产生残余应力。 1、表面的几何形状特征、表面的几何形状特征 加工后表面形状，总是以加工后表面形状，总是以 “峰峰”、“谷谷”的形式偏离其的形式偏离其 理想光滑表面。按偏离程度有理想光滑表面。按偏离程度有 宏观和微观宏观和微观之分。之分。 波距：峰与峰或谷与谷间的距离，波距：峰与峰或谷与谷间的距离， 以以L表示；表示； 波高：峰与谷间的高度，以波高：峰与谷间的高度，以H 表示。表示。 波距与波高波距与波高 L/H1000时，属于宏观几何形状误差；时，属于宏观几何形状误差； L/H 珠光体密度为珠光体密度为7.78 g/cm3 铁素体密度为铁素体密度为7.88 g/cm3 奥氏体密度

4、为奥氏体密度为7.96 g/cm3 ； 切削时产生的高温会引起表面层金相组织变化。因为不同切削时产生的高温会引起表面层金相组织变化。因为不同 的金属组织，它们的密度不同，因而引起的残余应力。的金属组织，它们的密度不同，因而引起的残余应力。 以淬火钢磨削为例以淬火钢磨削为例 淬火钢原来的组织是马氏体淬火钢原来的组织是马氏体7.75 g/cm3 磨削加工后磨削加工后 表层可能产生回火，马氏体变为屈氏体或索氏体表层可能产生回火，马氏体变为屈氏体或索氏体 密度增大而体积减小密度增大而体积减小 表面产生残余拉应力表面产生残余拉应力 导致导致 结果结果 （接近珠光体）（接近珠光体） 计算？计算？ （4）冷

5、态塑性变形后比容积增大引起的表面层压应力）冷态塑性变形后比容积增大引起的表面层压应力 金属密度下降，金属密度下降， 比容积增大。比容积增大。 金属经过冷态金属经过冷态 塑性变形后塑性变形后 有相当部分的原子从其稳定平衡的晶格有相当部分的原子从其稳定平衡的晶格 位置被移动，结晶格子中原子排列不如位置被移动，结晶格子中原子排列不如 原来紧密原来紧密 冷态塑性变形后结晶格子被扭曲冷态塑性变形后结晶格子被扭曲 热加工中的锻压，其塑性变形有助于消除晶格热加工中的锻压，其塑性变形有助于消除晶格 组织间的缺陷，而使密度提高；组织间的缺陷，而使密度提高； 机械加工表面必然产生压应力；机械加工表面必然产生压应力

6、； ？如何计算？如何计算 0 01 3 1 3 1 v v E 2 、 影响表面层残余应力及磨削裂纹的因素影响表面层残余应力及磨削裂纹的因素 机械加上后表面层的残余应力，是由冷态塑性变形、热态机械加上后表面层的残余应力，是由冷态塑性变形、热态 塑性变形、冷态塑性变形比容积增大和金相组织变化这三方面塑性变形、冷态塑性变形比容积增大和金相组织变化这三方面 原因引起的综合结果。在一定条件下，其中某种或两种因素可原因引起的综合结果。在一定条件下，其中某种或两种因素可 能起主导作用。能起主导作用。 磨削时起主导作用的是磨削时起主导作用的是“热热”。 磨削用量磨削用量 工件材料及热处理规范工件材料及热处理

7、规范 首要因素首要因素 影响磨削裂纹的因素影响磨削裂纹的因素 磨削碳钢时，含碳量越高，越容易产生裂纹；磨削碳钢时，含碳量越高，越容易产生裂纹； 当碳的质量小于当碳的质量小于0.6至至0.7时，几乎不产生裂纹；时，几乎不产生裂纹； 淬火钢晶界脆弱，渗碳、渗氮钢受温度影响大，磨削时易产生裂纹。淬火钢晶界脆弱，渗碳、渗氮钢受温度影响大，磨削时易产生裂纹。 磨削用量对磨削裂纹影响磨削用量对磨削裂纹影响 粗磨时，表面产生极浅的残余压应力，接着粗磨时，表面产生极浅的残余压应力，接着 就是较深且较大的残余拉应力，这说明表面产生就是较深且较大的残余拉应力，这说明表面产生 了一薄层一次淬火层，下层是回火组织。了

8、一薄层一次淬火层，下层是回火组织。 精细磨削时，温度影响很小、更没有金精细磨削时，温度影响很小、更没有金 相组织变化，主要是冷态塑性变形的影响，相组织变化，主要是冷态塑性变形的影响， 故表面产生浅而小的残余压应力；故表面产生浅而小的残余压应力； 精磨时，热塑性变形起了主导作用，表面精磨时，热塑性变形起了主导作用，表面 产生很浅的残余拉应力；产生很浅的残余拉应力； 磨削裂纹与工件材料及热处理规范的关系磨削裂纹与工件材料及热处理规范的关系 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 对于磨削加工来说，由于单位面积上产生的切削热比一对于磨削加工来说，由于单位面积上产生的切削热比

