机械制造工艺学703

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第五节 机械加工中的振动,及其控制措施,本节内容,一、机械加工中的强迫振动,二、自激振动及其控制,机械制造工艺学,机械加工过程中振动的危害,1,、,振动频率较高时会产生,微观不平度,，振动频率较,低时会产生,波度,，,降低,工件的,加工精度,，,影响,加,工,表面粗糙度,；,2,、,振动使加工系统持续承受动态,交变载荷作用,，,加,速刀具、磨具的,磨损,，易引起,崩刃,；,3,、,振动使机床、夹具零部件,的,联接松动,，,间隙加,大,，,接触,刚度减小,，,精度降低,，,缩短,使用,寿命,；,4,、,振动一旦产生，就要减小切削用量，使得机床,、,刀具,的,性能得不到充分发挥，,影响生产效率,；,5,、产生噪声,污染,，,危害,操作者,健康,。,机械制造工艺学,三种基本类型,强迫振动（,30%,）,自由振动,自激振动（,65%,）,机械加工过程中振动的类型,机械制造工艺学,自由振动,工艺,系统,受到初始干扰力的激励而引起的振动，靠弹性恢复力来维持。,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。,机械制造工艺学,a、有阻尼的自由振动,b、强迫振动,c、有阻尼的自由振动,和强迫振动的合成,一、机械加工中的强迫振动,由工艺系统内部或外部周期交变激振力(干扰力)持续作用下被迫产生的振动。,（一）,产生原因,内部振源,外部振源,机床高速回转零部件的不平衡,（,回,转零件的质量偏心,产生离心力,）,切削过程本身的不平衡,（,往复部件,、,断续切削时的冲击,等,）,机床传动系统制造误差和缺陷,（,齿轮啮合的,周期性,冲击、皮带,接缝、,轴承滚动,体,尺寸及形状误差,、液压传,动油液脉动等,）,机械制造工艺学,其他机床、锻锤、火车、卡车等通过机床地基传给机床的振动。,机械制造工艺学,强迫振动力学模型,下图是安装在简支梁上的电动机，以,w,的角速度旋转，假如电机转子不平衡而产生离心力,P,o,则,P,o,沿,X,方向的分力,P,x,（,P,x,=,P,o,coswt,），就是简支梁的外界周期性干扰力。在这一激振力作用下，简支梁将作不衰减的振动。,强迫振动的运动方程,内圆磨削振动系统及力学模型,机械制造工艺学,（二）强迫振动的主要特点,1、由外界周期性干扰力引起，,不,会被阻尼衰减掉,，振动本身也,不能使激振力变化；,2,、不管系统本身固有频率如何，,强迫振动的频率总是,与外界干,扰力的频率相同,，或是干扰力,频率的整数倍；,3、振幅大小很大程度取决于,干扰,力频率,与系统的,固有频率,的比,值，当比值等于或接近1 时，,振幅最大，称为,“,共振,”,；,4、振幅大小与,系统刚度,、,阻尼系,数,、,干扰力,有关。,机械制造工艺学,（三）减小强迫振动的措施和途径,机械制造工艺学,式中,f,和,f,n,分别为振源频率和系统固有频率,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：,1,、减小振源的激振力，调整振源频率；,2,、提高工艺系统刚度及增加阻尼，避开共振区；,3,、隔振；,4,、采用减振器和阻尼器。,主动隔振,阻止机床振动通过地基外传,被动隔振,阻止机外干扰力通过地基传给机床,二、自激振动,及其控制,（一）,自激振动,的概念,在没有周期性,外力,(,相对于切削过程而言,),作用下，,由振动系统本身产生的交变力激发和维持的振动。,机械制造工艺学,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）,机床,加工系统,是一个由,振动系统,和,调节系统,组成的闭环系统，激励,加工系统,产生,振动,运动的,交变切削力,是由,切削,运动,本身,产生的。,振动系统,通过,该,力的变化，从不具备交变特性的能源中周期性,地,获得补充能量，从而维持这个振动。,切削运动一停止,，则这种外力的周期性变化和能量的补充过程都立即停止,，,自激振动,也,随之消失,。,工艺系统中,维持自激振动的能量,来自机床,电动机,，电动机除了供给切除切屑的能量外，还通过切削过程把能量输给振动系统，使工艺系统产生振动,运动,。