机械制造技术基础 课件 5.5 机械加工过程中的振动

第5章

机械加工质量控制机械制造技术基础概述5.1影响机械加工精度的因素5.2加工误差的综合分析5.3影响机械加工表面质量的因素5.4机械加工过程中的振动5.5第5章

机械加工质量控制5.5机械加工过程中的振动机械加工过程中振动是一种十分有害的现象，举例：会造成刀具与工件之间产生相对位移，不仅恶化了加工表面质量、缩短了刀具和机床的使用寿命，严重时将使加工无法进行。为了避免振动，常常不得不降低切削用量，从而降低了生产率。由于振动发出刺耳的噪声，不仅使劳动者容易疲劳，身心受到损害，工作效率降低，而且污染了环境引言：与所有的机械振动一样，分为自由振动、强迫振动和自激振动三大类。强迫振动是指工艺系统在外部激振力作用下产生的振动；自激振动是指工艺系统在输入输出之间有反馈特性，并有能源补充而产生的振动，在机械加工中也称为“颤振”。机械加工过程中的振动分类：根据工艺系统的自由度数量：单自由度系统的振动；多自由度系统的振动。根据统计，机械加工过程中的强迫振动约占30%，自激振动约占65%，而自由振动所占比例则很小。5.5机械加工过程中的振动5.5.1机械加工过程中的强迫振动1.强迫振动的振源其主要振源有两大类：一类来自机床内部（机内振源）：机外振源主要是通过地基传给机床的，如周围的加工设备、运输车辆、气源气泵等的振动，都可以通过地基传给加工系统。一类来自机床外部（机外振源）：机内振源主要有：1)机床高速回转部件的不平衡，如电动机转子、带轮、联轴节、砂轮以及被加工工件等旋转不平衡引起的周期性激振力，都有可能使加工过程产生强迫振动。2)机床传动机构缺陷或液压传动系统的压力脉动。如制造不精确或安装不良的齿轮，传送带的接头，油泵工作特性引起的油压脉动等，都会引起系统强迫振动。3)切削过程中的冲击。如在铣削、拉削加工中刀齿的切入或切出、加工断续表面等都会由于周期性冲击而引起强迫振动。4)往复运动部件的惯性力。在具有往复运动部件的机床中，往复运动部件改变方向时所产生的惯性冲击，往往是这类机床加工时主要的强迫振源。5.5.1机械加工过程中的强迫振动2.强迫振动的特点1)强迫振动是在外界周期性干扰力的作用下产生的，但振动本身并不能引起振源干扰力的变化。如作用在加工系统上的干扰力是简谐激振力F=F0sinwt，则强迫振动的稳态过程也是简谐振动，只要这个激振力存在，该振动就不会被阻尼衰减掉。2)强迫振动的频率总与外界干扰力的频率相等或成倍数关系。3)强迫振动振幅的大小在很大程度上取决于干扰力的频率f激与加工系统固有频率f0的比值，当f激/f0=1时，系统产生“共振”，此时振幅最大。4)强迫振动振幅的大小除了与f激/f0有关外，还与干扰力、系统刚度及阻尼系数有关。5.5.1机械加工过程中的强迫振动1)消除或减小内部振源。机床上的高速回转零部件（如主轴部件）必须做好动平衡；提高传动元件及传动装置（如齿轮、皮带、轴承等）的制造精度和装配精度，保证传动平稳；使电机或液压泵等动力源与机床本体分离。2）调整振源的频率。通过合理安排结构的固有频率或改变传动比，避免产生共振。干扰力的频率f激与加工系统固有频率f0的关系一般应满足3.减小或消除强迫振动的措施3)提高工艺系统的动态特性。增加工艺系统刚度，加大阻尼可以减少系统的振动。4)隔振。在振动的传递路线中设置障碍，使振源不能传到刀具或工件上去。当振源来自机床外部时，经常采用的隔振方法是在机床周围挖隔振沟，或把机床用橡胶、软木、泡沫塑料等与地基隔开，或使用空气弹簧支承整个机床（超精密机床多采用此措施）等。5.5.1机械加工过程中的强迫振动5.5.2机械加工过程中的自激振动(颤振)1.自激振动的振源及产生条件：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那么激发自激振动的交变力是怎么产生的呢?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：如果切削过程很平稳，即使系统存在产生自激振动的条件，也因切削过程没有交变切削力（触发力），而不会产生自激振动。但是在实际加工过程中，偶然性的外界干扰所产生的切削力的变化，作用在机床系统上，就会使系统产生振动运动。如果工艺系统不存在产生自激振动的条件，由偶然性外界干扰引发的强迫振动将因系统存在阻尼而逐渐衰减；如果工艺系统存在产生自激振动的条件，就可能会使机床加工系统产生持续的振动运动。5.5.2机械加工过程中的自激振动(颤振)产生自激振动的条件是：如果在一个振动周期内，振动系统从电动机获得的能量大于振动系统对外界做功所消耗的能量，若两者之差刚好能克服振动时阻尼所消耗的能量，则振动系统将有等幅振动运动（即自激振动）产生。车削外圆单自由度振动系统模型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，使机床系统产生振动运动。5.5.2机械加工过程中的自激振动(颤振)自激振动系统能量与振幅的关系自激振动幅值的增大或减小，取决于每一振动周期中振动系统所获得的能量与所消耗的能量之差的正负号。在一个振动周期内，若振动系统获得的能量ER等于系统消耗的能量EZ，则自激振动是以OB为振幅的稳定的等幅振动；当振幅为OA时，振动系统每一振动周期从电动机获得的能量ER大于振动所消耗的能量EZ，则振幅将不断增大，直至增大到振幅OB时为止；反之，当振幅为OC时，振动系统每一振动周期从电动机获得的能量ER小于振动所消耗的能量EZ，则振幅会不断减小，直至减小到振幅OB时为止。5.5.2机械加工过程中的自激振动(颤振)2.自激振动的特点1)自激振动是一种不衰减的振动，振动过程本身能引起某种力的周期变化。2)自激振动的频率等于或接近系统的固有频率，也就是说，由振动系统本身的固有频率所决定，这一点与强迫振动有着本质不同。3)自激振动的形成和持续是由切削过程产生的，如若停止切削过程，即使机床空运转，自激振动也就停止了。4)自激振动能否产生以及振幅的大小，决定于每一振动周期内系统所获得能量与所消耗的能量的对比情况，不因有阻尼存在而衰减为零。5.5.2机械加工过程中的自激振动(颤振)3.自激振动的控制1)消除或减弱产生自激振动的条件。机械加工过程中的自激振动的产生与加工本身密不可分，但是产生自激振动机理的不同，所采取的减振措施也不同，如采用变速切削、合理选用切削用量，可以改变切削过程中能量的变化，可以减小或抑制自激振动的产生。2）改善工艺系统的动态特性。通过提高工艺系统薄弱环节的刚度，可以有效地提高机床加工系统的稳定性，如增强连接结合面的接触刚度，对滚动轴承施加预载荷，加工细长工件外圆时采用中心架或跟刀架，都可以提高工艺系统的刚度；也可以增大工艺系统的阻尼，来改变工艺系统的动态特性。5.5.2机械加工过程中的自激振动(颤振)3）采用各种消振减振装置。