1、第四節第四節 機械加工過程中的振動機械加工過程中的振動 指加工表面的微觀幾何形指加工表面的微觀幾何形狀誤差。波長與波高狀誤差。波長與波高(L3/H3)的比值小于的比值小于50。 表面粗糙度的現行標準為：表面粗糙度的現行標準為：GB/T131-93GB/T131-93。表示方法：表示方法：RaRa、RzRz、RyRy。 介于形狀誤差與表面粗糙介于形狀誤差與表面粗糙度之間的周期性形狀誤差。度之間的周期性形狀誤差。波長與波高波長與波高(L2/H2)的比值一的比值一般為：般為：501000。 指表面刀紋的方向。它取指表面刀紋的方向。它取決于表面形成所采用的機械決于表面形成所采用的機械加工方法。加工方法

2、。冷作硬冷作硬化化殘余應力殘余應力金相組金相組織變化織變化表面為壓應力時，耐磨性高。表面為壓應力時，耐磨性高。表面為壓應力時，耐疲勞性好。表面為壓應力時，耐疲勞性好。冷作硬化程度冷作硬化程度 耐疲勞性耐疲勞性Ra值值耐腐蝕性耐腐蝕性表面壓應力表面壓應力表面致密表面致密耐腐蝕性耐腐蝕性一定的精度應有相應的表面粗糙度！一定的精度應有相應的表面粗糙度！一定的尺寸公差要有相應的表面粗糙度！一定的尺寸公差要有相應的表面粗糙度！實驗研究表明：實驗研究表明：零件尺寸大于零件尺寸大于50mm時，推薦：時，推薦：Ra=(0.10.15)T零件尺寸在零件尺寸在1850mm時，推薦：時，推薦： Ra=(0.150.

3、20)T零件尺寸小于零件尺寸小于18mm時，推薦：時，推薦： Ra=(0.200.25)T零件表面質量零件表面質量粗糙度太大、太小都不耐磨粗糙度太大、太小都不耐磨適度冷硬能提高耐磨性適度冷硬能提高耐磨性對疲勞強度的對疲勞強度的影響影響對耐磨性影響對耐磨性影響對耐腐蝕性能對耐腐蝕性能的影響的影響對工作精度的對工作精度的影響影響粗糙度越大，疲勞強度越差粗糙度越大，疲勞強度越差適度冷硬、殘余壓應力能提高疲勞強度適度冷硬、殘余壓應力能提高疲勞強度粗糙度越大、工作精度降低粗糙度越大、工作精度降低殘余應力越大，工作精度降低殘余應力越大，工作精度降低粗糙度越大，耐腐蝕性越差粗糙度越大，耐腐蝕性越差壓應力提高

4、耐腐蝕性，拉應力反之壓應力提高耐腐蝕性，拉應力反之maxrrctgctgfR rfHR82maxrfrr；,Ra值值v Ra前角前角Ra值值影響切削加工表面影響切削加工表面粗糙度的因素粗糙度的因素刀具幾何形狀刀具幾何形狀刀具材料、刃磨質量刀具材料、刃磨質量切削用量切削用量工件材料工件材料殘留面積殘留面積Ra前角前角 Ra后角后角摩擦摩擦Ra刃傾角會影響實際工作前角刃傾角會影響實際工作前角 v Raf Raap對對Ra影響不大，太小會打滑影響不大，太小會打滑，劃傷已加工表面，劃傷已加工表面材料塑性材料塑性 Ra同樣材料晶粒組織大同樣材料晶粒組織大 Ra，常用正火、調質處理常用正火、調質處理刀具材

5、料強度刀具材料強度 Ra刃磨質量刃磨質量 Ra冷卻、潤滑冷卻、潤滑 Ra粒度號粒度號Ra值值硬度硬度難脫落難脫落Ra值值硬度硬度易脫落易脫落不易保持形狀不易保持形狀精度精度影響磨削加工表面影響磨削加工表面粗糙度的因素粗糙度的因素粒度粒度Ra 金剛石筆鋒利金剛石筆鋒利，修正導程、徑，修正導程、徑向進給量向進給量 Ra磨粒等高性磨粒等高性Ra硬度硬度鈍化磨粒脫落鈍化磨粒脫落 Ra硬度硬度磨粒脫落磨粒脫落Ra硬度合適、自勵性好硬度合適、自勵性好Ra太硬、太軟、韌性、導熱性差太硬、太軟、韌性、導熱性差 Ra砂輪粒度砂輪粒度工件材料性質工件材料性質砂輪修正砂輪修正磨削用量磨削用量砂輪硬度砂輪硬度砂輪砂輪

