第十一章机械加工表面质量

第十一章

机械加工表面质量学习内容一、机械加工表面质量的含义

二、已加工表面形成机理三、影响加工表面质量的因素四、机械加工过程中的振动五、控制加工表面质量的途径学习要求

了解机械加工表面质量的基本内容及对零件使用性能的影响。通过研究影响加工表面质量的因素,控制加工过程中的相应参数，以保征零件的机械加工表面质量。第十一章机械加工表面质量第一节机械加工表面质量的含义第二节已加工表面形成机理第三节影响加工表面质量的因素第四节机械加工过程中的振动第五节控制加工表面质量的途径第一节机械加工表面质量的含义一、表面质量的含义二、机械加工表面质量对零件使用性能的影响三、表面的完整性

表面质量是零件机械加工质量的组成部分之一。加工表面质量是指机械加工后零件表面层的几何结构和受加工过程的影响，表面层金属材料与基体材料性质产生变化的情况。零件的磨损、腐蚀和疲劳破坏都是从零件表面开始的，所以零件的表面加工质量将直接影响零件的工作性质。特别是在高速、高应力和高温情况下，表层的任何缺陷不仅直接影响零件的工作性能，而且还会引起应力集中、应力腐蚀等现象，加速零件的失败。1、加工表面的几何特征：一、表面质量的含义

机械加工后的表面，不可能是理想的光滑表面，总存在一定的微观几何形状偏差，表面层的物理力学性能也发生变化。因此机械加工表面质量包括：加工表面的几何特征和表面层物理力学性能的变化。2、表面层物理力学性能的变化加工表面的几何特征是指其微观几何形状，主要包括表面粗糙度、刀痕方向、和表面波度，一般情况下，当L/H（波距／波高）＜50为表面粗糙度，L/H＝50～1000时为表面波度，L/H＞1000时为宏观的几何形状误差。波度是介于几何形状误差与表面粗糙度之间的表面偏差。

表面层金属物理力学性能的变化主要受表面层加工硬化、残余应力和表面层的金相组织变化的影响。机械零件在加工中由于受切削力和热的综合作用，表面层金属的物理力学性能相对于基体金属的物理力学性能发生了变化。图示零件表面层沿深度方向的变化过程，表面层可分为吸附层和压缩层。

最外层是吸附层，是由氧化膜或其他化合物吸收、渗进了气体粒子而形成的一层组织。第二层是压缩层，是由于切削力和基体金属共同作用造成的塑性变形区域，在其上部存有纤维组织，是由于刀具摩擦挤压而形成的。有时在切削热的作用下，表面层的材料还会产生相变和晶粒大小的变化。

表面层残余应力是在加工过程中，由于弹、塑性变形及温度和金相组织的变化造成的不均匀体积变化而在表面层中产生的残余应力。

表面层的物理力学性能随表面层的加工硬化程度而变化；硬化程度越大，表面层的物理力学性能变化越大。

表面层的物理力学性能主要受压缩层的组织结构的影响。

表面层金相组织的变化是由于加工过程中产生的切削热使工件表层材料的温度发生变化而造成的。这种变化包括相变、晶粒大小和形状的变化、析出物的产生和再结晶等。金相组织的变化主要通过对显微组织的观察来确定。1、表面质量对耐磨性的影响

1）表面粗糙度对耐磨性的影响

2）表面加工硬化对耐磨性的影响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

2）残余应力、加工硬化对疲劳强度的影响3、表面质量对耐蚀性的影响4、表面质量对配合质量的影响5、表面质量对其他性能的影响二、机械加工表面质量对零件使用性能的影响

表面粗糙度对零件表面磨损的影响很大。一般说表面粗糙度值愈小，其磨损性愈好。但表面粗糙度值太小，润滑油不易储存，接触面之间容易发生分子粘接，磨损反而增加。因此，接触面的粗糙度有一个最佳值，其值与零件的工作情况有关，工作载荷加大时，初期磨损量增大，表面粗糙度最佳值也加大。

加工表面的冷作硬化使摩擦副表面层金属的显微硬度提高，故一般可使耐磨性提高。但也不是冷作硬化程度愈高，耐磨性就愈高，这是因为过分的冷作硬化将引起金属组织过度疏松，甚至出现裂纹和表层金属的剥落，使耐磨性下降。

在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。表面粗糙度值愈大，表面的纹痕愈深，纹底半径愈小，抗疲劳破坏底能力就愈差。

残余应力对零件疲劳强度的影响很大。表面层残余拉应力将使疲劳裂纹扩大，加速疲劳破坏；而表面层残余应力能够阻止疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳破坏的产生。

表面冷硬一般伴有残余应力的产生，可以防止裂纹产生并阻止已有裂纹的扩展，对提高疲劳强度有利。

零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。表面粗糙度值愈大，则凹谷中聚积腐蚀性物质就愈多。抗蚀性就愈差。表面层的残余拉应力会产生应力腐蚀开裂，降低零件的耐磨性，而残余压应力则能防止应力腐蚀开裂。

表面粗糙度值的大小将影响配合表面的配合质量。对于间隙配合，粗糙度值大会使磨损加大，间隙增大，破坏了要求的配合性质。对于过盈配合，装配过程中一部分表面凸峰被挤平，实际过盈量减小，降低了配合件间的连接强度。

