第十讲残余应力-精品
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）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）。
4
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。
25
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。
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。
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 。
16
2 工件材料 的影响
17
2 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
改变刀尖残留面积的轮 廓形状，并加大表面不 平度
的平均高度
R
。
z
29
30
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）。
22
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
23
24
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？
34
35
小结
1 表层金属的残余应力 2 表面强化工艺
3 实战演练
36 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
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。
26
例题： 车削一铸铁零件 表的 面外 ，圆 若走 f 刀 0.5量 m m/r,
车 刀 刀 尖 的 圆r弧 4m半m,径 问 能 达 到 的 加 工 粗糙度？
参考：
由 于 铸 铁 件 加 工 表 面的层塑 性 变 形 很 小 ， 故工加
表 面 粗 糙 度 主 要 取 决几于何 因 素 引 起 的 刀 尖留残
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-
19
20
21
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。
机械振动的危害
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。
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）
5
6
7
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；
8 影响车削表层金属残余应力的工艺因素
9 影响车削表层金属残余应力的工艺因素
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
15
1 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
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 切削力：切削过程中工件对刀具的作用力。F y Fy Fa Fv是工F 件a 表面层金属的弹、塑性 变形
产生的抗力。 背吃刀量a越大，F a 越大。 F 是v 刀具与切屑间的摩擦力。
面积。
Rz (残 留 面 积 高)度可 按 下 式 计 算 ：
Rz
f2 8r
0.52 84
0.0078mm
27
例题： 高速精镗内孔时，采用 锋利的尖刀，刀具的主 偏角 K r 45 o , 副偏角 K r， 20 o , 要求加工表面粗糙 度 R z 3 .2( um ), 试求： （1）当不考虑工件材料塑性 变形对表面粗糙度影响 时，计算应采用的走刀 量为多少？ （2）分析实际加工表面粗 糙度与计算求的粗糙度 是否相同，为什么？
弹力：切削过程中振动系统对刀具的作用力。F 弹 F 弹 方向始终向左；背吃刀量a越大，F 越弹 小。
相对滑动速度：切屑相对于刀具的相对速度。 v振m入v取0 + y；振出取-
v切0 屑高开工件的速度； 刀y 具振动速度。
持续自激振动的原因
Fy Fa Fv 假设 F v 具有负摩擦特性，即 v m 越大，F v 越小。
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
O1 为振入运动的平衡点，即：(F yo 1F ao 1F vo 1)F 弹 o1 B点为振入运动的终止点：y B 0
因为 aB ao1 所以 F aBF ao1 、 F 弹 BF 弹 o1 又 vm v0 y 则 vmB vmo1 所以 FvB Fvo1 所以 F y B F a B F v B F 弹 o 1 F 弹 B
机械制造工艺过程 第十讲
1
2
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
3
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。
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。
33
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
同理可得，在C点有：(F yCF aCF vC)F 弹 C
源自文库
实际的振动
自激振动条件
能量消耗 振幅减小 振动停止
EWinWout
W inW out E0 等幅振动
W inW out E0 振幅 W o u t Win Wout 等幅振动
W inW out E0 振幅 W o u t Win Wout 等幅振动
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。
13
1 磨削用量的影响
14
1 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
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： W W 振 出 (W 振 入 W 摩 阻 )
自激振动条件
每个周期振动系统获得的能量： W W 振 出 (W 振 入 W 摩 阻 )
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
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 工件最终工序加工方法的选择
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
--表层压缩残余应力。
10 影响车削表层金属残余应力的工艺因素
2 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
11
12 影响磨削残余应力的工艺因素
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。
28
参考：
（1）只考虑刀具几何形状在 加工表面上的复映，
可按刀尖残留面积的计 算公式求 f ,
Rz
ctgK
r
f ctgK
',
r
f R z ( ctgK r ctgK r ' ) 0 .012 mm / r
(2) 实际切削加工时，由于 物理因素（如塑性变形 ，
