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1、1机械制造技术基础机械制造技术基础 第3章 机械加工表面质量及其控制机械加工表面质量及其控制Analysis and Control of Machining Surface Quality3.1 加工表面质量及其对使用加工表面质量及其对使用性能的影响性能的影响Machining Surface Quality and its Influence to Use Performance第1页/共51页23.1.1 加工表面质量概念加工表面质量概念 加工表面的几何形貌加工表面的几何形貌qq 表面粗糙度表面粗糙度 波长波长/波高波高5050qq 波度波度 波长波长/波高波高=50=501000100
2、0；且具有周期特性；且具有周期特性qq 宏观几何形状误差（平面度、圆度等）宏观几何形状误差（平面度、圆度等）波长波长/波高波高10001000qq 纹理方向表面刀纹形式纹理方向表面刀纹形式qq 表面缺陷如砂眼、气孔、裂纹等表面缺陷如砂眼、气孔、裂纹等 a）波度 b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度与波度RZHRZ第2页/共51页33.1.1 加工表面质量概念加工表面质量概念 无氧铜镜面三维形貌及表面轮廓曲线第3页/共51页43.1.1 加工表面质量概念加工表面质量概念 加工纹理方向及其符号标注第4页/共51页53.1.1 加工表面质量概念加工表面质量概念 表面层金属力学物理性能和化学性能表面层金
3、属力学物理性能和化学性能qq 表面层金属冷作硬化表面层金属冷作硬化 qq 表面层金属金相组织变化表面层金属金相组织变化 qq 表面层金属残余应力表面层金属残余应力加工变质层模型 第5页/共51页63.1.2 表面质量对零件使用性能的影表面质量对零件使用性能的影响响 qq 对耐磨性影响对耐磨性影响Ra（m）初始磨损量重载荷轻载荷表面粗糙度与初始磨损量关系 表面粗糙度值表面粗糙度值 耐疲劳性耐疲劳性 适当硬化（产生表面压应力）可提高耐适当硬化（产生表面压应力）可提高耐疲劳性疲劳性 表面粗糙度值表面粗糙度值耐蚀性耐蚀性 表面压应力：有利于提高耐蚀性表面压应力：有利于提高耐蚀性 表面粗糙度值表面粗糙度
4、值 配合质量配合质量 表面粗糙度值表面粗糙度值耐磨性耐磨性，但有限度，但有限度qq 对耐疲劳性影响对耐疲劳性影响qq 对耐蚀性影响对耐蚀性影响qq 对配合质量影响对配合质量影响 纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好纹理形式与方向：圆弧状、凹坑状较好 适当硬化可提高耐磨性适当硬化可提高耐磨性冷硬程度磨损量T7A钢冷硬程度与耐磨性关系第6页/共51页7机械制造技术基础机械制造技术基础 第3章 机械加工表面质量及其控制机械加工表面质量及其控制Analysis and Control of Machining Surface Quality3.2 影响加工表面质量工艺因影响加工表面质量工艺因素及其改进措
5、施素及其改进措施Technology Factors Influencing Machining Surface Quality and its Improving第7页/共51页83.2.1 切削加工表面粗糙度切削加工表面粗糙度 qq 残留面积残留面积 圆弧刃车刀：圆弧刃车刀：影响因素：刀尖圆弧半径影响因素：刀尖圆弧半径 r r、主偏角、主偏角 r r、副偏角、副偏角r r 、进给量、进给量 f f车削时残留面积的高度frRmaxvfrb）Rmaxfa）vf 直线刃车刀：直线刃车刀：第8页/共51页93.2.1 切削加工表面粗糙切削加工表面粗糙度度 qq 切削表面塑性变形和积屑瘤 切切削削速
6、速度度影影响响最最大大：v v =101050m/min50m/min范范围围，易易产产生生积积屑屑瘤瘤和和鳞鳞刺，表面粗糙度最差。刺，表面粗糙度最差。其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等其他影响因素：刀具几何角度、刃磨质量，切削液等切削45钢时切削速度与粗糙度关系100120v/（mmin-1）020406080140表面粗糙度Rz/m481216202428收缩系数Ks1.52.02.53.0积屑瘤高度 h/m 0200400600hKsRzReal第9页/共51页103.2.2 磨削加工表面粗糙度磨削加工表面粗糙度 qq 磨削用量磨削用量 从几何因素和塑性变形两方面影响 砂轮速
