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第四章機械加工質(zhì)量

生產(chǎn)任何一種機械產(chǎn)品,都要求在保證質(zhì)量的前提下,做到高效率、低消耗。產(chǎn)品的質(zhì)量是第一位的,沒有質(zhì)量,高效率、低成本就失去了意義。產(chǎn)品質(zhì)量是指用戶對產(chǎn)品的滿意程度。

它有三層含意:一是產(chǎn)品的設計質(zhì)量;二是產(chǎn)品的制造質(zhì)量;三是服務。以往強調(diào)較多的往往是制造質(zhì)量,現(xiàn)代的質(zhì)量觀,主要站在用戶的立場上衡量。當今,服務也占據(jù)越來越重要的地位。4.1機械加工質(zhì)量概述產(chǎn)品的制造質(zhì)量主要與零件制造質(zhì)量、產(chǎn)品的裝配質(zhì)量有關(guān),零件的制造質(zhì)量是保證產(chǎn)品質(zhì)量的基礎。零件的機械制造質(zhì)量包括零件幾何精度和零件表面層的物理機械性能(材料力學性能)兩個方面。零件的幾何誤差包括尺寸誤差、幾何形狀誤差和位置誤差。幾何形狀誤差又可分為宏觀幾何形狀誤差、波度和微觀幾何形狀誤差,參見圖1。

圖1微觀幾何形狀誤差、波度與宏觀幾何形狀誤差表面粗糙度是加工表面的微觀幾何形狀誤差,其波距(L3)與波高(H3)之比一般小于50。波距(L2)與波高(H2)之比在50~1000范圍內(nèi)的幾何形狀誤差,稱為波度。波距(L1)與波高(H1)之比大于1000的幾何形狀誤差,稱為宏觀幾何形狀誤差。零件表面層物理機械性能方面的質(zhì)量主要是指表面層材料的冷作硬化、金相組織的變化、殘余應力。本章將機械制造質(zhì)量分成加工精度和表面質(zhì)量兩個方面來研究。前者包括尺寸精度、宏觀幾何形狀精度和位置精度;后者包括表面粗糙度、波度和表面層材料物理機械性能。4.1.1機械加工誤差與機械加工精度1.加工精度與加工誤差所謂加工精度是指零件加工后的實際幾何參數(shù)與理想幾何參數(shù)的符合程度。零件加工后的實際幾何參數(shù)對理想幾何參數(shù)的偏離程度,稱為加工誤差。只要求滿足規(guī)定的公差要求即可。有關(guān)加工精度與加工誤差的理解,應注意以下幾個方面內(nèi)容:(1)“理想幾何參數(shù)”的正確含義即,對于尺寸是圖紙規(guī)定尺寸的平均值;對于形狀和位置,則是絕對正確的形狀和位置,如絕對的圓和絕對的平行等等。(2)加工精度是由零件圖紙或工藝文件以公差T給定的,而加工誤差則是零件加工后的實際測得的偏離值△。一般說,當△<T時,就保證了加工精度。一批零件的加工誤差是指一批零件加工后,其幾何參數(shù)的分散范圍。(3)零件三個方面的幾何參數(shù),就是加工精度和加工誤差的三個方面的向容。即,加工精度包括尺寸精度、形狀精度和位置精度。在精密加工中,形狀精度往往占主導地位。三者之間的關(guān)系:(1)當尺寸精度要求高時,相應的位置精度和形狀精度也要求高。形狀公差應限制在位置公差內(nèi),位置公差應限制在尺寸公差內(nèi)。(2)當形狀精度要求高時,相應的位置精度和尺寸精度不一定要求高。加工精度與加工成本和生產(chǎn)效率的關(guān)系一般地,加工精度要求↑,加工成本↑,生產(chǎn)效率↓。研究加工精度的目的研究加工精度的目的、就是弄清各種原始誤差對加工精度影響的規(guī)律,掌握控制加工誤差的方法,以獲得預期的加工精度,必要時能指出進一步提高加工精度的途徑。研究加工精度的方法因素分析法統(tǒng)計分析法

