1、,第四章 机械加工表面质量,4.1 概述 4.2 加工表面粗糙度及其改进措施 4.3 表面层物理力学性质变化及其改善措施 4.4 机械加工中的振动,4.1 概述,零件的加工质量包括 机械加工精度 和 表面质量 两大部分。,任何一种机械加工方法得到的零件表面，都不可能是理想 的表面。实践证明：机械零件的损坏，多是从零件表面上开始 的，例如磨损、表面裂纹等，这说明表面质量至关重要。,研究加工表面质量的目的：,掌握加工过程各种因素对表面质量的影响规律和控制方法，并应用这些规律来控制加工过程，达到提高表面质量的目的。,4.1.1 加工表面质量的内容,包括表面层几何形状误差表面层物理力学性能。,1 )
2、表面层几何形状误差，有表面粗糙度和加工纹理方向。,（1）表面粗糙度,表面粗糙度是加工表面的微观几何形状误差，用不平度平均高度 Ra 来评介，单位是微米。数值越大，零件表面越粗糙。,（2）加工纹理方向,加工纹理方向是刀纹加工方向，取决加工方法和设备精度。,哪一种加工纹理最好？最平整？（c）（e）和（f）最好。,( 3 ) 伤痕,伤痕是指表面上出现的砂眼、气孔和裂纹等。,3）表面层物理力学性能,工件在加工过程中受到切削力和切削热的作用，使得表面层金属的物理力学性能发生变化，主要表现在以下面几个方面：,（1）表面层冷作硬化,表面层冷作硬化是指表面层金属在切削力或切削热作用下，表面层金属的显微硬度比材
3、料心部的金属硬度高。,衡量冷作硬化的指标有两个：硬化程度和硬化深度。,（2）表面层金相组织变化,磨削时由于磨削热作用使表面层金属的金相组织产生变化。,如磨削淬火钢，在磨削热作用下使表层马氏体组织分解，产 生回火组织等。,（3）表面层残余应力,在切削力或切削热作用下，表面层金属产生塑性变形和金相组织变化时会使表面层金属内部产生残余应力的现象。,残余应力有 残余拉应力 和残余压应力两种。,4.1.2 零件表面质量对使用性能的影响,1）表面质量对耐磨性能的影响,（1）表面粗糙度的影响,零件加工表面存在着微观不平度，即表面粗糙度。当两个零件表面接触时，实际接触面积只是名义接触面积很小的一部分。表面层越
4、粗糙，接触面积越小。,当两个接触表面做相对运动时，开始接触面积小，压强大。在接触点处产生弹性变形、塑性变形和剪切，这样接触凸峰会很快被磨掉，磨掉的金属微粒混在润滑油里，会加速初期的磨损，表现为零件的初期磨损量很大。,随着磨损增加，接触面积逐渐增加，压强逐渐减少，磨损以较慢的速度进行，进入正常磨损期。,在这之后，由于有效接触面积越来越大，零件间的分子结合力增加，表面间的机械咬合作用增大，润滑油减少，使零件产生急剧磨损，很快进入快速磨损阶段。,表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。表面粗糙度数值越小，耐磨性越好。但粗糙度数值过小，接触面易发生粘接，润滑油不容易贮存，反而容易磨损。因此，当摩擦材料、接
5、触压力大小和润滑条件情况一定时，表面粗糙度有一个最佳值。在最佳值附近，磨损量最小。因此零件设计时，应根据使用条件给定零件表面粗糙度最合适的数值。,（2） 冷作硬化的影响,零件表面产生冷作硬化会使耐磨性提高。这是因为冷作硬化使表面层的显微组织硬度提高，减少了塑性变形，因此可以减少磨损。但是冷作硬化程度太高，又会使耐磨性降低。这是因为过度冷作硬化会使表面层产生疏松，反而使金属产生剥落，使耐磨性下降。,2）表面质量对疲劳强度的影响,（1）表面粗糙度的影响,表面粗糙度对疲劳强度的影响很大。在交变载荷下，零件表面粗糙度的凹谷部位容易产生应力集中，产生疲劳裂纹。表面粗糙度数值越小，表面缺陷层越浅，零件的耐