7、度砂轮速度v v，R Ra a 工件速度工件速度v vw w，R Ra a 砂轮纵向进给砂轮纵向进给f f，R Ra a 磨削深度磨削深度a ap p，R Ra a 光磨次数光磨次数，R Ra a 磨削用量对表面粗糙度的影响vw=40m/minf=2.36m/minap=0.01mmv=50m/sf=2.36m/minap=0.01mmv/(ms-1),vw/(mmin-1)Ra/m0304050600.51.0a）ap/mm00.010.40.8Ra/m00.20.60.020.030.04b）光磨次数-Ra关系Ra/m01020300.020.040.06光磨次数粗粒度砂轮(WA60KV)
8、细粒度砂轮(WA/GCW14KB)第10页/共51页113.2.2 磨削加工表面粗糙度磨削加工表面粗糙度 qq 砂轮及修整砂轮及修整 砂轮粒度砂轮粒度，R Ra a；但要适量；但要适量 砂轮硬度适中，砂轮硬度适中，R Ra a ；常取中软；常取中软 砂轮组织适中，砂轮组织适中，R Ra a ；常取中等组织；常取中等组织 砂砂轮轮材材料料：与与工工件件材材料料相相适适应应（如如氧氧化化铝铝适适于于磨磨钢钢，碳碳化化硅硅适适于于磨磨铸铁，金刚石砂轮适于磨陶瓷材料等）铸铁，金刚石砂轮适于磨陶瓷材料等）工件材料工件材料 冷却润滑液等冷却润滑液等qq 其他影响因素其他影响因素 金刚石砂轮磨削工程陶瓷零件
9、采用超硬砂轮材料，采用超硬砂轮材料，R Ra a 砂轮精细修整，砂轮精细修整，R Ra a 第11页/共51页123.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测表面粗糙度和表面微观形貌测量量 qq 比较法比较法qq 触针法：触针法：R Ra a 0.020.025 5m m表面粗糙度测量表面粗糙度测量工件驱动箱放大器处理器记录器显示器触针传感器触针法工作原理qq 光切法：光切法：R Rz z 0.50.56060m mqq 干涉法：干涉法：R Rz z 0.050.050.80.8m m第12页/共51页133.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测表面粗糙度和表面微观形貌测量量 双管显微镜测量原理1光源
10、 2聚光镜 3窄缝 4工件表面 5目镜透镜 6分划板 7目镜第13页/共51页143.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测表面粗糙度和表面微观形貌测量量 干涉显微镜测量原理1光源 2、10、15聚光镜 3滤色片 4光阑 5透镜 6、9物镜 7分光镜 8补偿镜 10、14、16反射镜 12目镜 13透光窗第14页/共51页153.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测表面粗糙度和表面微观形貌测量量 表面三维微观形貌测量表面三维微观形貌测量表面三维形貌测量与处理系统原理图1驱动 2撞块 3电触点 4触针 5工作台 6工件 7步进电机 8控制电路 9驱动电路 10放大电路 11A/D变换器 12微机 13
11、显示器 14打印机第15页/共51页163.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测表面粗糙度和表面微观形貌测量量 TOPO移相干涉显微镜光学原理图1光源 2、4、12透镜 3视场光阑 6干涉滤光片 7CCD面阵探测器 8输出信号 9目镜 10分光镜 11压电陶瓷 13反射镜 14参考基准板 15分光板 16被测工件第16页/共51页173.2.3 表面粗糙度和表面微观形貌测量表面粗糙度和表面微观形貌测量 表面微观形貌a）表面形貌干涉条纹 b）表面三维形貌a）b）相位值：轮廓高度：第17页/共51页18机械制造技术基础机械制造技术基础 第3章 机械加工表面质量及其控制机械加工表面质量及其控制Anal