在實際生產(chǎn)中,常常結(jié)合起來應用。一是先用統(tǒng)計分析法尋找誤差的出現(xiàn)規(guī)律,初步判斷產(chǎn)生加工誤差的可能原因,然后運用單因素分析法進行分析、試驗,以便迅速、有效地找出影響加工精度的主要原因。4.1.2表面層金屬的力學物理性能和化學性能

1)表面層金屬的冷作硬化2)表面層金屬的金相組織3)表面層金屬的殘余應力二、加工表面質(zhì)量對機器零件使用性能的影響(一)表面質(zhì)量對耐磨性的影響1.表面粗糙度對耐磨性的影響一般說來,表面粗糙度值越小,其耐磨性越好。但是表面粗糙度值太小,因接觸面容易發(fā)生分子粘接,且潤滑液不易儲存,磨損反而增加。因此,就磨損而言,存在一個最優(yōu)表面粗糙度值。2.表面紋理對耐磨性的影響一般來說,圓弧狀、凹坑狀表面紋理的耐磨性好;尖峰狀的表面紋理由于摩擦副接觸面壓強大,耐磨性較差。在運動副中,兩相對運動零件表面的刀紋方向均與運動方向相同時,耐磨性較好;兩者的刀紋方向均與運動方向垂直時,耐磨性最差。3.冷作硬化對耐磨性的影響一般都能使耐磨性有所提高。但并不是冷作硬化的程度越高,耐磨性越高(二)表面質(zhì)量對耐疲勞性的影響1.表面粗糙度對耐疲勞性的影響表面粗糙度值越小,表面缺陷越少,工件耐疲勞性越好;反之,加工表面越粗糙,表面的紋痕越深,紋底半徑越小,其抵抗疲勞破壞的能力越差。表面粗糙度對耐疲勞性的影響還與材料對應力集中的敏感程度和材料的強度極限有關(guān)。鋼對應力集中最為敏感,鑄鐵和有色金屬對應力集中的敏感性較弱。2.表面層金屬的力學物理性質(zhì)對耐疲勞性的影響1)表面層金屬的冷作硬化的影響:能夠阻止疲勞裂紋的生長,可提高零件的耐疲勞強度。2)表面層金屬的殘余應力的影響:拉伸殘余應力將使耐疲勞強度下降;壓縮殘余應力則可使耐疲勞強度提高。(三)表面質(zhì)量對耐蝕性的影響1.表面粗糙度的影響:表面粗糙度值越大,加工表面與氣體、液體接觸的面積越大,腐蝕物質(zhì)越容易沉積于凹玩中,耐蝕性能就越差。2.表面層力學物理性質(zhì)的影響:零件表面層有殘余壓應力時,能夠阻止表面裂紋的進一步擴大,有利于提高零件表面抵抗腐蝕的能力。(四)表面質(zhì)量對零件配合質(zhì)量的影響1、對于間隙配合表面:原有間隙將因急劇的初期磨損而改變,表面粗糙度越大,變化量就越大,從而從而影響配合的穩(wěn)定性。2、對于過盈配合表面:表面粗糙度越大,兩表面相配合時表面凸峰易被擠掉,這會使過盈量減少,影響配合的可靠性。機械加工精度取決于由機床、刀具、夾具和工件構(gòu)成的機械加工工藝系統(tǒng)。機械加工工藝系統(tǒng)的誤差稱為原始誤差。原始誤差通過刀具刀尖-工件之間的運動軌跡直接影響機械加工精度。4.1.3機械加工工藝系統(tǒng)的原始誤差原始誤差與工藝系統(tǒng)原始狀態(tài)有關(guān)的原始誤差(幾何誤差)與工藝過程有關(guān)的原始誤差(動誤差)原理誤差定位誤差調(diào)整誤差刀具誤差夾具誤差機床誤差工藝系統(tǒng)受力變形(包括夾緊變形)工藝系統(tǒng)受熱變形刀具磨損測量誤差工件殘余應力引起的變形工件相對于刀具靜止狀態(tài)下的誤差工件相對于刀具運動狀態(tài)下的誤差主軸回轉(zhuǎn)誤差導軌導向誤差傳動誤差4.1.4誤差的敏感方向加工誤差一般在工序尺寸方向測量。當原始誤差方向與工序尺寸方向一致時,其對加工精度的影響最大,這個方向稱為誤差的敏感方向。例:外圓車削