6、疲劳性能越好。反之耐疲劳性能就越差。,（2） 表面层产生冷作硬化的影响,冷作硬化对提高零件的耐疲劳强度有好处。,（3）表面层残余应力对疲劳强度的影响,残余应力有残余拉应力和残余压应力。残余压应力会部分地减少表面层金属所受的外力，使疲劳强度增大。而残余拉应力的作用正好相反。（不好）,疲劳强度还和金属材料有关。钢材较敏感，而铸铁、有色金属对应力集中的敏感性就较差。,3）表面层质量对耐腐蚀性的影响,（1）表面粗糙度的影响,表面粗糙度的数值越大，大气中的气体和液体对表面层接触的面积增大，腐蚀物质容易沉淀在凹坑中，使耐腐蚀性能下降。,（2）表面层残余应力的影响,表面层残余压应力能够阻止表面裂纹的增大，有
7、利于提高零件的耐腐蚀性能。,4）表面层粗糙度对零件配合性质的影响,表面层粗糙度数值太高，会影响到配合表面的配合性质。 对间隙配合，表面层粗糙度数值太高，会使初期磨损量增大。,对过盈配合，表面粗糙度值越大，两配合面的凸峰越容易被挤平，使过盈量减少，影响到配合性质。,4.2 影响加工表面粗糙度的工艺因素,影响加工表面粗糙度的工艺因素主要有 几何因素和 物理因素两个方面。加工方法不同对表面粗糙度的影响因素也不同。,4.2.1 切削加工表面粗糙度,切削加工表面粗糙度的数值主要取决于切削残留面积高度 H。,影响切削残留面积高度 H 的主要因素有刀具的：,a、刀尖圆弧半径 r、b、主偏角kr、c、副偏角k
8、r、d、进给量 f 等,采用外圆尖刀车削工件时，残留面积高度的计算公式为：H = f/cogkr+ cogkr,采用带有圆弧的刨刀刨削工件时，残留面积高度的计算式为：H = f 2/ 8r,从上面公式可以看出：进给量和刀尖圆弧半径对加工表面粗糙度的影响较大。进给量f，刀尖圆弧半径r，对减少表面粗糙度的数值有好处。,切削加工后表面粗糙度的实际数值都比纯几何因素计算出来的数值大，这是因为在切削加工中还有塑性变形的缘故。 加工塑性金属材料时表面粗糙度随切削速度的影响如图。,切削速度在每分种2050米时，表面粗糙度数值最大。这是因为在这段切削速度范围内容易产生积削瘤，使加工表面粗糙度变差。切削速度小于
9、20米/分或超过100米/分时，粗糙度数值下降。这是因为在这两段切削速度内积削瘤较不易生成。因此，在精加工时采用较高的切削速度，或用宽刀刃精加工时采用较低的切削速度都可以减少表面粗糙度的数值。,加工脆性金属材料时，切削速度对表面粗糙度的数值影响不大。这是因为脆性金属切削时的塑性较小的缘故。,金相组织晶粒越细小，表面粗糙度数值越小。粗加工后常对钢材进行调质处理，其目的就是为了获得均匀细致的晶粒组织。,选择合适的切削液，适当增大刀具前角，以减小切削力。,提高刀具的刃磨质量，使刀具切削表面的表面粗糙度的数值比工件低一级等，都可以适当提高工件的表面粗糙度。,4.2.2 磨削加工表面粗糙度,磨削加工表面
10、粗糙度也由几何因素和表面层金属塑性变形决定的，但磨削过程比切削过程要复杂得多。,1）几何因素的影响,砂轮表面是由无数细小磨粒组成，磨削表面由砂轮表面无数磨粒刻划出。如从几何因素考虑：砂轮表面单位面积上的砂粒越多，砂粒越细，等高性越好，磨削表面的粗糙度数值就越小。？,（1） 磨削用量的影响,磨削用量对表面粗糙度的影响从图中可以看出：, 砂轮线速度，工件塑性变形 ，工件表面粗糙度数值 。 工件速度 ，工件塑性变形 ，工件表面粗糙度数值 。 磨削深度 ，工件塑性变形 ，被磨表面粗糙度数值 。 砂轮纵向进给速度 ，工件磨削表面被砂轮重复磨削的面积越大，表面粗糙度的数值。,（2）砂轮号数、砂轮粒度和砂轮