9、一 般切削方法要大几十倍，易使般切削方法要大几十倍，易使工件表面层的金相组织发生变工件表面层的金相组织发生变 化，从而使表面层的硬度和强度下降，产生残余应力甚至引化，从而使表面层的硬度和强度下降，产生残余应力甚至引 起显微裂纹。起显微裂纹。这种现象称为这种现象称为磨削烧伤磨削烧伤。 1表面层金相组织变化与磨削烧伤原因表面层金相组织变化与磨削烧伤原因 机械加工过积中，在工件的加工区及其邻近的区域，机械加工过积中，在工件的加工区及其邻近的区域，温度温度 会急剧升高会急剧升高，当温度超过工件材料金相组织变化的临界点，就，当温度超过工件材料金相组织变化的临界点，就 会发生金相组织变化。会发生金相组织变

10、化。对于一般切削加工而言，温度还不会上对于一般切削加工而言，温度还不会上 升到如此程度。升到如此程度。 磨削烧伤将严重地影响零件的使用性能。磨削烧伤将严重地影响零件的使用性能。 1)如果工件表面层温度未超过相变温度。如果工件表面层温度未超过相变温度。(一般中碳钢为一般中碳钢为720 ，但超过马氏体的转变温度，但超过马氏体的转变温度(一般中碳钢为一般中碳钢为300)，这时马氏，这时马氏 体将转变为硬度较低的回火屈氏体或索氏体，这叫体将转变为硬度较低的回火屈氏体或索氏体，这叫回火烧伤回火烧伤。 2)当工件表面层温度超过相变温度，如果这时有充分的切削液，当工件表面层温度超过相变温度，如果这时有充分的

11、切削液， 则表面层将急冷形成二次淬火马氏体，硬度比回火马氏体高，则表面层将急冷形成二次淬火马氏体，硬度比回火马氏体高， 但很薄，只有几微米厚。其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏但很薄，只有几微米厚。其下为硬度较低的回火索氏体和屈氏 体，导致表面层总的硬度降低，这称为体，导致表面层总的硬度降低，这称为淬火烧伤淬火烧伤。 3)当工件表面层温度超过相变温度，则马氏体转变为奥氏体、当工件表面层温度超过相变温度，则马氏体转变为奥氏体、 如果这时无切削液，则表面硬度急剧下降，工件表层被退火，如果这时无切削液，则表面硬度急剧下降，工件表层被退火， 这种现象称为这种现象称为退火烧伤退火烧伤。磨削时很容易产生这种

12、现象。磨削时很容易产生这种现象。 磨淬火钢时，在工件表面层上形成的瞬时高温将使表面金磨淬火钢时，在工件表面层上形成的瞬时高温将使表面金 属产生以下三种金相组织变化：属产生以下三种金相组织变化： 2、影响磨削烧伤的因素及其改善措施、影响磨削烧伤的因素及其改善措施 尽可能减少磨削热的产生；尽可能减少磨削热的产生； 改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。 磨削热磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤可有两个途径：是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤可有两个途径： (1)合理选择磨削用量合理选择磨削用量 (2)工件材料工件材料 (3)砂轮的选择砂轮的选

13、择 (4)冷却条件冷却条件 改善措施改善措施 磨削深度磨削深度，工件纵向进给量和工件速度，工件纵向进给量和工件速度 ，砂轮与工件表，砂轮与工件表 面接触时间相对面接触时间相对，因而热的作用时间，因而热的作用时间 ，磨削烧伤磨削烧伤 。 为减轻烧伤而同时又保持高的生产率、一般选用较大的为减轻烧伤而同时又保持高的生产率、一般选用较大的 工件速度和较小的磨削深度。同时，为了弥补因增大工件速工件速度和较小的磨削深度。同时，为了弥补因增大工件速 度而造成表面粗糙度值增大的缺陷，可以提高砂轮速度。度而造成表面粗糙度值增大的缺陷，可以提高砂轮速度。 (1)合理选择磨削用量合理选择磨削用量 但：但： 磨削深度

14、磨削深度，生产率生产率； 工件纵向进给量和工件速度工件纵向进给量和工件速度，表面粗糙度值表面粗糙度值。 实践证明，同时提高砂轮速度和工件速度，可以避免烧伤。实践证明，同时提高砂轮速度和工件速度，可以避免烧伤。 解决办法：解决办法： (2)工件材料工件材料 工件材料对磨削区温度的影响主要取决于它的硬度、强工件材料对磨削区温度的影响主要取决于它的硬度、强 度、韧性和热导性。度、韧性和热导性。 硬度、强度越高，韧性越大，磨削热量越多；硬度、强度越高，韧性越大，磨削热量越多； 导热性差的材料，如耐热钢、轴承钢、不锈钢等。导热性差的材料，如耐热钢、轴承钢、不锈钢等。 在磨削在磨削 时易产时易产 生烧伤生

15、烧伤 软砂轮较好软砂轮较好，对于硬度太高的砂轮，钝化砂粒不易脱落，对于硬度太高的砂轮，钝化砂粒不易脱落， 容易产生烧伤。容易产生烧伤。 (3)砂轮的选择砂轮的选择 一般来说，选用一般来说，选用粗粒度砂轮粗粒度砂轮磨削，不容易产生烧伤。磨削，不容易产生烧伤。 砂轮结合剂最好采用具有一定弹性的材料砂轮结合剂最好采用具有一定弹性的材料，如树脂、橡胶等。如树脂、橡胶等。 采用切削液带走磨削区的热量可以避采用切削液带走磨削区的热量可以避 免烧伤。免烧伤。 (4)冷却条件冷却条件 磨削时，一般冷却效果较差，由于高磨削时，一般冷却效果较差，由于高 速旋转的砂轮表面上产生强大气流层，速旋转的砂轮表面上产生强大