6、V Raap、工件、工件V 塑變塑變 Ra粗磨粗磨ap生產率生產率精磨精磨ap Ra(ap=0光磨光磨) 機械加工中，金屬被加工表面層受切削力的作用產生塑性變形，使晶格扭曲，機械加工中，金屬被加工表面層受切削力的作用產生塑性變形，使晶格扭曲，晶粒間產生滑移剪切，晶粒被拉長、纖維化甚至碎化，引起表面層的強度和晶粒間產生滑移剪切，晶粒被拉長、纖維化甚至碎化，引起表面層的強度和硬度都提高的現象，稱加工硬化。硬度都提高的現象，稱加工硬化。評定指標：評定指標：表面層的顯微硬度表面層的顯微硬度 HV硬化層深度硬化層深度 h 硬化程度硬化程度 N%100HVHVHVN00 影響因素：影響因素：刀具刀具徑向力

7、徑向力(右圖右圖)切削用量切削用量v、f (右圖右圖)工件材料工件材料 塑性塑性冷硬冷硬在切削力的作用下，已加工面受后刀面的擠壓，使在切削力的作用下，已加工面受后刀面的擠壓，使晶格扭曲，表層金屬比容積增大，體積膨脹，而內晶格扭曲，表層金屬比容積增大，體積膨脹，而內層金屬又阻止其伸長。故加工后表面層殘余應力為層金屬又阻止其伸長。故加工后表面層殘余應力為壓應力壓應力(- -)，里層為拉應力，里層為拉應力(+)。在切削熱的作用下，已加工面產生熱膨脹，此時表在切削熱的作用下，已加工面產生熱膨脹，此時表層產生熱壓應力。加工后，層產生熱壓應力。加工后，表層已產生的熱塑性變表層已產生的熱塑性變形收縮受到內層

8、金屬的阻礙形收縮受到內層金屬的阻礙。故加工后表面層殘余。故加工后表面層殘余應力為拉應力應力為拉應力(+) ，里層為壓應力，里層為壓應力(- -) 。不同的金相組織有不同的密度，如不同的金相組織有不同的密度，如M M=7.75g/cm=7.75g/cm3 3 A A=7.96g/cm=7.96g/cm3 3、P P=7.78g/cm=7.78g/cm3 3、F F=7.88g/cm=7.88g/cm3 3當金相組織變化時，由于密度不同，體積會發生變當金相組織變化時，由于密度不同，體積會發生變化。如果表層金屬膨脹則殘余應力為壓應力化。如果表層金屬膨脹則殘余應力為壓應力(- -)，反，反之，之，如果

9、表層金屬體積縮小則產生殘余如果表層金屬體積縮小則產生殘余拉應力拉應力(+)。例如：淬火鋼表面回火，表層金屬由馬氏體轉變成屈氏體或索氏體，密度由例如：淬火鋼表面回火，表層金屬由馬氏體轉變成屈氏體或索氏體，密度由7.757.75變為變為7.78g/cm7.78g/cm3 378.775.7VVV 78.703.0VV 210129.078.701.0V3VLL )MPa(9 .27010129. 0101 . 2LLE25 拉拉加工中加工中達到相變溫度達到相變溫度產生相變產生相變退火燒傷退火燒傷回火燒傷回火燒傷淬火燒傷淬火燒傷工件表面溫度超過相變溫度工件表面溫度超過相變溫度AC3，但，但無冷卻液，