11、修整质量的影响, 砂轮号数 ，砂轮粒度 ，参加磨削的磨粒 ，工件表面粗糙度的数值 。, 修整砂轮时纵向速度 ，砂轮表面的等高性 ，工件磨削表面粗糙度的数值越小。,2）表面层金属组织塑性变形对表面粗糙度的影响,砂轮表面的磨削线速度为35米/秒，比一般切削速度要高得多。磨粒多数为负前角，磨削比压比切削大很多，磨削区温度有时会高达900度。因此磨削未淬火钢材时比磨削淬硬材料的塑性变形大，因此未淬火钢材表面粗糙度的数值会大很多。,3）砂轮的影响,主要是粒度、硬度和砂轮材料几个方面：, 砂轮粒度，工件表面粗糙度的数值，但散热性不好，砂轮表面易堵塞，工件表面易烧伤，砂轮粒度一般选 80120号。, 砂轮硬
12、度（Y），磨钝的砂粒难于从砂轮表面脱落，工件表面粗糙度数值。硬度过（R），砂轮的形状难于保持。因此宜选中等硬度（Z）的砂轮。, 砂轮材料的影响：氧化铝材料砂轮宜于磨削钢材；碳化硅材料砂轮宜于磨削铸铁；金刚石材料磨轮宜于磨削硬质合金。, 工件材料的性质：,工件材料的硬度不宜过高、过低，一般以钢材淬火后最好。,在磨削时加入合适冷却液，也有助于工件表面粗糙度的提高。,这节课介绍了以下内容：,1表面层几何形状误差和物理力学性能包括哪几方面的内容？ 2表面粗糙度对耐磨性有什么影响？为什么在一定条件下只有一个最佳表面粗糙度？ 3冷作硬化对耐磨性的影响怎样？是否冷作硬化程度越高，耐磨性越好？ 4表面粗糙度和
13、表面层残余应力对疲劳强度的影响是怎样的？ 5为什么表面层粗糙度对零件的配合性质有影响？ 6刀尖圆弧半径 r、主偏角 kr、副偏角 kr和进给量 f 的大小对工件表面粗糙度的数值是怎样影响的？ 7砂轮粒度和砂轮修整质量对工件表面粗糙度的数值是怎样影响的？ 8磨削速度、工件速度、纵向进给量对表面粗糙度的数值是怎样影响的？,4.3 表面层金属的物理力学性能变化,工件在加工过程中，受到切削力和切削热的作用，会使工件表面层的金属物理力学性能发生变化。这种变化使工件表面层和基体金属组织的物理力学性质不同。这种差异主要表现在：,表面层冷作硬化,表面层残余应力,金相组织变化,4.3.1 表面层金属冷作硬化,1
14、） 产生的原因,金属表面层在加工过程中会产生塑性变形，使表面层金属的硬度增加，称为冷作硬化。表层金属产生冷作硬化后会减少表层金属的塑性，增大金属变形的抗力。,金属表面层产生冷作硬化，会使表层金属处在一种不稳定的状态。如果受到各种热的作用，表层金属的冷硬结构就会向比较稳定的结构转化。使金属的塑性变形产生的冷硬现象得到恢复。金属表层冷硬现象由表层金属的冷硬化和热回复程度决定。,评定冷作硬化的指标有三项：, 表面层硬化显微硬度HV 硬化层深度； 硬化程度N N=HV-Hvo/Hvo式中：HVo为金属内部原来的硬度,2）切削加工的影响因素,（1）切削用量的影响,主要影响因素是进给量的大小。进给量大小对