16、气流层， 实际上没有多少切削液能进入磨削区。实际上没有多少切削液能进入磨削区。 增加切削液的流量和压力增加切削液的流量和压力 采用特殊喷嘴采用特殊喷嘴 采用多孔性砂轮采用多孔性砂轮 比较有效的冷却方法比较有效的冷却方法 将切削液将切削液 大量地喷大量地喷 注在已经注在已经 离开磨削离开磨削 区的工件区的工件 表面上。表面上。 四、提高和改善零件表面层的物理力学性能的措施四、提高和改善零件表面层的物理力学性能的措施 因此，最终工序加工方法的选择，须考虑零件的具体因此，最终工序加工方法的选择，须考虑零件的具体 工作条件及零件可能产生的破坏形式。工作条件及零件可能产生的破坏形式。 ( (一一) )零

17、件破坏形式和最终工序的选择零件破坏形式和最终工序的选择 一般来说，一般来说，零件表面残余应力的数值及性质主要取决零件表面残余应力的数值及性质主要取决 于零件最终工序加工方法的选择于零件最终工序加工方法的选择。 1 1疲劳破坏疲劳破坏 2 2滑动磨损滑动磨损 3 3滚动磨损滚动磨损 零件破坏形式零件破坏形式 零件表面层金属的残零件表面层金属的残 余应力将直接影响机余应力将直接影响机 器零件的使用性能。器零件的使用性能。 从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑，最终工序应选从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑，最终工序应选 择能在加工表面产生残余压应力的加工方法。择能在加工表面产生残余压应力的加工方法。 1

18、. 1. 疲劳破坏疲劳破坏 机器零件表面上局机器零件表面上局 部 产 生 微 观 裂 纹部 产 生 微 观 裂 纹 在交变载荷在交变载荷 的 作 用 下的 作 用 下 拉应力拉应力 作用下作用下 原生裂原生裂 纹扩大纹扩大 导致零导致零 件破坏件破坏 滑动摩擦的机械作用滑动摩擦的机械作用 物理化学方面的综合作用物理化学方面的综合作用 2 2滑动磨损滑动磨损 指的是两个零件作相对滑动，滑动面逐渐磨损的现象。指的是两个零件作相对滑动，滑动面逐渐磨损的现象。 滑动磨损机理滑动磨损机理 粘接磨损粘接磨损 扩散磨损扩散磨损 化学磨损化学磨损 从提高零件抵抗滑动摩擦引起的磨损考虑，最终工从提高零件抵抗滑动

19、摩擦引起的磨损考虑，最终工 序应选择能在加工表面产生残余拉应力的加工方法。序应选择能在加工表面产生残余拉应力的加工方法。 从抵抗粘接磨损、扩散磨损、化学磨损考虑对残余应从抵抗粘接磨损、扩散磨损、化学磨损考虑对残余应 力的性质无特殊要求时，应尽量减小表面残余应力值。力的性质无特殊要求时，应尽量减小表面残余应力值。 滑动摩擦工作应力分布如图所示。滑动摩擦工作应力分布如图所示。 当表面层的压缩工作应力超过当表面层的压缩工作应力超过 材料的许用应力时，将使表面层金属磨材料的许用应力时，将使表面层金属磨 损。损。 改善措施改善措施 3 3滚动磨损滚动磨损 指的是两个零件作相对滚动，滚动面将逐渐磨损的现象

20、。指的是两个零件作相对滚动，滚动面将逐渐磨损的现象。 滚动磨损来自滚动磨损来自 滚动摩擦的机械作用滚动摩擦的机械作用 物理化学方面物理化学方面 综合作用综合作用 从提高零件抵抗滚动摩擦引起的从提高零件抵抗滚动摩擦引起的 磨损考虑，最终工序应选择能在表面层下磨损考虑，最终工序应选择能在表面层下 深深h h处产生压应力的加工方法。处产生压应力的加工方法。 滚动磨损的决定性因素滚动磨损的决定性因素 是表面层下深是表面层下深h h处的最大拉应力。处的最大拉应力。 最终工序加工方法的选择可参考下表最终工序加工方法的选择可参考下表 各种加工方法在工件表面残留的内应力情况。各种加工方法在工件表面残留的内应力

21、情况。 ( (二二) )表面强化工艺表面强化工艺 由前述可知，表面质量尤其是表面层的物理力学性能，由前述可知，表面质量尤其是表面层的物理力学性能， 对零件的使用性能及寿命影响很大，如果最终工序不能保证零对零件的使用性能及寿命影响很大，如果最终工序不能保证零 件表面获得预期的表面质量要求，则可在工艺过程中增设表面件表面获得预期的表面质量要求，则可在工艺过程中增设表面 强化工序，以改善表面性能。强化工序，以改善表面性能。 表面强化工艺表面强化工艺是指通过冷压加工方法使表面层金属是指通过冷压加工方法使表面层金属 发生冷态塑性变形，以降低表面粗糙度值，提高表面硬度，并发生冷态塑性变形，以降低表面粗糙度

