智能制造工艺基础课件：机械加工质量分析和控制

智能制造工艺

机械加工质量分析和控制知识点(参考教材)6.1

机械加工精度与原始误差6.2

加工误差的统计分析方法6.3

机械加工表面质量6.4

机械加工质量的智能检测和控制方法机械加工质量分析和控制2024/12/19

2(1)加工误差的性质系统性误差与随机性误差

系统性误差

常值系统性误差

变值系统性误差

随机误差6.2加工误差的统计分析方法2024/12/19

3(1)加工误差的性质正态分布

正态分布的数学模型、特征参数和特殊点机械加工中，工件的尺寸误差是由很多相互独立的随机误差综合作用的结果，如果其中没有一个随机误差是起决定作用的，则加工后工件的尺寸将呈正态分布其概率密度方程为：y

=

e

(−∞

<

x

<

+∞

,

σ

>

0)为算术平均值，σ为均方根偏差(标准差)−−−−−−−−−−−−−22−6.2加工误差的统计分析方法2024/12/19

4(2)加工误差的统计分析方法

研究加工精度的方法

统计分析法

因素分析法

一般先用统计分析法寻找误差出现的规律，初步推断产生加工误差的可能原因，然后运用因素分析法进行分析、试验，以便迅速有效地找出影响加工精度的关键原因。常用的统计分析方法：

分布曲线法

点图法6.2加工误差的统计分析方法2024/12/19

5

概述-分布曲线◆正态分布

概率密度函数y

=

e

−

22式中μ和σ

分别为正态分布随机变量总体平均值和标准差。平均值μ=0，标准差σ=1的正态分布称为标准正态分布，记为：x~N(0,1

)(2)加工误差的统计分析方法-分布曲线法6.2加工误差的统计分析方法(

z

0

)

z正态分布曲线(−∞<x

<+∞,σ

>0)F

(z

)x(z)2024/12/19

+G

-Gy06

概述-分布函数F(x)

=

l

dx令：

z

=

x

−

µQ称z

为标准化变量将z

代入上式，有：22F(z)

=

l

e

d

z则利用上式，可将非标准正态分布转换成标准正态分布进行计算。−−0zyF

(z

)

+G

(2)加工误差的统计分析方法-分布曲线法6.2加工误差的统计分析方法(

z

0

)

z正态分布曲线2024/12/19

7x(z)-G0

概述-分布函数(2)加工误差的统计分析方法-分布曲线法6.2加工误差的统计分析方法2024/12/198-SixSigma+Lean(2)加工误差的统计分析方法-分布曲线法6.2加工误差的统计分析方法2024/12/19

9

概述

计算结果表明，工件尺寸落在±3σ范围内的概率为99.73％，而落在该范围以外的概率只占0.27％，可忽略不计。因此可以认为，正态分布的分散范围为(2)加工误差的统计分析方法-分布曲线法6.2加工误差的统计分析方法2024/12/19

10

σ3原则σ或称概述6原则±±3σ，-

工艺过程

分布图分析

理论分布图的绘制

实际分布图的绘制

异常数据的剔除

样本数据的测量

样本容量的确定

分布曲线法过程(2)加工误差的统计分析方法-分布曲线法6.2加工误差的统计分析方法2024/12/19

11…(2)加工误差的统计分析方法-分布曲线法

实际分布图的绘制其中实际分布图的绘制的步骤如下：(1)确定尺寸间隔数j(2)确定尺寸间隔大小组界：∆x

=

(3)画实际分布图xmin

+(j

−1)∆x

±∆x/

2实际分布图是以频数为纵坐标的，因此需转换成以频率为纵坐标的理论布图6.2加工误差的统计分析方法2024/12/19

12(2)加工误差的统计分析方法-分布曲线法

实际分布图的绘制3)计算样本平均值和标准差:x

=

xis

=4)画直方图(图)

y(频数)-15

(公差带下限)2024/12/196.2加工误差的统计分析方法2(xi

−

x

)-5(公差带上限)-10(公差带中心)-3.5

x

(偏差值)-8.55

(平均偏差)

n

−1-14.5113

双峰分布：两次调整下加工的工件或两台机床加工的工件混在一起(图a)

平顶分布：工件瞬时尺寸分布呈正态，其算术平均值近似成线性变化(如刀具和砂轮均匀磨损)(图b)