15、冷作硬化的影响如图：当进给量大于0.4mm/r，表面层冷作硬化程度。这是因为：随着进给量，切削力也，冷硬程度随之随之。但是当进给量为0.050.10时，表层层金属的冷硬。,（2）刀具几何参数的影响,主要影响因素：刀具刃口圆弧半径和刀具后刀面磨损。,刃口圆弧半径，冷作硬化。这是因为刃口圆弧半径，径向切削分力也随之，表面层金属塑性变形，冷硬。,刀具后刀面磨损后，后刀面和工件被加工表面的摩擦，导致表面冷作硬化。但当后刀面磨损到一定程度，摩擦热，弱化程度，冷硬现象。,进给量大小对冷作硬化的影响类似一个 “澡盆曲线”。因此精加工时，进给量不宜取得过大或过小。这是因为当进给量时，刀具圆角半径和工件被加工表
16、面的接触增加，使工件的冷硬程度。,（3）工件材料的影响,工件材料塑性，冷硬现象。钢中含碳量，冷硬程度。,有色金属熔点，容易弱化， 冷作硬化（厦顺铝箔为例）,3）磨削加工的影响因素,主要影响因素有：,工件材料、 磨削深度、 纵向进给速度、 工件速度、 砂轮速度， 砂轮粒度等。,（1）工件材料导热性，热量不易集中，冷硬程度。,（2）磨削用量的影响,磨削深度，磨削力，塑性变形，冷硬程度。,纵向进给速度，切削厚度，磨削力，塑性变形，冷硬程度。,工件速度，砂轮工件作用时间，弱化作用，冷硬程度。,砂轮速度，切削厚度，磨削力，塑变形，冷硬程度。,砂轮粒度，每粒磨粒的负荷，塑性变形，冷硬程度。,因此减少冷硬，
17、应减少磨削深度，增大工件速度。在增大工件速度的同时增大砂轮速度，并适当提高砂轮的粒度等方法。,4.3.2 表面层金相组织变化磨削烧伤,1）金相组织变化的原因,对于一般切削加工还不至于达到如此严重的程度。但是在磨削加工中，磨削速度高，磨削比压大，磨去单位体积金属所消耗的功率远远大于切削加工方法所消耗的能量。这些能量绝大部分变为热量传给工件，使工件表面温度升高。,零件磨削过程中，磨削区温度很高，一般为9001000以上。 当温度超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织变化。,对于淬火零件，磨削高温会使工件表面金相组织发生变化，使表面层金属的硬度下降，工件表面出现深色的氧化膜，这种情况称
18、为烧伤。,磨削加工是一种典型表面容易产生金相组织变化的加工法。,若在磨削过程中出现烧伤，会严重影响到零件的使用性能。根据磨削条件不同，磨削淬火钢时工件表面层的瞬时高温将使工件表面层的金属产生下面三种金相组织变化：, 如果磨削温度未超过淬火钢的相变温度，但超过马氏体的转变温度。即：转变温度磨削温度相变温度，工件表面的金相组织由马氏体转变为硬度较低的回火组织。称为回火烧伤。, 如果磨削区的温度超过淬火钢的相变温度，并在冷却液的急冷作用下，即：磨削温度相变温度+冷却液急冷，表面层金相组织将出现二次淬火马氏体，硬度比原来的硬度高。,但在下层却因冷却速度较慢而出现硬度比原来回火马氏体低的回火组织，称为淬
19、火烧伤。, 如果磨削区的温度超过淬火钢的相变温度但没有冷却液， 即：磨削温度相变温度+没有冷却液，表面层金相组织将出现退火组织，称为退火烧伤。,2） 改善磨削烧伤的工艺途径,1）正确选择砂轮,磨削导热性差的材料，如不锈钢、耐热钢和轴承钢等容易引起烧伤。这时可选择硬度、粒度和组织的砂轮。以减少砂轮与工件之间的磨削热，有助于减少烧伤现象的发生。,（2）磨削用量,磨削深度对磨削热影响极大，使磨削深度ap，磨削热，对减少烧伤有好处。,工件转速上升，磨削温度上升。但工件与砂轮的接触时间，热量不容易传给工件，但表面粗糙度。,为了弥补这一缺陷，可在工件转速同时使砂轮速度，以避免磨削烧伤。,3）改善冷却条件,
