【正文】 機(jī)械加工中的自激振動(dòng)及其控制措施 1— 飛輪； 2— 摩擦盤； 3— 摩擦墊； 4— 螺母； 5— 彈簧 摩擦減振器 機(jī)械加工中的振動(dòng)及其控制措施 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 減振裝置 —— 當(dāng)無法從根本上消除產(chǎn)生切削振動(dòng)的條件，又無法有效提高工藝系統(tǒng)的抗振性和穩(wěn)定性時(shí)，可采用消振、減振裝置。 振型耦合模型至少要有兩個(gè)自由度 的振動(dòng)系統(tǒng) 。 μ =( B f ) / B B— 切削寬度， f — 進(jìn)給量。 機(jī)械加工中的自激振動(dòng)及其控制措施 機(jī)械加工中的振動(dòng)及其控制措施 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 切削模型： y0表示前次切削的表面 y表示后次切削的表面 刀具切入工件時(shí)，切削力做正功，切出工件時(shí)做負(fù)功。 （ 2）當(dāng) W振出 =W振入 時(shí)，因?qū)嶋H機(jī)械加工系統(tǒng)中存在阻尼，刀架系統(tǒng)在振入過程中，為克服阻尼還需消耗能量 W摩阻（振入） ，故刀架振動(dòng)系統(tǒng)每振動(dòng)一次，刀架系統(tǒng)便會(huì)損失一部分能量。這與自由振動(dòng)相似，而與強(qiáng)迫振動(dòng)根本不同。系統(tǒng)的振動(dòng)必然會(huì)引起工件、刀具間的相對(duì)位置發(fā)生周期性變化，這一變化若又引起切削力的波動(dòng)，則使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)。 Ⅱ ）當(dāng) λ→ 1時(shí)， η會(huì)急劇增大，此現(xiàn)象稱為共振， λ 區(qū)域稱為共振區(qū)，在該區(qū)增大阻尼 →共振 ↓ Ⅲ ）當(dāng) λ1時(shí)， η→0， λ ，在該區(qū)增加振動(dòng)體的質(zhì)量，可減小振動(dòng)振幅。 強(qiáng)迫振動(dòng) 的振源 ? 系統(tǒng)外部的周期性干擾力 ? 旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量偏心 ? 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的缺陷 ? 切削過程的間隙特性 ? 機(jī)床電機(jī)的振動(dòng) ? 機(jī)床高速旋轉(zhuǎn)件不平衡引起的振動(dòng) ? 機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)缺陷引起的振動(dòng)，如齒輪的側(cè)隙、皮帶張緊力的變化等 ? 切削過程中的沖擊引起的振動(dòng) ? 往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件的慣性力引起的振動(dòng) 機(jī)械加工中的強(qiáng)迫振動(dòng)及其控制措施 機(jī)械加工中的振動(dòng)及其控制措施 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 內(nèi)圓磨削振動(dòng)系統(tǒng) a) 模型示意圖 b）動(dòng)力學(xué)模型 c）受力圖 動(dòng)力學(xué)模型的建立 機(jī)械加工中的強(qiáng)迫振動(dòng)及其控制措施 機(jī)械加工中的振動(dòng)及其控制措施 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 動(dòng)力學(xué)模型的建立 幾點(diǎn)假設(shè)： 1）（ a）只有質(zhì)量、沒有彈性的集中質(zhì)量，（ b）只有彈性、沒有質(zhì)量的集中彈簧； 2）阻尼力在線性范圍內(nèi)，即： 3）系統(tǒng)在平衡位置附近作微小的振動(dòng)。 機(jī)械加工中的振動(dòng)及其分類 機(jī)械加工中的振動(dòng)及其控制措施 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 機(jī)械加工振動(dòng) 自激振動(dòng) 自由振動(dòng) 強(qiáng)迫振動(dòng) 當(dāng)系統(tǒng)受到初始干擾力激勵(lì)破壞了其 平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)僅靠彈性恢復(fù)力來 維持的振動(dòng)稱為自由振動(dòng)。 4）干涉線變暗變寬而旁有麻點(diǎn)，上述三種應(yīng)力都存在。從裂紋的方向可以判斷殘余應(yīng)力的性質(zhì)，縱向裂紋是由切向應(yīng)力引起的，橫向裂紋是由軸向拉應(yīng)力引起的。 b、 硬化層深度 h：在試件的側(cè)面磨出金相磨片，從外向內(nèi)打顯微硬度，從其硬度變化得知硬化深度，如果硬化層很薄，則這種方法不行。 借助強(qiáng)化工藝還可以用次等材料替代優(yōu)質(zhì)材料 ， 以節(jié)約貴重材料 。而對(duì)于一些直接影響產(chǎn)品性能、壽命和安全工作的重要零件的重要表面，就有必要加以控制了。磨削加工時(shí)起主要作用的通常是熱態(tài)塑性變形或金相組織變化引起的體積變化，表面層常產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力。 