第十讲残余应力ppt讲义

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第一部分1表层金属的残余应力2表面强化工艺3实战演练2三表层金属的残余应力（一）原因机械加工---表层金属塑性变形---表层金属的比容增大。塑性变形只在表层产生---表层金属比容增大和体积膨胀---受到相连里层金属的阻碍---在表层产生压缩残余应力---里层金属中产生拉伸残余应力。3三表层金属的残余应力（一）原因刀具切金属---表层金属的纤维被拉长---刀具后刀面与已加工表面的摩擦加大这种拉伸作用。刀具切离后---拉伸弹性变形恢复---拉伸塑性变形不能恢复---表层金属的拉伸塑性变形---受到相连里层未发生塑性变形金属的阻碍---表层产生压缩残余应力---里层拉伸残余应力。45温度变化1层高于tp(高塑性温度)1层处于完全塑性状态2层在tn（室温）和tp之间2层受热后自由膨胀，产生瞬时压缩残余应力，而3层则产生瞬时拉伸残余应力。如4-19b所示1层低于tp1层转变为不完全塑性状态，收缩产生拉伸残余应力，2内压缩残余应力增大，如4－19c所示1层继续冷却1层继续收缩，拉伸应力加大，2层的压缩应力则扩展到金属层2和3内67金属产生金相组织变化---表层金属比容变化---受到相连基体金属的阻碍---产生残余应力。金相组织变化---比容增大---表层压应力---里层拉应力；金相组织变化---比容减小---表层拉应力---里层压应力；影响车削表层金属残余应力的工艺因素89正前角车刀，45钢在所有切削速度下，表层产生拉伸残余应力。但是其他材料并不如此。低速车削---切削热主导---表层拉伸残余应力切削速度提高---表层温度达到淬火温度---局部淬火---比容增大---金相组织变化---拉伸残余应力减少。高速切削---表层淬火充分---比容增大---金相组织变化主导---表层压缩残余应力。影响车削表层金属残余应力的工艺因素102进给量的影响进给量加大---表层金属塑性变形增加---切削区热量增加---残余应力数值和扩展深度均增大3前角的影响前角对表层金属残余应力的影响极大。见图4-22影响车削表层金属残余应力的工艺因素1112磨削加工：塑性变形严重、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影响都很大。热因素主导---表面拉伸残余应力塑性变形主导---表面压缩残余应力工件表面温度超过相变温度又充分冷却---淬火烧伤---金相组织变化主导---表面压缩残余应力。精细磨削---塑性变形主导---表面压缩残余应力。影响磨削残余应力的工艺因素131磨削用量的影响141磨削用量的影响磨削深度很小---塑性变形主导---表层压缩残余应力磨削深度加大---塑性变形加剧---磨削热增大---热因素主导---表层拉伸残余应力磨削深度大于0.025mm---不出现淬火（含碳量很低）----塑性变形主导---拉伸残余应力减少磨削深度很大---压缩残余应力状态151磨削用量的影响砂轮速度高---磨削区温度高---磨粒删除厚度减小---热因素大，塑性变形影响小因此，提高砂轮速度---表层拉伸残余应力的倾向增大（图4-22）。加大工件回转速度和进给速度----热作用时间短---热因素减小，塑性变形因素主导----表层压缩残余应力的趋势增大。2工件材料的影响16172工件材料的影响工件材料强度高、导热性差、塑性低---拉伸残余应力倾向大。1）碳素工具刚T8比工业铁强度高、材料变形阻力大2）磨削时发热量大，导热性差于工业铁，磨削热容易集中于表层3）再加上塑性低，热因素作用明显，拉伸残余应力倾向比工业铁大。18工件表面残余应力的数值及性质主要取决于工件最终工序的加工方法。交变载荷作用---表面存在局部微观裂纹---拉应力会使原生裂纹扩大，导致零件断裂---从抗疲劳破坏考虑---最终工序应产生压缩残余应力为好工件最终工序加工方法的选择19工作条件破坏形式表面应力引起原因加工时对策最终加工方法交变载荷断裂表面存在局部微观裂纹表面压残余应力磨削->淬火相对滑动磨损见图4－24a综合作用表面拉残余应力残余应力小镀铬，镀铜，车削*相对滚动磨损见图4－24b综合作用表面层下h深处压应力残余应力小镀铬，镀铜，车削*2021四表面强化工艺定义:通过冷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，并在表面产生压缩残余应力。（一）喷丸强化大量快速运动珠丸----打击工件表面----表面产生冷硬层、压缩残余应力----提高疲劳强度、使用寿命。主要用于形状复杂工件：板弹簧、螺旋弹簧、连杆、齿轮、焊缝等。四表面强化工艺（二）滚压加工淬硬和精细研磨滚轮、滚珠----常温挤压---凸起部分向下压---凹下部分往上挤----前工序留下的波峰压平---修正工件表面的微观几何形状----金属组织细化---形成压缩残余应力2223例题：为什么机器上许多静止连接的接触表面（车床床头箱与床身结合面，过盈配合的轴与孔表面等），往往都要求较小的表面粗糙度，而有相对运动的表面又不能对粗糙度要求过小？2425参考：由于静止连接的接触表面的粗糙度影响接触刚度及配合性质，因此接触表面要求较小的表面粗糙度。对有相对运动的表面，当表面很光滑时，由于润滑油被挤出，表面间分子亲和力大，产生“咬焊”作用。表面间产生相对运动会加剧磨损，所以磨损不但有机械作用，而且有分子作用。因此有相对运动的表面对粗糙度不能要求过小。因而零件表面粗糙度存在一个最佳范围，它取决于使用要求，工作条件及零件材料等。2627282930例题：试解释磨削淬火钢时，磨削表面层的应力状态与磨削深度的试验曲线。31参考：当ap<0.01时，表面强化的冷态塑性变形引起表层比容增大占主导地位，故表层有较小的压应力（负）。当0.01<ap<0.05时，磨削表面温升增高，此时表层热作用，高温塑性变形及表层的回火组织（索氏体或屈氏体）都使表层的比容缩小，故表层产生较大的拉应力（正）。当ap>0.05～0.06时，由于磨削表层温升很高，且冷却速度较快时，表层产生二次淬火的马氏体组织，由于金相组织的改变使表层的比容增大，故产生压应力（负）。32例题：若工件为一长方形薄钢板（假设毛坯上、下面是直的），当磨削平面A后，工件产生弯曲变形，试分析工件产生中凹变形的原因。参考：磨削平面A后，表面温升高。冷却时，表面层金属的收缩收到基体金属的阻碍，表层产生拉应力，下层产生压应力，如a图。当取下工件后，因工件刚性差，且由于工件内应力的重新分布，产生新的应力平衡的结果必然产生相应的工件变形，分布如b图3334小结1表层金属的残余应力2表面强化工艺3实战演练35