,机械制造工艺学,自激振动的特点,1、,机械加工中的自激振动是在,没有周期性外力,(,相,对于切削过程而言,)干扰下所产生的振动运动,；,2、自激振动是一种,不衰减的振动,；,3、自激振动的,频率等于或接近于系统的固有频率,；,4、自激振动能否产生及振幅,的大小取决于振动系统在,每一个周期内获得和消耗,的能量对比情况。,当获得,的能量小于消耗的能量,，,则,自激振动停止,。,机械制造工艺学,自激振动系统能量关系,A,B,C,能量,Q,E,E,0,振幅,E,机械制造工艺学,1、,再生效应,自,激,振,动,原理,切削,中因,偶然干扰，使加工系统产生振动并在加工表面留下振纹。,再,次走刀时，,因重叠部分,的振纹使切削,深,度发生变化，导致切削力周期性,改,变，产生自激振动,。,这种,因,切削,深,度变化（简称再生效应）而引起的,自激振动,称为,再生效应,自激振动,。,车,削、,铣,削、,刨,削、,钻,削、,磨,削等均,不例外。,（二）产生自激振动的几种学说,一般,情况下,，,0,1,；,无,重迭,时,，,=,0,前后两次走刀完全,重迭,时,，,=1,重迭系数,：,前一次切削工件表面形成的波纹面宽度在相继的后一次切削的有效宽度中所占的比例，用表示,：,=（B,f,） / B ，,B,切削宽度,，,f,进给量,重叠系数对,再生效应,自,激,振,动,的影响,重叠系数越大，越容易产生自激振动。,机械制造工艺学,机械制造工艺学,产生,再生效应,自激振动的条件,再生,效应,自激振动原理,f,切入,切出,y,0,y,a）,b）,y,0,y,切入,切出,f,c）,f,y,0,y,切入,切出,d）,切入,切出,f,y,0,y,a）前后两转的振纹没有,相位差（,=0,）,b）前后两转的振纹相位,差为,（,=,）,c）后一转振纹相位超前,图,a）b）c）系统,均,无能量获得；,d）,后一转振纹相位滞后,图,d）,y,滞后于,y,0,，即,-,0,，此时,切出半周比切入半周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,。,如,图,用刃宽小于螺距的宽刀,纵车方牙螺纹的外圆表面，刀具并未发生重叠切削，,从,原理,上排除,产生,再生效应,自,激,振,动,的可能性,。,但在实际加工中，当切削深度达到一定值时，仍会发生,自,激,振,动,，,这种振动称为,“,振型耦合自,激,振,动,”,。,2、,振型耦合自,激,振,动,原理,机械制造工艺学,机械制造工艺学,振动系统实际上都是,多自由度,的，,下,图,将,机,床刀架简化为,具有,两个,自由度,的,振动系统,，,用相互垂直的,刚度,分别为,k,1,、,k,2,两组弹簧支撑,，,弹簧,轴线,x,1,、,x,2,称为,刚度主轴,。假定工件为绝对刚体，,主振系统是刀具部件,。,振型耦合,自,激,振,动,原理,质量,m,的,刀,具部件,以,的频率振动时，,则,质量,m,在,x,1,、,x,2,两个方向上以不同的振幅和相位进行振动,。,当,k,1,=,k,2,，,x,1,与,x,2,无相位差,，刀尖的运动,轨迹为直线，,系统,无能量输入,；,当,k,1,k,2,，,x,1,超前,x,2,，,刀尖的运动,轨迹,AD,C,B,A,为,封闭,椭圆,E,，切入半周内的平均切削厚度比切出半周内的大，系统无能量输入,；,当,k,1,k,2,，,x,1,滞后于,x,2,，,刀尖的运动,轨迹为一顺时针方向,的,椭圆，即：,A,B,C,DA,。此时，切入半周内的平均切削厚度比切出半周内的,小,，,系统,有能量获得，振动,得以,维持。,机械制造工艺学,A,C,B,E,D,F,p,/N,切削速度对吃刀抗力,F,p,的影响,3,、负摩擦自,激,振,动,原理,切削塑性材料时，,吃刀抗力,F,p,自某一速度开始随切削速度增加而下降。在此区域，极易引起,自激振动,。,机械制造工艺学,机械制造工艺学,负摩擦,自,激振,动,原理,F,p,主要取决于切屑与刀具相对运动所产生的摩擦力。,切,削过程若有振动，,切入半周期,切削速度高,F,p,小,切入半,周切削力所作负功小于切出半周,期,切削力所作正功，,系统有,能量输入，振动,得以,维持,。,F,p,主要由摩擦引起，故将切削速度增高导致摩擦力下降,的特性称为,负摩擦特性,。,由切削力,的,滞后引起，故,称为,滞后型,自激,振,动,。,由于存在,惯性,和,阻尼,，作,用在刀具上的切削力滞后主振,动系统运动,。