偏向分布：如工艺系统存在显著的热变形，或试切法加工孔时宁小勿大，加工外圆时宁

大勿小(图c)(2)加工误差的统计分析方法-分布曲线法6.2加工误差的统计分析方法

非正态分布y000xa)双峰分布c)偏向分布

xb)平顶分布

x几种非正态分布2024/12/19yy14(2)加工误差的统计分析方法-分布曲线法◆形位误差的分布

差数模分布：正态分布大于零的部分与小于零的部分对零轴线映射后的迭加(上图)，如对称度、直线与平面的平行度、相邻周节误差等

瑞利分布：二维正态分布，在只考虑平面向量模情况下转换成为一维分布(下图),如同轴度、直线与直线平行度、端面圆跳动误差等(不考虑

系统误差)

瑞利综合分布：上述误差在考虑系统误差的情况下，其误差分布接近瑞利综合分布y0

x6.2加工误差的统计分析方法瑞利分布来源:天津大学课件0

x差数模分布2024/12/19y15z

分布图应用◆判断加工性质

判断是否存在明显变值系统误差；

判断是否存在常值系统误差，及常值系统误差的大小。◆确定工序能力式中TU,TL——公差带上、下限；Δ——公差带中心与误差分布中心偏移距离；

σ——误差分布的标准差。2024/12/19CP

=±3σTU

−TL6

⋅

σC

=

(TU

−

TL

)−2∆6

⋅

σ(2)加工误差的统计分析方法-分布曲线法6.2加工误差的统计分析方法

工序能力系数

工序能力=CPK16P(2)加工误差的统计分析方法-分布曲线法6.2加工误差的统计分析方法CP

=±3σ==公差带来源:天津大学课件

TU

−TL

−2∆6

⋅

σΔTU工艺能力系数符号含义μ3σTU

−TL6

⋅

σ(

)2024/12/19

TL3σCCTPKy017xP(2)加工误差的统计分析方法-分布曲线法

工艺能力系数符号含义

CP

表示工艺过程本身的能力，而工序能力系数CPK

则表示过程满足技术要求的能力，实际上是“过程能力”与“管理能力”的综合工序能力系数工序等级说明CP＞1.67特级工序能力过高？1.67≥CP

＞1.33一级工序能力足够1.33≥CP

＞1.00二级工序能力勉强1.00≥CP

＞0.67三级工序能力不足0.67≥CP四级工序能力很差

工序能力等级6.2加工误差的统计分析方法工序能力等级(传统)2024/12/1918(2)加工误差的统计分析方法-分布曲线法•工艺过程的分布图分析的特点工艺过程的分布图分析的特点工件加工完毕后才能绘制分布图，不能在工艺过程进行中及时提供控制工艺过程精度的信息能把常值系统性误差从误差中区分开来，但不能把变值系统性误差从误差中区分开来采用大样本，比较接近实际地反映工艺过程总体只适用于工艺过程稳定的场合计算较复杂6.2加工误差的统计分析方法2024/12/19

19工件序号a)工件误差逐件按照件号点出b)工件误差逐件按照组序点出6.2加工误差的统计分析方法(2)加工误差的统计分析方法-点图法2024/12/19

20b)工件组序a)(2)加工误差的统计分析方法-点图法

单值点图6.2加工误差的统计分析方法0

123456

7样组序号2468101214工件序号a

)控制限来源:天津大学课件21A′O′B′工件尺寸工件序号工件尺寸工件尺寸公差带T公差带T控制限AOBb)2024/12/19c

)0(2)加工误差的统计分析方法-点图法

点图的基本形式x(µm)6.2加工误差的统计分析方法R(µm)工件组序工件组序2024/12/1922(2)加工误差的统计分析方法-点图法

点图的画法

每隔一定时间抽取样本容量n=5~10的一个小样本，计算出各小样本的算术平均值x和极差R，它们由下式计算：x

=

xiR

=

xmax

−

xminxmax与xmin分别为某样本中个体的最大值与最小值

点图的基本形式是由小样本均值x

的点图和小样本极差R的点图联合组成的x

—R图6.2加工误差的统计分析方法2024/12/19

23

中线图控制限x

−R

图x

−Rx

−Rx

图：R图是控制图和

x

表示样组平均值R控制图联合使用的统称中线上控制限下控制限

数值查表。x

=

xi

S

2X

26.2加工误差的统计分析方法R

=

RiS

1R

=D

⋅R(2)加工误差的统计分析方法-点图法表示样组极差A2

、D1

、D22024/12/19上控制限下控制限来源:天津大学课件24x

=x

−A

⋅Rx

=x

+A

⋅R

R

=D

⋅RR

图：X

2，x

−R

图分析◆工艺过程稳定性点子正常波动→工艺过程稳定；点子异常波动→工艺过

程不稳定◆稳定性判别——没有点子超出控制限——大部分点子在中心线上下波动，小部分点子靠近控制限——点子变化没有明显规律性

(如上升、下降倾向，或周期性波动)

