机械加工中的振动分析及控制措施.pdf

机械制造与研究王海珍，等机械加工中的振动分析及控制措施机械加工中的振动分析及控制措旋王海珍。李玉平(新余高等专科学校，江西新余338000)摘要：机械加工中的振动是一种十分有害的物理现象。通过分析机械加工中各种振动产生的原因和特性，提出了相应的减振措施。在实际生产中，合理采用这些措施对保证零件表面品质、提高生产率有着积极的意义。关键词：机械加工；振动；控制措施中图分类号：TH1616文献标识码：B文章编号：1671-5276(2008)06-0031-03VibrationAnalysisandControlMeasuresinMachiningWANGHaizhen，LIYuping(XinyuCollege，Xinyu338000，China)Abstract：ThevibrationanalysisandcontrolmeasuresinmachiningisaharmfulphysicalphenomenonThispaperbnngsUpthecorrespondingvibrationreductionmeasuresthroughanalyzingthecausesandcharacteristicsofvariousvibrationinmachiningAdoptingthesemeasuresinproductionproperlyisofpositivesignificancetoguaranteetheDarfssuflacequalityandincreaseproductivityKeywords：machining；vibration；controlmeasures0引言机械加工中的振动对加工表面品质和生产率有很大的影响，是一种十分有害的物理现象。若加工中产生了振动，刀具与工件间将产生相对位移，会使加工表面产生振痕，严重影响零件的表面品质和性能；振动使刀具受到附加动载荷，加速刀具磨损，有时甚至崩刃；同时振动使机床、夹具等的连接部分松动，从而增大间隙，降低刚度和精度，缩短使用寿命，严重时甚至使切削加工无法继续进行；振动中产生的噪声还将危害操作者的身体健康。为减小振动，有时不得不降低切削量，使机床加工的生产效率降低。因此，研究分析机械加工中的振动原因和特性，寻求控制振动的有效途径是很有必要的。机械振动的类型分为自由振动、受迫振动和自激振动三类。自由振动是在初始干扰力的作用下破坏了系统的平衡，仅靠弹性恢复力来维持的振动。由于系统中总存在阻尼，自由振动会迅速衰减，所以对机械加工的影响不大。受迫振动和自激振动都属于不衰减的振动，对机械加工的影响不容忽视。下面主要分析这两种振动。1受迫振动a)受迫振动产生的原因：受迫振动是由于系统在周期性的激振力(干扰力)持续作用下所产生的振动。周期性的激振力可以是系统外部和内部振源所引起的。例如，系统外部的周期性的激振力有：系统附近的其他机床和机器的振动，通过地基传给正在进行加工的机床，激起工艺系统的振动。系统内部的周期性的激振力有：高速回转零件(如砂轮、齿轮)的质量不平衡引起的离心力，往复运动部件的惯性力和断续切削(如铣削)的冲击力等引起的振动。b)受迫振动的特性：1)受迫振动的稳态过程是简谐振动，当交变激振力消除后，振动就停止；2)受迫振动的振动频率与外界激振力的频率相同，而与系统的固有频率无关；3)受迫振动的幅值既与激振力的幅值有关，又与工艺系统的动态特性有关。c)减小受迫振动的措施：强迫振动是由于外界周期性干扰力引起的，因此为了消除受迫振动，应首先找出振源，然后采取相应的措施加以控制。I)减小激振力：对于机床上转速在600rmin以上的零件，如砂轮、卡盘、电动机转子及刀盘等，必须进行平衡以减小和消除激振力；提高带传动、链传动、齿轮传动及其他传动装置的稳定性，如采用完善的带接头或无接头的胶合平皮带，以斜齿轮或人字齿轮代替直齿轮，采用缓冲装置、降低换向速度等，使动力源与机床本体放在两个分离的基础上。2)调整振源频率：在选择转速时，尽可能使引起受迫振动的振源(电机转速)频率远离系统固有频率，避免共振。3)提高工艺系统的刚度和阻尼：提高刚度、增大阻尼是增强系统抗振能力的基本措施。如提高联结部件的接触刚度，预加载荷减小滚动轴承的间隙，采用内阻尼较大的材料制造某些零件能收到较好的效果。4)采用隔振措施：隔振就是用弹性隔振装置将需防振的机床或部件与振源之间分开，使大部分振动被吸收，作者简介：王海珍(1974一)，女，江西樟树人，讲师，主要从事机电一体化的研究。MachineBuilding8Automation，Dec2008，37(6)：31一刀31机械制造与研究王海珍，等机械加工中的振动分析及控制措施从而达到减小振源危害的目的。如用橡胶垫将电机与机床隔开，机床下装隔振器，机床四周挖隔振沟，沟内充满锯木屑、纤维、软木、碳渣等。