第四章 机械加工表面质量

1、机械制造工艺学 第四章4 机械加工表面质量机械加工表面质量学习目的 机械加工表面质量和加工精度一样都是影响机械加工表面质量和加工精度一样都是影响零件加工质量的重要方面。因为产品的工作性能，零件加工质量的重要方面。因为产品的工作性能，尤其是可靠性和寿命等，很大程度上取决于主要尤其是可靠性和寿命等，很大程度上取决于主要零件的表面质量。零件的表面质量。n了解表面质量的含义及其对使用性能的影响；了解表面质量的含义及其对使用性能的影响；n掌握加工表面几何形状特征及其改善措施；掌握加工表面几何形状特征及其改善措施；n掌握表面物理力学性能变化及其改善措施；掌握表面物理力学性能变化及其改善措施；n初步了解机械

2、加工中的两种振动及其控制措施初步了解机械加工中的两种振动及其控制措施。4.1 概述概述 掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并掌握机械加工中各种工艺因素对表面质量影响的规律，并应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高应用这些规律控制加工过程，以达到提高加工表面质量、提高产品性能的目的。产品性能的目的。 实践表明，实践表明，零件的破坏一般总是从表面层开始的零件的破坏一般总是从表面层开始的。产品的。产品的工作性能，尤其是它的工作性能，尤其是它的可靠性、耐久性可靠性、耐久性等，在很大程度上取决等，在很大程度上取决于其主要零件的表面质量。于其主要零件的表面质量。研究机械加工表

3、面质量的目的研究机械加工表面质量的目的机械产品的失效形式机械产品的失效形式因设计不周而导致强度不够；因设计不周而导致强度不够；磨损、腐蚀和疲劳破坏。磨损、腐蚀和疲劳破坏。 少数多数4.4.1 加工表面质量的含义加工表面质量的含义1表面的几何形状特征表面的几何形状特征(4)(4)伤痕伤痕：加工表面几何形状误差加工表面几何形状误差表面层的物理力学性能表面层的物理力学性能 a）波度波度 b）表面粗糙度表面粗糙度 加工表面的粗糙度与波度加工表面的粗糙度与波度 RZHRZ波度宽波度宽波度高波度高图图4-2 加工纹理方向及其符号标注加工纹理方向及其符号标注车、刨车、刨铣、钻孔铣、钻孔磨削、超磨削、超精加工

4、精加工端铣、磨端铣、磨非正规非正规研磨研磨立铣、端立铣、端铣、端磨铣、端磨2表面层物理表面层物理 力学性能力学性能(1)表面层金属的冷作硬化；表面层金属的冷作硬化；(2)表面层金属的金相组织变化；表面层金属的金相组织变化；(3)表面层金属的残余应力。表面层金属的残余应力。 (1) (1) 表面金属层的冷作硬化表面金属层的冷作硬化 指工件在加工过程中，表面层金属产生强烈的指工件在加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形塑性变形，使工件加工，使工件加工表面层的表面层的强度和硬度强度和硬度都有所提高的现象。都有所提高的现象。(2) (2) 表面金属层的金相组织变化表面金属层的金相组织变化 指的是加工

5、中，由于指的是加工中，由于切削热的作用切削热的作用引起表层金属引起表层金属金相组织发生变化金相组织发生变化的的现象。如磨削时常发生的磨削烧伤，大大降低表面层的物理机械性能。现象。如磨削时常发生的磨削烧伤，大大降低表面层的物理机械性能。(3) (3) 表面层的残余应力表面层的残余应力 切削变形和切削热的作用切削变形和切削热的作用，工件表层及其基体材料的交界处产生相互工件表层及其基体材料的交界处产生相互平衡的平衡的弹性应力弹性应力的现象。的现象。4.1.2 加工表面质量对使用性能的影响加工表面质量对使用性能的影响1表面质量对耐磨性的影响表面质量对耐磨性的影响（1）表面粗糙度对耐磨性的影响）表面粗糙