表面质量对零件的接触刚度、结合面的导热性、导电性、导磁性、密封性、光的反射与吸收、气体和液体的流动阻力均有一定程度的影响。表面的完整性主要是反映表面层的性能，包括：1、表面形貌：主要包括表面粗糙度、表面波度和纹理。4、表面层物理力学性能：主要包括表面层硬化深度和程度、表面层残余应力的大小、分布。5、表面层的其他工程技术特征：主要包括摩擦特性、光的反射率、导电性和导磁性。3、微观组织和表面层的冶金化学性能主要包括微观裂纹、微观组织变化及晶间腐蚀等。2、表面缺陷：主要是指加工表面上出现的宏观裂纹、伤痕和腐蚀。三、表面的完整性二、、已已加加工工表表面面形形成成机机理理金属属切切削削过过程程中中，，加加工工表表面面经经过过第第三三变变形形区区后后，，形形成成已已加加工工表表面面。。第第三三变变形形区区的的刀刀具具与与加加工工表表面面的的相相互互作作用用将将直直接接影影响响已已加加工工表表面面质质量量。。O点以以下下，，厚厚度度为为Δa的一一层层金金属属在在圆圆弧弧刃刃的的作作用用下下，，被被挤挤压压留留在在已已加加工工表表面面上上，，在在BC段，，这这层层金金属属又又受受到到后后刀刀面面上上被被磨磨损损的的一一段段小小棱棱面面VB的挤挤压压与与摩摩擦擦，，使使该该层层金金属属又又发发生生塑塑性性变变形形，，表表层层下下面面的的基基体体金金属属则则受受到到弹弹性性变变形形。。当当刀刀具具与与之之脱脱离离接接触触后后，，该该层层金金属属又又弹弹性性恢恢复复Δh，最最后后形形成成已已加加工工表表面面。。由由此此可可见见，，圆圆弧弧部部分分OB、磨磨损损小小棱棱面面BC(VB)及CD三部部分分构构成成后后刀刀面面上上的的总总接接触触长长度度，，其其接接触触情情况况直直接接影影响响已已加加工工表表面面质质量量。。已已加加工工表表面面形形成成机机理理是是分分析析已已加加工工表表面面质质量量的的重重要要物物理理基基础础。。在实实际际生生产产中中使使用用的的刀刀具具，，为为提提高高刃刃口口的的承承载载能能力力，，刀刀具具刃刃口口都都具具有有一一个个半半径径为为γβ的钝钝圆圆，，其其大大小小决决定定于于刀刀具具的的刃刃磨磨质质量量、、刀刀具具材材料料。。由由图图可可知知，，当当切切削削层层金金属属以以V的速速度度趋趋近近于于刀刀刃刃时时，，由由于于γβ的作作用用切切削削层层金金属属O点以以上上的的部部分分通通过过剪剪切切滑滑移移，，沿沿前前刀刀面面流流出出成成为为切切屑屑；；第三三节节影影响响加加工工表表面面质质量量的的因因素素加工工表表面面质质量量主主要要受受到到表表面面粗粗糙糙度度的的大大小小、、加加工工硬硬化化程程度度、、残残余余应应力力和和金金相相组组织织变变化化的的影影响响。。因因而而分分析析影影响响加加工工表表面面质质量量的的因因素素，，就就需需要要分分析析加加工工过过程程中中的的诸诸因因素素对对表表面面粗粗糙糙度度、、加加工工硬硬化化程程度度、、残残余余应应力力状状态态和和金金相相组组织织变变化化的的影影响响。。一、、影影响响表表面面粗粗糙糙度度的的因因素素二、、影影响响加加工工表表面面层层物物理理力力学学性性能能的的因因素素在切切削削过过程程中中，，当当刀刀具具前前刀刀面面上上存存在在积积屑屑瘤瘤时时，，由由于于积积屑屑瘤瘤的的顶顶部部很很不不稳稳定定，，容容易易破破裂裂，，一一部部分分连连附附于于切切屑屑底底部部而而排排出出，，一一部部分分则则残残留留在在加加工工表表面面上上，，使使表表面面粗粗糙糙度度增增大大。。积积屑屑瘤瘤突突出出刀刀刃刃部部分分的的尺尺寸寸变变化化，，会会引引起起切切削削层层厚厚度度的的变变化化，，从从而而使使加加工工表表面面的的粗粗糙糙度度值值增增大大。。因因此此，，在在精精加加工工时时必必须须避避免免或或减减小小积积屑屑瘤瘤。。与工工件件材材质质相相关关的的因因素素包包括括材材料料的的塑塑性性、、金金相相组组织织等等。。一一般般地地讲讲，，韧韧性性较较大大的的塑塑性性材材料料，，易易于于产产生生塑塑性性变变形形．．与与刀刀具具的的粘粘结结作作用用也也较较大大．．加加工工后后粗粗糙糙度度大大。。相相反反．．脆脆性性材材料料则则易易于于得得到到较较小小的的表表面面粗粗糙糙度度值值。。对于同同样的的材料料，晶晶粒组组织愈愈是粗粗大、、加工工后的的表面面粗糙糙度值值也愈愈大，，利用用调质质或正正火等等热处处理方方法、、可以以提高高材料料的力力学性性能．．细化化晶粒粒，改改善切切削性性能，，减小小表面面粗糙糙度值值。

