第七章 第四节 机械加工中的振动

第七章机械加工表面质量04【机械加工中的振动】机械加工中的振动一、机械加工中的振动现象1.振动对机械加工的影响机械加工过程中,在工件和刀具之间常常产生振动。产生振动时，工艺系统的正常切削过程便受到干扰和破坏,从而使零件加工表面出现振纹,降低了零件的加工精度和表面质量。强烈的振动会使切削过程无法进行,甚至会引起刀具崩刃打刀现象。振动的产生加速了刀具或砂轮的磨损,使机床连接部分松动,影响运动副的工作性能,并导致机床丧失精度。此外,强烈的振动及伴随而来的噪声，还会污染环境,危害操作者的身心健康。尤其对于高速回转的零件和大切削用量的加工方法,振动更是一种限制生产率提高的重要障碍。机械加工中的振动2.机械加工中振动的种类及其主要特点(1)自由振动

当振动系统受到初始干扰力激励破坏了其平衡状态后,去掉激励或约束之后所出现的振动,称为自由振动。机械加工工程中的自由振动往往是由于切削力的突然变化或其他外界力的冲击等原因所引起的。这种振动一般可以迅速衰减,因此对机械加工过程的影响较小。(2)受迫振动

外界的周期性激励所激起的稳态振动称为受迫振动。受迫振动的稳态过程是简谐振动,只要有激振力存在振动系统就不会被阻尼衰减掉。(3)自激振动系统在一定条件下，没有外界交变干扰力,而由振动系统吸收了非震荡的能量转化产生的交变力维持的一种稳定的周期性振动称为自激振动。切削过程中产生的自激振动也称为颤振。机械加工中的振动二、机械加工过程中的受迫振动1.受迫振动产生的原因(1)系统外部的周期性干扰力

如机床附近的振动源经过地基传入正进行加工的机床,从而引起工艺系统的振动。(2)机床运动零件的惯性力

如电动机皮带轮、齿轮、传动轴、砂轮等的质量偏心在高速回转时产生离心力,往复运动部件换向时的冲击等都将成为引起振动的激振力。(3)机床传动件的缺陷

如齿轮啮合时的冲击、平带接头、滚动轴承滚动体的误差、液压系统中的冲击现象等均可能引起振动。(4)切削过程的不连续

如铣、拉、滚齿等加工,将导致切削力的周期性改变,从而产生振动。机械加工中的振动2.受迫振动的特性受迫振动的稳态过程是简谐振动，只要有激振力存在,振动系统就不会被阻尼衰减掉。它的频率总是与外界激振力的频率相同,而与系统的固有频率无关。它的振幅A取决于激振力F、阻尼比ζ和频率比λ。三、自激振动切削加工时,在没有周期性外力作用的情况下，有时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，通常也称为颤振。机械加工中的振动1.自激振动的产生条件实际切削过程中,工艺系统受到干扰力作用产生自由振动后,必然要引起刀具和工件相对位置的变化,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。机械加工中的振动2.自激振动的特性(1)自激振动的频率等于或接近系统的固有频率,即由系统本身的参数所决定。(2)自激振动是由外部激振力的偶然触发而产生的一种不衰减运动,但维持振动所需的交变力是由振动过程本身产生的,在切削过程中，停止切削运动,交变力也随之消失,自激振动也就停止。(3)自激振动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,自激振动系统维持稳定振动的条件是,在一个振动周期内,从能源输入到系统的能量(E+)等于系统阻尼所消耗的能量(E-)。如果吸收能量大于消耗能量，则振动会不断加强;如果吸收能量小于消耗能量,则振动将不断衰减而被抑制。四、机械加工中振动的控制机械加工中控制振动的途径有4个方面:1）消除或减弱产生振动的条件;2）改善I艺系统的3）动态特性,增强工艺系统的稳定性;4）采用各种消振减振装置。1.消除或减弱产生受迫振动的条件(1)受迫振动的诊断方法(2)消除或减弱产生受迫振动的条件机械加工中的振动机械加工中的振动2.消除或减弱产生自激振动的条件(1)合理选择切削用量如图6-16所示是切削速度与振幅的关系曲线。从图中可看出，在低速或高速切削时，振动较小。如图6-17和图6-18所示是切削进给量和切削深度与振幅的关系曲线。它们表明,选较大的进给量和较小的切削深度有利于减小振动。(2)合理选择刀具几何参数

刀具几何参数中对振动影响最大的是主偏角r,和前角Y。。主偏角K,增大,则垂直于加工表面方向的切削分力F,减小，实际切削宽度减小，故不易产生自振。如图6-19所示，K,=90°时,振幅最小，r,>90°,振幅增大。前角r。越大,切削力越小，振幅也越小,如图6-20所示。机械加工中的振动(3)增加切削阻尼.

适当减小刀具后角(ao=2°~3°),可以增大工件和刀具后刀面之间的摩擦阻尼;还可在后刀面上磨出带有负后角的消振棱,如图6-21所示。机械加工中的振动3.增强工艺系统抗振性和稳定性的措施(1)提高工艺系统的刚度首先要提高工艺系统薄弱环节的刚度,合理配置刚度主轴的位置,使小刚度主轴位于切削力和加工表面法线方向的夹角范围之外。如调整主轴系统、进给系统的间隙,合理改变机床的结构，减小工件和刀具安装中的悬伸长度，车刀反装切削以及如图6-22所示削扁镗杆等。其次是减轻工艺系统中各构件的质量,因为质量小的构件在受动载荷作用时惯性力小。机械加工中的振动(2)增大系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以及其他附加阻尼。要增大系统的阻尼,可选用阻尼比大的材料制造零件;还可把高阻尼的材料加到零件上去,如图6-23所示的薄壁封砂的床身结构,可提高抗振性。其次是增加摩擦阻尼,机床阻尼大多来自零部件结合面的摩擦阻尼,有时可占到总阻尼的90%。对于机床的活动结合面，要注意间隙调整,必要时施加预紧力增大摩擦;对于固定结合面,选用合理的加工方法、表面粗糙度等级、结合面上的比压以及固定方式等来增加摩擦阻尼。机械加工中的振动4.采用各种消振减振装置如果不能从根本.上消除产生机械振动的条件,又不能有效地提高工艺系统的动态特性,为保证加工质量和生产率,就要采用消振减振装置。按工作原理的不同,常用的减振装置分为以下三类:(1)摩擦式减振器

它是利用固体或液体的摩擦阻尼来消耗振动的能量的。在机床主轴系统中附加阻尼碱振器,如图6-24所示。它相当于-个间隙很大的滑动轴承，通过阻尼套和主轴间隙中的粘性油的阻尼作用来减振。(2)动力式减振器

它是用弹性元件把一一个附加质量块连接到振动系统中,利用附加质量的动力作用,使弹性元件加在系统上的力与系统的激振力相抵消。(3)冲