10、工件表面被退火。無冷卻液，工件表面被退火。工件干磨時易發生這種燒傷。工件干磨時易發生這種燒傷。工件表面溫度未達到相變溫度工件表面溫度未達到相變溫度AC3，但超過馬氏體的轉變溫度，工件表但超過馬氏體的轉變溫度，工件表層組織為回火屈氏體或索氏體。層組織為回火屈氏體或索氏體。工件表面溫度超過相變溫度工件表面溫度超過相變溫度AC3，冷，冷卻充分，工件表面被二次淬火。但卻充分，工件表面被二次淬火。但淬透層很薄，其下層仍為回火屈氏淬透層很薄，其下層仍為回火屈氏體或索氏體。體或索氏體。aP 工件表層溫度工件表層溫度燒傷燒傷 V砂輪砂輪 工件表層溫度工件表層溫度燒傷燒傷f 工件表層溫度工件表層溫度燒傷燒傷V工

11、件工件 工件表層溫度工件表層溫度熱源作用時間熱源作用時間燒傷燒傷滾壓加工原理圖滾壓加工原理圖珠丸擠壓引起殘余應力珠丸擠壓引起殘余應力 壓縮拉伸塑性變形區域v 影響加工表面粗糙度，振動頻率較低時會產生波度影響加工表面粗糙度，振動頻率較低時會產生波度v 影響生產效率影響生產效率 v 加速刀具磨損，易引起崩刃加速刀具磨損，易引起崩刃v 影響機床、夾具的使用壽命影響機床、夾具的使用壽命v 產生噪聲污染，危害操作者健康產生噪聲污染，危害操作者健康v 工藝系統受到初始干擾力而破壞了其平衡狀態后，系統僅靠彈工藝系統受到初始干擾力而破壞了其平衡狀態后，系統僅靠彈性恢復力來維持的振動稱為自由振動。性恢復力來維持

12、的振動稱為自由振動。v 由于系統中總存在由阻尼，自由振動將逐漸衰弱，對加工影響由于系統中總存在由阻尼，自由振動將逐漸衰弱，對加工影響不大。不大。自由振動（占自由振動（占5%）強迫振動強迫振動（占（占35%）自激振動自激振動（占（占65%）v 由外界周期性的干擾力（激振力）作用引起由外界周期性的干擾力（激振力）作用引起v 強迫振動振源：機外機內。機外振源均通過地基把振動傳給機強迫振動振源：機外機內。機外振源均通過地基把振動傳給機床。機內：床。機內：v 1 1）回轉零部件質量的不平衡）回轉零部件質量的不平衡v 2 2）機床傳動件的制造誤差和缺陷）機床傳動件的制造誤差和缺陷v 3 3）切削過程中的沖

13、擊）切削過程中的沖擊不連續切削不連續切削v 頻率特征：與干擾力的頻率相同，或是干擾力頻率整倍數頻率特征：與干擾力的頻率相同，或是干擾力頻率整倍數v 幅值特征：與干擾力幅值、工藝系統動態特性有關。當干擾力頻幅值特征：與干擾力幅值、工藝系統動態特性有關。當干擾力頻率接近或等于工藝系統某一固有頻率時，產生共振率接近或等于工藝系統某一固有頻率時，產生共振v 相角特征：強迫振動位移的變化在相位上滯后干擾力一個相角特征：強迫振動位移的變化在相位上滯后干擾力一個角，角，其值與系統的動態特性及干擾力頻率有關。其值與系統的動態特性及干擾力頻率有關。 機械加工系統是一個由振動系統和調節系統組成的閉環系機械加工系統

14、是一個由振動系統和調節系統組成的閉環系統，激勵工藝系統產生振動運動的交變力是由統，激勵工藝系統產生振動運動的交變力是由切削過程本身切削過程本身產生的，而切削過程同時又受工藝系統的振動的控制，工藝產生的，而切削過程同時又受工藝系統的振動的控制，工藝系統的振動一旦停止，動態切削力也就隨之消失。系統的振動一旦停止，動態切削力也就隨之消失。?在沒有周期性干擾力作用的情況下，由振動系統本身產在沒有周期性干擾力作用的情況下，由振動系統本身產生的交變力所激發和維持的振動，稱為自激振動。生的交變力所激發和維持的振動，稱為自激振動。 如果切削過程很平穩，即使系統存在產生自激振動的條如果切削過程很平穩，即使系統存