刀具相对于工件作进给运动时，在加工表面留下了切削层残留面积，其形状是刀具几何形状的复映。减小进给量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径，均可减小残留面积的高度。此外适当增大刀具的前角以减小切削时的塑性变形程度，合理选择润滑液和提高刀具刃磨质量以减小切削时的塑性变形和抑制刀瘤、鳞刺的生成，也是减小表面粗糙度值的有效措施。背吃刀刀量对对表面面粗糙糙度影影响不不明显显，一一般可可忽略略。但但当aｐ＜0.02～0.03以下时时，由由于刀刀刃有有一定定的圆圆弧半半径，，使正正常切切削不不能维维持，，刀刃刃仅与与工件件发生生挤压压与摩摩擦从从而使使表面面恶化化。因因此加加工时时，不不能选选用过过小的的背吃吃刀量量。减小进进给量量f可以减减小切切削残残留面面积高高度，，使表表面粗粗糙度度值减减小。。但进进给量量f太小刀刀刃不不能切切削而而形成成挤压压，增增大了了工件件的塑塑性变变形，，反而而使表表面粗粗糙度度值增增大。。(1)刀具几几何形形状及及切削削运动动的影影响(2)工件材材料性性质的的影响响(3)积屑瘤瘤的影影响(4)切削用用量的的影响响磨削径径向进进给量量增大大使磨磨削时时的切切削深深度增增大，，使塑塑性变变形加加剧，，因而而表面面粗糙糙度增增大。。适当当增加加光磨磨次数数，可可以有有效减减小表表面粗粗糙度度。提高磨磨削速速度，，增加加了工工件单单位面面积上上的磨磨削磨磨粒数数量，，使刻刻痕数数量增增大，，同时时塑性性变形形减小小，因因而表表面粗粗糙度度减小小。高高速切切削时时塑性性变形形减小小是因因为高高速下下塑性性变形形的传传播速速度小小于磨磨削速速度，，材料料来不不及变变形所所致。。工件圆圆周进进给和和轴向向进给给量增增大，，均会会减小小工件件单位位面积积上的的磨削削磨粒粒数量量，使使刻痕痕数量量减少少，表表面粗粗糙度度增大大砂轮的修整是用金刚石笔尖在砂轮的工作表面上车出一道螺纹，修整导程和修正深度愈小，修出的磨粒的微刃数量越多，修出的微刃等高性也愈好，因而磨出的工件表面粗糙度值也就愈小。修整用的金刚石笔尖是否锋利对砂轮的修正质量有很大影响。图示为经过精细修正后砂轮磨粒上的微刃。太硬的的材料料使磨磨粒易易钝，，磨削削时的的塑性性变形形和摩摩擦加加剧，，使表表面粗粗糙度度增大大，且且表面面易烧烧伤甚甚至产产生裂裂纹而而使零零件报报废。。太软软的材材料塑塑性大大，在在磨削削时磨磨屑易易堵塞塞砂轮轮，使使表面面粗糙糙度增增大。。韧性性大导导热性性差的的耐热热合金金易使使砂粒粒早期期崩落落，使使砂轮轮表面面不平平，导导致磨磨削表表面粗粗糙度度值增增大。。采用切切削液液可以以降低低磨削削区温温度，，减少少烧伤伤，冲冲去脱脱落的的磨粒粒和磨磨屑，，可以以避免免划伤伤工件件，从从而降降低表表面粗粗糙度度。但但必须须合理理选择择冷却却方法法和切切削液液。１．切切削加加工对对表面面粗糙糙度的的影响响因素素一、影影响表表面粗粗糙度度的因因素2．磨削削加工工对表表面粗粗糙度度的影影响因因素(1)砂轮的的粒度度(2)砂轮的的硬度度(3)砂轮的的修整整(4)磨削速速度(5)磨削径径向进进给量量与光光磨次次数(6)工件圆圆周进进给速速度与与轴向向进给给量(7)工件材材料(8)切削液液砂轮的的粒度度愈细细，则则砂轮轮工作作表面面单位位面积积上的的磨粒粒数越越多，，因而而在工工件上上的刀刀痕也也越密密而细细，所所以粗粗糙度度值愈愈小。。但是是粗粒粒度的的砂轮轮如果果经过过精细细修整整，在在磨粒粒上车车出微微刃后后，也也能加加工出出粗糙糙度值值小的的表面面。砂轮的的硬度度太大大，磨磨粒钝钝化后后不容容易脱脱落，，工件件表面面受到到强烈烈的摩摩擦和和挤压压，加加剧了了塑性性变形形，使使表面面粗糙糙度值值增大大甚至至产生生表面面烧伤伤。砂砂轮太太软则则磨粒粒易脱脱落，，会产产生不不均匀匀磨损损现象象，影影响表表面粗粗糙度度。因因此，，砂轮轮的硬硬度应应适中中。