20、工件转速上升，磨削温度上升。但工件与砂轮的接触时间，热量不容易传给工件，但表面粗糙度。,为了弥补这一缺陷，可在工件转速同时使砂轮速度，以避免磨削烧伤。,3）改善冷却条件,为什么不能有效地冷却？,解决办法有：, 采用专用挡板,安装在防护罩上方，使砂轮的气流改变方向，这样砂轮表面就可以充分冷却。, 采用镶块砂轮,将砂轮在圆周上的整块排布变成镶块式砂瓦结构。,4.3.3 表面层残余应力,原因：表层金属发生冷塑性变形、热塑性变形或金相组织变化时，都将在表面层金属与其基体间产生相互平衡的残余应力。,1）表面层金属产生残余应力的原因,（1）冷态塑性变形产生的内应力,金属从基体材料上切除发生塑性变形，受到里
21、层金属的牵制，因此里层金属产生残余拉应力，表层金属产生残余压应力。,因此冷态塑性变形产生的表层压应力有好处。,（2）热塑性变形产生的残余应力,磨削时工件表层磨削温度很高，有时会达到 8001000。,tp为金属具有高塑性的温度，高于tp不会产生有残余应力产生。tn为室温，tm为金属融化温度。当表层金属温度超过tp时，表层金属处在完全塑性状态，没有应力产生。,金属层2处在温度tp和tn之间，这层金属受热后产生膨胀，表层1对其不产生阻碍作用，但表层2膨胀受到基体3阻止，所以基体3受到残余拉应力，金属层2受到残余压应力。,磨削温度下降后，当金属层1的温度降低到tp以下时，从完全塑性到不完全塑性转变，
22、体积开始收缩，受到金属层2的阻碍，金属层1产生残余拉应力，金属层2的残余压应力进步增大，温度进一步下降后，金属层1的残余拉应力进一 步增大，金属层2的残余压应力扩散到基体3中，因此在室温状态下，,表层为残余拉应力，里层为残余压应力。,（3）金相组织变化引起的残余应力,不同金相组织密度不同。如马氏体= 7.75，奥光体= 7.96，铁素体= 7.88，珠光体= 7.78。密度不同，比容也不同。磨削时，如金属表面产生金相组织变化，表层金属组织比容也将随之发生变化。引起表层金属和与之相连的基体金属之间产生残余内应力。,如：金相组织变化引起表层金属比容增大，则里层金属产生残余拉应力，表层金属产生残余压
23、应力。,如：金相组织变化引起表层金属比容减小，则里层金属产生残余压应力，表层金属产生残余拉应力。,若：钢材淬火时组织转化不完全，有小部分残余奥氏体存在，则转变成马氏体的这一部分体积膨胀受未转变部分奥氏体的阻碍，而产生残余压应力。未转变的残余奥氏体则产生残余拉应力。,反之，钢在回火过程中，马氏体转变为铁素体和珠光体，体积减小，如果金相组织转化不均匀，则转变为铁素体和珠光体的部分体积收缩时受到未转变的马氏体的阻碍，使得转变的铁素体和珠光体产生残余拉应力，未转变的马氏体部分产生残余压应力。,表面强化工艺是指通过冷压加工使工件表面层金属发生冷态塑性变形，以降低表面粗糙度、提高表面硬度，使表面产生残余压
24、的工艺方法。常用的有喷丸强化和冷挤压两种方法。,反之，钢在回火时，马氏体转变为铁素体和珠光体，体积减小，如果金相组织转化不均匀，则转变为铁素体和珠光体的部分体积在收缩时受到未转变的马氏体的阻碍，使得转变的铁素体和珠光体产生残余拉应力，未转变的马氏体部分产生残余压应力。,4.4.3 表面强化工艺,表面强化工艺是指通过冷压加工使工件表面层金属发生冷态塑性变形，以降低表面粗糙度、提高表面硬度，使表面产生残余压应力的工艺方法。特点是：工艺简单，效果明显，应用广泛。,1） 喷丸强化,利用大量高速运动的钢珠打击工件表面，使工件表面产生冷作硬化层并使表面产生残余压应力，可提高零件的使用寿命。例,2） 滚压加