22、值，提高表面硬度，并 在表面层产生残余压应力。这种方法工艺简单、成本低廉，应在表面层产生残余压应力。这种方法工艺简单、成本低廉，应 用广泛。用广泛。 喷九强化喷九强化 滚压加工滚压加工 液体磨料强化等液体磨料强化等 表面强化常用工艺方法表面强化常用工艺方法 1 1喷九强化喷九强化 利用压缩空气或离心力将大量的珠丸利用压缩空气或离心力将大量的珠丸( (直径为直径为0.40.4 4mm)4mm)以高速打以高速打 击被加工零件表面，使表面产生冷硬层和残余压应力，可以显著提高零件的击被加工零件表面，使表面产生冷硬层和残余压应力，可以显著提高零件的 疲劳强度。珠丸可以是铸铁或砂石，钢丸更好。喷丸所用设备

23、是压缩空气喷疲劳强度。珠丸可以是铸铁或砂石，钢丸更好。喷丸所用设备是压缩空气喷 丸装置或机械离心式喷丸装置，这些装置使珠丸能以丸装置或机械离心式喷丸装置，这些装置使珠丸能以3535 50m50ms s的速度喷的速度喷 出。出。 珠丸珠丸( (直径为直径为 0.40.4 4mm)4mm) 高速高速(35(35 50 50 m/s)m/s)打击被加打击被加 工 零 件 表 面工 零 件 表 面 使表面产生冷硬使表面产生冷硬 层和残余压应力层和残余压应力 应用应用 喷九加工主要用于强化形状复杂的零件，如齿轮、连杆、喷九加工主要用于强化形状复杂的零件，如齿轮、连杆、 曲轴等。零件经喷九强化后，硬化层深

24、度可达曲轴等。零件经喷九强化后，硬化层深度可达0.7mm0.7mm，表面租糙度，表面租糙度 RaRa值可由值可由3.2 3.2 减少到减少到0.4 0.4 ，使用寿命可提高几倍到几，使用寿命可提高几倍到几 十倍。十倍。 2 2滚压加工滚压加工 利用淬硬的滚压工具利用淬硬的滚压工具( (滚轮或滚珠滚轮或滚珠) )在常在常 温下对工件表面施加压力，使其产生塑性变形，温下对工件表面施加压力，使其产生塑性变形， 工件表面上原有的波峰被填充到相邻的波谷中，工件表面上原有的波峰被填充到相邻的波谷中， 以减小表面粗糙度值，并使表面产生冷硬层和残以减小表面粗糙度值，并使表面产生冷硬层和残 余压应力，从而提高零

25、件的承裁能力和疲劳强度。余压应力，从而提高零件的承裁能力和疲劳强度。 F 方法方法 滚压工具滚压工具 波峰被填充到波峰被填充到 相邻的波谷中相邻的波谷中 表面产生冷硬层表面产生冷硬层 和 残 余 压 应 力和 残 余 压 应 力 滚压可以加工外圆、孔、平面及成形表面，通常在卧滚压可以加工外圆、孔、平面及成形表面，通常在卧 式车床、转塔车床或自动车床上进行。式车床、转塔车床或自动车床上进行。 功效功效 表面层硬度一般可提高表面层硬度一般可提高2020 4040； 表面层金属的耐疲劳强度可提高表面层金属的耐疲劳强度可提高3030 5050。 应用应用 滚压加工应用实例滚压加工应用实例 1. 1.

26、弹性外圆滚压工具弹性外圆滚压工具 弹簧主要用于控制压力的大小弹簧主要用于控制压力的大小 为了提高强化效率，为了提高强化效率， 可以采用双排滚压工可以采用双排滚压工 具，第一排滚珠直径具，第一排滚珠直径 较小，作粗加工用，较小，作粗加工用， 第二排滚珠直径较大，第二排滚珠直径较大， 作精加工用。作精加工用。 2. 2. 孔滚压工具孔滚压工具 小滚珠作粗加工用小滚珠作粗加工用 大滚珠作精加工用大滚珠作精加工用 3 3液体磨料强化液体磨料强化 如图所示，液体和磨料在如图所示，液体和磨料在400 400 800kPa800kPa下，经过喷嘴高速喷出，射向工件表下，经过喷嘴高速喷出，射向工件表 面，借磨

27、粒的冲击作用，磨平工件表面的表面，借磨粒的冲击作用，磨平工件表面的表 面粗糙度并碾压金属表面。面粗糙度并碾压金属表面。 液体磨料强化是利用液体和磨料的混合物强化工件表面的方法。液体磨料强化是利用液体和磨料的混合物强化工件表面的方法。 方法方法 由于磨粒的冲击和微量切削作用，使工件表面产生几十由于磨粒的冲击和微量切削作用，使工件表面产生几十 微米的塑性变形层。加工后的工件表面层具有微米的塑性变形层。加工后的工件表面层具有残余压应力，提高残余压应力，提高 了工件的耐磨性、抗蚀性和疲劳强度。了工件的耐磨性、抗蚀性和疲劳强度。 效果效果 液体磨料强化工艺最宜于加工复杂型面，如锻液体磨料强化工艺最宜于加

28、工复杂型面，如锻 摸、汽轮机叶片、螺旋桨、仪表零件和切削刀具等。摸、汽轮机叶片、螺旋桨、仪表零件和切削刀具等。 应用应用 3.4 工艺系统的振动工艺系统的振动 1自由振动自由振动 2强迫振动强迫振动 3自激振动自激振动 一、机械加工中的振动现象一、机械加工中的振动现象 (一一) 机械振动的分类机械振动的分类 自由振动自由振动指的是当系统受到初始干扰力作用而破坏了其平衡状态后，系指的是当系统受到初始干扰力作用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。统仅靠弹性恢复力来维持的振动。 1自由振动自由振动 在切削过程中，加工材料硬度不均或工件表面有缺陷，都会引起自由在切削过程中，加工材料