6、度对耐磨性的影响零件的磨损可分为三个阶段零件的磨损可分为三个阶段 不是表面粗糙度值越小越不是表面粗糙度值越小越耐磨，在一定工作条件下，摩耐磨，在一定工作条件下，摩擦副表面总是存在一个最佳表擦副表面总是存在一个最佳表面粗糙度值，表面粗糙度面粗糙度值，表面粗糙度RaRa值值约为约为0.320.320.250.25mm较好较好。表面粗糙度对摩擦副的影响表面粗糙度对摩擦副的影响第第阶段阶段 起始磨损阶段：起始磨损阶段：有效接触面积小有效接触面积小 接触部分压强大接触部分压强大 接触点发生弹性、塑性变形及剪切接触点发生弹性、塑性变形及剪切 脱落的金属微颗脱落的金属微颗 粒加剧磨损，所以初始阶段磨损速度快

7、粒加剧磨损，所以初始阶段磨损速度快第第阶段阶段 正常磨损阶段：正常磨损阶段：有效接触面积增大有效接触面积增大 接触压强减小接触压强减小 磨损速度减缓。磨损速度减缓。第第阶段阶段 快速磨损阶段：快速磨损阶段：随着有效接触面积的不断增大，运随着有效接触面积的不断增大，运动副动副 两金属面间的分子亲和力增加两金属面间的分子亲和力增加 咬合作用增大咬合作用增大 急剧磨损急剧磨损（2）表面纹理对耐磨性的影响）表面纹理对耐磨性的影响 重载情况下重载情况下，由于压强、分子亲和力和润滑液的储存等因由于压强、分子亲和力和润滑液的储存等因素的变化，其规律与上述有所不同。素的变化，其规律与上述有所不同。 表面纹理方

8、向影响零件表面的表面纹理方向影响零件表面的实际接触面积实际接触面积和和润滑液润滑液的存留的存留。 圆弧状、凹坑状圆弧状、凹坑状表面纹理的耐磨性好；尖峰状的表面纹表面纹理的耐磨性好；尖峰状的表面纹理由于摩擦副接触面压强大，耐磨性差。理由于摩擦副接触面压强大，耐磨性差。 轻载时轻载时，两表面的纹理方向与相对运动方向一致时，磨损，两表面的纹理方向与相对运动方向一致时，磨损最小；当两表面纹理方向与相对运动方向垂直时，磨损最大最小；当两表面纹理方向与相对运动方向垂直时，磨损最大。 运动副中运动副中，两相对运动零件表面刀纹方向均与运动方向，两相对运动零件表面刀纹方向均与运动方向相同时，耐磨性好相同时，耐磨

9、性好；刀纹方向均与运动方向；刀纹方向均与运动方向垂直时垂直时，耐磨耐磨性差。性差。 （3）冷作硬化对耐磨性的影响）冷作硬化对耐磨性的影响 由于加工硬化由于加工硬化提高提高了表面层金属的了表面层金属的显微强度显微强度，降低了塑降低了塑性性，减少了摩擦副接触表面的塑性变形和弹性变形而减少了，减少了摩擦副接触表面的塑性变形和弹性变形而减少了磨损。一般能提高耐磨性磨损。一般能提高耐磨性0.5 0.5 1 1倍。倍。 过度过度的加工的加工硬化硬化会使金属会使金属组织组织疏松疏松，甚至出现，甚至出现疲劳裂纹疲劳裂纹和产生剥落现象，从而使耐磨和产生剥落现象，从而使耐磨性性下降下降。见图见图4-5图图4-5

10、T7A钢车削后，冷作钢车削后，冷作硬化与耐磨性的关系硬化与耐磨性的关系2表面质量对耐疲劳性的影响表面质量对耐疲劳性的影响（1）表面粗糙度对耐疲劳性的影响）表面粗糙度对耐疲劳性的影响 在交变载荷作用下，零件表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷易于在在交变载荷作用下，零件表面粗糙度、划痕、裂纹等缺陷易于在凹凹谷谷部位形成部位形成应力集中应力集中，并发展成，并发展成疲劳裂纹疲劳裂纹，导致工件，导致工件疲劳破坏疲劳破坏。总之，。总之，表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件的耐疲劳性越好；表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件的耐疲劳性越好；反之，加工反之，加工表面越粗糙，纹底半径越小，其抵抗疲劳破坏的能力越差。因

