07 工艺系统的振动.ppt

1、第1页,现代制造工艺理论第六章 工艺系统的振动,引言,振动是物体的往复运动，是物体运动的一种形式 研究工艺系统振动的目的和内容 对象：工艺系统，即研究工艺系统的往复运动 原因：振动对工艺系统造成影响 规律：工艺系统振动有什么规律 应用：控制和避免工艺系统的振动 基础：振动理论,第2页,振动基础,振动研究物体往复运动性质和规律 振动研究模型 物体模型：质量 m、阻尼 c、弹簧 K 往复运动：位移 x(t)，速度 ，加速度 边界条件：外力P(t) 根据瞬时受力平衡的原理，建立以下方程： 若P(t)= p cost，则该方程的特解为 x(t) = A cos(t ),第3页,振动对工艺系统的影响,振

2、动现象是机械加工过程中客观存在的现象，是有害的 工艺系统振动：刀具、工件、夹具、机床 加工质量：刀具在工件表面产生振痕，表面质量下降 切削不平稳：工艺系统抖动，动载荷和冲击 磨损加剧：刀具磨损、机床磨损 破坏工艺系统：连接松动，夹具、机床 高频振动时的噪声污染 为避免发生振动或减小振动，降低切削用量，限制生产率高速切削：国外600m/min，国内200m/min ,第4页,机械加工振动,三类典型的振动 自由振动：外界干扰引发系统振动，在阻尼的作用下，振动衰减 强迫振动：外界周期性干扰作用下的系统振动 自激振动：外界干扰引发振动，但振动不衰减,第5页,方程式：,特解：,方程式：,特解：,振幅指数

3、衰减，决定于系统本体,系统振动滞后，决定于外界干扰,1.工艺系统的自由振动,引起原因：材料硬度不均匀，工件表面有缺陷切削力瞬时变化 根据阻尼大小不同，系统的运行分为几种情形： 0，过阻尼，不产生振动 =0，临界阻尼，无振动发生 0，欠阻尼，产生指数衰减振动 =0，无阻尼，振动将持续,第6页,衰减指数,固有频率,通解为：,从能量的角度来分析振动,2. 工艺系统的强迫振动,强迫振动与自由振动的区别 外界一直存在一种周期性的干扰 工艺系统振动将一直持续,第7页,工艺系统的简化模型,强迫振动的基本规律,设外界干扰力P(t)= Pcost,第8页,定性分析,振动方程：,特解：,其中：,强迫振动的幅频特性

4、,动力放大系数 强迫振动的振幅与系统静位移的比值,第9页,强迫振动幅频特性曲线,强迫振动的幅频特性,当=0时，即干扰频率为零时，系统不振动，只有静位移 ，=1 当=1时，在无阻尼情况下（0），振幅趋向于无穷大 当1时，0，表明当干扰力频率很高，振动系统由于本身惯性来不及跟上，故系统不振动 增大，可显著降低共振时的放大系数，使max左移 当= 时， max位于=0处，这时 max =1 ，而为其它值时，1，说明动态振幅小于静态位移。,第10页,准静态区 共振区 惯性区,强迫振动的相频特性,强迫振动的相频特性曲线 总是正值强迫振动的位移变化总是滞后于干扰力的相位一个 角 共振时相位角= /2 ，这

5、时相位差与阻尼大小无关，这是共振的一个重要特性 当1时， /2 ,称为“反相”现象 =0时，无阻尼，相频曲线为一直角折线,第11页,系统的动刚度,静刚度：静力与静位移之比 系统的动态刚度：在振动情况下，系统在周期性动载荷作用下，交变力的幅值与振幅（动态位移）之比 当=0 即=0时，动载荷转化为静载荷，动刚度=静刚度 当=1即 =0 共振时，动刚度出现最小值 在相同的条件下，随着阻尼比增大，系统的动刚度增大,第12页,系统的动刚度：与动载荷的频率及系统的阻尼比有关,机械加工中的强迫振动的振源,强迫振动产生的振源：外部振源和内部振源 外部振源：邻近设备的振动通过地基传输激起工艺系统的振动 内部振源

6、：机床方面 回转零件的不平衡：高速回转时产生的离心力 传动机构的缺陷：制造不精确或安装不良的齿轮 往复机构的振动：高速运动的换向冲击、低速运动的爬行产生的动载荷 内部振源：刀具方面 多刃、多齿刀具切削时，高度误差和切削的不连续 内部振源：工件方面 工件加工余量不均匀，切削力变化 高速回转的工件不平衡，产生交变切削力 加工断续表面,第13页,强迫振动振源的识别,工艺系统强迫振动的识别 主要依据：强迫振动的频率与振源的频率相同或是它的整数倍 大致步骤： 切削加工：在加工部位附近的振动敏感方向，测加工过程的振动信号 加工停机，对振动信号作频谱分析 查外部振源：在机床停止的状态下，测振动信号、频谱分析