12、ysis and Control of Machining Surface Quality3.3 影响表层物理性能工艺因影响表层物理性能工艺因素及其改进措施素及其改进措施Technology Factors Influencing Surface Physics Performance and its Improving第18页/共51页193.3.1 加工表面层冷作硬化加工表面层冷作硬化 概述概述qq 加工硬化加工硬化 已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象qq 加工硬化产生加工硬化产生 加工表面严重变形层内金属晶格拉长、挤紧、扭曲、碎裂，使表层组织硬化qq 加工硬化度量加工硬化度量
13、表层金属显微硬度表层金属显微硬度 HVHV 硬化层深度硬化层深度 h h（mm）硬化程度硬化程度 N N式中 HV 硬化层显微硬度（HV）；HV0 基体层显微硬度（HV）。第19页/共51页203.3.1 加工表面层冷作硬化加工表面层冷作硬化 影影响响切切削削加加工工表表面面冷冷作作硬化因素硬化因素 f f，冷硬程度，冷硬程度 qq 切削用量影响qq 刀具影响 r r ，冷硬程度，冷硬程度 其他几何参数影响不明显其他几何参数影响不明显 后刀面磨损影响显著后刀面磨损影响显著00.20.40.60.81.0磨损宽度VBmm100180260340硬度(HV)50钢，v=40m/min f =0.1
14、20.2mm/z后刀面磨损对冷硬影响qq 工件材料 材料塑性材料塑性，冷硬倾向，冷硬倾向 切切削削速速度度影影响响复复杂杂（力力与与热热综综合作用结果）合作用结果）切削深度影响不大切削深度影响不大f 和 v 对冷硬的影响硬度(HV)0f/(mm r-1)0.20.40.60.8v=170m/min135m/min100m/min 50m/min100200300400工件材料：45钢第20页/共51页213.3.1 加工表面层冷作硬化加工表面层冷作硬化 影响磨削加工表面冷作硬化因素影响磨削加工表面冷作硬化因素qq 磨削用量qq 砂轮qq 工件材料 磨削速度磨削速度冷硬程度冷硬程度（弱化作用加强
15、）（弱化作用加强）工件转速工件转速冷硬程度冷硬程度 纵向进给量影响复杂纵向进给量影响复杂 磨削深度磨削深度冷硬程度冷硬程度 砂轮粒度砂轮粒度冷硬程度冷硬程度 砂轮硬度、组织影响不显著砂轮硬度、组织影响不显著 材料塑性材料塑性 冷硬倾向冷硬倾向 材料导热性材料导热性 冷硬倾向冷硬倾向 磨削深度对冷硬的影响ap/mm硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削第21页/共51页223.3.1 加工表面层冷作硬化加工表面层冷作硬化 冷作硬化测量方法冷作硬化测量方法qq 表层显微硬度HVqq 硬化层深度测量 斜截面测量可同时测出硬化层深度斜截面测量可同时测出硬化
16、层深度 h h 显微硬度计采用顶角为显微硬度计采用顶角为136136金刚石压头，载荷金刚石压头，载荷 2N2N斜截面测量显微硬度斜截面测量显微硬度第22页/共51页233.3.2 表面金属金相组织变表面金属金相组织变化化 合理选择砂轮合理选择砂轮 合理选择磨削用量合理选择磨削用量 改善冷却条件改善冷却条件工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随残余应力产生，同时出现彩色氧化膜磨削烧伤磨削烧伤磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现 磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨削烧伤与磨削裂纹的控制磨
17、削裂纹磨削裂纹内冷却装置内冷却装置1 1锥形盖锥形盖 2 2通道孔通道孔 3 3中心腔中心腔 4 4有径向小孔薄壁套有径向小孔薄壁套第23页/共51页243.3.3 表面金属残余应力表面金属残余应力 v v残余应力残余应力（热应力起主（热应力起主导作用）导作用）qq 切削用量切削用量 材料塑性材料塑性残余应力残余应力 铸铸铁铁等等脆脆性性材材料料易易产产生生残残余余压应力压应力 不同材料差异明显不同材料差异明显f 对残余应力的影响工件：45钢，切削条件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液 残余应力/GPa0.2000.200100200300400距离表面深度/m f =0.40m