11、此，对于表面越粗糙，纹底半径越小，其抵抗疲劳破坏的能力越差。因此，对于重要零件表面如连杆、曲轴等，应进行光整加工，减小表面粗糙度值，重要零件表面如连杆、曲轴等，应进行光整加工，减小表面粗糙度值，提高其疲劳强度提高其疲劳强度。（2）表面层的物理力学性能对耐疲劳性的影响）表面层的物理力学性能对耐疲劳性的影响 表面层金属的冷作硬化能表面层金属的冷作硬化能阻碍已有裂纹的生长和新裂纹的产生阻碍已有裂纹的生长和新裂纹的产生，有助，有助于提高耐疲劳强度。但冷作硬化的同时，必然伴随产生残余应力，残余应于提高耐疲劳强度。但冷作硬化的同时，必然伴随产生残余应力，残余应力存在力存在拉拉应力和应力和压压应力之分，残余

12、应力之分，残余拉拉应力将使耐疲劳强度应力将使耐疲劳强度降低降低；残余残余压压应应力将使耐疲劳强度力将使耐疲劳强度提高提高。3表面质量对耐蚀性的影响表面质量对耐蚀性的影响残余残余压压应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，应力使零件表面紧密，腐蚀性物质不易进入，可可增强增强零件的耐腐蚀性；零件的耐腐蚀性；表面粗糙表面粗糙度的影响度的影响表面粗糙度值越大，越容易积聚腐蚀性物质；表面粗糙度值越大，越容易积聚腐蚀性物质；波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。波谷越深，渗透与腐蚀作用越强烈。 零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度零件的耐腐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度表面残余应力对零件耐腐蚀性影响表面

13、残余应力对零件耐腐蚀性影响残余残余拉拉应力则应力则降低降低耐腐蚀性耐腐蚀性 加工表面腐蚀过程示意图加工表面腐蚀过程示意图4表面质量对零件配合质量的影响表面质量对零件配合质量的影响 表面残余应力会引起零件表面残余应力会引起零件变形变形，使零件使零件形状和尺寸形状和尺寸发生发生变化变化，因此对配合性质有一定的影响。因此对配合性质有一定的影响。相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。相配零件间的配合关系是用过盈量或间隙值来表示的。表面粗糙表面粗糙度度的影响的影响 对间隙配合而言，表面粗糙度值对间隙配合而言，表面粗糙度值太大太大，会，会使配合表面很快使配合表面很快磨损磨损而而增大配合间隙增大配

14、合间隙，改变配，改变配合性质，降低配合精度。合性质，降低配合精度。 对过盈配合而言，装配时配合表面的波峰对过盈配合而言，装配时配合表面的波峰被挤平被挤平，减小实际过盈量减小实际过盈量，降低了连接强度，降低了连接强度，影响了配合的可靠性。影响了配合的可靠性。表面残余应力表面残余应力的影响的影响 影响加工影响加工表面粗表面粗糙度的工艺因素糙度的工艺因素几何因素几何因素物理因素物理因素两方面共同作用两方面共同作用4.2.1 切削加工后的表面切削加工后的表面影响因素：影响因素：刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径、主偏角主偏角、副偏角副偏角、进给量进给量切削加工表面粗糙度值取决于切削切削加工表面粗糙度值取决于切削

15、残留面积的高度残留面积的高度H。Hfa）vfrrfrHvfrb）图图4-6 车削、刨削时残留面积的高度车削、刨削时残留面积的高度H rrfcotK + cotK尖刀切削尖刀切削28fHr圆弧刀刃切削圆弧刀刃切削切削加工改善措施：切削加工改善措施：刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径、主偏角主偏角、副偏角副偏角、进给量进给量 塑性变形会造成切削加工后表面粗糙度的实际轮廓塑性变形会造成切削加工后表面粗糙度的实际轮廓形状与纯几何因素所形成的理论轮廓有较大的差别。形状与纯几何因素所形成的理论轮廓有较大的差别。481216202428图图4-7 加工塑性材料时切削速度对表面粗糙度的影响加工塑性材料时切削速度对表面粗