切削用量中，切削速度对表面粗糙度的影响比较复杂。在切削塑性材料时，一般情况下低速或高速切削时因不会产生积屑瘤，加工表面粗糙度值较小。但在中等速度下，塑性材料由于容易产生积屑瘤与鳞刺，且塑性变形较大，因此表面粗糙度值会变大。切削加工过程中的切削变形愈大，加工表面就愈粗糙。在高速切削时，由于变形的传播速度低于切削速度，表面层金属的塑性变形较小，因而高速切削时表面粗糙度较低。加工脆性材料时，由于塑性变形很小，主要形成崩碎切屑，切削速度的变化，对脆性材料的表面粗糙度影响较小。二、影影响加加工表表面层层物理理力学学性能能的因因素在切削削加工工中，，工件件由于于受到到切削削力和和切削削热的的作用用，使使表面面层金金属的的物理理机械械性能能产生生变化化，最最主要要的变变化是是表面面层金金属显显微硬硬度的的变化化、金金相组组织的的变化化和残残余应应力的的产生生。由由于磨磨削加加工时时所产产生的的塑性性变形形和切切削热热比刀刀刃切切削时时更严严重，，因而而磨削削加工工后加加工表表面层层上述述三项项物理理机械械性能能的变变化会会很大大。1、表面面层加加工硬硬化2、表面面层金金相组组织的的变化化3、表面面层残残余应应力1、表面面层加加工硬硬化1)冷作硬硬化及及其评评定参参数机械加加工过过程中中因切切削力力作用用产生生的塑塑性变变形，，使晶晶格扭扭曲、、畸变变，晶晶粒间间产生生剪切切滑移移,晶粒被被拉长长和纤纤维化化，甚甚至破破碎，，这些些都会会使表表面层层金属属的硬硬度和和强度度提高高，这这种现现象称称为冷冷作硬硬化（（或称称为强强化））。表表面层层金属属强化化的结结果，，会增增大金金属变变形的的阻力力，减减小金金属的的塑性性，金金属的的物理理性质质也会会发生生变化化。被冷作硬硬化的金金属处于于高能位位的不稳稳定状态态，只有有一种可可能，金金属的不不稳定状状态就要要向比较较稳定的的状态转转化，这这种现象象称为弱弱化。弱弱化作用用的大小小取决于于温度的的高低、、温度持持续时间间的长短短和强化化程度的的大小。。由于金金属在机机械加工工过程中中同时受受到力和和热的作作用，因因此，加加工后表表层金属属的最后后性质取取决于强强化和弱弱化综合合作用的的结果。。评定冷作作硬化的的指标：：表层金金属的显显微硬度度HV、硬化层层深度h和硬化程程度N。N＝((Hv－Hv0)/Hv0)××100％Hv—加工后表表面层的的显微硬硬度；Hv0——原材料的的显微硬硬度。2)影响冷作作硬化的的主要因因素①切削用量量切削速度度增大，，刀具与与工件的的作用时时间缩短短，使塑塑性变形形扩展深深度减小小，冷硬硬层深度度减小。。切削速速度增大大后，切切削热在在工件表表面层上上的作用用时间也也缩短乐乐，将使使冷硬程程度增加加。进给给量增大大，切削削力也增增大，表表层金属属的塑性性变形加加剧，冷冷硬作用用加强。。②切削温度度切削刃钝钝圆半径径增大，，对表层层金属的的挤压作作用增强强，塑性性变形加加剧，导导致冷硬硬增强。。刀具后后刀面磨磨损增大大，后刀刀面与被被加工表表面的摩摩擦加剧剧，塑性性变形增增大，导导致冷硬硬增强。。③工件材料料工件材料料的塑性性愈大，，冷硬现现象就愈愈严重。。2、表面层层金相组组织的变变化金相组织织的变化化主要受受温度的的影响。。当被磨磨工件表表面层温温度达到到相变温温度以上上时，表表层金属属发生金金相组织织的变化化，使表表层金属属强度和和硬度降降低，并并伴有残残余应力力产生，，甚至出出现微观观裂纹时时称为磨磨削烧伤伤。在磨削淬淬火钢时时，可能能产生以以下三种种烧伤：：①回火烧伤伤②淬火烧伤伤③退火烧伤伤如果磨削削区温度度超过了了相变温温度，而而磨削区区域又无无冷却液液进入，，表层金金属将产产生退火火组织，，表面硬硬度将急急剧下降降。如果磨削削区温度度超过了了相变温温度，再再加上冷冷却液的的急冷作作用，表表层金属属发生二二次淬火火，使表表层金属属出现二二次淬火火马氏体体组织，，其硬度度比原来来的回火火马氏体体的高，，在它的的下层，，因冷却却较慢，，出现了了硬度比比原先的的回火马马氏体低低的回火火组织（（索氏体体或托氏氏体）。。如果磨削削区的温温度未超超过淬火火钢的相相变温度度，但已已超过马马氏体的的转变温温度，工工件表层层金属的的回火马马氏体组组织将转转变成硬硬度较低低的回火火组织（（索氏体体或托氏氏体）。。1）磨削烧伤伤2）防止磨削烧伤伤的途径径磨削热是是造成磨磨削烧伤伤的根源源，故改改善磨削削烧伤由由两个途途径：一是尽可可能地减减少磨削削热地产产生；二二是改善善冷却条条件，尽尽量使产产生地热热量少传传入工件件。具体体工艺措措施如下下：(1)正确选择择砂轮(2)合理选择择磨削用用量(3)改善冷却却条件a)采用高压大流量冷却b)为了减轻高速旋转的砂轮表面的高压附着气流的作用，可以加装空气档板,使冷却液能顺利地喷注到磨削区，这对于高速磨削更为必要。c)采用内冷却法应在保证证表面质质量的前前提下尽尽量不影影响生产产率和表表面粗糙糙度。磨磨削深度度不能选选得太大大,磨削深度度增加，，温度随随之升高高、烧伤伤增加．．工件的纵纵向进给给量越大大．砂轮轮与工件件的表面面接触时时间相对对减少，，因而热热的作用用时间减减少，散散热条件件得到改改善、磨磨削烧伤伤越少。。工件件线速度度增大时时磨削区区温度会会上升。。但热的的作用时时间却减减少了。。一般在在提高工工件速度度的同时时提高砂砂轮的速速度。一般选择择的砂轮轮应使在在磨削过过程中具具有自锐锐能力(即砂粒磨磨钝后自自动破碎碎产生新新的锋利利的新磨磨粒或自自动从砂砂轮粘结结剂处脱脱落的能能力)。