15、在產生自激振動的條件，也因切削過程沒有件，也因切削過程沒有交變的動態切削力交變的動態切削力，使自激振動不可，使自激振動不可能產生。能產生。如果工藝系統存在產生自激振動的條件，就會使工藝系如果工藝系統存在產生自激振動的條件，就會使工藝系統產生持續的振動。統產生持續的振動。維持自激振動的能量來自電動機，電動機通過動態切削維持自激振動的能量來自電動機，電動機通過動態切削過程把能量傳輸給振動系統，以維持振動運動。過程把能量傳輸給振動系統，以維持振動運動。 不衰減的振動不衰減的振動它由振動過程本身引起切削力周期性變化，它由振動過程本身引起切削力周期性變化，從不具備交變從不具備交變特性的能源特性的能源中周

16、期獲得能量，使振動得以維持。中周期獲得能量，使振動得以維持。 f 自自 = f 固固自激振動的頻率接近于系統的固有頻率，即顫振頻率取決自激振動的頻率接近于系統的固有頻率，即顫振頻率取決于振動系統的固有特性。這與自由振動相似，而與強迫振動根于振動系統的固有特性。這與自由振動相似，而與強迫振動根本不同。本不同。取決于切削過程本身取決于切削過程本身自激振動由自激振動由振動系統本身參數振動系統本身參數決定，與強迫振動顯著不同。決定，與強迫振動顯著不同。自由振動受阻尼作用將迅速衰減，而自激振動不會因阻尼存在自由振動受阻尼作用將迅速衰減，而自激振動不會因阻尼存在而衰減。而衰減。設工件系統為絕對剛體，振動系

17、統與刀架相連，且只在設工件系統為絕對剛體，振動系統與刀架相連，且只在y方方向作單自由度振動。向作單自由度振動。在背向力在背向力Fp作用下，刀具作切入、切出運動（振動）。作用下，刀具作切入、切出運動（振動）。刀架振動系統同時還有刀架振動系統同時還有F彈彈作用在它上面。作用在它上面。y越大，越大，F彈彈也越大，也越大，當當Fp=F彈彈時，刀架的振動停止。時，刀架的振動停止。刀具刀具切出切出，其運動方向與背向力，其運動方向與背向力方向相同方向相同，作正功；即振動，作正功；即振動系統要吸收能量系統要吸收能量W振出振出；刀具刀具切入切入，其運動方向，其運動方向與背向力方向相反，作與背向力方向相反，作負功

18、；即振動系統要消耗負功；即振動系統要消耗能量能量W振入振入。（1）當）當W振出振出W振入振入時，刀架振動系統將有持續的自激振動時，刀架振動系統將有持續的自激振動產生。產生。E A1 A0 A2 AE-E+如圖所示，車刀只做橫向進給。如圖所示，車刀只做橫向進給。在穩定的切削過程中，刀架系統受到偶然的擾動。刀架系在穩定的切削過程中，刀架系統受到偶然的擾動。刀架系統產生了一次自由振動，并在被加工表面留下相應的振紋。統產生了一次自由振動，并在被加工表面留下相應的振紋。當工件轉過一轉后，刀具要在留有振紋的表面上切削，因當工件轉過一轉后，刀具要在留有振紋的表面上切削，因切削厚度發生了變化，所以引起了切削力

19、周期性的變化。產切削厚度發生了變化，所以引起了切削力周期性的變化。產生動態切削力。生動態切削力。將這種由于切削厚度的變化而引起的自激振動，稱為將這種由于切削厚度的變化而引起的自激振動，稱為 “再再生顫振生顫振”。圖圖a前后兩轉的振紋相位差前后兩轉的振紋相位差=0，切入、切出時切削厚度沒，切入、切出時切削厚度沒有變化，切削力也就沒有變化，不會產生自激振動。有變化，切削力也就沒有變化，不會產生自激振動。圖圖b前后兩轉的振紋相位差為前后兩轉的振紋相位差為=，切入、切出的平均切削，切入、切出的平均切削厚度不變，兩者沒有能量差，也不可能產生自激振動。厚度不變，兩者沒有能量差，也不可能產生自激振動。 圖圖