16、糙度的影响100120v（m/min）020406080140表面粗糙度表面粗糙度Rz（m）收缩系数收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度积屑瘤高度 h（m） 02 004 006 00hKsRz可见，在实际加工可见，在实际加工中采用中采用低速宽刀精低速宽刀精切和高速精切切和高速精切可以可以获得较小的表面粗获得较小的表面粗糙度值。糙度值。 工件材料的因素：工件材料的因素：加工加工脆性材料脆性材料时，时，切削速度切削速度对表面对表面粗糙度的粗糙度的影响不大影响不大加工脆性材料比塑性材料容易达加工脆性材料比塑性材料容易达到表面粗糙度值要求。到表面粗糙度值要求。 金相组织金相组织 ：对同样材

17、料来说，对同样材料来说，金相组织越粗大，切削金相组织越粗大，切削后的表面粗糙度值也越大后的表面粗糙度值也越大。精加工前进行。精加工前进行调质调质热处理热处理可以得到可以得到均匀细密均匀细密的晶粒组织和较高的的晶粒组织和较高的硬度硬度。 合理选择合理选择切削液切削液，适当增大，适当增大刀具前角刀具前角，提高，提高刀具刃磨刀具刃磨质量质量等，均能有效地减小表面粗糙度值。等，均能有效地减小表面粗糙度值。4.2.2 磨削加工后的表面磨削加工后的表面 磨削加工后的表面粗糙度的形成过程与切削过程一样，磨削加工后的表面粗糙度的形成过程与切削过程一样，也是由也是由几何因素和物理因素几何因素和物理因素（塑性变形

18、）决定的，但过程更（塑性变形）决定的，但过程更加复杂。加复杂。1. 几何因素的影响几何因素的影响 磨削表面磨削表面是由磨粒在工件表面上刻划出的是由磨粒在工件表面上刻划出的无数细微的沟槽无数细微的沟槽形成的。形成的。单位面积上刻痕越单位面积上刻痕越多多，刻痕，刻痕等高性等高性越好，则磨削表面的越好，则磨削表面的粗糙度粗糙度值越小。值越小。（1）切削用量对表面粗糙度的影响）切削用量对表面粗糙度的影响砂轮的速度砂轮的速度 ，单位时间内的磨削量，单位时间内的磨削量 ，表面粗糙度表面粗糙度 ；工件的速度工件的速度 ，单位时间内的磨削量，单位时间内的磨削量 ，表面粗糙度表面粗糙度 ；砂轮纵向进给速度砂轮纵

19、向进给速度 ，每部位重复磨削次数，每部位重复磨削次数 ，表面粗糙度表面粗糙度 。（2）砂轮的粒度和砂轮的修整对表面粗糙度的影响）砂轮的粒度和砂轮的修整对表面粗糙度的影响砂轮的粒度砂轮的粒度磨粒的大小磨粒的大小磨粒间的距离磨粒间的距离砂轮的砂轮的粒度号粒度号 ，参与磨削参与磨削的磨粒的磨粒 ，表面粗糙度表面粗糙度 ；砂轮的粒度号越大，砂轮的粒度号越大，磨粒和磨粒间离越小磨粒和磨粒间离越小修整修整砂轮时，砂轮时，纵向进给量纵向进给量对表面粗糙对表面粗糙度的度的影响甚大影响甚大；纵向纵向进给量进给量 ，砂轮表面的砂轮表面的等高性等高性越越好好 ，表面粗糙度表面粗糙度 ；修正后的磨粒微刃修正后的磨粒微

20、刃 2. 金属表面层的塑性变形金属表面层的塑性变形物理因素的影响物理因素的影响 在磨削过程中，磨削速度高，且磨粒大多为负前角，磨削在磨削过程中，磨削速度高，且磨粒大多为负前角，磨削比压大，对加工表面产生比压大，对加工表面产生挤压作用强烈挤压作用强烈而使表面出现而使表面出现塑性变形，塑性变形，磨削区的磨削区的高温高温更加剧了更加剧了塑性变形塑性变形，增大了表面粗糙度值。，增大了表面粗糙度值。 砂轮转速砂轮转速 ，切削速度切削速度 ，工工件材料件材料来不及变形，来不及变形，塑性变塑性变形形，表面粗糙度表面粗糙度 工件转速工件转速 ，工件材料塑性变工件材料塑性变形形 ，表面粗糙度表面粗糙度 ；vw