,振入过程实际切削厚度小,于名义值,F,p,小,切入半周,期,切削力所作负功小于切出半,周切削力所作正功，,系统有能,量输入，振动,得以,维持,。,v,F,p,k,c,动力学模型,振出,振入,x,F,p,F,p,与,x,关系,4,、切削力滞后自,激,振,动,原理,机械制造工艺学,（三）控制自激振动的途径,1,、合理选择切削用量,机械制造工艺学,采用低速或高速切削,。,增大进给量、减小切削深度,（吃刀量）。,2,、合理选择刀具的几何参数,机械制造工艺学,前角,振,幅,；切削速度高时，,前角,对振动,影响减弱。,主偏角,切削力,振,幅,，,90,时,振,幅最小。,后角,振,幅,，,一般取,2,3,；太小时,反而会,引起,振,动。,刀尖圆角半径,切削力,，应使刀尖圆角半,径,；但太小时刀具耐用度降低，表面粗糙度,值增大。,切削或磨削的,重叠系数,a,p,f,a,B,振动方向,X,D,f,b,b,d,a）切削,b）磨削,r,r,，,减小切削或磨削时的重叠系数,机械制造工艺学,增加主偏角,增大进给量,提高机床,尾顶尖,的动刚度,机械制造工艺学,3,、提高工艺系统的抗振性,提高,机床的抗振性,主要是提高机床零件间的接触刚度和接触阻尼。,调整,振动,系统小刚度主轴的位置,机械制造工艺学,考虑振型耦合影响，合理布置主切削力和小刚度主轴,的位置,。两种尾座结构：,（a）,振动系统的小刚度主轴,x,1,位于切削力,F,与,y,轴之间时，,容易产生自振,。,（b）,抗振,。,a,b,两种尾座结构,x,2,x,2,x,1,x,1,x,1,x,1,x,2,x,2,F,F,y,y,机械制造工艺学,提高,刀具的抗振性,刀具应有较高的弯曲和扭曲刚度，高的阻尼,系数和弹性模数。,车刀消振棱,0.10.3,-5 -20,2 3,增加切削阻尼（例采用倒棱车刀）,减小刀具后角，可增大摩擦阻尼，切削稳定性提高，但不,能,太小，以2,3度为好。也可在后刀面上磨出消振棱。,阻尼材料,铸铁环,铸铁套筒,工,件上加阻尼材料,工,件,上,加阻尼,材料,机械制造工艺学,提高,工件安装刚度,细长轴,切削中,，可使用中心架或跟刀架。,图453 削扁镗杆镗孔,采用,削扁镗杆,机械制造工艺学,0,60,镗孔时，,系统最不稳定,，产生,激烈,振动,；,115,15,0,镗孔时，,系统最稳定,，,不易出现,振动,。,4、合理调整振型的刚性比及其组合,车床上车刀装在水平面上稳定性最差；,车刀装在60度的方位上，稳定性最好。,机械制造工艺学,调整,刀具安装,位置,，提高稳定性,通过阻尼作用，将振动能量转换为热能消耗掉，实现减振的目的。,5、采用减振装置（阻尼器、吸振器）,机械制造工艺学,2） 阻尼器的原理及应用, 固体摩擦阻尼器, 液体摩擦阻尼器, 电磁阻尼器,机械制造工艺学,阻尼器的应用,机械制造工艺学,2） 吸振器的原理及应用, 动力式吸振器, 冲击式吸振器,通过弹性元件把一个,附加质量,连接到振动系统上，利用,附加质量,在振动系统激励下发生振动的动力作用来抵消系统的激振力。,及,动力学模型,动力,式吸振器,机械制造工艺学,动力式吸振器,及动力学模型,机械制造工艺学,冲击式吸振器,的应用,冲击式吸振器,及动力学模型,式中,:,T,振动体 M 的振动周期,A,振动体 M 的振幅,机械制造工艺学,5、采用,变速,切削,机械制造工艺学,抑制,再生效应,自,激,振,动,，,用于工艺系统刚性较好的,场合。,切削过程在不稳定区与条,件稳定区交替进行,。,加工系统振动频率随主轴,转速变动而变动，其振动,响应是变频激励的瞬时响,应，与恒频相比要小,。,变速切削减振原理,机械制造工艺学,控,制自激振动,的,途径,V=,2,0,6,0m/min,自振,最大,f,自振,；,保证,Ra,时,f,提高机床抗振性,提高刀具抗振性,（采用消振刀具）,提高工件安装刚性,根据振型耦合原理,，,工艺系统,的振动还受到各振型的刚度比,及其组合的影响,。,合理调整它,们之间的关系,，,就,能,有效提高,系统的抗振性,，,抑制自激振动,。,提高工艺系统抗振性,合理选择切削用量,合理选择刀具参数,采用变速切削,合理调整振,型,刚度比及,其组合,采用,减振装置,前角、主偏角自振,后角自振,；,但太小时,自振,抑制再生,效应自激振动，,用,于工艺系统刚性较好的场合,。,小 结,机械制造工艺学,本章结束,