20、c表示后一轉的振紋相位超前，即表示后一轉的振紋相位超前，即0-，這時切出比切，這時切出比切入有較大的切削力，推動刀架后移，使刀架儲能，正功大于入有較大的切削力，推動刀架后移，使刀架儲能，正功大于負功，即可產生自激振動。負功，即可產生自激振動。重迭系數重迭系數前一次切削工件表面形成的波紋面寬度在相前一次切削工件表面形成的波紋面寬度在相繼的后一次切削的有效寬度中所占的比例。繼的后一次切削的有效寬度中所占的比例。圖示兩個自由度振型耦合顫振動力學模型，刀具等效質量為圖示兩個自由度振型耦合顫振動力學模型，刀具等效質量為 m，由相互垂直的等效剛度系數分別為，由相互垂直的等效剛度系數分別為k1、k2（設（設

21、k1 k2）的）的兩組彈簧支承。為使兩個自由度系統的振型能很好分開，最兩組彈簧支承。為使兩個自由度系統的振型能很好分開，最簡單的形式是兩個簡單的形式是兩個振型振型x 1和和x2互相垂直，互相垂直，剛度低的方向振型為剛度低的方向振型為x1，剛度高的方向振，剛度高的方向振型為型為x2。當刀架系統以當刀架系統以的頻率振動時，質量的頻率振動時，質量m在在x1、x2兩個方向兩個方向上以不同的振幅和相位進行振動，其合成運動軌跡近似橢圓上以不同的振幅和相位進行振動，其合成運動軌跡近似橢圓E。若若ABC切入；切入；CDA切出切出由于切出時的平均由于切出時的平均切削厚度大于切入時的平均切削厚度，正功大于負功，在

22、一切削厚度大于切入時的平均切削厚度，正功大于負功，在一個振動周期內，有多余的能量輸入振動系統。因此，振動得個振動周期內，有多余的能量輸入振動系統。因此，振動得以維持。反之，則不能維持。以維持。反之，則不能維持。ACBDEV=3070m/min自振自振f自振自振；保證；保證Ra時時fap 自振自振；保證；保證Ra時時ap前角、主偏角前角、主偏角自振自振;后角后角自振自振；但太小時；但太小時自振自振提高機床抗振性提高機床抗振性;提高刀具抗振性（采用消振刀具）提高刀具抗振性（采用消振刀具）;提高工件安裝剛性提高工件安裝剛性沖擊式消振器沖擊式消振器 干摩擦阻尼器干摩擦阻尼器 根據振型耦合原理，根據振型

23、耦合原理，工藝系統的振動還受到各工藝系統的振動還受到各振型的剛度比及其組合的振型的剛度比及其組合的影響。合理調整它們之間影響。合理調整它們之間的關系，就可以有效地提的關系，就可以有效地提高系統的抗振性，抑制自高系統的抗振性，抑制自激振動。（激振動。（削扁鏜桿削扁鏜桿試驗）試驗）自激振動系統能量關系自激振動系統能量關系A B C能量EQEE0振幅電動機(能源)交變切削力F(t)振動位移X(t)自激振動閉環系統自激振動閉環系統機床振動系統（彈性環節）調節系統（切削過程）切削過切削過程，由于偶然干擾，使加程，由于偶然干擾，使加工系統產生振動并在加工工系統產生振動并在加工表面上留下振紋。第二次表面上留

24、下振紋。第二次走刀時，刀具將在有振紋走刀時，刀具將在有振紋的表面上切削，使切削厚的表面上切削，使切削厚度發生變化，導致切削力度發生變化，導致切削力周期性地變化，產生自激周期性地變化，產生自激振動振動 再生自激振動原理圖f切入 切出y0ya）b）y0y切入 切出fc）fy0y切入 切出d）切入 切出fy0ya a）b b）c c）系統無能量獲得；）系統無能量獲得；d d）y y 滯后于滯后于y y0 0，即，即 0 0- - ，此時切出比切入半周期中的平均切，此時切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出時切削力所作正功（獲得能量）大于切入時所作負功，削厚度大，切出時切削力所作正功（獲得能量）大于切入時所作負功，系統有能量獲得，產生自激振動系統有能量獲得，產生自激振動將車床刀架將車床刀架簡化為兩自由度振動系統，等簡化為兩自由度振動系統，等效質量效質量m m用相互垂直的等效剛度用相互垂直的等效剛度分別為分別為k k1 1、k k2 2兩組彈簧支撐（設兩組彈簧支撐（設