29、硬度不均或工件表面有缺陷，都会引起自由 振动，但由于阻尼作用，振动将迅速减弱，因而对机械加工影响不大。振动，但由于阻尼作用，振动将迅速减弱，因而对机械加工影响不大。 振动的频率就是系统的固有频率；振动的频率就是系统的固有频率； 自由振动将逐渐衰减。自由振动将逐渐衰减。由于系统中总存在阻尼由于系统中总存在阻尼 特点特点 产生原因产生原因 本节主要讨论机械加本节主要讨论机械加 工过程中强迫振动和工过程中强迫振动和 自自激激振动的规律。振动的规律。 既可指工艺系统以外既可指工艺系统以外 也可指工艺系统内部由刀具和工件组成的切削系统也可指工艺系统内部由刀具和工件组成的切削系统 2强迫振动强迫振动 强迫

30、振动强迫振动 由由外界外界周期性激振力引起和维持的振动。周期性激振力引起和维持的振动。 外界外界 在在定条件下，由定条件下，由振动系统本身振动系统本身产生的交变力激发和维产生的交变力激发和维 持的一种稳定的周期性振动称为自激振动。持的一种稳定的周期性振动称为自激振动。 质量、弹簧和阻尼以外质量、弹簧和阻尼以外 3自激振动自激振动 (二二)振动对机械加工的影响振动对机械加工的影响 (1)影响零件的表面质量影响零件的表面质量 振动破坏了工艺系统的各种成形运动，振动破坏了工艺系统的各种成形运动， 使工件与刀具的相对位置发生周期性的改变，因而振动频率低使工件与刀具的相对位置发生周期性的改变，因而振动频

31、率低 时产生波度，振动频率高时将增大表面粗糙度值。时产生波度，振动频率高时将增大表面粗糙度值。 (2)影响生产率影响生产率 为了避免发生振动或减小振动，有时不得不降为了避免发生振动或减小振动，有时不得不降 低切削用置，从而限制和影响生产率的提高。低切削用置，从而限制和影响生产率的提高。 (3)影响机床、夹具和刀具寿命影响机床、夹具和刀具寿命 振动使刀具受到附加动载荷，振动使刀具受到附加动载荷， 加速刀具磨损，有时甚至发生崩刃；同时振动使机床、夹具等加速刀具磨损，有时甚至发生崩刃；同时振动使机床、夹具等 零件的连接部分松动，从而增大间隙，降低刚度和精度，缩短零件的连接部分松动，从而增大间隙，降低

32、刚度和精度，缩短 其使用寿命。其使用寿命。 (4)振动噪声污染工作环境振动噪声污染工作环境 由于高频振动会发出刺耳的尖叫声，由于高频振动会发出刺耳的尖叫声， 造成噪声污染，危害操作者的身心健康。造成噪声污染，危害操作者的身心健康。 振动对加工质量和生产率有很大影响，主要表现在振动对加工质量和生产率有很大影响，主要表现在: 通常，机械加工过程中产生的振动对机械加工来讲是十分通常，机械加工过程中产生的振动对机械加工来讲是十分 有害的。有害的。 近来，对切削机理进行研究得到这样的观点，近来，对切削机理进行研究得到这样的观点，即在切削过即在切削过 程中，切屑不是根据刀尖与工件间的静力学关系形成，而是由

33、程中，切屑不是根据刀尖与工件间的静力学关系形成，而是由 连续地产生与一次冲击破坏机理相类似的动力学关系而形成的。连续地产生与一次冲击破坏机理相类似的动力学关系而形成的。 因此，有人利用振动来更好地切削，如振动磨削、振动研抛、因此，有人利用振动来更好地切削，如振动磨削、振动研抛、 超声波加工等，都是利用振动来提高表面质量或生产率。超声波加工等，都是利用振动来提高表面质量或生产率。 振动的利用振动的利用 二、强迫振动二、强迫振动 如其它机床或机器的振动通如其它机床或机器的振动通 过地基传给正在进行加工的过地基传给正在进行加工的 机床，引起工艺系统振动。机床，引起工艺系统振动。 1强迫振动产生的原因

34、强迫振动产生的原因 强迫振动是由于机床外部和内部振源的激振力所引发的振动。强迫振动是由于机床外部和内部振源的激振力所引发的振动。 (1)系统外部的周期性激振力系统外部的周期性激振力 如齿轮啮合时的冲击、带传动中的带如齿轮啮合时的冲击、带传动中的带 厚不均或接头不良、滚动轴承滚动体厚不均或接头不良、滚动轴承滚动体 误差、液压系统中的冲击现象以及往误差、液压系统中的冲击现象以及往 复运动部件换向时的惯性力等，都会复运动部件换向时的惯性力等，都会 引起强迫振动。引起强迫振动。 (2)高速回转零件的质量高速回转零件的质量 不平衡引起的振动不平衡引起的振动 如砂轮、齿轮、电动机转子、如砂轮、齿轮、电动机