原始誤差方向為加工表面法線方向時(Φ=0),加工誤差最大,此為加工誤差的敏感方向。當原始誤差的方向恰為加工表面的法向方向(φ=0°)時,引起的加工誤差最大;當原始誤差的方向恰為加工表面的切線方向(φ=90°)引起的加工誤差最小。把對加工精度影響最大的那個方向稱為誤差的敏感方向,對加工精度影響最小的那個方向則稱為誤差的不敏感方向。

4.1.5機械加工精度獲得的方法獲得尺寸精度的方法試切法:通過試切—測量—調(diào)整—再試切,反復進行到工件尺寸達到規(guī)定要求為止調(diào)整法:先調(diào)整好刀具和工件在機床上的相對位置,并在一批零件的加工過程中保持這個位置不變,以保證工件被加工尺寸Moretolearn基本概念定尺寸刀具法:通過刀具的相應尺寸保證加工表面的尺寸精度主動測量法:邊加工邊測量加工尺寸,并將所測結(jié)果與設計尺寸比較,將測量裝置納入工藝系統(tǒng)自動控制法:將測量、進給裝置和控制系統(tǒng)組成一個自動加工系統(tǒng),通過自動測量和數(shù)字控制裝置,在達到尺寸精度后,由控制系統(tǒng)自動控制機床加工基本概念獲得形狀精度的方法刀尖軌跡法:通過刀尖運動的軌跡來獲得形狀精度的方法仿形法:刀具依照仿形裝置進給獲得工件形狀精度的方法成形法:利用成形刀具對工件加工獲得形狀精度的方法展成法:利用工件和刀具的展成切削運動進行加工的方法基本概念獲得位置精度的方法直接找正定位法:用劃針或百分表直接在機床上找正工件位置劃線找正定位法:先按零件圖在毛坯上劃好線,再以所的劃線為基準找正它在機床的位置夾具定位法:在機床上安裝好夾具,工件放在夾具中定位機床控制法:利用機床的相對位置精度保證位置精度基本概念機械制造技術(shù)基礎第4章機械加工質(zhì)量分析與控制4.4

加工誤差的統(tǒng)計分析4.4.1加工誤差的性質(zhì)

系統(tǒng)誤差在順序加工一批工件中,其大小和方向均不改變,或按一定規(guī)律變化的加工誤差。◆

常值系統(tǒng)誤差——其大小和方向均不改變。如機床、夾具、刀具的制造誤差,工藝系統(tǒng)在均勻切削力作用下的受力變形,調(diào)整誤差,機床、夾具、量具的磨損等因素引起的加工誤差。◆

變值系統(tǒng)誤差——誤差大小和方向按一定規(guī)律變化。如機床、夾具、刀具在熱平衡前的熱變形,刀具磨損等因素引起的加工誤差。加工誤差系統(tǒng)誤差隨機誤差常值系統(tǒng)誤差變值系統(tǒng)誤差加工誤差統(tǒng)計特性4.4.1加工誤差的性質(zhì)

在順序加工一批工件中,其大小和方向隨機變化的加工誤差?!?/p>

隨機誤差是工藝系統(tǒng)中大量隨機因素共同作用而引起的?!?/p>

隨機誤差服從統(tǒng)計學規(guī)律?!?/p>

如毛坯余量或硬度不均,引起切削力的隨機變化而造成的加工誤差;定位誤差;夾緊誤差;殘余應力引起的變形等。隨機誤差加工誤差的統(tǒng)計分析◆運用數(shù)理統(tǒng)計原理和方法,根據(jù)被測質(zhì)量指標的統(tǒng)計性質(zhì),對工藝過程進行分析和控制。4.4.2分布圖分析法

1)采集數(shù)據(jù):成批加工某種零件,抽取其中一定數(shù)量進行測量,抽取的這批零件稱為樣本,其件數(shù)n稱為樣本容量。所測零件的加工尺寸或偏差是在一定范圍內(nèi)變動的隨機變量,用x表示。樣本尺寸或偏差的最大值xmax與最小值xmin之差,稱之為極差,用R表示。2)分組:將樣本尺寸或偏差按大小順序排列,并將它們分成k組,組距為d。