2. 表面層殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因 影響表層力學(xué)物理性能的工藝因素及其改進(jìn)的工藝措施 表面層金屬的殘余應(yīng)力 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 切削熱在表層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的示意圖 影響表層力學(xué)物理性能的工藝因素及其改進(jìn)的工藝措施 表面層金屬的殘余應(yīng)力 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 磨削裂紋和殘余應(yīng)力有著十分密切的關(guān)系。 （ 2）酸洗法： 將已加工完的工件表面在 3%～ 5%的硝酸溶液中浸洗 30～ 40s后取出，在燈光下觀察，如果表面呈暗灰色則可判斷工件表面上無燒傷，如果表面呈黑色則說明工件已經(jīng)燒傷。 磨削時(shí)，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(chǎn)生回火現(xiàn)象而轉(zhuǎn)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 。力越大，塑性變形越大，則硬化程度越大；速度越大，塑性變形越不充分，則硬化程度越?。蛔冃螘r(shí)的溫度不僅影響塑性變形程度，還會(huì)影響變形后金相組織的恢復(fù)程度。 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 在切削加工中，工件由于受到切削力和切削熱的作用，使表面層金屬的物理機(jī)械性能產(chǎn)生變化，最主要的變化是 表面層冷作硬化 、 金相組織的變化 和 殘余應(yīng)力的產(chǎn)生 。 ? 砂輪的縱向進(jìn)給量 小于砂輪的寬度時(shí)，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。加工表面在多次擠壓下出現(xiàn)溝槽與隆起，又由于磨削時(shí)的高溫更加劇了塑性變形，故表面粗糙度值增大。積屑瘤和鱗刺僅在低速時(shí)產(chǎn)生。 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 (2)物理力學(xué)因素 切削加工表面粗糙度的形成 ? 被加工材料的性能 —— 塑性變形 的影響 切削過程中刀具的刃口圓角及后刀面對(duì)工件擠壓與摩擦而產(chǎn)生塑性變形。 因此 減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能 。 對(duì)承受交變載荷零件的疲勞強(qiáng)度影響很大。 零件磨損三個(gè)階段： 初期磨損階段；正常磨損階段；劇烈磨損階段 摩擦副的磨損過程 概 述 機(jī)械加工表面質(zhì)量對(duì)機(jī)器產(chǎn)品使用性能和使用壽命的影響 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 （ 1）表面粗糙度對(duì)零件耐磨性的影響 ? 表面粗糙度太大和太小都不耐磨 ?表面粗糙度太大，接觸表面的實(shí)際壓強(qiáng)增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、擠裂、切斷，故磨損加?。? ?表面粗糙度太小，也會(huì)導(dǎo)致磨損加劇。 (Ra=， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 25， 50) 表面波度： 是介于加工精度（宏觀幾何形狀誤差 L3/H3 = 1000）和表面粗糙度間的一種帶有周期性的幾何形狀誤差，其波長(zhǎng)與波高的比值在 40＜ L2/H2＜ 1000的范圍，波距 =1~10mm 紋理方向： 紋理方向是指表面刀紋的方向，它取決于表面形成過程中所采用的機(jī)械加工方法。 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 概述 表面粗糙度影響的工藝因素及其改善的工藝措施 影響表層物理性能的工藝因素及其改進(jìn)的工藝措施 控制加工表面質(zhì)量的途徑 機(jī)械加工中的振動(dòng)及其控制措施 內(nèi)容提綱 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 任何機(jī)械加工方法所得到的零件表面，實(shí)際上都不是完全理想的表面。實(shí)踐證明， 機(jī)器零件的破壞，一般都從表層開始 ，這從一定程度上表明零件的表面質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。 傷痕： 是加工表面上一些個(gè)別位置上出現(xiàn)的缺陷。因?yàn)楸砻嫣饣娌蛔?rùn)滑油，接觸面間不易形成油膜，容易發(fā)生分子粘結(jié)而加劇磨損。在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。 （ 2）表面殘余應(yīng)力對(duì)零件耐腐蝕性能的影響 零件表面 殘余壓應(yīng)力 使零件表面緊密，腐蝕性物質(zhì)不易進(jìn)入， 可增強(qiáng)零件的耐腐蝕性 ，而表面 殘余拉應(yīng)力則降低零件耐腐蝕性 。 ? 