同时满足为稳定0

5

10

15

20

样组序号x

图6.2加工误差的统计分析方法(2)

加工误差的统计分析方法-点图法UCL=21.89CL=16.73LCL=11.57UCL=19.67CL=8.90LCL=01015R

图x

−R

图来源:天津大学课件样组序号2024/12/19202550

随机的波动，属正常波动，这表明工艺过程是稳定的

异常波动，这表明工艺过程是不稳定的。一旦出现异常波动，就要及时寻找原因，使这种不稳定的趋势得到消除(2)加工误差的统计分析方法-点图法

点图的正常波动与异常波动点图的波动6.2加工误差的统计分析方法2024/12/19

266.2加工误差的统计分析方法(2)加工误差的统计分析方法-点图法2024/12/1927(2)加工误差的统计分析方法-点图法

点图的分析的特点

所采用的样本为顺序小样本；

能在工艺过程进行中及时提供主动控制的资料；

计算简单。6.2加工误差的统计分析方法2024/12/19

28智能制造工

艺机械加工质量分析和控制知识点(参考教材)6.1

机械加工精度与原始误差6.2

加工误差的统计分析方法6.3

机械加工表面质量6.3.1

机械加工表面质量概述6.3.2

表面质量对零件使用性能的影响6.3.3

影响表面粗糙度的因素6.3.4

表面层物理力学性能的影响因素6.3.5

提高表面质量的加工方法6.4

机械加工质量的智能检测和控制方法机械加工质量分析和控制2024/12/19

26.3.1机械加工表面质量概述(1)

加工表面的一般描述a)表面纹理b)表面粗糙度与波度2024/12/19

3

表面层因塑性变形引起的冷作硬化

表面层因切削热引起的金相组织的变化

表面层中产生的残余应力

表面粗糙度－微观几何形状误差

波度－周期性几何形状误差表面的几何形状特征表面层的物理力学性能变化(2)

加工表面质量的主要内容6.3.1机械加工表面质量概述机械加工表面质量2024/12/19

4(1)

表面质量对零件耐磨性的影响粗糙度方面

粗糙度过大或过小都会引起工作时的迅速磨损，一定工作条件下通常存在一个最佳表面粗糙度。

表面粗糙度值过大实际接触面积↓单位应力↑↑峰部之间产生塑性变形、弹性变形和剪切破坏，

引起严重磨损。

表面粗糙度值过小润滑油不易储存接触面之间容易发生分子粘接，磨损反而增加。6.3.2机械加工表面质量概述2024/12/19

5

但过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，反而使耐磨性下降。

加工表面的冷作硬化使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，故一般可使耐磨性提高(1)

表面质量对零件耐磨性的影响冷作硬化方面6.3.2机械加工表面质量概述2024/12/196

如刀痕与受力方向垂直，则疲劳强度将显著降低

残余压应力则可阻碍疲劳裂纹的产生与发展，提高零件的疲劳强度

残余拉应力时则正好相反，疲劳强度下降

适度的冷作硬化并伴有残余压应力时可提高疲劳强度

冷硬过度或伴有残余拉应力导致疲劳强度下降

粗糙度对疲劳强度的影响最大。表面愈粗糙，则在交变载荷作用下，凹谷部位应力集中现象愈严重，容易引起疲劳裂纹，造成疲劳破坏表面粗糙度加工纹理方向表面残余应力冷作硬化(2)

表面质量对零件疲劳强度的影响6.3.2机械加工表面质量概述2024/12/19

7(3)

表面质量对零件耐腐蚀的影响

零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。

表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多，抗蚀性就愈差。

表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐磨性；

残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。6.3.2机械加工表面质量概述2024/12/19

8

对于间隙配合，粗糙度值大会使磨损加大，间隙增大，破坏了要求的配合性质。

对于过盈配合，装配过程中一部分表面凸峰被挤平，实际过盈量减小，降低了配合件间的连接强度。间隙配合过盈配合表面质量对配合质量的影响(4)