25、工,滚压加工是利用淬硬的滚轮或滚珠在常温状态下对金属表面进行挤压。使工件表面凸起部分下压，凹下部分上挤，修正了工件表面的微观几何形状，还能提高表面的残余压应力。,4.4 机械加工中的振动,4.4.1 机械加工中的振动与分类,表现：在机械加工过程中，除了正常的切削运动外，在刀具和工件之间还会产生一种连续地、频率很高的相对运动，并伴随着刺耳的叫声，这时我们就说加工过程中产生了振动。,影响结果：加工过程产生机械振动，会造成：, 工件加工表面产生振纹，破坏了工件表面加工质量； 使刀具切削刃崩刃； 机床性能遭到破坏； 振动产生的高频噪音会危及操作工人的身体健康。,为了减少加工过程中的振动，不得不减少切削
26、用量，但这样使生产效率降低。,这一节内容学习的目的：了解加工过程振动产生的机理，掌握和控制产生振动的方法。,机械加工过程中的振动主要有两种:,4.4.2 机械加工中的受迫振动,1) 受迫振动;2) 自激振动。,受迫振动振源：机床外部振源或内部振源激振力，主要有：, 由地基基础传来的外部振源，周围存在外部机床的振动；, 机床内部回转件不平衡，如砂轮、齿轮、皮带轮、电机转子不平衡，以及装配时引起的质量偏心等。质量偏心引起离心力的大小为：F=me2sint，可以看出：离心力和旋转零件转速的平方成正比，转速越高，产生的周期性干扰越大。, 间断切削过程切削力的变化，如铣削、拉削和滚齿等。,2）受迫振动的
27、数学描述,工艺系统是一个多由度系统，可简化为单自由度系统来分析，系统在经历短暂的过渡过程后进入稳态振动后，其振动方程为：,X = Asin（t-）,式中: A受迫振动的振幅； -受迫振动的角速度； 初相位；,其中：受迫振动的振幅由外界激振力或内部不平衡力的大小决定。受迫振动的频率由外部激振力的频率或内部不平衡部件旋转的角频率决定。,3）受迫振动的特征,强迫振动的振动频率和外来激振力的频率相同，可以利用频率上的对应关系来查找强迫振动的振源。,强迫振动的振幅不仅和干扰力的振幅有关，还和工艺系统的固有频率有关。,一般来说，干扰力的幅值越大，受迫振动的幅值越大。若工艺系统的固有频率和干扰频率相同，工艺
28、系统还会产生共振，因此可以通过改变工艺系统的阻尼或质量使系统的固有频率偏离外里来激振力的频率，使振动减少。,4.4.3 机械加工中的自激振动,自激振动是在没有外来激振力情况下，由工艺系统内部切削的过程通过自激反馈产生的周期性的振动，通常也称为切削颤振。,1）自激振动产生的条件和特征,发生自激振动时，把工艺系统看作是由振动系统和调节系统组成的闭环系统。工件和刀具为振动系统，切削过程是调节系统。,由于某种原因使工件切削厚度或工件硬度发生突然变化，相应地切削力也发生了变化，产生了动态切削力。这种动态切削力在刀具和工件之间产生了位置变化，这种位置变化又增大了切削力的变化，作用在工艺系统上便会使系统产生
29、振动运动，如此循环下去，就会使工艺系统产生维持运动的振动切削力，使工艺系统产生持续不断的振动。,自激振动具有以下特征：, 自激振动频率接近系统固有频率，由本身参数决定；, 自激振动由外部激振力偶然而产生的一种不衰减运动，维持振动所需要的能量由振动过程本身产生，切削过程停止，自激振动也就停止。, 自激振动能否产生的条件：一个振动周期内从能源输入到系统的能量大于消耗的能量。如果吸收的能力小于或等于消耗的能量，自激振动就会衰减而停止。,2）自激振动的几种类型,（1） 再生原理,在切削过程中，刀具有时或部分在已经加工过的表面上切削，尤其是在车床上切断工件时，刀具将完全在前一转切削时留下的波纹表面切削。
