【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 發(fā)生熱塑性變形的傾向越大，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也越大。殘余應(yīng)力的大小，除與溫度有關(guān)外，也與材料的特性有關(guān)，即與屈服極限的曲線及溫度升降的斜率有關(guān)。 第 5章加工表面質(zhì)量控制 機(jī)械制造工藝學(xué) 常同立等 清華大學(xué)出版社(3) 金相組織的變化 不同的金相組織，具有不同的密度和比容。機(jī)械加工過(guò)程中，如果工件表面層的金相組織發(fā)生變化，則工件表面層金屬的比容也會(huì)發(fā)生變化。這種比容的變化必然受到里層基體金屬的阻礙，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。如果金相組織的變化引起表面層金屬的比容減小，則表面層金屬產(chǎn)生拉應(yīng)力，而里層產(chǎn)生壓應(yīng)力；反之，若金屬的比容減小，表面層金屬將產(chǎn)生壓應(yīng)力，而里層產(chǎn)生拉應(yīng)力。如在磨削淬火鋼時(shí)，由于磨削熱導(dǎo)致表層可能產(chǎn)生回火，表層金屬組織將由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏楣怏w的屈氏體或索氏體，密度增大，比熱容減小，表層金屬要產(chǎn)生相變收縮但會(huì)受到基體金屬的阻止，從而在表層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層金屬產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。如果磨削時(shí)表層金屬的溫度超過(guò)相變溫度且冷卻已充分，則表層金屬將轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體，密度減小，比熱容增大，則表層金屬產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，里層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。實(shí)際上，機(jī)械加工后表面層的殘余應(yīng)力是上述三方面原因綜合作用的結(jié)果。 第 5章加工表面質(zhì)量控制 機(jī)械制造工藝學(xué) 常同立等 清華大學(xué)出版社2）影響殘余應(yīng)力的工藝因素影響殘余應(yīng)力的主要工藝因素有工件材料的性質(zhì)、刀具 (砂輪 )、切削用量及冷卻潤(rùn)滑液等方面。具體情況要根據(jù)切削的塑性變形、切削溫度和金相組織變化的影響程度而定。(1) 切削加工影響殘余應(yīng)力的工藝因素 刀具的后角、刀尖的圓角半徑及刃鈍圓半徑對(duì)表面層殘余應(yīng)力的影響不大，這是因?yàn)楹蠼鞘艿降度袕?qiáng)度的制約變化不大，而刀尖的圓角半徑和刃鈍圓半徑在刃磨后很小。刀具幾何參數(shù)中前角的殘余應(yīng)力影響較大。實(shí)際上當(dāng)?shù)毒吣p到一定程度時(shí)，切削力以及刀具和工件的摩擦?xí)@著增加，使表面層溫度會(huì)升高，表面層的塑性變形加劇，因而刀具的磨損對(duì)殘余應(yīng)力影響較大。 第 5章加工表面質(zhì)量控制 機(jī)械制造工藝學(xué) 常同立等 清華大學(xué)出版社加工用量對(duì)殘余應(yīng)力的影響比較復(fù)雜，它與工件的材料、原來(lái)的狀態(tài)以及具體的加工條件等有關(guān)。在一般情況下，殘余應(yīng)力的數(shù)值和方向與切削速度有關(guān)。以較低的速度切削時(shí)，工件表面層會(huì)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。但隨著切削速度的增大，拉應(yīng)力值將逐漸減小，并在一定切削速度以上轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。低速切削時(shí)切削熱的作用占主導(dǎo)作用，表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。而隨著切削速度的提高，表層溫度逐漸提高至淬火溫度，表層金屬的金相組織發(fā)生變化，使殘余拉應(yīng)力的數(shù)值逐漸減小。高速切削時(shí)，表層金屬的金相組織變化起主導(dǎo)作用，因而表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。進(jìn)給量增加時(shí)，殘余應(yīng)力的數(shù)值及擴(kuò)展深度均隨進(jìn)給量的增加而增加。增加切削深度，殘余應(yīng)力也會(huì)隨之稍有增加。 