18、m/r f =0.25mm/r f =0.12mm/r f f残余应力残余应力 切削深度影响不显著切削深度影响不显著vc 对残余应力的影响o=5,o=5,r=75,r=0.8mm,工件：45钢切削条件：ap=0.3mm,f=0.05mm/r,不加切削液050100150200距离表面深度/m残余应力/GPa-0.2000.20vc=213m/minvc=86m/minvc=7.7m/min切削加工切削加工qq 工件材料工件材料第24页/共51页253.3.3 表面金属残余应力表面金属残余应力 低速（低速（6 620m/min20m/min）残余拉伸应力（热应力起主导作用）残余拉伸应力（热应力起
19、主导作用）中速（中速（200200250m/min250m/min）残余压缩应力残余压缩应力 高速（高速（500500850m/min850m/min）残余压缩应力（金相组织变化起主导残余压缩应力（金相组织变化起主导作用）作用）vv 18CrNiMoA 18CrNiMoA车削残余应力车削残余应力切削速度对残余应力的影响切削速度对残余应力的影响第25页/共51页263.3.3 表面金属残余应力表面金属残余应力 qq 刀具影响刀具影响 前前角角+，残残余拉应力余拉应力 刀刀具具磨磨损损残残余应力余应力 第26页/共51页273.3.3 表面金属残余应力表面金属残余应力 最终工序加工方法选择最终工序
20、加工方法选择qq 交变载荷交变载荷选压应力选压应力qq 滑动摩擦滑动摩擦拉应力抗机械磨损拉应力抗机械磨损qq 滚动摩擦滚动摩擦压应力有利压应力有利a a）b b）应力分布应力分布a a）滑动摩擦）滑动摩擦 b b）滚动摩擦）滚动摩擦第27页/共51页283.3.3 表面金属残余应力表面金属残余应力 v v拉应力倾向拉应力倾向 qq 磨削用量磨削用量 材材料料强强度度 导导热热性性 塑塑性性 拉应力倾向拉应力倾向 f f 工件转速工件转速 拉应力拉应力 背背吃吃刀刀量量：很很小小压压应应力力（塑塑性性变变形形起起主主要要作作用用）；增增大大拉拉应应力力（热热变形起主要作用）；再增大变形起主要作用
21、）；再增大压应力压应力磨削加工磨削加工qq 工件材料工件材料磨削工业铁背吃刀量残余应力磨削工业铁背吃刀量残余应力磨削磨削T8T8钢背吃刀量残余应力钢背吃刀量残余应力第28页/共51页293.3.4 表面强化工艺表面强化工艺 利利用用淬淬硬硬和和精精细细研研磨磨过过的的滚滚轮轮或或滚滚珠珠，在在常常温温状状态态挤挤压压金金属属表表面面，将将凸凸起起部部分分下下压压下下，凹凹下下部部分分上上凸凸，修修正正工工件件表表面面的的微微观观几几何何形形状状,形形成成压压缩缩残残余余应应力力，提高耐疲劳强度。提高耐疲劳强度。利利用用大大量量快快速速运运动动珠珠丸丸打打击击工工件件表表面面,使使工工件件表表面
22、面产产生生冷冷硬硬层层和和压压应应力力,疲疲劳强度劳强度喷丸强化喷丸强化滚压加工原理图 用用于于强强化化形形状状复复杂杂或或不不宜宜用用其其它它方方法法强强化化的的工工件件，例例如如板板弹弹簧簧、螺螺旋旋弹弹簧簧、齿轮、焊缝等齿轮、焊缝等滚压加工滚压加工珠丸挤压引起残余应力 压缩拉伸塑性变形区域表表面面硬硬度度提提高高10104040，耐耐疲疲劳劳强强度度提高提高30305050第29页/共51页30机械制造技术基础机械制造技术基础 第3章 机械加工表面质量及其控制机械加工表面质量及其控制Analysis and Control of Machining Surface Quality3.4
23、机械加工过程中的振动机械加工过程中的振动Vibrations in machining Process第30页/共51页313.4.1 概述概述 机械加工过程中振动的危害机械加工过程中振动的危害v 影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度v 影响生产效率 v 加速刀具磨损，易引起崩刃v 影响机床、夹具的使用寿命v 产生噪声污染，危害操作者健康v 工艺系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。v 由于系统中存在阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。机械加工过程中振动的类型机械加工过程中振动的类型自由振动自由振动自由振动强迫振动自激振动第31页/共