35、转子、 带轮、联轴器等旋转件不平衡带轮、联轴器等旋转件不平衡 产生离心力而引起强迫振动。产生离心力而引起强迫振动。 (3)传动机构的缺陷和往复运传动机构的缺陷和往复运 动部件的惯性力引起的振动动部件的惯性力引起的振动 有些加工方法如铣削、拉削及滚齿等，有些加工方法如铣削、拉削及滚齿等， 由于切削的不连续，导致切削力的周期由于切削的不连续，导致切削力的周期 性变化，引起强迫振动。性变化，引起强迫振动。 (4)切削过程的间歇性切削过程的间歇性 2强迫振动的数学描述及特性强迫振动的数学描述及特性 工艺系统是多自由度的振动系统，振动形态非常复杂。要精工艺系统是多自由度的振动系统，振动形态非常复杂。要精

36、 确地描述和解决多自由度的振动系统是很困难的，但就其某一确地描述和解决多自由度的振动系统是很困难的，但就其某一 特定的自由度而言，其振动特性与相应频率的单自由度振动可特定的自由度而言，其振动特性与相应频率的单自由度振动可 简化为单自由度系统来分析。简化为单自由度系统来分析。 如图，在加工中磨头受周期性变如图，在加工中磨头受周期性变 化的干扰力产生扰动，由于磨头系统化的干扰力产生扰动，由于磨头系统 的刚度远比工件的刚度低，故可把磨的刚度远比工件的刚度低，故可把磨 削系统简化为一个单自由度系统。削系统简化为一个单自由度系统。 以内圆磨削为例以内圆磨削为例 m的受力情况的受力情况 如图如图c所示，作

37、用在所示，作用在m上的力有：与位移上的力有：与位移 成正比的弹性恢复力成正比的弹性恢复力kx，与运动速度成正比的粘性阻尼力，与运动速度成正比的粘性阻尼力 x ，简谐激振力，简谐激振力Fsint ，则该系统的运动方程式为：，则该系统的运动方程式为： 磨头简化为一个等效质磨头简化为一个等效质 量量m；把质量；把质量m支承在支承在 刚度为刚度为k的等效弹簧上；的等效弹簧上； 系统中存在的阻尼系统中存在的阻尼相相 当于与等效弹簧并联当于与等效弹簧并联 ； 作用在作用在m上的交变力假上的交变力假 设为简谐激振力设为简谐激振力Fsint。 这样就可以得到单自由度系统典型的动力学模型，如图这样就可以得到单自

38、由度系统典型的动力学模型，如图b所示。所示。 第一项第一项(通解通解)为有阻尼的自由为有阻尼的自由 振动过程，如图振动过程，如图a所示，经过一段所示，经过一段 时间后，这部分振动衰减为零。时间后，这部分振动衰减为零。 第二项第二项(特解特解)如图如图b所示，是圆所示，是圆 频率等于激振圆频率的强迫振动。频率等于激振圆频率的强迫振动。 图图c为两种解叠加后的振动过为两种解叠加后的振动过 程。程。可以看到经历过渡过程以后，可以看到经历过渡过程以后， 强迫振动是稳定的振动过程。强迫振动是稳定的振动过程。进进 入稳态后的振动方程为：入稳态后的振动方程为： 振动本身也不能使激振力变化。振动本身也不能使激

39、振力变化。 (2)强迫振动的振动频率与外界激振强迫振动的振动频率与外界激振 力的频率相同，而与系统的固有频力的频率相同，而与系统的固有频 率无关。率无关。 (3)强迫振动的幅值既与激振力的幅强迫振动的幅值既与激振力的幅 值有关，又与工艺系统的动态特性值有关，又与工艺系统的动态特性 有关。有关。 强迫振动的特性是：强迫振动的特性是： (1)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， 三、自激振动三、自激振动 切削加工时，在没有周期性外力作用的情况下，有时切削加工时，在没有周期性外力作用的情况下，有时刀具刀具 与工件之间与工件之间也可能产生

40、强烈的相对振动，并在工件的加工表面也可能产生强烈的相对振动，并在工件的加工表面 上残留下明显的、有规律的振纹。这种上残留下明显的、有规律的振纹。这种由振动系统本身由振动系统本身产生的产生的 交变力激发和维持的振动称为交变力激发和维持的振动称为自激振动自激振动，通常也称为，通常也称为颤振颤振。 (一一)自激振动的产生条件和特性自激振动的产生条件和特性 处于切削过程处于切削过程 中的工艺系统中的工艺系统 作用作用 干扰力干扰力产生产生 自由振动自由振动 引起引起 刀具和工件相刀具和工件相 对位置的变化对位置的变化 切削力的波动切削力的波动 这变化这变化 又引起又引起 工艺系统工艺系统 产生振动产生

41、振动 导致导致 1、自激振动的产生、自激振动的产生 自激振动系统是一个闭环反馈自控系统，调节系统把持续自激振动系统是一个闭环反馈自控系统，调节系统把持续 作用的能源能量转变为交变力对振动系统进行激振，振动系统作用的能源能量转变为交变力对振动系统进行激振，振动系统 的振动又控制切削过程产生激振力，以反馈制约进入振动系统的振动又控制切削过程产生激振力，以反馈制约进入振动系统 的能量。的能量。 组成的一个闭环系统组成的一个闭环系统2、自激振动的组成、自激振动的组成 振动系统振动系统(工艺系统工艺系统) 调节系统调节系统(切削过程切削过程) 3、自激振动的特性、自激振动的特性 1)自激振动的频率等于或

