机械制造工艺学703

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Po,则Po沿X方向的分力Px（Px=Pocoswt），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。)sin(tAx★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fn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。0.25nfff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ABC能量QE－E＋0振幅机械制造工艺学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＜μ＜1；无重迭时，μ=0前后两次走刀完全重迭时，μ=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μ表示：μ=（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y0ya）b）φy0y切入切出fc）φfy0y切入切出d）切入切出fy0yφa）前后两转的振纹没有相位差（φ=0）b）前后两转的振纹相位差为（φ=π）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y0，即-πφ0，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k1、k2两组弹簧支撑，弹簧轴线x1、x2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ω的频率振动时，则质量m在x1、x2两个方向上以不同的振幅和相位进行振动。①当k1=k2，x1与x2无相位差，刀尖的运动轨迹为直线，系统无能量输入；②当k1＞k2，x1超前x2，刀尖的运动轨迹A→D→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；③当k1＜k2，x1滞后于x2，刀尖的运动轨迹为一顺时针方向的椭圆，即：A→B→C→D→A。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ACBEDFp/N切削速度对吃刀抗力Fp的影响3、负摩擦自激振动原理切削塑性材料时，吃刀抗力Fp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Fp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→Fp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。Fp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→Fp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。vFpkc动力学模型振出振入xFpFp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apfaB振动方向XDfa）切削b）磨削κrκr，dabBfbB（切削）（磨削）◆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x1位于切削力F与y轴之间时，容易产生自振。（b）抗振。ab两种尾座结构βx2x2x1x1x1x1x2x2αβαFFyy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0.1～0.3-5°～-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4－53削扁镗杆镗孔★采用削扁镗杆机械制造工艺学◆0°＜α＜60°镗孔时，系统最不稳定，产生激烈振动；◆115°＜α＜150°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①固体摩擦阻尼器②液体摩擦阻尼器③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①动力式吸振器②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AAxTmax2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=20～60m/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