第 5章加工表面質(zhì)量控制 機(jī)械制造工藝學(xué) 常同立等 清華大學(xué)出版社(2) 磨削加工影響殘余應(yīng)力的工藝因素 一般而言，工件材料的硬度越高、塑性越低、導(dǎo)熱性能越差，則表面金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的傾向越大。磨削導(dǎo)熱性能差的高強(qiáng)度合金鋼時(shí)，表面層的殘余拉應(yīng)力很可能超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，表面甚至?xí)a(chǎn)生裂紋。磨削用量是影響殘余應(yīng)力的首要因素。通過(guò)提高工件速度、減小磨削深度，均可減小殘余應(yīng)力。當(dāng)磨削深度減小到一定程度，可獲得較低殘余應(yīng)力的表面。而增大工件速度和進(jìn)給速度，將使表面金屬的塑性變形程度加劇，從而表層金屬中產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的趨勢(shì)減小，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的趨勢(shì)增大。磨削時(shí)，輕磨削條件下因沒(méi)有金相組織變化，溫度影響也很小，主要是塑性變形的影響在起作用，因而產(chǎn)生淺而小的殘余壓應(yīng)力；中等磨削條件下，產(chǎn)生淺而大的拉應(yīng)力；重磨條件下，如磨削淬火鋼，則產(chǎn)生深而大的拉應(yīng)力 (最外表面可能出現(xiàn)小而淺的壓應(yīng)力 )，是熱態(tài)塑性變形和金相組織變化起主導(dǎo)作用。 第 5章加工表面質(zhì)量控制 機(jī)械制造工藝學(xué) 常同立等 清華大學(xué)出版社3）零件加工后表面層的殘余應(yīng)力在不同的條件下，表面層殘余應(yīng)力的可能所差別。例如：切削加工中，切削熱不多時(shí)則以冷態(tài)塑性變形為主；若切削熱多則以熱態(tài)塑性變形為主。加工方法的不同，也可能某一種或兩種因素占主導(dǎo)地位。如圖 ：(1) 精細(xì)磨削條件下產(chǎn)生淺而小的殘余壓應(yīng)力，因?yàn)楸韺咏饘俚慕鹣嘟M織沒(méi)有變化，主要是塑性變形的影響起主導(dǎo)作用；(2) 精磨條件下則產(chǎn)生淺而大的拉應(yīng)力；(3) 粗磨條件下產(chǎn)生深而大的拉應(yīng)力，原因在于熱態(tài)塑性變形和金相組織的變化影響占據(jù)主導(dǎo)作用。第 5章加工表面質(zhì)量控制 機(jī)械制造工藝學(xué) 常同立等 清華大學(xué)出版社4）零件加工后表面層的磨削裂紋的產(chǎn)生表面層存在 殘余壓應(yīng)力 時(shí)，可使工件的疲勞強(qiáng)度和耐磨性能提高；表面層存在 殘余拉應(yīng)力 時(shí)，會(huì)使工件的疲勞強(qiáng)度和耐磨性能降低。當(dāng)殘余應(yīng)力值超過(guò)材料的疲勞極限時(shí)，工件表面層就會(huì)出現(xiàn)磨削裂紋。磨削裂紋一般很淺 (約 ~)，基本垂直于磨削方向或呈網(wǎng)狀。磨削裂紋的產(chǎn)生常與磨削燒傷同時(shí)出現(xiàn)。當(dāng)零件加工表面層存在磨削燒傷和磨削裂紋時(shí)，將使零件的疲勞強(qiáng)度和使用壽命受到嚴(yán)重影響。因此，在磨削加工中應(yīng)嚴(yán)格控制表面層殘余拉應(yīng)力，以免產(chǎn)生磨削裂紋。第 5章加工表面質(zhì)量控制 機(jī)械制造工藝學(xué) 常同立等 清華大學(xué)出版社 機(jī)械加工中的振動(dòng)機(jī)械加工過(guò)程中常產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)對(duì)于加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率都有很大影響。 新型的、難加工材料的加工過(guò)程中工藝系統(tǒng)更易產(chǎn)生振動(dòng)。所以研究振動(dòng)產(chǎn)生的誘因及機(jī)理，進(jìn)而避免、抑制或消除振動(dòng)是非常有意義的。第 5章加工表面質(zhì)量控制 機(jī)械制造工藝學(xué) 常同立等 清華大學(xué)出版社 機(jī)械加工動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)1. 振動(dòng)對(duì)機(jī)械加工過(guò)程的影響工藝系統(tǒng)的振動(dòng)影響主要表現(xiàn)在：(1) 振動(dòng)使工藝系統(tǒng)的正常切削過(guò)程受到干擾和破壞，工件及切削工具等的正常相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)疊加振動(dòng)，使零件加工表面產(chǎn)生振痕， 惡化零件的加工精度和表面質(zhì)量 。(2) 振動(dòng)會(huì)使刀具極易磨損，振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)甚至使刀具出現(xiàn)崩刃、打刀現(xiàn)象， 影響機(jī)械加工的正常進(jìn)行 。