21、= 40(m/min)f = 2.36(m /min)ap = 0.01(mm)v = 50(m/s)f = 2.36(m /min)ap = 0.01(mm)v(m/s), vw(m/min)Ra(m)0304050600.51.0（1）磨削用量）磨削用量图图4-8 砂轮速度、工件速度对粗糙度的影响砂轮速度、工件速度对粗糙度的影响 ap(mm)磨削深度磨削深度 ，工件材料塑性变工件材料塑性变形形 ，表面粗糙度表面粗糙度 ；另外：另外：光磨次数光磨次数，Ra00.010.40.8Ra(m)00.20.60.020.030.04v = 50(m/s)vw = 40(m /min)f = 2.36

22、(m/min)图图4-8 背吃刀量对粗糙度的影响背吃刀量对粗糙度的影响 光磨次数光磨次数-Ra关系关系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次数光磨次数粗粒度砂轮粗粒度砂轮细粒度砂轮细粒度砂轮 砂轮的砂轮的粒度粒度、硬度硬度、组织组织和和材料材料的选择不同，对磨削表面层的选择不同，对磨削表面层金属的金属塑性变形产生影响，进而金属的金属塑性变形产生影响，进而影响表面粗糙度影响表面粗糙度。 砂轮的粒度砂轮的粒度越细（号数大），则砂轮单位面积上的磨粒数越细（号数大），则砂轮单位面积上的磨粒数越多，磨削表面的刻痕越细，表面粗糙度值越小；但粒度越多，磨削表面的刻痕越细，表面粗糙度值越小；但

23、粒度过细过细，砂轮易堵塞，使表面组糙度值增大，同时还易产生砂轮易堵塞，使表面组糙度值增大，同时还易产生波纹波纹和引起和引起烧伤。烧伤。 一般砂轮粒度取一般砂轮粒度取46466060号。号。（2）砂轮的选择）砂轮的选择砂轮的硬度砂轮的硬度是指磨粒受磨削力后从砂轮上脱落的难易程度。是指磨粒受磨削力后从砂轮上脱落的难易程度。 砂轮砂轮太硬太硬，磨粒磨损后不易脱落，使工件表面受到强烈的磨粒磨损后不易脱落，使工件表面受到强烈的摩擦和挤压，增加了塑性变形，表面粗糙度值增大，同时还容摩擦和挤压，增加了塑性变形，表面粗糙度值增大，同时还容易引起烧伤；砂轮易引起烧伤；砂轮太软太软，磨粒易脱落，磨削作用减弱，也会

24、增磨粒易脱落，磨削作用减弱，也会增大表面粗糙度值大表面粗糙度值。通常选用。通常选用中软硬度中软硬度砂轮。砂轮。 砂轮磨削时温度高，热的作用占主导地位。采用切削液可以降低磨削区温度，减少烧伤，冲去脱落的砂粒和切屑，以免划伤工件，从而降低表面粗糙度度值。但必须选择适当的冷却方法和切削液。砂轮的组织砂轮的组织是指磨粒、结合剂、和气孔的比例关系。是指磨粒、结合剂、和气孔的比例关系。紧密组织紧密组织磨粒比例大、气孔小，能获得高精度和较小磨粒比例大、气孔小，能获得高精度和较小的表面粗糙度值。适于精密磨削。的表面粗糙度值。适于精密磨削。疏松组织疏松组织的砂轮不易堵塞，适于磨削软金属、非金属软材的砂轮不易堵塞

25、，适于磨削软金属、非金属软材料和热敏性材料（磁钢、不锈钢、耐热钢等），可获得较料和热敏性材料（磁钢、不锈钢、耐热钢等），可获得较小的表面粗糙度值。小的表面粗糙度值。一般选中等组织的砂轮。一般选中等组织的砂轮。砂轮的材料砂轮的材料：氧化物氧化物（刚玉）（刚玉）钢类；钢类；碳化物碳化物（碳化（碳化硅、碳化硼）硅、碳化硼）铸铁、硬质合金；铸铁、硬质合金；高硬度材料高硬度材料（人造金（人造金刚石、六方碳化硼）刚石、六方碳化硼）精密磨削，成本高。精密磨削，成本高。铝、铜铝、铜合金等软材料合金等软材料易堵塞砂轮易堵塞砂轮，比较难磨。，比较难磨。塑性大、导热性差塑性大、导热性差的的耐热合金耐热合金易使砂粒早