同时磨磨削时砂砂轮应不不致产生生粘屑堵堵塞现象象。3、表面层层残余应应力表面层残残余应力力主要是是因为在在切削加加工过程程中工件件受到切切削力和和切削热热的作用用，在表表面层金金属和基基体金属属之间发发生了不不均匀的的体积变变化而引引起的。。（１）冷冷态塑性性变形引引起的残残余应力力在切切削加工工过程中中，由于于切削力力的作用用，工件件表面层层产生塑塑性变形形，使表表面金属属比容增增大，体体积膨胀胀，由于于塑性变变形只在在表层金金属中产产生，表表层金属属的比容容增大，，体积膨膨胀，不不可避免免地要受受到与它它相连的的里层金金属的限限制，在在表面金金属层产产生了残残余压应应力，而而在里层层金属中中产生残残余拉应应力。右右图所示示为加工工后由冷冷塑态变变形产生生的残余余应力的的分布情情况。（２）热态塑塑性变形引起起的残余应力力切削加工中，，切削区会有有大量的切削削热产生，使使工件产生不不均匀的温度度变化，从从而导致不均均匀的热膨胀胀。切削加工工进行时，当当表面温度度升高到使表表层金属进入入到塑性状态态时，其体积积膨胀受到到温度较低的的基体金属的的限制而产生生热塑性变形形。切削加工工结束后，表表面温度下降降，由于表面面已产生热热塑性变形要要收缩，此时时又会受到基基体金属的限限制，在表面面产生残余拉拉应力。热塑塑性变形主要要在磨削时产产生，磨削削温度越高，，热塑性变形形越大，残余余拉应力越大大，有时甚至至会产生裂纹纹。右图所示示为磨削时由由热塑性变形形产生的残余余应力的分布布情况。(3)金相组织变化化引起的残余余应力不同同金相组织具具有不同的密密度，金相组组织的转变会会引起金属材材料的体积变变化。加工过过程中，当切切削温度的变变化使表面层层金属产生了了金相组织的的变化时，表表层金属的体体积变化（增增大或减小））必然要受到到与之相连的的基体金属的的阻碍，因而而就有残余应应力产生。不同磨削方式式下残余应力力的分布情况况。一、机械加工工中的振动现现象二、受迫振动动三、减小受迫迫振动的途径径四、机械加工工过程中受迫迫振源的查找找方法第四节机机械加工过程程中的振动加工过程中的的振动，使刀刀具与工件之之间产生相对对位移，使加加工表面产生生振痕、将严严重影响零件件的表面质量量和使用性能能。动态交变变载荷使刀具具极易磨损(甚至崩刃)，机床连接特特性受到破坏坏，缩短了刀刀具和机床的的使用寿命、、而且振动严严重时，使加加工无法进行行，为了减少少振动，有时时不得不降低低切削用量，，从而降低了了生产率。振动的分类按按工艺系统可可分为三类：：1、自由振动2、受迫振动3、自激振动。。一、机械加工工中的振动现现象机械加工中，，由于刀具与与工件之间常常常产生周期期性往复运动动，既机械加加工振动。一一般说它是一一种破坏正常常切削过程的的有害观象。。各种切削和和磨削过程都都可能发生振振动，当速度度高、切削金金属量大时会会产生较强烈烈振动。当系统受到初初步始干扰力力而破坏了其其平衡状态后后，仅靠弹性性恢复力来维维持的振动称称为自由振动动。在切削过过程中，由于于材料硬度不不均或工件表表面有缺陷，，工艺系统就就会发生振动动，但由于阻阻尼作用、振振动将迅速减减弱，因而对对机械加工的的影响不大。。在外界周期性性干扰力，(激振力)持续作用下，，系统被迫产产生的振动。。系统在没有受受到外界周期期性干扰力(激振力)作用下产生的的持续振动。。维持这种振振动的交变力力是由振动系系统在自身运运动中激发出出来的、称为为自激振动。。机械加工中的的强迫振动与与一般机械中中的强迫振动动没有什么区区别，强迫振振动的频率与与干扰力的频频率相同或是是它的倍数。。1、强迫振动的的振源即来自机床内内部的机内振振源和来自机机床外部的机机外振源两大大类。1）、机外振源源：甚多，但它们们都是通过地地基传给机床床的，可通过过加设隔振地地基来隔离。。2）、机内振源源主要又：a）机床高速旋旋转件不平衡衡引起的振动动b）机床传动机机构缺陷引起起的振动c）切削过程中中的冲击引起起的振动d）往复运动部部件的惯性力力引起的振动动二、受迫振动动受迫振动的振振动频率与外外界激振力的的频率相同或或是它的倍数数，而与系统统的固有频率率无关。2、受迫振动的的特点：受迫振动是由由周期性激振振力引起的，，不会被阻尼尼衰掉，振动动本身也不能能使激振力发发生变化。受迫振动的幅幅值即与激振振力的幅值有有关，又与工工艺系统的动动态特性有关关。3、减小受迫振振动的途径１）减小激振振力可通过过提高机床的的制造和装配配精度，以消消除工艺系统统内部的振动动源。如机床中高速速回转的零件件要进行静平平衡和动平衡衡（如磨床的的砂轮、电动动机的转子等等）；提高齿齿轮的制造和和装配精度，，或采用对振振动和动平衡衡不敏感的高高阻尼材料制制造齿轮，以以减少齿轮啮啮合所造成的的振动。２）调整振源源频率调整整刀具或工件件的转速，使使激振力频率率偏离工艺系系统的固有频频率。３）增强工艺艺系统的刚性性和阻尼以提提高其抗振能能力如采用用刮研各零部部件之间的接接触表面，以以增加各种部部件间的连接接刚度；利用用跟刀架，缩缩短工件或刀刀具装夹时的的悬伸长度等等方法以增加加工艺系统的的刚度。４））采取隔振措措施隔离外部部或内部振源源对于某些些动力源（如如电动机、油油泵等），最最好与机床分分开，以达到到隔振的目的的。５）采用各种种减振措施如如果不能从从根本上消除除产生振动的的条件，又不不能有效的提提高工艺系统统的动态特性性，可采用消消振减振装置置。