24、51页323.4.2 机械加工过程中强迫振动机械加工过程中强迫振动强迫振动产生原因强迫振动产生原因v 由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起v 强迫振动振源：机外机内v 频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数v 幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振v 相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关强迫振动的特征强迫振动的特征 机外：振源均通过地基把振动传给机床机外：振源均通过地基把振动传给机床 机内：机内：1 1）回转零部件质量的不平衡）回转零部件质量的不平衡 2 2）机床传
25、动件的制造误差和缺陷）机床传动件的制造误差和缺陷 3 3）切削过程中的冲击）切削过程中的冲击第32页/共51页333.4.2 机械加工中的自激振动机械加工中的自激振动自激振动的概念自激振动的概念 在在没没有有周周期期性性外外力力作作用用下下，由由系系统统内内部部激激发发反反馈馈产产生生的的周周期性振动期性振动 自自激激振振动动过过程程可可用用传传递递函函数数概念说明概念说明 自激振动是一种不衰减振动自激振动是一种不衰减振动 自自激激振振动动的的频频率率等等于于或或接接近近于于系系统的固有频率统的固有频率 自自激激振振动动能能否否产产生生及及振振幅幅的的大大小小取取决决于于振振动动系系统统在在每
26、每一一个个周周期期内内获获得和消耗的能量对比情况得和消耗的能量对比情况自激振动系统能量关系A B C能量EQEE0振幅电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)自激振动闭环系统机床振动系统（弹性环节）调节系统（切削过程）自激振动的特征自激振动的特征第33页/共51页343.4.2 机械加工中的自激振动机械加工中的自激振动qq 再生原理自激振动机理自激振动机理再生自激振动原理图f切入 切出y0ya）b）y0y切入 切出fc）fy0y切入 切出d）切入 切出fy0y 产生条件：产生条件：切切削削过过程程中中由由于于偶偶然然干干扰扰，使使加加工工系系统统产产生生振振动动并并在在加加工工表表面面
27、上上留留下下振振纹纹。第第二二次次走走刀刀时时，刀刀具具将将在在有有振振纹纹的的表表面面上上切切削削，使使切切削削厚厚度度发发生生变变化化，导导致致切切削削力力周周期期性性地地变变化化，产产生自激振动生自激振动 图图中中 a）b）c）系统无能量获得；d）y 滞后于y0，即 0-，此时切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出时切削力所作正功（获得能量）大于切入时所作负功，系统有能量获得，产生自激振动第34页/共51页353.4.2 机械加工中的自激振动机械加工中的自激振动qq 振型耦合原理 将将车车床床刀刀架架简简化化为为两两自自由由度度振振动动系系统统，等等效效质质量量m m用用相相互互垂垂直
28、直的的等等效效刚刚度度分分别别为为k k1 1、k k2 2两两组组弹弹簧簧支支撑撑（设设x x1 1为为低刚度主轴）低刚度主轴）车床刀架振型耦合模型Fmabcdx1x1x2x2k2k112x 自激振动的产生条件：自激振动的产生条件：k1k2，x1超前x2，轨迹dcba为一椭圆，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的大，系统无能量输入 k1k2，x1滞后于x2，轨迹为一顺时针方向椭圆，即：abcd。此时，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的小，有能量获得，振动能够维持。k1=k2，x1与x2无相位差,轨迹为直线，无能量输入第35页/共51页363.4.2 机械加工中的自激振动机械加工
