《机械制造工艺》课件-第四章 机械加工振动与控制

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1.机械加工中的振动及其影响振动对机械加工的影响机械加工过程中产生的振动，是一种十分有害的现象。如果加工中产生了振动，刀具与工件间的相对位移会使加工表面产生波纹，将严重影响零件的表面质量和使用性能。工艺系统将持续承受动态交变载荷的作用，刀具极易磨损（甚至崩刃），机床联接特性受到破坏，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。振动对机械加工的影响改善措施：减小切削用量，使机床加工的生产效率降低。学习目的：了解机械加工振动的产生机理，掌握控制振动的途径以减小机械加工中的振动。机械加工过程中振动的类型01强迫振动机械加工中的强迫振动是由于外界（相对于切削过程而言）周期性干扰力的作用而引起的振动。强迫振动的振源有来自机床内部的，称为机内振源；也有来自机床外部的，称为机外振源。机外振源都是通过地基传给机床的，可通过加设隔振地基加以消除。机械加工过程中振动的类型01强迫振动机内振源主要有机床旋转件的不平衡、机床传动机构的缺陷、往复运动部件的惯性力以及切削过程中的冲击等。机械加工过程中振动的类型01强迫振动机床中各种旋转零件（如电动机转子、联轴器、带轮、离合器、轴、齿轮、卡盘、砂轮等），由于形状不对称、材质不均匀或加工误差、装配误差等原因，会有偏心质量产生。偏心质量引起的离心惯性力与旋转零件的转速的平方成正比，转速越高，产生周期性干扰力的幅值就越大。机械加工过程中振动的类型01强迫振动齿轮制造不精确或有安装误差会产生周期性干扰力。带传动中平带接头连接不良、v带的厚度不均匀、轴承滚动体大小不一、链传动中由于链条运动的不均匀性等机床传动机构的缺陷所产生的动载荷都会引起强迫振动。机械加工过程中振动的类型01强迫振动油泵排出的压力油，其流量和压力都是脉动的。由于液体压差及油液中混入空气而产生的空穴现象，会使机床加工系统产生振动。在铣削、拉削加工中，刀齿在切人工件或从工件中切出时，都会有很大的冲击发生。加工断续表面也会发生由于周期性冲击而引起的强迫振动。在具有往复运动部件的机床中，最强烈的振源就是往复运动部件改变运动方向时所产生的惯性冲击。机械加工过程中振动的类型01强迫振动在机械加工中产生的强迫振动，其振动频率与干扰力的频率相同，或是干扰力频率的整数倍。此种频率对应关系是诊断机械加工中所产生的振动是否为强迫振动的主要依据，并可利用上述频率特征分析和查找强迫振动的振源。机械加工过程中振动的类型01强迫振动强迫振动的幅值既与干扰力的幅值有关，又与工艺系统的动态特性有关。一般来说，在干扰力源频率不变的情况下，干扰力的幅值越大，强迫振动的幅值将随之增大。机械加工过程中振动的类型01强迫振动如果干扰力的频率远离工艺系统各阶模态的固有频率，则强迫振动响应将处于机床动态响应的衰减区，振动响应幅值就很小；当干扰力频率接近工艺系统某一固有频率时，强迫振动的幅值将明显增大；若干扰力频率与工艺系统某一固有频率相同，系统将产生共振，若工艺系统阻尼系数不大，振动响应幅值将十分大。机械加工过程中振动的类型01强迫振动根据强迫振动的这一幅频响应特征，可通过改变运动参数或工艺系统的结构，使干扰力源的频率发生变化，或让工艺系统的某阶固有频率发生变化，使干扰力源的频率远离固有频率，强迫振动的幅值就会明显减小。机械加工过程中振动的类型02自激振动机械加工过程中，在没有周期性外力（相对于切削过程而言）作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动，称为自激振动，简称为颤振。机械加工过程中振动的类型02自激振动与强迫振动相比，自激振动具有以下特征：机械加工中的自激振动是在没有外力（相对于切削过程而言）干扰下所产生的振动运动，这与强迫振动有本质的区别；自激振动的频率接近于系统的固有频率，这与自由振动相似以（但不相同），而与强迫振动根本不同。自由振动受阻尼作用将迅速衰减，而自激振动却不因有阻尼存在而迅速衰减。

