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机械加工过程中的振动及其影响机械加工过程中的振动及其影响 一、概一、概 述述 机械加工过程中振动的危害机械加工过程中振动的危害 u影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度 u影响生产效率 u加速刀具磨损，易引起崩刃 u影响机床、夹具的使用寿命 u产生噪声污染，危害操作者健康 1 二、机械加工过程中振动的类型二、机械加工过程中振动的类型 自由振动 强迫振动 自激振动 2 （一）自由振动（一）自由振动 工艺系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状 态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称 为自由振动。 由于系统中总存在由阻尼，自由振动将逐渐 衰弱，对加工影响不大。 3 （二）机械加工过程中强迫振动（二）机械加工过程中强迫振动 强迫振动产生原因强迫振动产生原因 v 由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起 v 强迫振动振源：机外机内。机外：振源均通过地基把 振动传给机床。机内： 1）回转零部件质量的不平衡 2）机床传动件的制造误差和缺陷 3）切削过程中的冲击 v 频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数 v 幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干 扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振 v 相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个 角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。 强迫振动的特征强迫振动的特征 4 （三）机械加工过程中自激振动（三）机械加工过程中自激振动 自激振动的概念自激振动的概念 在没有周期性外力作用在没有周期性外力作用 下，由系统内部激发反馈下，由系统内部激发反馈 产生的周期性振动产生的周期性振动 自激振动过程可用传递自激振动过程可用传递 函数概念说明（图函数概念说明（图4-724-72） 自激振动是一种不衰减振动自激振动是一种不衰减振动 自激振动的频率等于或接近自激振动的频率等于或接近 于系统的固有频率于系统的固有频率 自激振动能否产生及振幅的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周期内获得和消耗的能量对比 情况（图情况（图4-734-73）。）。 图4-73 自激振动系统能量关系 A B C 能量E Q E E 0 振幅 电动机 (能源) 交变切削力F(t) 振动位移 X(t) 图4-72 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） 自激振动的特征自激振动的特征 5 再生机理：再生机理： 切削过 程，由于偶然干扰，使 加工系统产生振动并在 加工表面上留下振纹。 第二次走刀时，刀具将 在有振纹的表面上切削 ，使切削厚度发生变化 ，导致切削力周期性地 变化，产生自激振动 自激振动机理自激振动机理 图4-74 再生自激振动原理图 f 切入 切出 y0 y a）b） y0 y 切入 切出 f c） f y0 y 切入 切出 d） 切入 切出 f y0 y 产生条件（图产生条件（图4-744-74） ： a）b）c）系统无能量获得； d）y 滞后于y0，即 0- ，此时切出比切入半周期中的 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 6 振型耦合机理：振型耦合机理：将车 床刀架简化为两自由度振 动系统，等效质量m用相 互垂直的等效刚度分别为 k1、k2两组弹簧支撑（设x1 为低刚度主轴，图4-75） 图4-75 车床刀架振型耦合模型 F m a b c d x1 x1 x2 x2 k2 k1 1 2 X 自激振动的产生：自激振动的产生： k1=k2，x1与x2无相位差, 轨迹为直线，无能量输入 k1k2，x1超前x2 ，轨迹dcba为一椭圆，切入半周 期内的平均切削厚度比切出半周期内的大，系统无能量输入 k1k2，x1滞后于x2 ，轨迹为一顺时针方向椭圆，即： abcd。此时，切入半周期内的平均切削厚度比切出半 周期内的小，有能量获得，振动能够维持 。 7 三、机械加工中振动的防治三、机械加工中振动的防治 减小机内干扰力的幅值减小机内干扰力的幅值 调整振源的频率，一般要求：调整振源的频率，一般要求： 调整振动系统小刚度主轴的位置 （图4-76） 消除或减弱产生强迫振动的条件消除或减弱产生强迫振动的条件 式中 f 和 fn 分别为振源频率和 系统固有频率 隔振隔振 x2 x2x1 x1 x1 x1x2 x2 图4-76 两种尾座结构 消除或减弱产生自激振动的条件消除或减弱产生自激振动的条件 （4-33） 8 减小切削或磨削时的重叠系数（图4-77） 式中 bd 等效切削宽度，即本次切削实际切到上次切削残留振纹 在垂直于振动方向投影宽度； b 本次切削在垂直于振动方向上的切削宽度； B , fa 砂轮宽度与轴向进给量。 图4-77 重叠系数 ap fa B 振动方向XD f b bd a）切削b）磨削 r r ， （4-34） 9 v 减小重叠系数方法 图4-78 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，图4-78） 增加主偏角增加主偏角 增大进给量增大进给量 10 提高工艺系统刚度 增大工艺系统阻尼 改善工艺系统动态特性改善工艺系统动态特性 阻尼材料铸铁环 铸铁套筒 图4-79 零件上加阻尼材料 11 图4-80 摩擦式减振器 1飞轮