表面质量对配合质量的影响6.3.2机械加工表面质量概述2024/12/19

9(5)

其他影响•对没有密封件的液压油缸、滑阀来说，降低粗糙度可以减少泄漏，提高其密封性能•较低的表面粗糙度可使零件具有较高的接触刚度;对于滑动零件，降低粗糙度能使摩擦系数降低、运动灵活性提高，并减少发热和功率损失•表面层的残余应力会使零件在使用过程中继续变形，失去原来的精度、降低机器的工作质量等6.3.2机械加工表面质量概述2024/12/19

10

影响因素：刀尖圆弧半径rε

,主偏角kr

,副偏角k′r

,进给量f

切削残留面积

直线刃车刀(a)

圆弧刃车刀(b)a

)

车削时残留面积的高度2024/12/19

f

ctg

κr

+ctg

κ′r

f

2

8⋅

r(1)

切削加工影响表面粗糙度的因素6.3.3影响表面粗糙度的因素(4-31)(4-32)fκrf==来源:天津大学课件Ⅱ

Ⅰb)κ′rHHκ

rvfvfr

εRRⅡmaxmax11ⅠεRzKsh切削加工影响表面粗糙度的因素

切削表面塑性变形和积屑瘤

切削速度影响最大：v=10~50m/min范围，易产v

(m/min)切削45钢时切削速度与粗糙度关系

其他影响因素：

刀具几何角度、刃磨质量，切削液等．2024/12/196.3.3影响表面粗糙度的因素生积屑瘤和鳞刺，表面粗糙度最差。02040608010012014060040020003.02.52.01.5积屑瘤高度h

(μm)282420161284表面粗糙z

(μm)(1)收缩系

s12(1)

切削加工影响表面粗糙度的因素工件材料的性质

切削加工后表面粗糙度的实际轮廓与纯几何因素所形成的理论轮廓有差异的原因主要是由于切削过程塑性变形的影响。加工塑性材料时由刀具对金属的挤压产生了塑性变形，加之刀具

迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。加工脆性材料时其切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。6.3.3影响表面粗糙度的因素2024/12/19

13粗粒度砂轮(WA60KV)

砂轮速度vt，Ra

↓

工件速度vw

t，Ra

t

砂轮纵向进给ft，Ra

t

磨削深度ap

t，Ra

t0

10

2030光磨次数光磨次数-Ra关系(2)

磨削加工影响表面粗糙度的因素6.3.3影响表面粗糙度的因素磨削用量影响vw

=40(m/min)

f=2.36(m/min)

ap

=0.01(mm)v=50(m/s)

f=2.36(m/min)

ap

=0.01(mm)v(m/s)，vw(m/min)a

)0.0

0.0

ap(mm)34磨削用量对表面粗糙度的影响细粒度砂轮(WA/GCW14KB)

光磨次数t，Ra

↓0.80.60.40.2000.060.040.0230405060Ra(μm)Ra(μm)Ra(μm)0.020.012024/12/19b)0.51.0140(2)

磨削加工影响表面粗糙度的因素

砂轮影响

砂轮粒度↑，Ra↓；但要适量

砂轮硬度适中，Ra↓；常取中软

砂轮组织适中，Ra

↓；常取中等组织

采用超硬砂轮材料，Ra

↓

砂轮精细修整，Ra

↓

其他影响因素

工件材料

冷却润滑液等6.3.3影响表面粗糙度的因素2024/12/19

15(1)

表面层的冷作硬化•冷作硬化的产生：

机械加工时，工件表层金属产生严重的塑形变形，金属晶体产生剪切滑移，晶格扭曲，使金属表层的强度、硬度提高，塑性下降，这就形成了冷作硬化。•表面层冷作硬化的衡量指标：

衡量工件表面层冷作硬化的指标有下列三项:表面层的显微硬度HV硬化层深度h;硬化程度N。6.3.4表面层物理力学性能的影响因素2024/12/19

16•(1)

表面层的冷作硬化(切削加工)◆切削用量影响

f↑，冷硬程度↑(右图)

