机械制造技术基础课件第七章

合在一起的自激振动机理称振型耦合自激振动机
理。
右下图给出了车床刀架的振型耦合模型。
把车床刀架振动系统简化为两自由度振动系统， 并假设加工系统中只有刀架振动，其等效质量m
用相互垂直的等
效刚度分别为k1、
k2的两组弹簧支
持着。弹簧轴线 x1、x2称刚度主
轴，分别表示系
统的两个自由度
方向。
3) 负摩擦原理 在切削某些材料时，会出现工件与刀具之间的摩擦力 随切削速度的增加而下降的现象，使得切削力随之减 小。这时刀具的切入、切出运动（如图6-80（c））， 刀架受到偶然干扰在y方向振动，切入时刀具与工件的 相对滑动速度增加，而切出时，刀具与工件的相对滑 动速度减小。由于在振动区域存在着切削力随切削速 度增加而减小，即所谓“负摩擦”特性，此时的摩擦 力不是阻碍运动，而是帮助运动。于是在切入时，切 削力小， E- 小；切出时，切削力大， E+ 大；故产生了 持续的颤振。被称之为摩擦型颤振。
2) 振型耦合原理
当纵车方牙螺纹表面时，刀具
与已加工表面不存在着重叠切削，这样就排除了
产生再生振动的条件，但当切削深度加大到一定
的程度，仍然能产生自激振动。实际生产中，机 械加工系统一般是具有不同刚度和阻尼的弹簧系 统，具有不同方向性的各弹簧系统复合在一起， 满足一定的组合条件就会产生自激振动，这种复
(3) 机械加工中自激振动振动机理 1) 再生自激振动原理 对于切断及横向进给磨削时＝1；车螺纹时 =0，一般情况下 0 1。如果 0，即说明有重叠部分存在，则 工件上一转中如果留有振纹，就会引起下一转切削 厚度的周期变化，这样必然引起切削力的周期变化， 从而有可能引起工艺系统振动。这个振动又引起工 件表面产生振纹，使得切削厚度发生变化，导致切 削力作周期性地变化。这种由切削厚度的变化而使 切削力变化的效应称再生效应，由此产生的自激振 动称再生自激振动 。
7.2.2 表面层物理机械性能的变化及影响因素
（1） 加工表面的冷作硬化 1)表面层的硬化评定参数
H H0 H % H0
2)影响加工硬化的主要因素
① 切削用量的影响
② 切削刀具的影响
③ 被加工材料的影响
7.2.3 表面层金相组织变化及影晌因素
(1) 磨削烧伤 在切削过程中，切削所消耗的能 量绝大部分都转化为热能，传入工件的热使加 工表面局部升温，当温度达到金相组织转变临 界点时，就会产生金相组织变化。
被阻尼衰减掉。
2）不管加工系统本身的固有频率多大，强迫 振动的频率总与外界干扰力的频率相同或成 倍数关系。 3）强迫频率0的比
值，当/ 0 =1时，振幅达最大值，此现象 称“共振”。 4）强迫振动振幅的大小除了与 / 0有关外， 还与干扰力、系统刚度及阻尼系数有关。
7.2 表面质量影响因素
7.2.1 影响表面粗糙度的因素
（1）切削加工影响表面粗糙度的因素
影响切削加工表面粗糙度的因素主要有：几何因素，
物理因素及工艺系统振动等。
1) 刀具切削刃几何形状的影响 f H cot k r cot k r'
f2 H 8re
1) 刀具切削刃几何形状的影响
f H cot k r cot k r'
如图a表示前一次走刀振纹y0与后一次走刀振纹y无相 位差，即 0 ，切入和切出的半个周期内平均切削厚 度是相等的，故切出时切削力所作的正功（获得能量） 等于切入时所作负功（消耗能量），系统无能量获得。 如图b表示y0与y相位差反相 时，切入与切出的半 周期内平均切削厚度仍相等，系统仍无能量获得。如 图c表示y超前于y0 ，即0 ，此时切出半周期中的 平均切削厚度比切入半周期的小，所作正功小于负功， 系 统 也 不 会 有 能 量 获 得 。 如 图 d 中 y 滞 后 于 y0 ， 即 0 ，此时切出比切入半周期中的平均切削厚度 大，正功大于负功，系统有了能量获得，便产生了自 激振动。不难看出， y 滞后于 y0 是产生再生自激振动 的必要条件。
3）磨削用量 理论分析计算与实践均表明增大磨削深度ap 时，磨削力和磨削热也急剧增加，表面层温度升高，故ap不 能选得过大，否则容易造成烧伤。增加进给量f，磨削区温度 下降，可减轻磨削烧伤。 4）冷却润滑 良好的冷却润滑条件可将磨削区的热量及时带 走，避免或减轻烧伤。
7.2.4 残余应力及影响因素
表面质量包括的主要内容是： (１)表面的几何形状特征 它主要包括：表面粗 糙度；波度──介于宏观几何形状误差和表面粗糙 （微观几何误差）度之间的周期性几何形状误差。 (２)表面层的物理及机械性能 它主要包括表面 层因塑性变形引起的加工硬化、表面层的金相组 织变化、表面层的残余应力等。
7.1.2 表面质量对零件使用性能的影响
（2）表面质量对疲劳强度的影响
1) 表面粗糙度对疲劳强度的影响
在交变载荷作用下，零件的破坏常常由 于表面产生疲劳裂纹所致。而疲劳裂纹与应 力集中有关。零件表面的粗糙度、划痕和裂 纹等缺陷容易引起应力集中，产生裂纹，造 成疲劳破坏。