取整,d′→d

確定各組組界、組中值

統(tǒng)計各組頻數(shù)直方圖確定分組數(shù)k:4.4.2分布圖分析法

圖4-44直方圖-14.5-8.55-3.5x

y(頻數(shù))(偏差值)(平均偏差)-15-10-5(公差帶中心)(公差帶下限)(公差帶上限)3)計算樣本平均值和標準差:4)畫直方圖(圖4-44)(4-20)(4-21)舉例:加工外園,測得的尺寸偏差:理論分布圖-正態(tài)分布圖

用調(diào)整法加工一批零件,在沒有突出因素影響的情況下,其尺寸分布近似正態(tài)分布

◆正態(tài)分布

式中μ和σ分別為正態(tài)分布隨機變量總體平均值和標準差。平均值μ=0,標準差σ=1的正態(tài)分布稱為標準正態(tài)分布,記為:

x~N(0,1)概率密度函數(shù)(4-22)yF(z)圖4-45正態(tài)分布曲線μ(z=0)x(z)0z-σ+σ4.4.2分布圖分析法

分布曲線分布函數(shù)(5-23)令:將z代入上式,有:則利用上式,可將非標準正態(tài)分布轉(zhuǎn)換成標準正態(tài)分布進行計算(圖4-45)。稱z為標準化變量4.4.2分布圖分析法

yF(z)圖4-45正態(tài)分布曲線μ(z=0)x(z)0z-σ+σ正態(tài)分布曲線的特點

①曲線呈扣鐘形對稱于直線x=

②對的正偏差和負偏差,其概率相等

③分布曲線下與x軸所圍成的面積包括全部零件數(shù)(100%),其值等于1。重要參數(shù)

參數(shù)決定了曲線的位置

值的變化主要是常值系統(tǒng)性誤差的影響

參數(shù)是決定分布曲線形狀和分散范圍的唯一參數(shù)

的變化是由隨機性誤差決定的,一般取整批工件的分散范圍為6?!舴钦龖B(tài)分布

xy0a)雙峰分布

雙峰分布:兩次調(diào)整下加工的工件或兩臺機床加工的工件混在一起(圖4-46a)xy0b)平頂分布xy0c)偏向分布

平頂分布:工件瞬時尺寸分布呈正態(tài),其算術(shù)平均值近似成線性變化(如刀具和砂輪均勻磨損)(圖4-46b)

偏向分布:如工藝系統(tǒng)存在顯著的熱變形,或試切法加工孔時寧小勿大,加工外圓時寧大勿?。▓D4-46c)圖4-46幾種非正態(tài)分布4.4.2分布圖分析法

4.4.3常值系統(tǒng)誤差計算

計算平均尺寸——樣本均值計算常值系統(tǒng)誤差——均值與理想尺寸的差值隨機誤差的計算在加工誤差接近正態(tài)分布的情況下,通常以一批零件尺寸的分散范圍代表隨機誤差的大小?!?σ原則隨機誤差△=6σ工序能力系數(shù)計算當加工誤差接近狀態(tài)分布的時候,工序能力系數(shù)按照下式計算:Cp=T/6σ其中T表示公差工序能力系數(shù)Cp一般分五個等級,一般情況不低于二級,即Cp>1工序能力等級工序能力系數(shù)工序等級說明CP>1.67特級工序能力過高1.67≥CP>1.33一級工序能力足夠1.33≥CP>1.00二級工序能力勉強1.00≥CP>0.67三級工序能力不足0.67≥CP四級工序能力很差表4-2工序能力等級