对于某些动力源，如电机、液压站等，最好与机床分离。5)采用减振装置：当采用上述各种措施仍无法控制振动时，可考虑使用消振减振装置。减振装置通常都是附加在工艺系统中，通过吸收或消耗振动能量，达到减振的目的。它对抑制自激振动有同样的效果，是提高工艺系统抗振性的一个重要途径。2自激振动a)自激振动产生的原因：切削加工时，在没有周期性外力作用的情况下，有时刀具与工件之间也可能产生强烈的相对振动，并在工件的加工表面上残留下明显的、有规律的振纹，这种由振动系统本身产生的交变力激发和维持的振动称为自激振动，也称为颤振。关于切削过程中产生颤振的原因，由于机理复杂，虽然各国学者进行了长期的研究，也取得不少成果，但至今尚无一种理论能解释各种情况下产生颤振的原理。比较具有代表性的学说有：负摩擦激振学说、再生颤振学说和坐标联系学说(又称振型偶合颤振原理)等。b)自激振动的特性：1)颤振也是一种不衰减的振动，但只要切削加工一旦停止，颤振立刻就随之消失，这也是区别颤振和受迫振动的标志之一；2)颤振的频率等于或接近系统的固有频率；3)颤振能否产生和维持取决于每个振动周期内输入和消耗的能量。c)控制自激振动的措施：1)合理选择切削用量：图1是车削时切削速度与振幅的关系曲线。可以看出，在3=2070mmin时容易产生自振，高于或低于此范围则振动减弱。若同时考虑提高生产率，则采用高速切削有利。图2和图3分别表示进给量和切削深度与振幅的关系曲线。由图可知，选取较大的进给量和较小的切削深度有利于减小颤振。g运媸切削速度v(rnmin)图1切削速度与振幅的关系2)合理选择刀具几何参数：主要影响参数为主偏角和前角y。如图4所示，当妒=90。时振幅最小，此时切削力在Y方向上最小、方向上最大。由于一般工艺系统的刚度在方向比Y方向上好得多，因此不易起振。由图5可见，在相同切削速度时，随前角的增大，切削力减小，振幅也减小。因此通常采用双前角消振刀(见图6)以减小切削力，可取得很好的减振效果。减小后角有利于减振。一般后角取2。一3。为宜，必要时在后刀面上磨出带32呈迳辎图2进给量与振幅的关系图3切削深度与振幅的关系负后角的消振棱，形成倒棱减振车刀如图7所示。其特点是刀尖不易切入金属，且后角小，有减振作用，切削时稳定性好。LI_厂JfJ一，(a)(b)图4主偏角对振动的影响图S前角的影响3)提高工艺系统的抗振性：工艺系统本身的抗振性能是影响颤振的主要因素之一。首先应设法提高工艺系统的接触刚度，如对接触面进行刮研，减小主轴系统的轴承间隙，对滚动轴承施加一定的预紧力，提高顶尖孔的研磨品质等。加工细长轴(LD12)时，工件刚性差，易弯曲变形http：ZZHDchinajourna1netcnE-mail：ZZHDchainajouma1netcn机械制造与自动化机械制造与研究王海珍，等机械加工中的振动分析及控制措施图6双前角消振刀图7倒棱减振车刀产生振动，此时应在采用弹性顶尖及辅助支承(中心架或跟刀架)来提高工件抗振性能的同时，用冷却液冷却以减小工件的热膨胀变形。当用细长刀杆进行孔加工时，应采用中间导向支承来提高刀具的抗振性能；减小刀具悬伸长度，一般情况下刀具伸出长度不宜超过刀杆高度的两倍；采用如图8所示的切向刚度较高的弹性刀杆，将不易产生刀杆的弯曲高频振动。图8弹性刀杆车刀刀具高速自振时，宜提高转速和切削速度，以提高切削温度，消除刀具后刀面摩擦力下降特性和由此引起的自振，但切削速度不宜133ms80(mmin)。在增加工艺系统刚度的同时，应尽量减小构件的自身质量，应“以最轻的质量获得最大的刚度”作为结构设计的一个重要原则。4)调整振型的刚度比：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以及其组合的影响。合理调整它们之间的关系，就可以有效地提高系统的抗振性，抑制自激振动。5)采用减振装置：当采用上述各种措施仍无法控制振动时，可考虑使用消振减振装置。减振装置通常都是附加在工艺系统中，通过吸收或消耗振动能量，达到减振的目的。它对抑制自激振动有同样的效果，是提高工艺系统抗振性的一个重要途径。3结语通过对切削加工过程中产生振动的原因和特性的分析，采取相应的减振措施，可使切削加工中的振动现象明显减小，大大提高工件表面品质及生产率。但完全消除振动现象，尚待进一步深入研究振动机理、寻找产生原因及消除措施。另一方面，近几十年来，通过研究发现，如果科学合理地利用振动，反而可以更好地进行切削，如振动切削和磨削，都是利用振动来提高表面品质和生产率的先进加工技术。如何科学合理地利用振动是机械加工研究的又一课题。参考文献：1周昌治，等机械制造工艺学M重庆：重庆大学出版社，20062郑修本机械制造工艺学M北京：机械工业出版社，20043闻邦椿，等振动利用工程M北京：科学出版社，2005收稿日期