26、期崩落，导致磨易使砂粒早期崩落，导致磨削表面粗糙度值增大。削表面粗糙度值增大。 粗糙度与工件材质有关的因素粗糙度与工件材质有关的因素 包括材料的包括材料的硬度硬度、塑性、塑性、导热性导热性等等。1、不选择切削用量，只限定压强和加工时间；2、无需精密机床；3、降低表面粗糙度效果明显，提高精度不明显；4、加工余量小超精加工方法介绍超精加工方法介绍超精研超精研、研磨、研磨、珩磨珩磨、抛光抛光超精加工的共同特点超精加工的共同特点：（一）超精研（一）超精研1、工作原理：、工作原理：采用细粒度的磨条在一定压力和切削速度采用细粒度的磨条在一定压力和切削速度下往复运动，对表面进行光整加工。下往复运动，对表面进

27、行光整加工。 加工运动：加工运动：A、工件低速回转运动工件低速回转运动；B、磨条轴向进磨条轴向进给运动给运动;C、磨条高速往复振动磨条高速往复振动。2、切削过程：可分为四个阶段、切削过程：可分为四个阶段（1）强烈切削阶段：强烈切削阶段：少数波峰上压强很大，切削作用少数波峰上压强很大，切削作用剧烈。剧烈。（2）正常切削阶段：正常切削阶段：接触面积增大，接触压强减小，接触面积增大，接触压强减小，切削作用减弱。切削作用减弱。（3）微弱切削阶段：微弱切削阶段：接触面积进一步增大，接触压强接触面积进一步增大，接触压强进一步减小，磨条起抛光作用。进一步减小，磨条起抛光作用。（4）停止切削阶段：停止切削阶段

28、：工件被研平，接触压强很小，磨工件被研平，接触压强很小，磨条与工件之间形成油膜，切削停止。条与工件之间形成油膜，切削停止。（二）研磨（二）研磨研磨可以达到很高的精度和表面质量。研磨可以达到很高的精度和表面质量。基本原理基本原理：通过介于工件和硬质研具之间的磨料或研磨液通过介于工件和硬质研具之间的磨料或研磨液的流动产生机械摩擦和化学作用去除微小加工余量。的流动产生机械摩擦和化学作用去除微小加工余量。研磨加工原理示意图研磨加工原理示意图研磨液研磨液游游离的离的磨粒磨粒1、研磨特点：、研磨特点：（1）研具较软，以铸铁、塑料、硬木制成。研具较软，以铸铁、塑料、硬木制成。（2）磨料中混有化学物质，机械与

29、化学作用同时进行，磨磨料中混有化学物质，机械与化学作用同时进行，磨粒运动轨迹复杂，保证均匀性。粒运动轨迹复杂，保证均匀性。（3）加工表面质量高。加工表面质量高。2、研具：、研具：磨具应软硬适当磨具应软硬适当, ,组织均匀。粗研采用铜、铝，精组织均匀。粗研采用铜、铝，精研采用铸铁。研采用铸铁。3、研磨剂、研磨剂：研磨剂为研磨剂为磨料与油脂磨料与油脂的混合剂。的混合剂。 磨料种类：磨料种类：金刚石微粉金刚石微粉, ,碳化硅碳化硅, ,氧化铝等。氧化铝等。 油脂种类：油脂种类：油酸油酸, ,凡士林凡士林, ,变压器油变压器油 - - 起调和磨料，防起调和磨料，防 化学腐蚀作用。化学腐蚀作用。4、研磨