計算不合格品率大于上限Z=(Xmax-u)/σ查表求F(z)值超過上限不合格品率為:0.5-F(z)小于下限Z=(Xmin-u)/σ查表求F(z)值超過上限不合格品率為:0.5-F(z)令:4.6機械加工中的振動及其控制振動會在工件加工表面出現(xiàn)振紋,降低了工件的加工精度和表面質(zhì)量;振動會引起刀具崩刃打刀現(xiàn)象并加速刀具或砂輪的磨損;振動使機床連接部分松動,影響運動副的工作性能,并導致機床喪失精度;強烈的振動及伴隨而來的噪聲,還會污染環(huán)境,危害操作者的身心健康。為減小加工過程中的振動,有時不得不降低切削用量,使機械加工生產(chǎn)率降低。4.6.1概述振動對機械加工的影響機械加工中振動的種類及其主要特點機械加工振動自激振動自由振動強迫振動當系統(tǒng)受到初始干擾力激勵破壞了其平衡狀態(tài)后,系統(tǒng)僅靠彈性恢復力來維持的振動稱為自由振動。由于總存在阻尼,自由振動將逐漸衰減,如圖8-14a所示。(占5%)系統(tǒng)在周期性激振力(干擾力)持續(xù)作用下產(chǎn)生的振動,稱為強迫振動。強迫振動的穩(wěn)態(tài)過程是諧振動,只要有激振力存在振動系統(tǒng)就不會被阻尼衰減掉。如圖8-14b所示。(占35%)在沒有周期性干擾力作用的情況下,由振動系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力所激發(fā)和維持的振動,稱為自激振動。切削過程中產(chǎn)生的自激振動也稱為顫振。(占65%)4.6.2強迫振動及其控制措施強迫振動的振源旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量偏心傳動機構(gòu)的缺陷切削過程的間隙特性系統(tǒng)外部的周期性干擾力4.6.2機械加工中的強迫振動與控制強迫振動的數(shù)學描述及特性1、動力學模型的建立幾點假設:1)(a)只有質(zhì)量、沒有彈性的集中質(zhì)量,(b)只有彈性、沒有質(zhì)量的集中彈簧;2)阻尼力在線性范圍內(nèi),即:

3)系統(tǒng)在平衡位置附近作微小的振動(圖1示)圖1內(nèi)圓磨削振動系統(tǒng)a)模型示意圖b)動力學模型c)受力圖a)有阻尼的自由振動b)強迫振動c)有阻尼的自由振動和強迫振動的合成1)強迫振動是由周期性激振力引起的,不會被阻尼衰減掉,振動本身也不能使激振力變化。2)強迫振動的振動頻率與外界激振力的頻率相同,而與系統(tǒng)的固有頻率無關(guān)。3)強迫振動的幅值既與激振力的幅值有關(guān),又與工藝系統(tǒng)的特性有關(guān)。激振力的影響。A0=F/k強迫振動的特征減小強迫振動的措施減小激振力調(diào)整振源頻率提高工藝系統(tǒng)的剛度和阻尼采取隔振措施采用減振裝置。振動系統(tǒng)的動剛度

當系統(tǒng)在周期性動載荷作用下,交變力的幅值與振幅(動態(tài)位移)之比稱為系統(tǒng)的動剛度。即:

靜剛度k=F/A0是工藝系統(tǒng)本身的屬性,在線性范圍內(nèi),可以認為它與外載荷無關(guān),動剛度kd除與k成正比外,還與系統(tǒng)阻尼、頻率比ζ有關(guān)。靜剛度影響工件的幾何形狀及尺寸精度,動剛度影響工件的表面粗糙度。4.6.3機械加工中的自激振動與控制1.自激振動的產(chǎn)生及特征在實際加工過程中,由于偶然的外界干擾(如工件材料硬度不均、加工余量有變化等),會使切削力發(fā)生變化,從而使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生自由振動。系統(tǒng)的振動必然會引起工件、刀具間的相對位置發(fā)生周期性變化,這一變化若又引起切削力的波動,則使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動。因此通常將自激振動看成是由振動系統(tǒng)(工藝系統(tǒng))和調(diào)節(jié)系統(tǒng)(切削過程)兩個環(huán)節(jié)組成的一個閉環(huán)系統(tǒng),如圖所示。激勵工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動運動的交變力是由切削過程本身產(chǎn)生的,而切削過程同時又受工藝系統(tǒng)的振動的控制,工藝系統(tǒng)的振動一旦停止,動態(tài)切削力也就隨之消失。圖自激振動系統(tǒng)的組成2自激振動的特征自激振動特點不衰減的振動它由振動過程本身引起切削力周期性變化,從不具備交變特性的能源中周期獲得能量,使振動得以維持。自激振動由振動系統(tǒng)本身參數(shù)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而衰減。自激振動的頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率,即顫振頻率取決于振動系統(tǒng)的固有特性。這與自由振動相似,而與強迫振動根本不同E