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◆刀具影响

rε

t

，冷硬程度t

其他几何参数影响不明显

后刀面磨损影响显著(右图)◆工件材料

材料塑性t

，冷硬倾向t2024/12/1934026018010000.20.40.60.8

1.工4550钢，v=4/min)f=~0.2(/z)磨损宽度VB(mm)后刀面磨损对冷硬影响17影响表面冷作硬化的因素6.3.4表面层物理力学性能的影响因素00.20.40.6

0.8f(mm/r)

f

和v

对冷硬的影响400300200100v=170(m/min)来源:天津大学课件100(m/min

)135(m/min)50(m/min)硬度(HV)硬度(HV)件材料：0(m0.12mm0•(1)

表面层的冷作硬化(磨削加工)◆磨削用量

磨削深度↑→冷硬程度↑(如图)

磨削速度t→冷硬程度↓(弱化作用加强)

工件转速t→冷硬程度t

纵向进给量影响复杂◆砂轮

砂轮粒度↑→冷硬程度↓

砂轮硬度、组织影响不显著◆工件材料

材料塑性↑→冷硬倾向↑

材料导热性↑→冷硬倾向↑普通磨削高速磨削影响表面冷作硬化的因素6.3.4表面层物理力学性能的影响因素2024/12/19

185004504003503000磨削深度对冷硬的影响0.50

0.75ap(mm)硬度(HV)0.25(2)

加工表面金相组织变化磨削烧伤与磨削裂纹

磨削烧伤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

磨削裂纹磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现

合理选择砂轮

合理选择磨削用量

改善冷却条件带空气挡板冷却喷嘴6.3.4表面层物理力学性能的影响因素

磨削烧伤与磨削裂纹的控制2024/12/19

19冷却液气流wdvv(2)

加工表面金相组织变化改善磨削烧伤的途径

改善磨削烧伤的途径：

正确选择砂轮

合理选择磨削用量

改善冷却条件内冷却装置

2—通导孔3—砂轮中心腔

6.3.4表面层物理力学性能的影响因素2024/12/19

204—有径向小孔的薄壁套211—锥形盖43

切削深度影响不显著

刀具

前角+→－，残余拉应力↓

刀具磨损↑→残余应力↑

工件材料

材料塑性↑→残余应力↑

铸铁等脆性材料易产生残余压应力2024/12/19(3)

加工表面的残余应力和磨削裂纹影响层金属残余应力的因素

切削用量

v↑→残余应力↑(热应力起主导作用，上图)vvc

=213m/minvc=86m/minc

=7.7m/minf=0.40mf=0./rf=0.12mm/r0100200300

400距离表面深度(μm)f

对残余应力的影响工件：45，切削条件：vc=86m/min，=2mm，不加切削液pa6.3.4表面层物理力学性能的影响因素残余应力(Gpa)rε=0.8mm工件：45切削液0.2000.20vc

对残余应力的影响

γ0=5°,α0==5°,κr=75°,

f↑→残余应力↑(下图)切削条件：=0.3mm,f=0.05mm/r,不加pa0.200-0.20150200距离表面深度(μm)残余应力(Gpa)0

50m/r25mm10021tmtptn123O

距表面的深度b)Ob+c)Ob+d)O6.3.4表面层物理力学性能的影响因素(3)

加工表面的残余应力和磨削裂纹由于切削热在表层金属产生残余拉应力的分析图2024/12/19

22表面层残余应力123距表面的深度a)b+t

C(4)

提高和改善零件表面层物理力学性能的措施•无屑加工是提高表面层物理力学性能的有效方法。如挤压齿轮，冷轧花键，滚压内、外圆柱面等，这些方法都通过塑性变形成形，经变形强化的零件表面同时具有残余压应力，耐性和疲劳强度均较高。•此外，还有对零件表面进行抛丸强化，使表面层产生冷作硬化和残余压应力。6.3.4表面层物理力学性能的影响因素2024/12/19

23(1)

减小表面粗糙度的加工方法

可提高尺寸精度的精密加工方法

光整加工方法

超精加工

珩磨

研磨

抛光6.3.5提高表面质量的加工方法2024/12/19

24超精加工外圆

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，将凸起部分下压下，凹下部分上凸，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(右图)

金刚石压光

液体磨料喷射加工2024/12/19

喷丸强化

利用大量快速运动珠丸打击工件表面,使工件表面产生冷硬层和压应力,↑疲劳强度

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

滚压加工压缩塑性变形区域

拉伸(2)

