(好资料)4[1].5机械质量分析

第四章第四章第四章第四章 机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制机械加工质量及其控制 第五节第五节 机械加工中的振动机械加工中的振动 4.5.1 4.5.1 机械加工中振动的种类及其主要特点机械加工中振动的种类及其主要特点 机械加工振动 自激振动自激振动 自由振动自由振动 强迫振动强迫振动 当系统受到初始干扰力激励破 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。由于总存在阻尼， 自由振动将逐渐衰减，占5% 系统在周期性激振力(干扰力)持 续作用下产生的振动，称为强迫 振动。强迫振动的稳态过程是谐 振动，只要有激振力存在振动系 统就不会被阻尼衰减掉。占35% 在没有周期性干扰力作用的情 况下，由振动系统本身产生的 交变力所激发和维持的振动， 称为自激振动。切削过程中产 生的自激振动也称为颤振。 占65% 4.5.1 4.5.1 机械加工中振动的种类及其主要特点机械加工中振动的种类及其主要特点 a）自由振动 b）强迫振动 ?影响加工表面粗糙度：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； ?影响生产效率：机械加工过程一旦产生振动，就要减小切削用量，使 得机床刀具性能得不到充分发挥，从而限制生产效率的提高； ?影响刀具寿命：振动将使加工系统持续承受动态交变载荷作用，刀具 磨损，甚至崩刃，特别是硬质合金、陶瓷等韧性差的刀具更是如此； ?影响机床、夹具的使用寿命：振动使机床、夹具的零部件联接产生 松动，间隙加大，接触刚度减小，精度降低，使用寿命缩短； ?产生噪声污染：机械加工中的振动所引起的噪声有害于操作者的健康 振动对机械加工的影响振动对机械加工的影响 4.5.2 4.5.2 机械加工中振动现象机械加工中振动现象 ?系统外部的周期性激振力 ?高速旋转零件的质量不平衡引起的振动 ?传动机构的缺陷和往复运动部件的惯性引起的振动 ?切削过程的间隙特性 4.5.3 4.5.3 机械加工中强迫振动与控制机械加工中强迫振动与控制 强迫振动的振源强迫振动的振源 ?动力学模型的建立 图1 内圆磨削振动系统 a) 模型示意图 b）动力学模型 c）受力图 4.5.3 4.5.3 机械加工中强迫振动与控制机械加工中强迫振动与控制 强迫振动的数学描述及特性强迫振动的数学描述及特性 1）强迫振动是由周期性激振力引起的，不会被阻尼衰减掉，振动 本身也不能使激振力变化； 2）强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）强迫振动幅值的在很大程度上取决于干扰力的频率与加工系统 固有频率的比值，当比值等于1时，振幅达最大值，此现象称“共 振”； 4）强迫振动振幅的大小还与干扰力、系统刚度及阻尼系数有关。 强迫振动的特征强迫振动的特征 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 4.5.3 4.5.3 机械加工中强迫振动与控制机械加工中强迫振动与控制 4.5.3 4.5.3 机械加工中强迫振动与控制机械加工中强迫振动与控制 强迫振动的特征强迫振动的特征 减小强迫振动的措施减小强迫振动的措施 ? 采取隔振措施 ? 采用减振装置 ? 减小激振力 ? 调整振源频率 ? 提高工艺系统的刚度和阻尼 在实际加工过程中，由于偶然 的外界干扰（如工件材料硬度不均、 加工余量有变化等），会使切削力 发生变化，从而使工艺系统产生自 由振动。系统的振动必然会引起工件、刀具间的相对位置发生周 期性变化，这一变化若又引起切削力的波动，则使工艺系统产生 振动。因此通常将自激振动看成是由振动系统（工艺系统）和调 节系统（切削过程）两个环节组成的一个闭环系统。 激励工艺系统产生振动运动的交变力是由切削过程本身切削过程本身 产生的，而切削过程同时又受工艺系统的振动的控制，工艺系 统的振动一旦停止，动态切削力也就随之消失。 4.5.4 4.5.4 机械加工中自激振动与控制机械加工中自激振动与控制 自激振动的产生自激振动的产生 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） ?f自= f固：自激振动的频率接近于系统的固有频率，即颤振 频率取决于振动系统的固有特性。 ?取决于一周期获得的能量 ?取决于切削过程本身 4.5.4 4.5.4 机械加工中自激振动与控制机械加工中自激振动与控制 自激振动的特征自激振动的特征 ?不衰减的振动：它由振动过程本身引起切削力周期性变 化，从不具备交变特性的能源中周期获得能量，使振动得以 维持。 A B C 能量E Q E E 0 振幅 4.5.4 4.5.4 机械加工中自激振动与控制机械加工中自激振动与控制 产生自激振动的学说产生自激振动的学说 图1 单自由度机械加工振动模型 v出v1 v入v y Fy2 Fy0 Fy1 o 图2 切削力Fy与切屑相对滑动速度v的关系 产生振动的条件为 E E 即：E出 出 E入 入 ?