30、,假定切削过程中受到一个偶然的瞬时振动，刀具和工件发生相对振动，会在工件上留下一条振纹，当工件转过一转后，刀具要在留有振纹的表面上切削，切削厚度发生波动，这时便有交变的动态切削力产生，如果切削过程中各种条件是促进振动发生的，这时就会发生持续不断的振动。,一般类说，本转产生的振纹不会和前次振纹产生的振纹完全重合，在相位上会有一个相位差，这里的相位差定义为本次切削的振纹滞后于前次切削振纹的相位差。,a）当0时,表示切出时的切削厚度大于切入时的切削厚度,在一个振动周期中切削力作的正功大于系统切入时消耗的能量,系统有多余的能量输入到系统中,加工系统是不稳定的.,b）当2时,这表示切出时的切削厚度小于切
31、入时的切削厚度,在一个振动周期中切削力作的正功小于系统切入时消耗的能量,振动系统将消耗能量,加工系统是稳定的。,c）当=/2时,系统最不稳定,最易发生自激振动。,为了评价上次振纹对本次振纹的影响程度，在此引进一个重叠系数的概念。,=bd/bD,式中：bd上次切削遗留的宽度；bD为本次切削的宽度。,切断工件时，重叠系数为 1，一般加工中，0 1。,反映了再生效应的程度，越小，越不容易产生自振动。,（2）振型藕合自激振动原理,当纵向车削方牙螺纹外圆时，刀具与工件并不发生重叠，若按再生自激振动的理论来解释，已经排除了产生自激振动的条件，但在实际加工过程中，当切削深度增加到一定程度时，仍然会产生自激振
32、动.,可见除了再生颤振外还有其它的自激振动的原因。,实践证明，这种情况下产生的自激振动，刀具与工件的运动轨迹是一个位置和形状都不十分稳定的椭圆，这说明这种自激颤振是一个两自由度系统的振动问题。,在一定条件下，振动系统在两个自由度上的振动相互联系，造成一个向振动系统输送能量的条件，从而使得颤振得以维持，这可以用振型藕合原理来理解。,为便于说明问题，把工艺系统简化一个二自由度振动系统动力学模型。设工件不动，主振系统是刀具系统，其等效质量是m，支承在相互成垂直的等效刚度为 k1和 k2的等效弹簧上，弹簧轴线为 x1和 x2， x1轴线与工件加工表面法线方向的夹角为a（a/2），切削力F与y轴之间的夹
33、角为 b， a b。,设k1 k2， k1为弱刚度主轴， k2为高刚度主轴， 当系统受到偶然的因素干扰后产生了频率为振动，则刀具系统的质量m就在x1和x2两个方向上以不同的振幅和相位进行振动，这两个方向上的振动的合成轨迹近似为一个椭圆。,若刀具沿顺时针的方向切入，则在前半周从A到B之间，位移方向和切削力的方向相反，切削力作负功，振动系统消耗能量。,当刀具从B到A时，刀具运动的方向和切削力相同，切削力作正功。系统中存储能量大于系统削耗的能量，从而产生自激振动。,如果相对工件的的运动轨迹为逆时针针方向，切入的厚度大于切出时的厚度，切削力作的负功大于正功，振动就不能维持。,产生自激振动时，刀具工件作