改善表面层物理力学性能的加工方法6.3.5提高表面质量的加工方法珠丸挤压引起残余应力滚压加工原理图25智能制造工

艺机械加工质量分析和控制知识点(参考教材)6.1

机械加工精度与原始误差6.2

加工误差的统计分析方法6.3

机械加工表面质量6.4

机械加工质量的智能检测和控制方法6.4.1

加工精度检测和控制6.4.2

表面质量检测与控制机械加工质量分析和控制2024/12/19

2触头式测头基本结构铣床中测头与CNC交互示意图(1)

测头在线测量原理简介6.4.1加工精度检测和控制2024/12/19

3测头应用示意图(2)

测头在线测量应用实例6.4.1加工精度检测和控制2024/12/19

4某用户加工工件示意图具体测点分布(3)

视觉检测i5智能系统测头检测编程引导功能界面传统CNC中视觉检测系统组成2024/12/196.4.1加工精度检测和控制智能数控系统中视觉检测系统组成视觉检测软件示意图56.4.1加工精度检测和控制i5视觉检测套件i5Vision的工作环境测试及相机防护2024/12/19

6(3)

视觉检测(4)

视觉检测应用案例

某品牌手机按键槽和耳机孔加工6.4.1加工精度检测和控制视觉检测在金属手机按键槽和耳机孔加工中的应用2024/12/19

7(4)

视觉检测应用案例

液压阀孔珩磨加工6.4.1加工精度检测和控制2024/12/19

8视觉检测在液压阀孔珩磨加工中的应用6.4.2表面质量检测和控制2024/12/19

9发生颤振与未发生颤振时的加工表面对比(1)

颤振抑制稳定性叶瓣图6.4.2表面质量检测和控制2024/12/19

10(1)

颤振抑制某铣床发生颤振时的频谱图CUTPRO软硬件示意图6.4.2表面质量检测和控制2024/12/19

11i5智能系统中QEC功能的使用流程QEC反向补偿前后加工效果对比(2)

反向补偿QEC功能的补偿效果反向误差示意图补充机械加工过程中的振动2024/12/19

12振动的危害一、

机械加工过程中振动的危害

影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度

影响生产效率

加速刀具磨损，易引起崩刃

影响机床、夹具的使用寿命

产生噪声污染，危害操作者健康补充机械加工过程中的振动2024/12/19

13干扰力；机床内部振源,各种旋转体的不平衡,电动机转子、砂轮、工件等;

往复运动惯性力,液压传动系统中油路油压脉动等等。外部传来的冲击力,机械系统本身产生的周期/非周期干扰力,如间隙、材料硬点、凸轮与杠杆的冲击等自由振动强迫振动

自激振动二、工艺系统振动的分类及产生的原因再生效应振型耦合负摩擦及其他补充机械加工过程中的振动工艺系统振

动机床空运

转时的振动切削或磨

削时的振动如切屑形成的周期性、断续的交变力外部传来的振动,地基周期/非周期例如床鞍与导轨之间的爬行强迫振动自激振动2024/12/1914有粘性阻尼强迫振动的初始响应过程

t2024/12/19

自由振动

强迫振动

自激振动补充机械加工过程中的振动机械加工过程中振动的类型有粘性阻尼强迫振动的稳态有粘性阻尼的自由振动有粘性阻尼强迫振动x15m1

x..1

=

−kx1

+

k2

(x2

−

x1

)

m1

m1

m2

x..2

=

−k2

(x2

−

x1

)

k2 c

=m很明显，这是一个二阶齐次常系数线性方程组。2024/12/19(b)动力学模型112212m2mk1

x(a)

振动系统

a

=

k1+

k2

b

=

k2

补充机械加工过程中的振动2

k振动系统的动力学模型x..

+ax

−bx

=

0x..

−cx

+cx

=

0k2

(x2

−k2

(x2

−

m

x..

m

x..

221

x2砂轮主轴系统x1

)x1

)

11x砂轮架o2kx11o16112动力学模型分类

集中参数模型

有限元模型

连续弹性梁模型补充机械加工过程中的振动2024/12/19

17振动系统自由度

工艺系统、机床、甚至机床的零部件都是多自由度系统。严格来说，机床及其零部件都应视为具有无穷多个自由度的振动系统。因为它们是连续体，其质量和刚度都是连续分布的。

多自由度系统在自由振动时，根据不同的起始条件、不同的激发方式，可能有多种振动形态，每一种振动形态是由多个按不

同振动频率的简谐运动综合而成。补充机械加工过程中的振动2024/12/19

18(a)模型单自由度系统强迫振动模型补充机械加工过程中的振动单自由度系统强迫振动模型Wcx.(b)质量块的受力分析Fd

=F0

sinωtx

+xXc2024/12/19mx..xstFdstkm19oo引入符号2δ

=

,

=

,

q

=

其中：δ衰减系数，ω0

振动系统固有圆频率ω02单自由度系统强迫振动模型mx..