4、机械加工过过程中受迫振振源的查找方方法如果已经确认认机械加工过过程中发生了了受迫振动，，就要设法查查找振源，以以便去除振源源或减小振源源对加工过程程的影响。由由受迫振动的的特征可知，，受迫振动的的频率总是与与干扰力的频频率相等或是是它的倍数，，我们可以根根据受迫振动动的这个规律律去查找受迫迫振动的振源源。三、机械加工工过程中的自自激振动机械加工中在在没有周期性性外力（相对对于切削过程程而言）作用用下，由系统统内部激发反反馈产生的周周期性振动，，称为自激振振动。其振动动频率与系统统的国有频率率相近。既然没有周期期性外力的作作用，那么激激发自激振动动的交变力是是怎样产生的的呢？用传递递函数的概念念来分析，机机床加工系统统是一个由振振动系统和调调节系统组成成的闭环系统统（如图所示示）。激励机床系统统产生振动运运动的交变力力是由切削过过程产生的，，而切削过程程同时又受机机床系统振动动运动的控制制，机床系统统的振动运动动一旦停止，，动态切削力力也就随之消消失。自激振振动系统维持持稳定振动的的条件为在一一个振动周期期内，从能源源机构经调节节系统输入到到振动系统的的能量，等于于系统阻尼所所消耗的能量量。如果切削过程程很平稳，即即使系统存在在产生自激振振动的条件，，也因切削过过程没有交变变的动态切削削力，使自激激振动不可能能产生。但是是，在实际加加工过程中，，偶然的外界界干扰（如工工件材料硬度度不均、加工工余量有变化化等）总是存存在的，这种种偶然性外界界干扰所产生生的切削力的的变化，作用用在机床系统统上，会使系系统产生振动动运动。系统统的振动运动动将引起工件件与刀具间的的相对位置发发生周期性变变化，使切削削过程产生维维持振动的动动态切削力。。如果工艺系系统不存在自自激振动的条条件，这种偶偶然性的外界界干扰，将因因工艺系统存存在阻尼而使使振动运动逐逐渐衰减。如如果工艺系统统存在产生自自激振动的条条件，就会使使机床加工系系统产生持续续的振动运动动。（１）负摩摩擦自振原原理在切削塑性性材料时，，由切削原原理可知，，径向切削削分力Fy开始随切削削速度Vc的增加而增增大，自某某一速度开开始，又随随切削速度度的增加而而下降。在在力－速度度曲线下降降区，极易易引起自激激振动。径径向切削分分力主要取取决于切屑屑与刀具相相对运动所所产生的摩摩擦力。1、自激振动动的形成机机理经过对自激激振动的研研究，人们们从不同侧侧面出发，，形成多种种关于自激激振动机理理的理论。。图所示为车削削加工的简简化振动模模型。将加工系统统简化为单单自由度系系统，刀具具简化为等等效质量ｍｍ，仅能做做径向运动动。在稳定切削削时，工件件表面的线线速度为Vc，则刀具和和切屑的相相对滑动速速度为V1＝Vc／ζ，为切屑屑收缩系数数。当刀具具发生振动动时，前刀刀面与切屑屑的相对滑滑动速度便便要ζ附加一个振振动速度V2，刀具切入入工件时相相对滑动速速度为V1＋V2，刀具退出出工件时，，相对滑动动速度为V1－V2，它们分别别对应于径径向切削力力Fy1和Fy2。所以，刀刀具切入工工件的半个个周期中，，切削力所所做的负功功小于刀具具切出工件件的半个周周期中所做做的正功，，在一个振振动周期中中，便有多多余的能量量输入振动动系统，从从而激起振振动。图为径向切切削力Fy与切屑和前前刀面相对对滑动速度度ｖ的关系系曲线。外圆磨削时时，设砂轮宽度度为Ｂ，工工件每转进进给量为ｆｆ，砂轮轮前一转的的磨削区和和后一转磨磨削区有重重叠部分，，其大小用用重叠系数数μ表示：（２）再生生效应自振振原理切削或磨削削加工时，，后一次走走刀和前一一次走刀总总会有部分分重叠。图为外圆磨磨削简图。。Ｂ－ｆμ＝——Ｂ前后两次走走刀完全重重叠时，μ＝１；无重重叠时，μ＝０；一般般情况μ在０～１之之间。在稳定的切切削过程中中，由于偶偶然的扰动动（如刀具具碰到工件件材料上的的硬质点、、余量不均均匀等），，引起工件件与刀具发发生相对的的自由振动动，从而在在切削表面面上留下振振纹，当第第二次走刀刀时，刀具具将在有波波纹的表面面上进行切切削。设第ｉ次切切削时刀具具与工件间间的振纹为为y0，第ｉ＋１１次（振纹纹为ｙ））就要从已已有振纹的的表面上切切除切屑。。图ａ中表表示在一个个周期中切切削厚度处处处相等，，切入时切切削力Ｆ所所做的负功功（因为切切入时刀具具的速度方方向与切削削力Ｆ的方方向相反））与切出时时所做的正正功相等，，振纹保持持原有的状状态；图ｂｂ中表示振振幅ｙ比比ｙ００滞后φ角，刀具切切入半周期期中平均切切削厚度比比切出时的的平均厚度度小，因此此，切入时时的平均切切削力比切切出时的小小，所以，，在一个振振动周期中中，切削力力做的正功功大于负功功，系统得得到了能量量的输入，，振动加强强。图ｃ中中ｙ中ｙｙ比ｙｙ０超前前φ角，刀具切切入的半周周期，平均均切削厚度度比切出时时的大，因因此，切削削力所做的的负功大于于正功，振振动逐渐衰衰减。振动的发生生与维持可可用下图所所示的三种种切削过程程的能量关关系说明。。综上所述，，振动ｙｙ滞后于于ｙ０是是产生再生生颤振的必必要条件。。椭圆形曲线线的旋向是是顺时针的的，则刀具具沿ABC的轨迹是切切入工件，，它的运动动方向与切切削力Ｆ的的方向相反反，F做负功。沿沿着BDA轨迹退出时时，Ｆ力做做正功。由由于切出时时平均切削削厚度大于于切入时平平均切削厚厚度，故切切削力做的的正功大于于负功，在在一个振动动周期中便便有多余的的能量输入入振动系统统，维持系系统的振动动。（３）振型型藕合自振振原理振动系统实实际上都是是多自由度度的，图是是一个二自自由度振动动系统示意意图。