29、中的自激振动qq 负摩擦原理 吃吃刀刀抗抗力力F Fp p自自某某一一速速度度开开设设随随切切削削速速度度增增加加而而下下降降Fp/N切削速度对吃刀抗力切削速度对吃刀抗力F Fp p的影响的影响vFpkc负摩擦激振原理负摩擦激振原理 切切削削过过程程如如有有振振动动，切切入入半半周周期期切切削削速速度度高高 F Fp p小小切切入入半半周周期期切切削削力力所所作作负负功功小小于于切切出出半半周周期期切切削削力力所所作作正正功功，系系统统有有能量输入，振动维持能量输入，振动维持F Fp p主主要要由由摩摩擦擦引引起起，故故将将切切削削速速度度增增高高导导致致摩摩擦擦力力下下降降的的特特性性称称为
30、为负负摩摩擦擦特性特性第36页/共51页373.4.2 机械加工中的自激振动机械加工中的自激振动qq 切削力滞后原理 由由于于存存在在惯惯性性和和阻阻尼尼，作作用用在在刀刀具具上上的的切切削削力力滞滞后后主主振振动动系统运动系统运动 振振入入过过程程实实际际切切削削厚厚度度小小于于名名义义值值 F Fp p小小切切入入半半周周期期切切削削力力所所作作负负功功小小于于切切出出半半周周期期切切削削力力所所作作正正功功，系系统统有有能能量量输入，振动维持输入，振动维持vFpkc动力学模型动力学模型 振出振入xFpF Fp p与与 x x 关系关系 由由切切削削力力滞滞后后引引起起，故故称称为为滞后型
31、颤振滞后型颤振第37页/共51页383.4.3 机械加工振动诊断技术机械加工振动诊断技术qq 强迫振动诊断依据 强迫振动频率与干扰力频率相同（或为其整倍数）强迫振动频率与干扰力频率相同（或为其整倍数）强迫振动诊断强迫振动诊断qq 强迫振动诊断步骤 采集现场加工振动信号采集现场加工振动信号加工部位振动敏感方向加工部位振动敏感方向 频频谱谱分分析析处处理理自自功功率率谱谱密密度度函函数数处处理理，各各峰峰值值点点频频率率即即振振动动频率，最大谱峰值频率对应主振频率频率，最大谱峰值频率对应主振频率 环环境境试试验验、查查找找机机外外振振源源机机床床停停止止状状态态，拾拾取取信信号号进进行行频频谱谱分
32、分析析，得得到到机机外外干干扰扰力力源源频频率率成成分分，并并与与加加工工时时振振动动频频率率比比较较。若若相同，可确定为强迫振动相同，可确定为强迫振动 空空运运转转试试验验、查查找找机机内内振振源源机机床床按按加加工工参参数数运运转转（不不加加工工），拾拾取取信信号号进进行行频频谱谱分分析析，并并与与加加工工时时振振动动频频率率比比较较。若若相相同同，可可确确定为强迫振动定为强迫振动 查找干扰力源查找干扰力源确定内部干扰源具体位置确定内部干扰源具体位置第38页/共51页393.4.3 机械加工振动诊断技术机械加工振动诊断技术qq 诊断参数相位差再生型颤振诊断再生型颤振诊断qq 相位差测量与计
33、算 相位差可通过测量颤振频率相位差可通过测量颤振频率 f f 及工件转数及工件转数 n n 间接求得间接求得 车削：工件每转切削振痕数车削：工件每转切削振痕数 J J式中式中J Jz z、J J 分别为分别为J J 的整数和小数部分的整数和小数部分相位差相位差：360360（1 1 J J ）为控制 测量误差，需采用频率细化技术测量误差，需采用频率细化技术qq 诊断要领 相位差相位差 位于位于、象限，即象限，即00 180180，有再生型颤振，有再生型颤振 相位差相位差 位于位于、象限，即象限，即180180 360360，非再生型颤振，非再生型颤振第39页/共51页403.4.3 机械加工振
34、动诊断技术机械加工振动诊断技术qq 诊断参数y 向振动相对于 x 向振动的相位差耦合型颤振诊断耦合型颤振诊断qq 诊断要领根据理论推导：根据理论推导：相位差相位差 位于位于、象限，非耦合型颤振象限，非耦合型颤振 相位差相位差 位于位于、象限，为耦合型颤振象限，为耦合型颤振qq 相位差测量与计算 相相位位差差 可可通通过过求求取取振振动动信信号号 x(t)与 y(t)的互功率谱密度函数Sxy()在主振频率成分上的相位值获得第40页/共51页413.4.3 机械加工振动诊断技术机械加工振动诊断技术qq 工作条件与测试装置诊断实例诊断实例 工作条件C6140C6140车车床床车车电电机机轴轴，长长度