A1A0A2AE-E+f自=f固取決于一周期獲得的能量取決于切削過程本身

如圖2a所示為單自由度機械加工振動模型。設工件系統(tǒng)為絕對剛體,振動系統(tǒng)與刀架相連,且只在y方向作單自由度振動。在背向力Fp作用下,刀具作切入、切出運動(振動)。刀架振動系統(tǒng)同時還有F彈作用在它上面。y越大,F(xiàn)彈也越大,當Fp=F彈時,刀架的振動停止。對上述振動系統(tǒng)而言,背向力Fp是外力,F(xiàn)p對振動系統(tǒng)作功如圖2b所示。

刀具切入,其運動方向與背向力方向相反,作負功;即振動系統(tǒng)要消耗能量W振入;刀具切出,其運動方向與背向力方向相同,作正功;即振動系統(tǒng)要吸收能量W振出;3.產(chǎn)生自激振動的條件圖2單自由度機械加工振動模型

a)振動模型b)力與位移的關(guān)系圖(1)當W振出<W振入時,由于刀架振動系統(tǒng)吸收的能量小于消耗的能量,故不會產(chǎn)生自激振動。(2)當W振出=W振入時,因?qū)嶋H機械加工系統(tǒng)中存在阻尼,刀架系統(tǒng)在振入過程中,為克服阻尼還需消耗能量W摩阻(振入),故刀架振動系統(tǒng)每振動一次,刀架系統(tǒng)便會損失一部分能量。因此,刀架系統(tǒng)也不會有自激振動產(chǎn)生。(3)當W振出>W振入時,刀架振動系統(tǒng)將有持續(xù)的自激振動產(chǎn)生。三種情況:①W振出=W振入+W摩阻(振入)時,系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動;②W振出>W(wǎng)振入+W摩阻(振入)時,系統(tǒng)為振幅遞增的自激振動,至一定程度,系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動;③W振出<

W振入+W摩阻(振入)時,系統(tǒng)為振幅遞減的自激振動,至一定程度,系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動;故振動系統(tǒng)產(chǎn)生自激振動的基本條件是:W振出>W振入或

FP振出>FP振入3.產(chǎn)生自激振動的學說(1)再生顫振1)再生顫振原理如圖3a)所示,車刀只做橫向進給。在穩(wěn)定的切削過程中,刀架系統(tǒng)因材料的硬點,加工余量不均勻,或其它原因的沖擊等,受到偶然的擾動。刀架系統(tǒng)因此產(chǎn)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(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后,刀具要在留有振紋的表面上切削,因切削厚度發(fā)生了變化,所以引起了切削力周期性的變化。產(chǎn)生動態(tài)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“再生顫振”。圖3自由正交切削時再生顫振的產(chǎn)生2)再生顫振產(chǎn)生的條件

圖4表示了四種情況。圖中實線表示前一轉(zhuǎn)切削的工件表面振紋,虛線表示后一轉(zhuǎn)切削的表面。結(jié)論:在再生顫振中,只有當后一轉(zhuǎn)的振紋的相位滯后于前一轉(zhuǎn)振紋時才有可能產(chǎn)生再生顫振。a)前后兩轉(zhuǎn)的振紋沒有相位差(ψ=0)圖4ab)前后兩轉(zhuǎn)的振紋相位差為ψ=π圖4bc)后一轉(zhuǎn)的振紋相位超前,0<ψ<π圖4cd)后一轉(zhuǎn)的振紋相位滯后,即0>ψ>-π圖4d圖4再生顫振時振紋相位角與平均切削厚度的關(guān)系a)ψ=0b)ψ=πc)0<ψ<πd)0>ψ>-π一般0<μ<1,徑向切入μ=1(切槽、鉆、端銑等)橫向切削0<μ<1車方牙螺紋,μ=0,無重迭切削,不可能發(fā)生再生顫振。2)重迭系數(shù)

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