2）表面层的残余应力、冷作硬化对疲 劳强度影响 零件表面层为残余压应力，能够部分的
抵消工作载荷施加的拉应力，从而提高零件
的疲劳强度；而残余拉应力使疲劳裂纹扩展，
加速疲劳破坏，从而降低零件的疲劳强度。
（3）表面质量对零件耐腐蚀性能的影响
金属表面逐渐被氧化或溶解而遭破坏的
现象称为腐蚀，它是由化学、电化学过程而
引起的。如钢铁与空气中的氧化合成Fe2O3；
金属与电解质液体接触，会发生微电池作用，
金属质点会变成离子状态，金属表面被破坏。
（4）表面质量对零件配合性质的影响 表面粗糙度会改变实际有效过盈量和间隙量， 因此表面质量好坏直接影响零件配合性质的稳定性。 （5）表面质量对零件接触刚度的影响 由于零件表面的粗糙轮廓，使相接触的面积仅 有理论面积较小的一部分，受外力作用时，由于凸 峰处单位压力大，因而接触表面极易产生弹塑性变 形，降低零件的接触刚疲。
7.3 机械加工中的振动
7.3.1 机械加工中的强迫振动
（1）机械加工中强迫振动的振源
（2）强迫振动的特点
1）强迫振动是在外界周期性干扰力的作用
下产生的，但振动本身并不能引起干扰力的变 化。如作用在加工系统上的干扰力是简谐激振 力 F =F0sin t，则强迫振动的稳态过程也是简 谐振动，只要这个激振力存在，该振动就不会
7.3.2 减少强迫振动的基本途径 (1) 减少或消除工艺系统中回转零件的不平衡 (2) 提高系统传动件的精度 (3) 提高工艺系统的动态特性 (4) 隔振 (5) 消振
7.3.3 机械加工中的自激振动
(1) 自激振动的原理 大多数情况下，自激振动频率与加工系统的固有频 率相近。由于维持振动所需的交变切削力是由加工 系统本身产生的，所以加工系统本身运动一停止， 交变切削力也就随之消失，自激振动也就停止。
7.1 机械加工表面质量
7.1.1机械加工表面质量概念
影响机器零件的机械加工质量除了加工精 度之外，还有机械加工表面质量。它包括表面 粗糙度、波度和表面层材料物理机械性能。机 械加工后所得到的零件表面，都不是理想的光 滑表面，存在着一定的微观几何偏差和表面层 物理机械性能的变化。这一表面层质量对机械 零件的可靠性、寿命等都有显著的影响。
4) 工艺系统的高频振动 当工艺系统产生高频振动时，使刀尖相对 于工件之间的正确加工位置发生变化，产 生微幅振动，从而使粗糙度值加大。
（2） 磨削加工影响表面粗糙度的因素 1) 砂轮的粒度
2) 砂轮的硬度
3) 砂轮的修整
4) 磨削速度
5) 磨削径向进给量与光磨次数 6) 工件圆周进结速度与轴向进给量 7) 冷却润滑液
振动位移y（t） 电动机 机床振动系统
交变切削力F（t）
调节系统 （切削过程）
图6-75 机床自激振动闭环系统
（2）自激振动的特点： 1) 自激振动是—种不衰减的振动。振动过程 本身能引起某种力的周期变化； 2) 自激振动的频率等于或接近系统的固有频 率，也就是说，由振动系统本身的参数所决 定； 3) 自激振动的形成和持续是由切削过程而产 生的，如若停止切削过程，即机床空运转， 自激振动也就停止了； 4)自激振动能否产生以及振幅的大小，决定 于每一振动周期内系统所获得能量与所消耗 的能量的对比惰况。
(1) 残余应力产生的原因 1) 热塑性变形引起 2) 冷态塑性变形引起 3) 局部金相组织变化引起
(2) 残余应力测试方法 1) 腐蚀法 把加工表面层产生较大残余拉应力的淬 火钢浸在硫酸或盐酸溶液中，就可以出现裂纹。根据 其裂纹程度可以定性的了解残余应力状况。此法对 HRC55以上硬度的钢很有效，但硬质合金不能使用。 2) Ｘ射线衍射法 用Ｘ射线衍射法测量残余应力是 根据原子间距的测量。因为—旦产生残余应力，则原 子间距就发生变化，可较精确、无损地测量表面层的 残余应力。 3) 变形法 该种方法是测定试件的曲率变化，根据 试件的曲率变化计算表面层的残余应力数值及分布。 通常腐蚀试件费时较多。
f H 8re
2
2)工件材料的影响 切削塑性材料时，刀具前刀面对切屑挤压严 重，产生晶格扭曲，滑移和塑性变形，强迫切屑 与工件分离时产生撕裂作用，加大了表面粗糙度。 如图所示，一般说来，韧性较大的塑性材料，加 工后表面粗糙度也大，对于同样的材料，晶粒组 织愈是粗大，加工后的粗糙度亦大。
3) 切削用量的影响
① 切削速度u的影响 切削速度高，切削过程中的 切屑和加工表面的塑性变形小。 ② 进给量fa的影响 减小进给量fa可减小粗糙度，另 外减小进给量fa还可以减小塑性变形，也可降低粗 糙度。但当fa过小，则增加刀具与工件表面的挤压 次数，使塑性变形增大，反而增大了粗糙度。 ③ 切削深度ap的影响 正常切削时ap对粗糙度影响 不大，但在精密加工中却对粗糙度有影响，过小 的将使刀刃圆弧对工件加工表面产生强烈的挤压 和摩擦，引起附件的塑性变形，增大了粗糙度。