35、度800mm800mm，最最大大直直径径50mm50mm，YT15YT15车刀，主偏角车刀，主偏角4545，v v84.4m/min84.4m/min，f f0.12mm/r0.12mm/r，a ap p0.4mm0.4mm 测试装置第41页/共51页423.4.3 机械加工振动诊断技术机械加工振动诊断技术qq 诊断过程与诊断结果 切削试验与空转试验空转信号自谱图车削过程振动信号自谱图 自谱图分析 车车削削过过程程自自谱谱图图：最最大大峰峰值值频频率率150Hz150Hz，高高频频峰峰值值频频率率为为其其倍倍频频成分成分车削振动主振频率为车削振动主振频率为150Hz150Hz 空转试验空转试验
36、150Hz150Hz处无明显峰值处无明显峰值 150Hz150Hz振动不是强迫振动振动不是强迫振动第42页/共51页43互谱相频特性及凝聚函数x 向振动信号频率细化3.4.3 机械加工振动诊断技术机械加工振动诊断技术 互谱分析判定自激振动类型 频频率率细细化化处处理理：颤颤振振频频率率为为150.178Hz150.178Hz工工件件转转速速 n n536.99r/min536.99r/min 可计算出前后两转相位差可计算出前后两转相位差 79.279.2，为再生型颤振，为再生型颤振 主振频率主振频率(150Hz)(150Hz)成分上相位差成分上相位差 165.2165.2，凝聚函数，凝聚函数
37、处于处于象限象限 150Hz150Hz振动非耦合型颤振振动非耦合型颤振第43页/共51页443.4.4 机械加工振动防治机械加工振动防治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qq 减小机内干扰力的幅值 qq 调整振源的频率：式中 f 和 fn 分别为振源频率和系统固有频率qq 隔振 主动隔振主动隔振阻止机床振动通过地基外传阻止机床振动通过地基外传 被动隔振被动隔振阻止机外干扰力通过地基传给机床阻止机外干扰力通过地基传给机床常用隔振材料有橡皮、金属弹簧、空气弹簧、泡沫乳胶、软木、矿渣棉、木屑等一般要求：一般要求：第44页/共51页453.4.4 机械加工振动防治机械加工振动防治
38、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qq 减小切削或磨削时的重叠系数式中 bd 等效切削宽度，即本次切削实际切到上次切削残留振纹 在垂直于振动方向投影宽度；b 本次切削在垂直于振动方向上的切削宽度；B,fa 砂轮宽度与轴向进给量。重叠系数apfaB振动方向XDfbbda）切削b）磨削rr，第45页/共51页463.4.4 机械加工振动防治机械加工振动防治qq 调整振动系统小刚度主轴的位置x2x2x1x1x1x1x2x2两种尾座结构qq 增加切削阻尼车刀消振棱0.10.3-5-202 3v 减小重叠系数方法 增加主偏角增加主偏角 增大进给量增大进给量第46页/共51页473.
39、4.4 机械加工振动防治机械加工振动防治qq 采用变速加工 针对再生型颤振针对再生型颤振 切切削削过过程程在在不不稳稳定定区区与与条条件件稳稳定定区交替进行区交替进行 加加工工系系统统振振动动频频率率随随主主轴轴转转速速变变动动而而变变动动，其其振振动动响响应应是是变变频频激激励励的瞬时响应，与恒频相比要小的瞬时响应，与恒频相比要小变速切削减振原理变速切削减振原理变速切削减振实例变速切削减振实例工件：工件：4545，刀具：，刀具：200200铣刀，铣刀，n n0 0=70r/min=70r/min，f=37.5mm/minf=37.5mm/min，n n/n n0 0=15=15，变速频率，变
40、速频率0.3Hz0.3Hz，变速波形为正弦波，变速波形为正弦波第47页/共51页483.4.4 机械加工振动防治机械加工振动防治qq 提高工艺系统刚度 qq 增大工艺系统阻尼 改善工艺系统动态特性改善工艺系统动态特性阻尼材料铸铁环铸铁套筒零件上加阻尼材料第48页/共51页493.4.4 机械加工振动防治机械加工振动防治qq 动力减振器采用减振装置采用减振装置qq 摩擦式减振器装在车床尾座上的摩擦式减振器动力减振器1-橡胶圈 2-橡胶垫 3-机床m1 4-弹簧阻尼元件 5-附加质量m2第49页/共51页503.4.4 机械加工振动防治机械加工振动防治qq 冲击式减振器 冲击式减振器及其动力学模型冲击式减振器及其动力学模型式中式中 T T振动体振动体 M M 的振动周期的振动周期 A A振动体振动体 M M 的振幅的振幅第50页/共51页51感谢您的观看！第51页/共51页