30、参数、研磨参数（1）磨料粒度：）磨料粒度：粒度粒度，则，则粗糙度粗糙度 ，效率效率 。（2）研磨速度：）研磨速度：一般研磨速度一般研磨速度0.5m/s， 精研速度精研速度0.16m/s。（3）研磨余量：）研磨余量：手工研磨余量手工研磨余量10m， 机械研磨余量机械研磨余量 W W振入振入 振动系统在各主振模态间互相耦合，互相关联而产生的自激振动，称振动系统在各主振模态间互相耦合，互相关联而产生的自激振动，称振型耦合型振型耦合型颤振。颤振。yz（2 2）振型耦合原理）振型耦合原理实际的振动系统一般都是多自由度系统实际的振动系统一般都是多自由度系统。式中式中 Ay y向振幅向振幅 Az z向振幅向

31、振幅 z向相对于向在主振频率向相对于向在主振频率上的相上的相位差。位差。图4-32 振型耦合型颤振原理示意图（3 3）负摩擦原理）负摩擦原理 图图4-34可知，在某些速度区段内，切削力可知，在某些速度区段内，切削力Fy随切削速度随切削速度v增加而减小，具有下降特性增加而减小，具有下降特性。图图4-35（a）所示的车床刀架在所示的车床刀架在y y方向上的振动运动：方向上的振动运动：当刀架由于外界偶然干扰在当刀架由于外界偶然干扰在y方向上作振动运动时，切方向上作振动运动时，切屑相对于刀具的相对运动速度屑相对于刀具的相对运动速度（vo-y）与振动位移与振动位移y的的关系，关系，如图如图4-354-3

32、5（b）。因而，振出阶段的力总是大于。因而，振出阶段的力总是大于振入阶段的力，即振入阶段的力，即F振出振出F振入振入，如图如图4-354-35（c c）。故加工故加工系统有自己振动产生。系统有自己振动产生。这种由于切削过程中存在负摩这种由于切削过程中存在负摩擦特性而产生的自己振动，称为擦特性而产生的自己振动，称为摩擦型颤振摩擦型颤振。振出4.4.4 机械加工中振动的控制机械加工中振动的控制（1）受迫振动的诊断方法）受迫振动的诊断方法 消除或减弱产生机械振动的条件；消除或减弱产生机械振动的条件； 改善工艺系统的动态特性，增强工艺系统的稳定性改善工艺系统的动态特性，增强工艺系统的稳定性； 采取各种

33、消振减振装置。采取各种消振减振装置。机械加工中控制振动的途径机械加工中控制振动的途径基本途径基本途径 测出振动的频率，判断性质。测出振动的频率，判断性质。受迫振动的频受迫振动的频 率与激振力频率相等或是它的整数倍。率与激振力频率相等或是它的整数倍。 a 简单方法简单方法：数出工件表面的波纹数，然后根据切削速度数出工件表面的波纹数，然后根据切削速度计算出振动频率。计算出振动频率。 b 较完善的方法：较完善的方法： 对机床的振动信号进行功率谱分析、功对机床的振动信号进行功率谱分析、功率谱中的尖峰点对应的频率就是机床振动的主要频率。率谱中的尖峰点对应的频率就是机床振动的主要频率。测定振动频率的方法测

34、定振动频率的方法 对于对于高转速（高转速（600r600rminmin以上）零件，如砂轮、卡盘、电动机转子以上）零件，如砂轮、卡盘、电动机转子及刀盘等，及刀盘等，必须进行平衡以减小和消除激振力必须进行平衡以减小和消除激振力； 提高带传动、链传动、齿轮传动及其他传动结构的稳定性，如采提高带传动、链传动、齿轮传动及其他传动结构的稳定性，如采用完善的带接头、以斜齿轮或人字齿轮代替直齿轮等；用完善的带接头、以斜齿轮或人字齿轮代替直齿轮等； 使动力源与机床本体放在两个分离的基础上。使动力源与机床本体放在两个分离的基础上。（2）消除或减弱产生强迫振动的条件）消除或减弱产生强迫振动的条件 减小激振力减小激振