7、 空转试验查内部振源：机床空运转，测振动信号、频谱分析 频谱比较，确定振源 根据不同的振源，采取相应的控制措施,第14页,强迫振动的控制方法,第15页,外部振源,工艺系统,消振,隔振,阻振,改结构,吸振,消振：消除或减弱振源，或者抵消振动 隔振：隔断振源与工艺系统的传递通道 吸振：附加一个子系统（如冲击减震器），吸收振动的能量 阻振：附加阻尼器或阻尼元件，吸收振动的能量 改结构：修改系统的动力学特性参数，如质量及其分布,3. 自激振动,自激振动的特征 是在没有周期性外力干扰下所产生的振动运动 自激振动的频率接近于机床加工系统薄弱环节的固有频率 自激振动不因机床加工系统有阻尼而迅速衰减为零,第1

8、6页,自激振动也称为颤振,自激振动的产生条件负阻尼,自激振动与自由振动：均无外部周期性的干扰力 自由振动公式与通解： 自由振动解的分析 0，过阻尼，不产生振动 =0，临界阻尼，无振动发生 00，欠阻尼，系统产生振动，并指数衰减 自激振动条件：0，即c0（相当于负阻尼）时，振幅将逐渐增大，但到达一定程度后，系统达到平衡,第17页,衰减指数,固有频率,通解为：,摩擦降低特性引起的自激振动,摩擦型：切削速度方向上刀具与工件之间的相互摩擦所引起 摩擦系数是相对运动速度的函数，即,第18页,产生自激振动的条件是：,摩擦系数随切削速度下降的特性将可能引起自激振动,刀具工作角度和切削力下降特性引起的自激振动

9、,刀具工作角度的变化产生自激振动 刀具与工件的相对速度 相对速度变化刀具工作角度的变化切削力动态的变化 切削速度增大时切削力的下降特性引发的自激振动,第19页,当,且,时，发生自激振动,自激振动的产生条件能量有余,第20页,在切削力Fy作用下，刀具向外作振出运动y振出,振动系统从切削过程中吸收一部分能量W振出,振入运动,振出运动,刀架的振入运动是在弹性恢复力作用下产生,是振动系统对切削过程作功，即消耗能量W振入,1. W振出W振入，系统将不会有持续的振动,2. W振出=W振入，系统将不会有持续的振动,3. W振出W振入，系统将有持续的振动产生,A. W振出=W振入 +W摩阻 ，稳幅振动,B.

10、W振出W振入 +W摩阻 ，振动增加到新平衡,C. W振出W振入 +W摩阻 ，振动衰减到新平衡,自激振动机理再生效应,进给量小，切削刃宽，存在重复切削：如磨削 当切削过程受到一个瞬时扰动作用产生振动，并在阻尼作用下衰减，会在工件表面上留下一段振纹；当工件转一转后，刀具会在留有振纹的表面上重复切削，从而产生动态切削力。如果满足条件，则形成自激振动,第21页,产生振纹,重复切削,自激振动,再生效应,振动滞后一个相位角振出吸收能量与振入消耗能量之间的差异 相位角在0180o范围时，振出阶段的切屑截面要大于振入阶段的切屑截面，满足自激振动的条件。 切削厚度变化产生振源，为振动系统提供能量,第22页,振出

11、时吸收的能量,振入时消耗的能量,再生型自激振动,由于上次切削所形成的振纹与本次切削的振动位移之间的相位差导致刀具切削厚度的不同而引起的颤振，又称为切削厚度变化效应,第23页,K，C为切削过程的切削刚度和切削阻尼 为相邻两次切削的时间间隔 f(t)为动态切削力,所谓再生是指：动态切削力f(t)是由相邻两次切削振动x(t)与x(t- )的相位差（即动态切削厚度）的不同而引起的，其中：,是切削厚度的再生效应 是切入率的再生效应,自激振动的机理振型耦合,振型耦合是由于振动系统在两个方向上的刚度相接近导致两个固有振型相接近（即耦合）时而引起的自激振动,第24页,不同相位差振动系统的振动轨迹,椭圆形曲线的旋向是顺时针的，则在刀具从A到B作振入运动时，切削厚度较薄；而在刀具从B向A作振出运动时，切削厚度大，因此W振出W振入，满足产生自激振动的条件,自激振动的识别,自激振动的振动频率接近于机床加工系统某一主