设切削前工工件表面是是光滑的，，即不考虑虑再生效应应，当刀架架系统产生生了角频率率为ω的振动，则则刀架将在在X1和X2两个方向上上同时振动动，刀具振振动的轨迹迹一般为椭椭圆形的封封闭曲线。。２．自激振振动的特征征与其他类型型的振动相相比，自激激振动有以以下特征：：（１）机械械加工中的的自激振动动是在没有有周期性外外力（相对对于切削过过程而言））干扰下所所产生的振振动运动，，这一点与与强迫振动动有原则区区别。（２）自激激振动的频频率接近于于系统的某某一固有频频率，或者者说，颤振振频率取决决于振动系系统的固有有特性。这这一点与强强迫振动根根本不同，，强迫振动动的频率取取决于外界界干扰力的的频率。（３）自激激振动是一一种不衰减减的振动。。振动过程程本身能引引起某种不不衰减的周周期性变化化，而振动动系统能通通过这种力力的变化，，从不具备备交变特性性的能源中中周期性的的获得补充充能量，从从而维持住住这个振动动。当运动动一停止，，则这种外外力的周期期性变化和和能量的补补充过程也也都立即停停止。工艺艺系统中维维持自激振振动的能量量来自机床床电动机，，电动机除除了供给切切除切屑的的能量外，，还通过切切削过程把把能量输给给振动系统统，使工艺艺系统产生生振动运动动。３．自激振振动的控制制（１）尽量量减小重叠叠系数μ重叠叠系系数数μ直接接影影响响再再生生效效应应的的大大小小。。重重叠叠系系数数值值取取决决于于加加工工方方式式、、刀刀具具的的几几何何形形状状、、切切削削用用量量等等。。图图中中列列出出了了两两种种加加工工方方式式的的μ值。。车车螺螺纹纹（（图图ａａ））时时，，μ＝００，，工工艺艺系系统统不不会会有有再再生生型型自自激激振振动动产产生生。。切切断断工工件件（（图图ｂｂ））时时，，μ＝１１，，再再生生效效应应最最大大。。对对于于一一般般外外圆圆，，纵纵向向车车削削时时，，μ＝００～～１１，，此此时时应应通通过过改改变变切切削削用用量量和和刀刀具具几几何何形形状状，，使使μ尽量量减减小小，，以以提提高高切切削削的的稳稳定定性性。。自激激振振动动主主要要受受切切削削过过程程中中的的工工艺艺系系统统内内部部因因素素的的影影响响。。主主要要影影响响因因素素有有切切削削用用量量、、刀刀具具几几何何参参数数和和切切削削过过程程中中的的阻阻尼尼等等。。通通过过合合理理控控制制这这些些因因素素，，就就能能减减小小或或消消除除自自激激振振动动。。（２２））合合理理选选择择刀刀具具几几何何参参数数从图图可可以以看看出出，，当当κｒ＝＝９９００°时，，振振幅幅最最小小。。前前角角越越大大，，切切削削力力越越小小，，振振幅幅也也越越小小。。前前角角对对振振幅幅的的影影响响。。适适当当地地增增大大前前角角、、主主偏偏角角，，能能减减小小ＦＦｙｙ，，从从而而减减小小振振动动。。后后角角可可尽尽量量取取小小，，但但精精加加工工中中由由于于切切削削深深度度较较小小，，后后角角较较小小时时，，刀刀刃刃不不容容易易切切入入工工件件，，且且使使刀刀具具后后面面与与加加工工表表面面间间的的摩摩擦擦加加剧剧，，反反而而容容易易引引起起自自振振。。通通常常在在刀刀具具的的主主后后面面上上磨磨出出一一段段后后角角为为负负的的窄窄棱棱面面，，如如图图所所示示，，这这样样可可以以增增大大工工件件和和后后刀刀面面之之间间的的摩摩擦擦阻阻尼尼，，起起到到很很好好的的减减振振效效果果。。刀具具几几何何参参数数中中对对振振动动影影响响最最大大的的是是主主偏偏角角κｒ和和前前角角γ０。主偏角增增大，则垂直直于加工表面面方向的切削削分力减小，，故不易产生生自振。图一是切削速速度与振幅的的关系曲线。。从图一中可可见，在低速速或高速切削削时，振动较较小。图二、、图三是进给给量和切削深深度与振幅的的关系曲线。。（３）合理选选择切削用量量它们表明，选选较大的进给给量和较小的的切削深度有有利于减小振振动。采用高高速切削或低低速切削可以以避免自激振振动。增大进进给量可使振振幅减小，在在加工表面粗粗糙度允许的的情况下，可可以选取较大大的进给量以以避免自激振振动。切削深深度增大，切切削宽度也增增大，振动增增强，选择切切削深度时一一定要考虑切切削宽度对振振动的影响。。首先是提高机机床的抗振性性能。例如外外圆磨床的主主轴系统要适适当地减小轴轴承的间隙，，滚动轴承要要加适当的预预紧力，以增增强接触刚度度。工件与刀刀具的抗振性性能成为系统统薄弱环节时时，应采取相相应的技术措措施，如加工工细长轴时，，用中心架或或跟刀架来提提高工件的抗抗振性能；当当用细长刀杆杆加工孔时，，要采用中间间导向支承来来提高刀具的的抗振性能，，等等。（４）提高工工艺系统的刚刚度（５）采用减减振装置在在采用上述措措施后仍然不不能达到减振振目的时，可可考虑使用减减振装置。常常用减振装置置有阻尼减振振器和冲击减减振器。①阻尼减振器器：它利用固固体和液体的的摩擦阻尼来来消耗振动动的能量。如如在机床主轴轴系统中附加加阻尼减振器器，它相当当于间隙很大大的滑动轴承承，通过阻尼尼套和阻尼间间隙中的粘粘性油的阻尼尼作用来减振振。②冲击减振器器：如图所示示，它是由一一个与振动系系统刚性相联联的壳体２和和一个在壳体体内自由冲击击的质量器块块１组成的。。当系统振动动时，自由质质量块反复冲冲击振动系统统，消耗振动动的能量，以以达到减振效效果。振纹再生原理理在金属切削过过程中，除极极少数情况外外，刀具总是是部分地或完完全地在带有有波纹的表面面上进行切削削的。