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2.机械加工振动的诊断技术与控制措施机械加工振动的诊断技术机械加工中产生的振动可分为强迫振动和自激振动（颤振）两大类。在自激振动中又可分为再生型、振型耦合型、摩擦型、滞后型等几种不同的类型。机械加工振动的诊断技术机械加工振动的诊断，主要包括两个方面的内容：要判定机械加工振动的类别，要明确指出哪些频率成分的振动属于强迫振动，哪些频率成分的振动属于自激振动；如果已知某个（或几个）频率成分的振动是自激振动，还要进一步判定它是属于哪一种类型的自激振动。机械加工振动的诊断技术例如，在强迫振动的诊断任务中：判别机械加工中所发生的振动是否为强迫振动。若是强迫振动，尚需查明振源，以便采取措施加以消除。结论：从强迫振动的产生原因和特征可知，它的频率与外界干扰力的频率相同或是它的整倍数。机械加工振动的诊断技术强迫振动与外界干扰力在频率方面的对应关系是诊断机械加工振动是否属于强迫振动的主要依据。可以采用频率分析方法，对实际加工中的振动频率成分，逐一进行诊断与判别。机械加工振动的诊断技术强迫振动的诊断方法和诊断步骤采集现场加工振动信号在加工部位振动敏感方向，用传感器（加速度计、力传感器等）拾取机械加工过程的振动响应信号，经放大和A-D转换器转换后输人计算机。机械加工振动的诊断技术强迫振动的诊断方法和诊断步骤频谱分析处理对所拾得的振动响应信号做自功率谱密度函数处理，自谱图上各峰值点的频率即为机械加工的振动频率。自谱图上较为明显的峰值点有多少个，机械加工系统中的振动频率就有多少个；谱峰值最大的振动频率成分就是机械加工系统的主振频率成分。机械加工振动的诊断技术强迫振动的诊断方法和诊断步骤做环境试验查找机外振源在机床处于完全停止的状态下，拾取振动信号，进行频谱分析。将这些频率成分与机床加工时测得的振动频率成分进行对比。结论判断：如两者完全相同，则可判定机械加工中产生的振动属于强迫振动，且干扰力源在机外环境中；如现场加工的主振频率成分与机外干扰力频率不一致，则需继续进行空运转试验。机械加工振动的诊断技术强迫振动的诊断方法和诊断步骤做空运转试验查找机内振源机床按加工现场所用运动参数进行运转，但不对工件进行加工。采用相同的办法拾取振动信号，进行频谱分析，确定干扰力源的频率成分，并与机床加工时测得的振动频率成分进行对比。结论判断：除已查明的机外干扰力源的频率成分之外，如两者完全相同，则可判定现场加工中产生的振动属于强迫振动，且干扰力源在机床内部。机械加工振动的诊断技术强迫振动的诊断方法和诊断步骤做空运转试验查找机内振源机床按加工现场所用运动参数进行运转，但不对工件进行加工。采用相同的办法拾取振动信号，进行频谱分析，确定干扰力源的频率成分，并与机床加工时测得的振动频率成分进行对比。结论判断：除已查明的机外干扰力源的频率成分之外，如两者完全相同，则可判定现场加工中产生的振动属于强迫振动，且干扰力源在机床内部。机械加工振动的诊断技术强迫振动的诊断方法和诊断步骤查找干扰力源如果干扰力源在机床内部，还应查找其具体位置。可采用分别单独驱动机床各运动部件，进行空运转试验，查找振源的具体位置。限制：部分机床（如车床，除电动机可单独驱动外，其余运动部件通常不可）无法实现此功能。此时需针对所有潜在振源运动部件，依据转速、齿轮齿数等参数算得频率，再与机内振源频率比对，以确定其位置。机械加工振动的控制措施01消除或减弱产生机械振动的条件减小机内外干扰力的幅值高速旋转零件必须进行平衡，如磨床的砂轮、车床的卡盘及高速旋转的齿轮等。