35、力 调整振源频率调整振源频率 在选择转速时，尽可能使引起强迫振动的振源的频率在选择转速时，尽可能使引起强迫振动的振源的频率避开共振区避开共振区。使工艺系统部件在准静态区或惯性区运行，以免发生共振。使工艺系统部件在准静态区或惯性区运行，以免发生共振。 采取隔振措施采取隔振措施隔振方式隔振方式主动隔振主动隔振 阻止机床振源通过地基外传；阻止机床振源通过地基外传；被动隔振被动隔振 阻止外干扰力通过地基传给机床阻止外干扰力通过地基传给机床。 不论哪种隔振方式，都是用弹性隔振装置将需防振的机床不论哪种隔振方式，都是用弹性隔振装置将需防振的机床或部件与振源之间分开，使大部分振动被吸收，从而达到减小或部件与

36、振源之间分开，使大部分振动被吸收，从而达到减小振源危害的目的。振源危害的目的。常用的隔振材料：常用的隔振材料：橡皮、橡皮、金属弹簧金属弹簧、空气弹簧空气弹簧、泡沫泡沫、乳胶乳胶、 软木软木、矿渣棉矿渣棉、木屑、木屑等。等。2. 消除或减弱产生自激振动的条件消除或减弱产生自激振动的条件切削进给量和切削深度与切削进给量和切削深度与振幅的关系曲线表明，选振幅的关系曲线表明，选较大的进给量和较小的切较大的进给量和较小的切削深度有利于减小振动。削深度有利于减小振动。（1）合理选择切削用量）合理选择切削用量 从切削速度与振幅的关系曲线，可看从切削速度与振幅的关系曲线，可看出在低速或高速切削时，振动较小。出

37、在低速或高速切削时，振动较小。 （2）合理选择刀具几何参数）合理选择刀具几何参数刀具几何参数中对振动影响最大的是刀具几何参数中对振动影响最大的是主偏角主偏角和和前角前角。 主偏角主偏角增大，则垂直于加工表增大，则垂直于加工表面方向的切削分力减小，实际切削面方向的切削分力减小，实际切削宽度减小，故不易产生自振。宽度减小，故不易产生自振。如左图所示如左图所示，前角越大，切削前角越大，切削力越小，振幅也小。力越小，振幅也小。 如上图所示，如上图所示，主偏角主偏角9090o o时，振时，振幅最小；主偏角幅最小；主偏角 9090o o，振幅增大，振幅增大。305 适当减小刀具适当减小刀具后角后角(a(a

38、0 02 2o o 3 3o o) )，可以增大工件和刀具后刀面，可以增大工件和刀具后刀面之间的摩擦阻尼；之间的摩擦阻尼； 在后刀面磨出带有负后角的在后刀面磨出带有负后角的消振棱消振棱，如图所示。，如图所示。（3）增加切削阻尼）增加切削阻尼3. 增强工艺系统抗振性和稳定性的措施增强工艺系统抗振性和稳定性的措施 首先首先要提高工艺系统薄弱环节的刚度，合理配置刚度主轴要提高工艺系统薄弱环节的刚度，合理配置刚度主轴的位置，使小刚度主轴位于切削力和加工表面法线方向的夹角的位置，使小刚度主轴位于切削力和加工表面法线方向的夹角范围之外。如调整主轴系统、进给系统的间隙，合理改变机床范围之外。如调整主轴系统、

39、进给系统的间隙，合理改变机床的结构，减小工件和刀具安装中的悬伸长，车刀反装切削等。的结构，减小工件和刀具安装中的悬伸长，车刀反装切削等。（1）提高工艺系统的刚度）提高工艺系统的刚度 其次其次是减轻工艺系统中各构件的质量，因为质量小的构件是减轻工艺系统中各构件的质量，因为质量小的构件在受动载荷作用时惯力小。在受动载荷作用时惯力小。图图4-42 削扁镗杆削扁镗杆 工艺系统的阻尼主要来自零部件材料的内阻尼、结合面工艺系统的阻尼主要来自零部件材料的内阻尼、结合面上的摩擦阻尼以及其他附加阻尼。上的摩擦阻尼以及其他附加阻尼。 （2）增大系统的阻尼）增大系统的阻尼 选用阻尼比大的材料制造零件；把高阻尼选用阻尼比大的材料制造零件；把高阻尼的材料附加到零件上去。如图所示的的材料附加到零件上去。如图所示的薄壁封砂薄壁