與切削機(jī)理有關(guān)的物理因素 —— 刀瘤 和 鱗刺 的影響 ?切削用量的影響 ?刀具材料的影響 表面粗糙度影響的工藝參數(shù)及其改善的工藝措施 切削加工表面粗糙度 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 刀瘤對(duì)工件表面質(zhì)量的影響 切削過程中切屑底層和前刀面發(fā)生冷焊的結(jié)果。切削速度越高，塑性變形越不充分，表面粗糙度值越??；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。 表面粗糙度影響的工藝參數(shù)及其改善的工藝措施 磨削加工表面粗糙度 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 磨削加工后表面粗糙度 磨粒在工件上的刻痕 表面粗糙度影響的工藝參數(shù)及其改善的工藝措施 磨削加工表面粗糙度 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 磨粒 在砂輪上的分布越均勻、磨粒越細(xì)，刃口的等高性越好。 為提高磨削效率，通常在開始磨削時(shí)采用較大的徑向進(jìn)給量，而在磨削后期采用較小的徑向進(jìn)給量或無進(jìn)給量磨削，以減小表面粗糙度值。 由于磨削加工時(shí)所產(chǎn)生的塑性變形和切削熱比刀刃切削時(shí)更嚴(yán)重，因而磨削加工后加工表面層上述三項(xiàng)物理機(jī)械性能的變化會(huì)很大。 影響冷作硬化的主要因素 影響表層力學(xué)物理性能的工藝因素及其改進(jìn)的工藝措施 加工表面層的冷作硬化 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 ⑴ 刀具幾何形狀的影響 切削刃 rε↑、前角 ↓、后面磨損量 VB↑ →表層金屬的塑變加劇 →冷硬 ↑ ⑵ 切削用量的影響 切削速度 v↑→溫度升高，冷硬恢復(fù)； 刀具、工件接觸時(shí)間短，塑變 ↓→冷硬 ↓ f↑→切削力 ↑→塑變 ↑→冷硬 ↑ f 較小 → 刀具刃口圓角在加工表面單位長(zhǎng)度 上的擠壓次數(shù)增多 ↑→ 冷硬 ↑ ⑶ 工件材料性能的影響 材料塑性 ↑→冷硬 ↑ 影響冷作硬化的主要因素 影響表層力學(xué)物理性能的工藝因素及其改進(jìn)的工藝措施 加工表面層的冷作硬化 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 切削加工中，由于切削熱的作用，在工件的加工區(qū)及其鄰近區(qū)域產(chǎn)生了一定的溫升。 磨削時(shí)工件表面溫度超過相變臨界溫度 Ac3時(shí)，則馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。 （ 3）金相組織法： 通過一定的方法觀察和檢查表層金屬金相組織的變化來評(píng)定燒傷的情況。 在磨削過程中，當(dāng)工件表面層產(chǎn)生的殘余應(yīng)力超過工件材料的強(qiáng)度極限時(shí)，工件表面就會(huì)產(chǎn)生裂紋。 4. 影響表面殘余應(yīng)力的主要因素 影響表層力學(xué)物理性能的工藝因素及其改進(jìn)的工藝措施 表面層金屬的殘余應(yīng)力 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 影響表層力學(xué)物理性能的工藝因素及其改進(jìn)的工藝措施 表面層強(qiáng)化工藝 這里所說的表面強(qiáng)化工藝是指 通過冷壓加工方法使表面層金屬發(fā)生冷態(tài)塑性變形，以降低表面粗糙度，提高表面硬度，并在表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。 以磨削為例，生產(chǎn)中比較可行的辦法是通過試驗(yàn)來確定磨削參數(shù)：先按初步選定的磨削參數(shù)試磨，檢查工件表面熱損傷情況，據(jù)此調(diào)整磨削參數(shù)直至最后確定下來。 但是采用強(qiáng)化工藝時(shí)應(yīng)注意不要造成過度硬化 ， 過度硬化會(huì)使表面層完全失去塑性性質(zhì)甚至引起顯微裂紋和材料剝落 ， 帶來不良的后果 。 c、 當(dāng)硬化層很薄時(shí)，可在斜切面上測(cè)量顯微硬度。從裂紋出現(xiàn)的時(shí)間，可定性的估計(jì)殘余應(yīng)力的大小。 表面質(zhì)量的檢查 控制加工表面質(zhì)量的途徑 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 4. 殘余應(yīng)力的測(cè)定 （ 3）機(jī)械法 這種方法的原理是根據(jù)變形量來計(jì)算殘余應(yīng)力的大小，只能測(cè)量第一類殘余應(yīng)力，是實(shí)驗(yàn)室常用的定量測(cè)試方法。由于總存 在阻尼，自由振動(dòng)將逐漸衰減。 xcR ?? 機(jī)械加工中的強(qiáng)迫振動(dòng)及其控制措施 機(jī)械加工中的振動(dòng)及其控制措施 第 5章 機(jī)械加工表面質(zhì)量 根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)規(guī)律建立微分方程： tFkxxcxm ?si n0??? ???式中 α — 衰減系數(shù)， m2?? ?ω 0— 系統(tǒng)無阻尼振動(dòng)時(shí)的固有頻率， mk?20?ω — 激振力頻率 該式是一個(gè)二階