磨削加工時(shí)的振動(dòng)雖不如切削劇烈，但可能出現(xiàn)振動(dòng)燒傷，嚴(yán)重影響表面質(zhì)量。(3) 機(jī)床連接特性受到振動(dòng)可能遭到破壞，進(jìn)而產(chǎn)生部分松動(dòng)，影響軸承的工作性能，縮短刀具的耐用度和機(jī)床的使用壽命。(4) 振動(dòng)限制了切削用量的進(jìn)一步提高，致使機(jī)床、刀具的工作性能偏離最佳工作區(qū)，制約了生產(chǎn)率的提高。(5) 振動(dòng)所發(fā)出的刺耳噪聲，也會(huì)污染環(huán)境，影響人的身心健康，不符合綠色環(huán)保的發(fā)展要求。隨著機(jī)械加工工藝的發(fā)展，振動(dòng)問(wèn)題愈發(fā)突出，因此分析振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理、消除和抑制振動(dòng)是一個(gè)重要的課題。第 5章加工表面質(zhì)量控制 機(jī)械制造工藝學(xué) 常同立等 清華大學(xué)出版社2. 機(jī)械振動(dòng)的基本類(lèi)型根據(jù)工藝系統(tǒng)振動(dòng)產(chǎn)生的原因，大致可分為自由振動(dòng)、受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)三類(lèi)。(1) 自由振動(dòng)系統(tǒng)在外界干擾力作用下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)頻率是系統(tǒng)的固有頻率，而外力消除后由于系統(tǒng)中存在阻尼的能量耗散作用，振動(dòng)會(huì)逐漸衰減。這種振動(dòng)稱(chēng)為自由振動(dòng)。(2) 受迫振動(dòng)機(jī)械加工過(guò)程中，工藝系統(tǒng)由外界周期性干擾力的作用而被迫產(chǎn)生的振動(dòng)，稱(chēng)為受迫振動(dòng)。(3) 自激振動(dòng)機(jī)械加工過(guò)程中，在未受到外界周期性干擾力作用下工藝系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)振動(dòng)，維持振動(dòng)的交變力是振動(dòng)系統(tǒng)在自身運(yùn)動(dòng)中激發(fā)產(chǎn)生的。這種由系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)反饋而引起的持續(xù)性周期性振動(dòng)，稱(chēng)為自激振動(dòng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為顫振。由于實(shí)際的工藝系統(tǒng)存在阻尼作用，自由振動(dòng)會(huì)在外界干擾力去除后迅速衰減，因而對(duì)加工過(guò)程影響較小。機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)主要是受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，受迫振動(dòng)約占 65%，自激振動(dòng)約占30%，自由振動(dòng)所占比例則很小。第 5章加工表面質(zhì)量控制 機(jī)械制造工藝學(xué) 常同立等 清華大學(xué)出版社機(jī)械加工中振動(dòng)的種類(lèi)及其主要特點(diǎn)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(lái)維持的振動(dòng)稱(chēng)為自由振動(dòng)。由于總存在阻尼，自由振動(dòng)將逐漸衰減。 (占 5%)系統(tǒng)在周期性激振力 (干擾力 )持續(xù)作用下產(chǎn)生的振動(dòng)，稱(chēng)為強(qiáng)迫振動(dòng)。強(qiáng)迫振動(dòng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)程是諧振動(dòng)，只要有激振力存在振動(dòng)系統(tǒng)就不會(huì)被阻尼衰減掉。 (占 35%)在沒(méi)有周期性干擾力作用的情況下，由振動(dòng)系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力所激發(fā)和維持的振動(dòng)，稱(chēng)為自激振動(dòng)。切削過(guò)程中產(chǎn)生的自激振動(dòng)也稱(chēng)為顫振。(占 65%)第 5章加工表面質(zhì)量控制 機(jī)械制造工藝學(xué) 常同立等 清華大學(xué)出版社3. 機(jī)械加工系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)與機(jī)床、夾具、刀具和工件組成的工藝系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性有關(guān)。