42、接近系统的固有频率自激振动的频率等于或接近系统的固有频率，即由系统本身的，即由系统本身的 参数所决定。参数所决定。 2)自激振动是由外部激振力的偶然触发而产生的一种不衰减运动自激振动是由外部激振力的偶然触发而产生的一种不衰减运动， 维持振动所需的交变力是由振动过程本身产生的维持振动所需的交变力是由振动过程本身产生的，在切削过程中，在切削过程中， 停止切削运动，交变力也随之消失，自激振动也就停止。停止切削运动，交变力也随之消失，自激振动也就停止。 3)自激振动能否产生和维持取决于每个振动周期内摄入和消耗自激振动能否产生和维持取决于每个振动周期内摄入和消耗 的能量。的能量。自激振动系统维持稳定振动

43、的条件是自激振动系统维持稳定振动的条件是，在，在个振动周个振动周 期内，从能源输入到系统的能量期内，从能源输入到系统的能量(E )等于系统阻尼所消耗的能 等于系统阻尼所消耗的能 量量(E )。如果吸收能量大于消耗能量，则振动会不断加强；如 。如果吸收能量大于消耗能量，则振动会不断加强；如 果吸收能量小于消耗能量则振动将不断衰减而被抑制。果吸收能量小于消耗能量则振动将不断衰减而被抑制。 (二二)自激振动的激振学说自激振动的激振学说 切削过程中产生颤振的原因及机理很复杂，虽经长期研究，切削过程中产生颤振的原因及机理很复杂，虽经长期研究， 目前尚无一种能阐明各种情况下产生颤振的理论。目前尚无一种能阐

44、明各种情况下产生颤振的理论。 1负摩擦激振学说负摩擦激振学说 2再生颤振学说再生颤振学说 3坐标联系学说坐标联系学说 下面扼要介绍几种比较公认的学说。下面扼要介绍几种比较公认的学说。 1负摩擦激振学说负摩擦激振学说 当刀具由于偶然原因产生振动时，当刀具由于偶然原因产生振动时，它它 将在平衡位置将在平衡位置y0附近作往复运动，刀具与附近作往复运动，刀具与 工件相对趋近时称为切入（图工件相对趋近时称为切入（图b中的中的ABC 段段)，相对脱离时称为切出，相对脱离时称为切出(图图b中的中的CDA 段段)。切人与切出时的最大和最小滑动速度。切人与切出时的最大和最小滑动速度 分别为、分别为、 和和 ，它

45、们各自对应的径，它们各自对应的径 向切削分力分别为向切削分力分别为Fy1和和Fy2。 以车削加工为例以车削加工为例 将切削模型简化为单自由度振动系统。将切削模型简化为单自由度振动系统。 刀具刀具等效质量等效质量m、只作、只作y方向运动。方向运动。 刀架等系统刀架等系统刚度刚度k。 建立模型建立模型 依据：负摩擦特性依据：负摩擦特性 负摩擦特性曲线负摩擦特性曲线 切削力随滑动速度的增加而下降的特性。切削力随滑动速度的增加而下降的特性。 负摩擦特性负摩擦特性 用能量关系说明颤振的产生用能量关系说明颤振的产生 稳定切削时：稳定切削时：刀尖处于刀尖处于y0位置，刀位置，刀 具和切屑的相对滑动速度为具和

46、切屑的相对滑动速度为v1。 yv1 yv1 F出 出 F入 入 刀具作往复运动刀具作往复运动 在切入的半个周期中，在切入的半个周期中，刀具刀具 运动方向与径向切削分力运动方向与径向切削分力Fy的方的方 向向(切屑流出方向切屑流出方向)相反，故切屑相反，故切屑 对刀具做负功；对刀具做负功； 在切出的半个周期中，在切出的半个周期中，切屑切屑 对刀具做正功。对刀具做正功。 振动的形成振动的形成 由图由图b右下角可知，正功大于负功，其差值即为椭圆的面右下角可知，正功大于负功，其差值即为椭圆的面 积。此即为一个振动周期中系统所获得的能量补充，因而使振积。此即为一个振动周期中系统所获得的能量补充，因而使振

47、 动得以维持。动得以维持。 2再生颤振学说再生颤振学说 在切削加工中，由于刀具的进给量一般不大，而刀具的副在切削加工中，由于刀具的进给量一般不大，而刀具的副 偏角又较小，因此，刀具必然与已切过的上一转表面接触，即偏角又较小，因此，刀具必然与已切过的上一转表面接触，即 产生产生重叠切削重叠切削。 设砂轮宽度为设砂轮宽度为B，工件，工件 进给量为进给量为f，工件前后相邻两，工件前后相邻两 转的磨削区有重叠部分，其转的磨削区有重叠部分，其 大小用重叠系数表示：大小用重叠系数表示： 正交切削时：正交切削时： 在稳定切削过程在稳定切削过程 中，由于偶然的扰动中，由于偶然的扰动 (如材料的硬疵点、加如材料