第二部分课程目标1强迫振动2自激振动3自激振动的条件4自激振动的原理再生原理、振型耦合原理、负摩擦原理、切削力滞后原理5机械加工振动的诊断技术6机械加工振动的防治36机械振动

机械振动是指工艺系统或系统的某些部分沿直线或者曲线并经过其平衡位置的往复运动。使刀具与工件间产生相对位置误差；粗糙度增大，工件表面质量严重恶化；加速刀具和机床的磨损，缩短刀具和机床的寿命；造成机床或者夹具间的连接部分松动，刚度和精度下降；发出噪声，影响工人健康。机械振动的危害38

一机械加工中的强迫振动机内振源：机床旋转件的不平衡（电动机转子、离合器、卡盘、砂轮等）机床传动机构的缺陷（齿轮、带、链传动的不均匀）往复运动部件的惯性力（油泵排除的压力油---脉动---空穴）切削过程中的冲击等（切入、切出产生冲击，加工断续表面发生周期性冲击）39（二）强迫振动的特性频率：与干扰力的频率相同，或者是干扰力频率的整数倍。幅值：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。干扰力频率一定，其幅值大，则强迫振动幅值也大。干扰力频率远离工艺系统各阶段固有频率，则强迫振动响应将处于机床动态响应的衰减区，振动幅值很小。

40（二）强迫振动的特性干扰力频率接近工艺系统某一固有频率，幅值明显增大。干扰力频率与工艺系统某一固有频率相同，系统共振。改变运动参数或工艺系统的结构----干扰力频率发生变化或工艺系统某阶段固有频率发生变化----干扰力频率远离固有频率----强迫振动幅值明显减少。41激励机床系统产生振动运动的交变力是由切削过程产生的。切削过程同时又受机床系统的振动运动控制，机床系统的振动运动一旦停止，动态切削力随之消失。如果切削过程很平稳，即使有自激振动条件，没有交变的动态切削力，自激振动不可能产生。偶然性外界干扰（工件材料硬度不均匀、加工余量有变化等）总是存在，其产生的切削力变化，使系统产生振动运动。42无自激振动条件－－偶然干扰－－系统阻尼－－衰减。有自激振动条件－－持续振动运动。电动机－－通过动态切削－－传能量到振动系统。自激振动特点：

1）没有外力（相对切削过程）干扰下产生的。

2）频率接近于系统固有频率（强迫振动不同）。

3）不因阻尼存在而衰减（自由振动会）。自激振动模型振入：一个振动周期里，背吃刀量由小到大的过程。A->B振出：一个振动周期里，背吃刀量由大到小的过程。B->C相对滑动速度：切屑相对于刀具的相对速度。振入取+；振出取-

切削力：切削过程中工件对刀具的作用力。弹力：切削过程中振动系统对刀具的作用力。是工件表面层金属的弹、塑性变形产生的抗力。背吃刀量a越大，越大。是刀具与切屑间的摩擦力。方向始终向左；背吃刀量a越大，越小。切屑高开工件的速度；刀具振动速度。持续自激振动的原因O1为振入运动的平衡点，即：因为所以B点为振入运动的终止点：又则所以所以同理可得，在C点有：假设具有负摩擦特性，即越大，越小。自激振动条件实际的振动能量消耗振幅减小振动停止等幅振动振幅等幅振动振幅等幅振动W振入：Fy向右，位移向左，W振入为负。W振出：Fy向右，位移向右，W振出为正。W摩阻：阻尼作用，

