新版机械制造工艺课件ch5机械加工表面质量控制.ppt

第5章 机械加工表面质量控制 5.1 影响加工表面质量的因素 5.2 机械加工中的振动 5.3 控制机械加工表面质量的措施 5.1影响加工表面质量的因素 5.1.1影响表面粗糙度的工艺因素 5.1.2影响零件表层物理力学性能的因素 5.2 机械加工中的振动 5.2.1 机械加工动力学系统 5.2.2 机械加工中的受迫振动 5.2.3 机械加工中的自激振动 5.3 控制机械加工表面质量的措施 (3) 负摩擦原理 径向切削力Fy主要决定于切削加工过程中切屑和刀具相对运动时产生的摩擦力。 径向切削力Fy起初时随切削速度的增大而增大，自某一速度开始随切削速度增加而下降。 上述现象说明切削过程中存在负摩擦特性。 依据控制理论可知负摩擦特性会引起振动。 3. 自激振动的产生条件 实际加工中，重复切削是极为常见、不可避免的，但不一定产生能自激振动。如果工艺系统是稳定的，非但不会产生振动，还可以将前次切削残留的振纹消除。 这说明，任何一个工艺系统受到外界一个瞬时的偶然扰动稳定与否，能否产生自激振动，是有一定的前提条件的。 1) 自激振动的产生条件 假若工艺系统发生了自激振动，则振出运动和振入运动的过程中，振动系统会吸收能量和消耗能量。 振动系统吸收的能量来源于切削过程对其所作的功，而实际上机械加工系统必然存在阻尼，阻尼则会消耗能量。振动系统在振入过程中，为克服阻尼需要消耗能量。那么振动系统的吸收能量和消耗能量满足何种关系，机械加工过程才能产生持续的自激振动呢？ 设振动系统振出过程中吸收的能量表示为W振出，振入过程中消耗的能量表示为W振入，克服阻尼消耗能量表示为W阻尼（振入）。在每一个振动周期之内，振动系统从外界获得能量为 ΔW= W振出-（ W振入+ W阻尼（振入）） 分析式(5.13)可知， W振出 W振入或W振出= W振入时， ΔW 0，这说明振动系统吸收的能量小于消耗的能量。 振动系统每振动一次，系统便会损失一部分能量，即使振动系统内部原来就储存一部分能量，但若干次振动也会使这部分能量耗尽。 因此，加工系统稳定，系统也不会有自激振动产生。 W振出W振入时， ΔW 0，系统将获得维持自激振动的能量，系统处于不稳定状态。 振动系统的振动状态与W振出与W振入的差值大小有关，可分为以下三种情况： W振出= W振入+ W阻尼（振入） ，加工系统将产生稳幅的自激振动； W振出 W振入+ W阻尼（振入） ，自激振动的振幅递逐渐增加，当振幅增至一定程度时将会出现新的能量平衡，即=+。此时，加工系统的振动转变为稳幅的自激振动。 W振出 W振入+ W阻尼（振入） ，自激振动的振幅逐渐减小，当振幅减至一定程度时将会出现新的能量平衡，即W振出= W振入+ W阻尼（振入） ，加工系统的振动又会转变为稳幅的自激振动。 综上所述，加工系统产生自激振动的基本条件为W振出W振入，即在力与位移的关系曲线中，振出过程曲线的包络范围要大于振入过程曲线的包络范围。 如图5.12中，对于振动运动轨迹上任一点而言，振动系统在振出阶段通过该点的力F振出(yi)应大于振入阶段通过同一位置的力F振入(yi) ， 因而自激振动的条件也可描述为F振出(yi)F振入(yi) 。 2) 自激振动机理的分析 根据自激振动的产生条件，可以分析工艺系统是否能够产生和维持自激振动。 以切削加工出现的再生性颤振为例，本次(转)切削产生的振纹与前次(转)的振纹基本上是不可能完全同步的，两者之间存在一定的相位差，如图5.13。 定义前次切削残留的振纹与本次切削的振纹间的相位差为φ，且两次切削的产生的振动幅值相等，则前次切削和本次切削的振动方程分别为 瞬时切削厚度a(t)和切削力F(t)的表达式为 在振动的一个周期内，切削力对振动系统所做的功为 其中，V(t)为振动速度，而β为切削力与轴的夹角。 分析上式可知，切削力对振动系统作功的性质取决于相位差φ的数值。 0φπ时，切削力对振动系统作正功，振动系统因有能量输入使得振动状态得以维持，系统将有再生型颤振产生； φ=π/2时，振动系统外部输入的能量最大，再生型颤振最为强烈； π φ2π时，振动系统将消耗能量，振动状态趋向衰减，从而工艺系统趋向稳定。(不可能出现)时，振动系统没有外部能量输入，切削厚度基本保持不变，切削力基本稳定。 切削厚度变化效应引起的再生型颤振也称为再生切削效应。 为了描述前次切削残留振纹对本次切削厚度变化的影响程度，通常引入重叠系数μ的概念，即 式中， bdn-1为前次切削残留振纹的宽度，单位m；bDn为本次切削层的公称宽度，单位m。 重叠系数μ反映了再生切削效应的程度， μ值越小则产生再生型颤振的可能性越小。一般加工情况下，0 μ 1。在自由正交切削条件下，重叠系数μ =1。 实