34、切入/切出运动。当把切削从工件上切离时是在切削力fy的作用下完成的，对系统来说，切削力fy是外力，刀具在振出过程中，切削力对系统作正功，振动系统会从切削过程吸收部分能量，贮存在振动系统中。刀具在振入过程中是在系统弹性恢复力作用下完成，振动系统要消耗能量。,在振入和振出过程中，系统吸收的能量和消耗的能量应满足怎样的条件，工艺系统的自激振动才能持续不断地保持下去呢？,a）当振出时系统吸收的能量小于振入时系统消耗的能量时，不会产生自激振动。 b）当振出时系统吸收的能量等于振入时系统消耗的能量时，由于系统的阻尼，也不会产生自激振动。 c）只有当振出时系统吸收的能量大于振入时系统消耗的能量时，才会产生自
35、激振动。,（3）振型藕合的稳定性,x1 方向为刀杆的弱刚度主轴方向，与切削表面法向力方向y之间的夹角为a，x2方向为刀杆的强刚度主轴方向，当x1的方向落在b角之内（0ab）时为不稳定区域。,由上可知：,a）无刚度差、或刚度差很小，即k1=k2时，易发生颤振。,b）当k1 k2，且弱刚度主轴x1落在b范围内，0 a b时易发生颤振，当 a=b/2时最不稳定，最易发生颤振。,c）当刀尖的合成运动方向的椭圆轨迹沿正功大于负功方向旋 转时，则可能发生自激振动。,4.4.4 减少机械振动的途径,减少机械振动的方法有:, 减少或削弱机械振动条件；, 改善工艺系统的动态特性；, 增强工艺系统的稳定性；, 采
36、取各种消振措施等。,减少机械振动，首先要区分是属于哪一种类型的机械振动,1）受迫振动的特征,受迫振动的频率和激振力的频率相等或成整倍数的关系。,2）对应的振措施, 减少工艺系统回转件的振动,对回转件进行精确的动平衡；, 调整振源的频率，在选择转速时，避开振源的机械共振区；, 采取隔振措施，隔振措施有两种，一种是主动隔振，一种是被动隔振。主动隔振是防止工艺系统的振动传到外面去，被动隔振是防止外界的振动传到工艺系统来。常见的被动隔振的方法是在机床周围设置防振沟。,3）减少或削弱自激振动,（1）选择合适的切削用量,不同的切削条件对应着一个振动最大的切削速度。,切削深度大，切削振动也大，因此精加工时的
37、切削深度要小。,（2）选择合理的刀具角度,主要影响因素有前角和主偏角1) 主偏角，径向切削力，切削振动。主偏角为90时，径向切削力最小。2) 前角，切削力，振幅。,（3）增加阻尼,适当减少后角，后刀面有一个微小平面，使刀具能 “ 托住 ” 工件，有助与于减小振动。,4）增强工艺系统的抗振性和稳性,（1）合理配置刚度主轴位置，使小刚度主轴位于切削力和工件加工表面法线夹角之外，或采用车刀反装、或采用削扁刀杆等。,（2）增大系统阻尼，如采用在机床床身薄壁封砂，减少配合面的间隙，都可以增大系统的阻尼。,如采用各种消振器，利用消振器内的撞块碰创来减少能量等。,（3）采取消振措施,本小节介绍了以下内容：,
38、1. 工件产生冷作硬化的原因是什么？什么是冷作硬化的热回复现象？ 2. 冷作硬化的评介指标是什么? 3. 切削用量、刀具切削角度、工件材料对冷作硬化的影响因素是什么？ 4. 磨削加工为什么会产生烧伤现象? 在什么条件下产生回火烧伤? 淬火烧伤或退火烧伤? 5. 减少磨削烧伤的途径是什么? 6. 工件发生冷塑性变形或热塑性变形时工件表面层的残余应力状态是什么? 7. 金相组织发生变化时工件表面层的残余应力状态是什么? 8. 为什么表面强化工艺会提高工件的表面质量? 9. 发生受迫振动时的特征是什么? 10. 自激振动产生的机理是什么? 11. 发生再生切削颤振时本次振纹和上次振纹的相位差是多少? 12. 什么是重叠系数? 怎样定义? 13. 发生振型藕合时,弱刚度主轴和加工表面法线方向与切削力方向的角度关系是什么? 14. 为什么主偏角为90度时的径向切削力最小?,