首先先来研究车刀刀作径向切削削的情况，此此时车刀只作作横向进给，，车刀将完全全地在工件前前一转切削时时留下的波波纹表面上进进行切削，如如右上图示。。假定切削过过程受到一个个瞬时的偶然然扰动力Fd的作用，如右右下图示，刀刀具与工件便便会发生相对对运动（自由由振动），它它的幅值将因因系统阻尼的的存在而逐渐渐衰减，但该该振动会在已已加工表面上上留下一段振振纹。此时切切削厚度将发发生波动，因因而产生了交交变的动态切切削力。如果果机床加工系系统满足产生生自激振动的的条件，振动动便会进一步步发展到图d示的持续的颤颤振状态。我我们将这种由由于切削厚度度变化效应而而引起的自激激振动称为再生型颤振。控制机械加工工振动的途径径当机械加工过过程中出现影影响加工质量量的振动时，，首先应该判判别这种振动动是强迫振动动还是自激振振动，然后再再采取相应措措施来消除或或减小振动。。

消除振动动的途径有三三：消除或减弱产产生振动的条条件；改善工艺系统统的动态特性性；采用消振减振振装置。消除或减弱产产生振动的条条件1）减小机内内外干扰力机机床上高高速旋转的零零部件必须进进行平衡，是是质量不平衡衡控制在允许许范围内。（2）调整