實(shí)際工藝系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性極為復(fù)雜，精確地分析和解算工藝系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型是極為困難的，通常根據(jù)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、所研究振動(dòng)問(wèn)題的性質(zhì)、要求的精度和實(shí)際振動(dòng)狀況將其簡(jiǎn)化為有限個(gè)自由度的振動(dòng)系統(tǒng)。 第 5章加工表面質(zhì)量控制 機(jī)械制造工藝學(xué) 常同立等 清華大學(xué)出版社單自由度系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單的振動(dòng)系統(tǒng)。下面以圖 (a)內(nèi)圓磨削加工為例，討論單自由度受迫振動(dòng)情況。磨削加工過(guò)程中磨頭受周期性變化的干擾力作用會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)工件的剛度遠(yuǎn)大于磨頭系統(tǒng)的剛度時(shí)，可簡(jiǎn)化為如圖 (b)所示質(zhì)量 — 彈簧 — 阻尼的單自由度系統(tǒng)。磨頭系統(tǒng)的等效質(zhì)量是 m，等效彈簧剛度為 K，等效黏性阻尼系數(shù)為 c。 將作用在磨頭與工件之間的激振力取定為簡(jiǎn)諧激振力， Fsinωt簡(jiǎn)諧激振力的幅值 F,角頻率 ω第 5章加工表面質(zhì)量控制 機(jī)械制造工藝學(xué) 常同立等 清華大學(xué)出版社系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為 兩邊分別除以 m，則有 二階常系數(shù)線性非齊次微分方程式的解為 第 5章加工表面質(zhì)量控制 機(jī)械制造工藝學(xué) 常同立等 清華大學(xué)出版社上式的第一項(xiàng) (齊次方程的通解 )表示為有阻尼的、逐漸衰減的自由振動(dòng)過(guò)程，如圖 (a)所示；第二項(xiàng) (非齊次方程的特解 )表示由激振力引起的頻率等于激振力頻率的受迫振動(dòng)，如圖 (b)所示。這兩部分振動(dòng)的疊加為振動(dòng)的響應(yīng)，如圖 (c)所示。 第 5章加工表面質(zhì)量控制 機(jī)械制造工藝學(xué) 常同立等 清華大學(xué)出版社經(jīng)歷過(guò)渡過(guò)程后的穩(wěn)定振動(dòng)，即受迫振動(dòng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)程。穩(wěn)態(tài)振動(dòng)方程為 A是 受迫振 動(dòng) 響 應(yīng) 的幅 值φ是振動(dòng)響應(yīng)幅值與激振力的相位差 在力作用下產(chǎn)生的靜位移 頻率比值 阻尼比 第 5章加工表面質(zhì)量控制 機(jī)械制造工藝學(xué) 常同立等 清華大學(xué)出版社動(dòng)態(tài)放大系數(shù)的概念。動(dòng)態(tài)放大系數(shù) V定義為受迫振動(dòng)的振動(dòng)幅值與系統(tǒng)靜位移的比值， 靜位移 A0反映了激振力的影響，說(shuō)明振動(dòng)幅值與激振力幅值成正比。頻率比 λ對(duì)振動(dòng)的影響比較復(fù)雜，可用動(dòng)態(tài)放大系數(shù)與頻率特性曲線表示，如圖 。 第 5章加工表面質(zhì)量控制 機(jī)械制造工藝學(xué) 常同立等 清華大學(xué)出版社（ 1） λ→0 時(shí)，激振力頻率極低，相當(dāng)于激振力作為靜載荷作用系統(tǒng)上，從而使系統(tǒng)產(chǎn)生的位移等于靜位移，V≈1。 0≤ λ ≤。（ 2） λ接近或等于 1時(shí)，振幅急劇增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為共振。 ≤ λ ≤稱(chēng)為共振區(qū)。工程上常把系統(tǒng)的固有頻率作為共振頻率，而把固有頻率前后20%~30%的區(qū)域作為禁區(qū)，避免產(chǎn)生共振。（ 3） λ1 時(shí)， V →0 ，振幅迅速下降，甚至消失。這表明振動(dòng)系統(tǒng)的慣性跟不上快速變化的激振力。 λ≥為慣性區(qū)。 圖 ξ對(duì)振動(dòng)的影響。在共振區(qū)域增加阻尼比對(duì)抑制振動(dòng)的效果較為明顯，而其它區(qū)域阻尼比對(duì)振動(dòng)的影響作用不大。當(dāng)時(shí)，阻尼幾乎不起作用。 第 5章加工表面質(zhì)量控制 機(jī)械制造工藝學(xué) 常同立等 清華大學(xué)出版社動(dòng)剛度和動(dòng)柔度是一對(duì)很重要的概念。二者能夠表示激振