负摩擦自振原理 ?再生颤振再生颤振原理 4.5.4 4.5.4 机械加工中自激振动与控制机械加工中自激振动与控制 产生自激振动的学说产生自激振动的学说 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 4.5.4 4.5.4 机械加工中自激振动与控制机械加工中自激振动与控制 产生自激振动的学说产生自激振动的学说 产生条件：产生条件： a）b）c）系统无能量获得； d）y 超前于y0，即 0，此时切出比切入半周期中的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，产生自激振动切入时所作负功，系统有能量获得，产生自激振动 ?再生颤振 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 一般 纵车、纵磨时， 01 径向切入时，如切断、切槽、钻孔等，=1 车方牙螺纹，=0，无重迭切削，不可能发生再生颤振 重迭系数 =（Bf ） / B ， B切削宽度， f 进给量 4.5.4 4.5.4 机械加工中自激振动与控制机械加工中自激振动与控制 产生自激振动的学说产生自激振动的学说 ?再生颤振重叠系数对再生颤振的影响 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 振型耦合原理 当纵车方牙螺纹的外圆表面如图示，刀具并未发生重叠 切削，若按再生颤振原理，则不应该产生颤振。但在实际加 工中，当切削深度达到一定值时，仍会发生颤振，这可以用 振型耦合原理来解释。 图图5 纵车方牙螺纹外表面纵车方牙螺纹外表面 4.5.4 4.5.4 机械加工中自激振动与控制机械加工中自激振动与控制 产生自激振动的学说产生自激振动的学说 ?振型耦合颤振 图6两个自由度的耦合振动模型a）切削模型 b）动力学模型 4.5.4 4.5.4 机械加工中自激振动与控制机械加工中自激振动与控制 产生自激振动的学说产生自激振动的学说 ?振型耦合颤振 当刀架系统以的频率振动时，质量m在x1、x2两个方向上以不同 的振幅和相位进行振动，其合成运动轨迹近似椭圆E。 若ABC切入；CDA切出由于切出时的平均切削厚 度大于切入时的平均切削厚度，正功大于负功，在一个振动周期内，有 多余的能量输入振动系统。因此，振动得以维持。反之，则不能维持。 A C B D E ? 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： 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 0.25 n ff f （4-33） 4.5.4 4.5.4 机械加工中自激振动与控制机械加工中自激振动与控制 4.5.4 4.5.4 机械加工中自激振动与控制机械加工中自激振动与控制 减小切削或磨削时的重叠系数 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 ， da bBf bB =（切削）（磨削） （4-34） ? 减小重叠系数方法 ? 增加主偏角增加主偏角 ? 增大进给量增大进给量 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 4.5.4 4.5.4 机械加工中自激振动与控制机械加工中自激振动与控制 合理选择切削用量 采用低速或高速切削、采用低速或高速切削、 增大进给量、减小切削深度增大进给量、减小切削深度 合理选择刀具几何参数 ?前角、主偏角自振前角、主偏角自振 ?后角自振；但太小时自振，后角自振；但太小时自振，一般取0=2030为宜 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） 4.5.4 4.5.4 机械加工中自激振动与控制机械加工中自激振动与控制 提高工艺系统刚度 增强工艺系统抗振性的措施增强工艺系统抗振性的措施 4.5.4 4.5.4 机械加工中自激振动与控制机械加工中自激振动与控制 调整振动系统小刚度主轴的位置 x2 x2x1 x1 x1 x1x2 x2 图4-76 两种尾座结构 图453 削扁镗杆镗孔 4.5.4 4.5.4 机械加工中自激振动与控制机械加工中自激振动与控制 削扁镗杆实验 阻尼材料铸铁环 铸铁套筒 图4-79 零件上加阻尼材料 增大工艺系统阻尼 增强工艺系统抗振性的措施增强工艺系统抗振性的措施 4.5.4 4.5.4 机械加工中自激振动与控制机械加工中自激振动与控制 采用减振装置采用减振装置 抑制自激振动途径 V=3070m/min自振 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