48、的硬疵点、加 工余量不均匀或冲击工余量不均匀或冲击 等等)，工艺系统会产生，工艺系统会产生 一次自由振动，并在一次自由振动，并在 被加上表面上留下相被加上表面上留下相 应的振纹。当工件转应的振纹。当工件转 至下一转时，由于切至下一转时，由于切 削到重叠部分的振纹使切削厚度发生变化，从而引起切削力的周期改变，削到重叠部分的振纹使切削厚度发生变化，从而引起切削力的周期改变， 使刀具产生振动，在加工表面留下新的振纹；这个振纹又影响到下一转的使刀具产生振动，在加工表面留下新的振纹；这个振纹又影响到下一转的 切削，从而引起持续的再生颤振。切削，从而引起持续的再生颤振。 再生颤振的产生过程再生颤振的产生过

49、程 类似于加工精度中毛坯误差的复映类似于加工精度中毛坯误差的复映 四、机械加工中振动的控制四、机械加工中振动的控制 1、强迫振动的诊断方法、强迫振动的诊断方法 消除或减弱产生机械振动的条件；消除或减弱产生机械振动的条件； 改善工艺系统的动态特性，增强工艺系统的稳定性；改善工艺系统的动态特性，增强工艺系统的稳定性； 采取各种消振减振装置。采取各种消振减振装置。 机械加工中控制振动的途径机械加工中控制振动的途径: (一一)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 诊断依据诊断依据 强迫振动的频率与激振力的频率相等或是它的整数倍。强迫振动的频率与激振力的频率相等或是它的整数倍。 基本

50、途径基本途径 测出振动的频率。测出振动的频率。 较完善的方法：较完善的方法： 对机床的振动信号进行功率谱分析、功率对机床的振动信号进行功率谱分析、功率 谱中的尖峰点对应的频率就是机床振动的主要频率。谱中的尖峰点对应的频率就是机床振动的主要频率。 测定振动频率的方法测定振动频率的方法 简单方法：简单方法：数出工件表面的波纹数，然后根据切削速度数出工件表面的波纹数，然后根据切削速度 计算出振动频率。计算出振动频率。 高转速（高转速（600rmin以上）零件必须进行平衡以减小和消除激振力；如砂轮、以上）零件必须进行平衡以减小和消除激振力；如砂轮、 卡盘、电动机转子及刀盘等。卡盘、电动机转子及刀盘等。

51、 提高带传动、链传动、齿轮传动及其他传动结构的稳定性，如采用完善的带提高带传动、链传动、齿轮传动及其他传动结构的稳定性，如采用完善的带 接头、以斜齿轮或人字齿轮代替直齿轮等；接头、以斜齿轮或人字齿轮代替直齿轮等； 使动力源与机床本体放在两个分离的基础上。使动力源与机床本体放在两个分离的基础上。 2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 1)减小激振力减小激振力 在选择转速时，尽可能使引起强迫振动的振源的频率在选择转速时，尽可能使引起强迫振动的振源的频率避开避开 共振区共振区。使工艺系统部件在准静态区或惯性区运行，以免发生。使工艺系统部件在准静态区或惯性区运行，以免发生 共振。

52、共振。 2)调整振源频率调整振源频率 不论哪种方式，都是用弹性隔振装置将需防振的机床或部不论哪种方式，都是用弹性隔振装置将需防振的机床或部 件与振源之间分开，件与振源之间分开，使大部分振动被吸收使大部分振动被吸收，从而达到减小振源，从而达到减小振源 危害的目的，常用的隔振材料有橡皮、金属弹簧、空气弹簧、危害的目的，常用的隔振材料有橡皮、金属弹簧、空气弹簧、 泡沫、乳胶、软木、矿渣棉、木屑等。泡沫、乳胶、软木、矿渣棉、木屑等。 3)采取隔振措施采取隔振措施 隔振方式隔振方式 主动隔振主动隔振 阻止机床振源通过地基外传；阻止机床振源通过地基外传； 被动隔振被动隔振 阻止外干扰力通过地基传给机床阻止

53、外干扰力通过地基传给机床。 (二二)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 切削进给量和切削深度切削进给量和切削深度 与振幅的关系曲线表明，与振幅的关系曲线表明， 选较大的进给量和较小选较大的进给量和较小 的切削深度有利于减小的切削深度有利于减小 振动。振动。 1、合理选择切削用量、合理选择切削用量 从切削速度与振幅的关系曲线，可从切削速度与振幅的关系曲线，可 看出在低速或高速切削时，振动较小。看出在低速或高速切削时，振动较小。 2合理选择刀具几何参数合理选择刀具几何参数 刀具几何参数中对振动影响最大的是刀具几何参数中对振动影响最大的是主偏角和前角主偏角和前角。 主偏角增大，

54、则垂直于加工表面方向的切削分力减小，实主偏角增大，则垂直于加工表面方向的切削分力减小，实 际切削宽度减小，故不易产生自振。际切削宽度减小，故不易产生自振。 如左图所示，前角越大，如左图所示，前角越大， 切削力越小，振幅也小。切削力越小，振幅也小。 如右图所示，主偏角如右图所示，主偏角 90o时，振幅最小；主偏角时，振幅最小；主偏角 90o，振幅增大。，振幅增大。 适当减小刀具后角适当减小刀具后角(a0 2o 3o)，可以增大工件和刀具，可以增大工件和刀具 后刀面之间的摩擦阻尼；后刀面之间的摩擦阻尼； 在后刀面磨出带有负后角在后刀面磨出带有负后角 的消振棱，如图所示。的消振棱，如图所示。 3增加切削阻尼增加切削阻尼 消振棱消振棱 (三三)增强工艺系统抗振性和稳定性的措施增强工艺系统抗振