W摩阻为负。每个周期振动系统获得的能量：自激振动条件每个周期振动系统获得的能量：一、当时：系统稳定二、当1、时，稳幅自激振动2、时,振幅稳幅振幅先增加，后稳定3、时,振幅稳幅振幅先减小，后稳定自激振动条件：自激振动的激振机理再生原理振动耦合原理负摩擦原理滞后原理再生自激振动原理—单自由度、重叠切削重叠切削如果刀具进给量很小，当工件转过一圈开始切削下一圈时，刀具会与已切过的上一圈表面接触，即产生重叠切削。重叠系数：切断时：；车螺纹时：再生自激振动过程：重叠系数反映了再生效应的程度，越小，就越不容易产生再生振颤。再生自激振动条件1、重叠切削（必要条件）2、能量条件本转切削振动为：前一转切削振动为：瞬时切削厚度为：瞬时切削力为：——单位切削宽度上的切削刚度

——切削层公称宽度dt时间里切削力作功：振动系统在一个周期里获得的能量：一个振动周期里切削力作功：图再生自激振动原理图f切入切出y0ya）b）φy0y切入切出fc）φfy0y切入切出d）切入切出fy0yφa)、b)、c)不产生再生自激振动d)产生再生自激振动再生自激振动的条件：重叠切削+52（二）产生自激振动的条件1自激振动试验振出、切削力、弹力、切削、相对滑动速度、摩擦力、负摩擦特性、振入…53542产生自激振动的条件从消耗的能量的角度W（振出）>W（振入）W（振出）＝W（振入）＋W（摩擦振入）稳幅自激振动W（振出）>W（振入）＋W（摩擦振入）

振幅先递增，后稳定W（振出）>W（振入）＋W（摩擦振入）振幅先递减，后稳定552产生自激振动的条件从某点的力角度F（振出）>F（振入）56

（三）自激振动的激振机理1再生原理刀具总是完全或部分地在带有波纹的表面上进行切削。自由正交切削－－车刀只做横向进给－－完全在前一转切削时留下的波纹表面上进行切削。5758

再生型颤振：由于切削厚度变化效应引起的自激振动。

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重叠系数：前转（次）切削振纹对本转（次）切削厚度变化量影响的等效程度。60上转（次）切削残留振纹的宽度本转（次）切削层公称宽度振动耦合原理61振型耦合型颤振：

由于振动系统在各主振模态间互相耦合、互相关联而产生的自激振动。62负摩擦原理6364摩擦型颤振：由于切削过程中存在负摩擦特性而产生的自激振动。切削力滞后原理6566滞后型颤振：由于切削力滞后于振动运动的滞后效应所引起的自激振动。两大类：

强迫振动、

自激振动（颤振动）

自激振动四个基本类：

再生型、振动耦合型、摩擦型、滞后型

67三机械加工振动的诊断技术振动的诊断包括：

一、判别振动的类别，明确指出哪些频率成分的振动属强迫振动，哪些属于自激振动；

二、如果已知有些频率成分的振动是自激振动，还要进一步判定它是属于哪一种类型的自激振动。68三机械加工振动的诊断技术69（一）强迫振动的诊断1诊断依据：强迫振动的频率与外界干扰力的频率相同（或是它的整数倍）。采用频率分析方法，对实际加工中的振动频率成分逐一进行诊断与判别。70

现场拾振现场－－传感器－－信号－－放大－－磁带频谱分析处理自谱图上各峰值点的频率－－峰值点有几个－－振动系统频率成分就有多少个做环境试验、查找机外振源机床处于完全停止做空转试验、查找机内振源参数不变进行空转如果干扰力在机床内部，还应查找其具体位置。强迫振动的诊断程序711诊断参数：切削厚度变化、相位差的存在相位差作为诊断再生型颤振的诊断参数。2相位差的测量与计算相位差－－颤振频率、工件转速3再生型颤振的诊断要领强烈振动：设法测得被切工件前后两次（转）振纹的相位差。相位差位于第一、二象限，再生型相位差位于第三、四象限，不是再生型（二）再生型颤振的诊断721诊断参数二自由振动系统，椭圆形曲线其稳定性取决于椭圆形振动轨迹的转向和椭圆长轴的方位。诊断参数：Z向振动相对于Y向振动的相位差位于第一、三象限，则是；否则，加工系统是稳定的。2诊断要领强烈颤振，设法测得相位差，再判断。（三）振动耦合型颤振的诊断731诊断参数负摩擦原理，切削力与切削速度具有下降特性的范围内产生摩擦型颤振。其稳定性取决于切削力相对于切削速度的变化率。依据：切削力相对于切削速度的变化率。2变化率的测量与计算3诊断要领若右边两者都小于零，则有；（四）摩擦型颤振的诊断741诊断参数：切削力滞后于振动运动是引起滞后型颤振的最为直接、最为本质的