=恢复力+阻尼力+激振力mx..+cx.

+k(x

+xst

)=F0

sin

ωt

+WW

=kxstx..+2δx.

+x

=qsin

ωt

(2)ω02补充机械加工过程中的振动2024/12/19

20mx..+cx.

+kx

=F0

sin

ωt

(1)单自由度系统强迫振动模型x..+2δx.

+ω

x

=qsinωt的通解可写成x

=A1e

−δt

cos(ωd

t

−9)+Acos(ωt

−φ)02其中ωd

=ω

−δ2

，粘性阻尼振动固有圆频率δ0稳态解：x

=Acos(ωt

−φ)02补充机械加工过程中的振动2024/12/19

21令D

=，阻尼比ω单自由度系统强迫振动模型稳态解：x

=Acos(ωt

−φ)F

1A

=

0

1

−

+

4D2

ω

2Dφ=arctg

ω01

−

22KKKKKKKKKKK22K补充机械加工过程中的振动2024/12/19

22令V

=

A

，振动系统动态放大系数x令λ=

ω

，频率比令xst

=，等效刚度K的振动系统在静力F0作用下的位移补充机械加工过程中的振动单自由度系统强迫振动模型2024/12/19

23ω0st单自由度系统强迫振动模型A11

xst

A

=

xst

(1

−

λ)2

+

4D2λ22Dλ====VV

=补充机械加工过程中的振动2024/12/19

24φ=

arctg

1

−

λ20.12wr

1234频率比λ=

ω0静力区共振区惯性区强迫振动幅频曲线某一阻尼比时的幅频曲线补充机械加工过程中的振动321放大系

D=2024/12/19ω40525D=0.060.1250.20.350.5

222补充机械加工过程中的振动12不同阻尼时的幅频曲线强迫振动幅频曲线34频率比λ=

5432102024/12/19261三、机械加工过程中的强迫振动

强迫振动产生原因

旋转件不平衡引起的振动

机床传动机构缺陷引起的振动

切削过程中的冲击引起的振动

往复运动部件的惯性力引起的振动

强迫振动的特征

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φ角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。补充机械加工过程中的振动2024/12/19

27机械加工过程中强迫振源的查找方法补充机械加工过程中的振动2024/12/1928四、机械加工过程中的自激振动(颤振)

自激振动的概念

在没有周期性外力作用下，

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(右图)补充机械加工过程中的振动调节系统(切削过程)机床振动系统

(弹性环节)2024/12/19

29电动机

(能源)自激振动闭环系统振动位移X(t)交变切削力F(t)自激振动6354

721电铃的自激振动补充机械加工过程中的振动2024/12/19

30自激振动

自激振动的特征

自激振动是一种不衰减振动

自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率

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(右图)。补充机械加工过程中的振动2024/12/19

31自激振动系统能量关系0

A

B

C

振幅E－E＋能量EQ产生自激振动的条件

在刀架振入工件的半个周期内，切削力作负功。

在刀架振出工件的半个周期内，切削力作正功。

只有正功大于负功，或者说只有系统获得的能量大于系统对外界释放的能量，系统才有可能维持自激振动。

自激振动的条件可表示为：E吸收＞E消耗。yb)车削外圆单自由度振动模型补充机械加工过程中的振动vkm振出振入2024/12/19 aFya)Fy32yv0机械加工过程中自激振动的激振机理

再生颤振原理

振型耦合原理

负摩擦原理

切削力滞后原理补充机械加工过程中的振动2024/12/19

33面上留下振纹。第二次走刀时，刀具

◆

再生机理：

切削过程，由于偶然干

φ

a)

b)扰，使加工系统产生振动并在加工表

y0

将在有振纹的表面上切削，使切削厚

y度发生变化，导致切削力周期性地变

切入

切出

f

化，产生自激振动c)

d)再生自激振动原理图◆

产生条件

(图)

：

a)b)c)系统无能量获得；d)y