尽量减少传动机构的缺陷，设法提高带传动、链传动、齿轮传动及其他传动装置的稳定性。机械加工振动的控制措施01消除或减弱产生机械振动的条件减小机内外干扰力的幅值对于高精度机床，应尽量少用或不用齿轮、平带等可能成为振源的传动元件，并使动力源（尤其是液压系统）与机床本体分离，放在另一个地基基础上。对于往复运动部件，应采用较平稳的换向机构。在条件允许的情况下，适当降低换向速度及减小往复运动件的质量，以减小惯性力。机械加工振动的控制措施01消除或减弱产生机械振动的条件适当调整振源的频率在选择转速时，应使可能引起强迫振动的振源频率f远离机床加工系统薄弱模态的固有频率fn，一般应满足:

机械加工振动的控制措施01消除或减弱产生机械振动的条件采取隔振措施主动隔振，以阻止机床振源通过地基外传；被动隔振，能阻止机外干扰力通过地基传给机床。常用的隔振材料有橡皮、金属弹簧、空气弹簧、泡沫乳胶、软木、矿渣棉、木屑等。中小型机床多用橡皮衬垫，而重型机床多用金属弹簧或空气弹簧。机械加工振动的控制措施02消除或减弱产生自激振动的条件合理选择切削用量合理选择刀具几何参数增加切削阻尼机械加工振动的控制措施03增强工艺系统抗振性和稳定性的措施提高工艺系统的刚度提高工艺系统的刚度，可以有效地改善工艺系统的抗振性和稳定性。在增强工艺系统刚度的同时，应尽量减小构件自身的质量。应把“以最小的质量获得最大的刚度”作为结构设计的一个重要原则。机械加工振动的控制措施03增强工艺系统抗振性和稳定性的措施增大工艺索统的阻尼工艺系统的阻尼主要来自零部件材料的内阻尼、结合面上的摩擦阻尼及其他附加阻尼。材料的内阻尼是指由材料的内摩擦而产生的阻尼，不同材料的内阻尼是不同的。因铸铁的内阻尼比钢大，所以机床上的床身、立柱等大型支承件常用铸铁制造。机械加工振动的控制措施03增强工艺系统抗振性和稳定性的措施增大工艺索统的阻尼除了选用内阻尼较大的材料制造外，还可以把高阻尼材料附加到零件上。机械加工振动的控制措施03增强工艺系统抗振性和稳定性的措施增大工艺索统的阻尼机床阻尼大多来自零、部件结合面间的摩擦阻尼，有时它可占总阻尼的90%，应通过各种途径加大结合面间的摩擦阻尼。对于机床的活动结合面，应当注意调整其间隙，必要时可施加预紧力，以增大摩擦阻尼。机械加工振动的控制措施03增强工艺系统抗振性和稳定性的措施增大工艺索统的阻尼实验证明：滚动轴承在无预加载荷作用有间隙的情况下工作，其阻尼比为0.01-0.02；当有预加载荷而无间隙时，阻尼比可提高到0.02-0.03。对于机床的固定结合面，要求适当选择加工方法、表面粗糙度等级及结合面上的比压，结合面的固定方式也有很大影响。机械加工振动的控制措施04采用各种消振、减振装置如果不能从根本上消除产生切削振动的条件，又无法有效地提高工艺系统的动态特性时，为保证必要的加工质量和生产率，可以采用消振、减振装置。机械加工振动的控制措施04采用各种消振、减振装置动力减振器将弹性元件k2和附加质量m2连接到主振系统m1、k1，利用附加质量的动力作用，使其加到主振系统上的作用力（或力矩）与激振力（或力矩）大小相等、方向相反，从而达到抑制主振系统振动的目的。机械加工振动的控制措施04采用各种消振、减振装置摩擦减振器摩擦减振器利用摩擦阻尼来消散振动能量。如图所示为一个装在车床尾座上的摩擦减振器，它靠填料圈的摩擦阻尼减小振动。机械加工振动的控制措施04采用各种消振、减振装置冲击式减振器利用两物体相互碰撞要损失动能的原理，在振动体M上装上一个起冲击作用的自由质量（冲击块）m。系统以x=Asinwt振动时，自由质量将反复冲击振动体，以消散振动能量，达到减振的目的。机械加工振动的控制措施04采用各种消振、减振装置冲击式减振器为获得最有利的碰撞条件，要求振动体M和冲击块m都能以其最大速度运动时发生相互碰撞，这样才能得到最大的动能损耗。机械加工振动的控制措施04采用各种消振、减振装置