切削热，刀瘤及鳞刺等 ）的参与及系统的振动 会
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）。
4
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。
25
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。
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。
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 。
16
2 工件材料 的影响
17
2 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
改变刀尖残留面积的轮 廓形状，并加大表面不 平度
的平均高度
R
。
z
29
30
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）。
22
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
23
24
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？
34
35
小结
1 表层金属的残余应力 2 表面强化工艺
3 实战演练
36 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
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。
26
例题： 车削一铸铁零件 表的 面外 ，圆 若走 f 刀 0.5量 m m/r,
车 刀 刀 尖 的 圆r弧 4m半m,径 问 能 达 到 的 加 工 粗糙度？
参考：
由 于 铸 铁 件 加 工 表 面的层塑 性 变 形 很 小 ， 故工加
表 面 粗 糙 度 主 要 取 决几于何 因 素 引 起 的 刀 尖留残
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-
19
20
21
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。
机械振动的危害
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。
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）
5
6
7
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；
8 影响车削表层金属残余应力的工艺因素
9 影响车削表层金属残余应力的工艺因素
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
15
1 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
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 切削力：切削过程中工件对刀具的作用力。F y Fy Fa Fv是工F 件a 表面层金属的弹、塑性 变形
产生的抗力。 背吃刀量a越大，F a 越大。 F 是v 刀具与切屑间的摩擦力。
面积。
Rz (残 留 面 积 高)度可 按 下 式 计 算 ：
Rz
f2 8r
0.52 84
0.0078mm
27
例题： 高速精镗内孔时，采用 锋利的尖刀，刀具的主 偏角 K r 45 o , 副偏角 K r， 20 o , 要求加工表面粗糙 度 R z 3 .2( um ), 试求： （1）当不考虑工件材料塑性 变形对表面粗糙度影响 时，计算应采用的走刀 量为多少？ （2）分析实际加工表面粗 糙度与计算求的粗糙度 是否相同，为什么？
弹力：切削过程中振动系统对刀具的作用力。F 弹 F 弹 方向始终向左；背吃刀量a越大，F 越弹 小。
相对滑动速度：切屑相对于刀具的相对速度。 v振m入v取0 + y；振出取-
v切0 屑高开工件的速度； 刀y 具振动速度。
持续自激振动的原因
Fy Fa Fv 假设 F v 具有负摩擦特性，即 v m 越大，F v 越小。
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
O1 为振入运动的平衡点，即：(F yo 1F ao 1F vo 1)F 弹 o1 B点为振入运动的终止点：y B 0
因为 aB ao1 所以 F aBF ao1 、 F 弹 BF 弹 o1 又 vm v0 y 则 vmB vmo1 所以 FvB Fvo1 所以 F y B F a B F v B F 弹 o 1 F 弹 B
机械制造工艺过程 第十讲
1
2
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
3
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。
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。
33
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
同理可得，在C点有：(F yCF aCF vC)F 弹 C
源自文库
实际的振动
自激振动条件
能量消耗 振幅减小 振动停止
EWinWout
W inW out E0 等幅振动
W inW out E0 振幅 W o u t Win Wout 等幅振动
W inW out E0 振幅 W o u t Win Wout 等幅振动
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。
13
1 磨削用量的影响
14
1 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
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： W W 振 出 (W 振 入 W 摩 阻 )
自激振动条件
每个周期振动系统获得的能量： W W 振 出 (W 振 入 W 摩 阻 )
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
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 工件最终工序加工方法的选择
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
--表层压缩残余应力。
10 影响车削表层金属残余应力的工艺因素
2 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
11
12 影响磨削残余应力的工艺因素
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。
28
参考：
（1）只考虑刀具几何形状在 加工表面上的复映，
可按刀尖残留面积的计 算公式求 f ,
Rz
ctgK
r
f ctgK
',
r
f R z ( ctgK r ctgK r ' ) 0 .012 mm / r
(2) 实际切削加工时，由于 物理因素（如塑性变形 ，
切削热，刀瘤及鳞刺等 ）的参与及系统的振动 会