機械制造工藝學(xué)5

第五節(jié)機械加工中的振動及其控制措施本節(jié)內(nèi)容一、機械加工中的強迫振動二、自激振動及其控制機械制造工藝學(xué)機械加工過程中振動的危害1、振動頻率較高時會產(chǎn)生微觀不平度，振動頻率較

低時會產(chǎn)生波度，降低工件的加工精度，影響加工表面粗糙度；2、振動使加工系統(tǒng)持續(xù)承受動態(tài)交變載荷作用，加

速刀具、磨具的磨損，易引起崩刃；3、振動使機床、夾具零部件的聯(lián)接松動，間隙加大，接觸剛度減小，精度降低，縮短使用壽命；4、振動一旦產(chǎn)生，就要減小切削用量，使得機床、

刀具的性能得不到充分發(fā)揮，影響生產(chǎn)效率；5、產(chǎn)生噪聲污染，危害操作者健康。機械制造工藝學(xué)三種基本類型強迫振動（30%）自由振動自激振動（65%）機械加工過程中振動的類型機械制造工藝學(xué)自由振動

工藝系統(tǒng)受到初始干擾力的激勵而引起的振動，靠彈性恢復(fù)力來維持。由于系統(tǒng)中存在阻尼，自由振動將逐漸衰弱，對加工影響不大。機械制造工藝學(xué)a、有阻尼的自由振動b、強迫振動c、有阻尼的自由振動和強迫振動的合成一、機械加工中的強迫振動由工藝系統(tǒng)內(nèi)部或外部周期交變激振力(干擾力)持續(xù)作用下被迫產(chǎn)生的振動。（一）產(chǎn)生原因內(nèi)部振源外部振源機床高速回轉(zhuǎn)零部件的不平衡（回轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量偏心產(chǎn)生離心力）切削過程本身的不平衡（往復(fù)部件、斷續(xù)切削時的沖擊等）機床傳動系統(tǒng)制造誤差和缺陷（齒輪嚙合的周期性沖擊、皮帶接縫、軸承滾動體尺寸及形狀誤差、液壓傳動油液脈動等）機械制造工藝學(xué)其他機床、鍛錘、火車、卡車等通過機床地基傳給機床的振動。機械制造工藝學(xué)強迫振動力學(xué)模型下圖是安裝在簡支梁上的電動機，以w的角速度旋轉(zhuǎn)，假如電機轉(zhuǎn)子不平衡而產(chǎn)生離心力Po

,則Po沿X方向的分力Px（Px=Pocoswt），就是簡支梁的外界周期性干擾力。在這一激振力作用下，簡支梁將作不衰減的振動?！?/p>

強迫振動的運動方程★

內(nèi)圓磨削振動系統(tǒng)及力學(xué)模型機械制造工藝學(xué)（二）強迫振動的主要特點1、由外界周期性干擾力引起，不會被阻尼衰減掉，振動本身也不能使激振力變化；2、不管系統(tǒng)本身固有頻率如何，強迫振動的頻率總是與外界干擾力的頻率相同，或是干擾力頻率的整數(shù)倍；3、振幅大小很大程度取決于干擾力頻率與系統(tǒng)的固有頻率的比值，當比值等于或接近1時，振幅最大，稱為“共振”；4、振幅大小與系統(tǒng)剛度、阻尼系數(shù)、干擾力有關(guān)。機械制造工藝學(xué)（三）減小強迫振動的措施和途徑機械制造工藝學(xué)式中f

和fn分別為振源頻率和系統(tǒng)固有頻率

常用隔振材料有橡皮、金屬彈簧、空氣彈簧、泡沫乳膠、軟木、礦渣棉、木屑等。一般要求：1、減小振源的激振力，調(diào)整振源頻率；2、提高工藝系統(tǒng)剛度及增加阻尼，避開共振區(qū)；3、隔振；4、采用減振器和阻尼器。

主動隔振—阻止機床振動通過地基外傳被動隔振—阻止機外干擾力通過地基傳給機床二、、自自激激振振動動及其其控控制制（一一））自激激振振動動的概概念念在沒沒有有周周期期性性外力力(相對對于于切切削削過過程程而而言言)作用用下下，，由振振動動系系統(tǒng)統(tǒng)本本身身產(chǎn)產(chǎn)生生的的交交變變力力激激發(fā)發(fā)和和維維持持的的振振動動。。機械械制制造造工工藝藝學(xué)學(xué)電動機(能源)交變切削力F(t)振動位移X(t)自激振動閉環(huán)系統(tǒng)機床振動系統(tǒng)（彈性環(huán)節(jié)）調(diào)節(jié)系統(tǒng)（切削過程）機床床加工工系系統(tǒng)統(tǒng)是一一個個由由振動動系系統(tǒng)統(tǒng)和調(diào)節(jié)節(jié)系系統(tǒng)統(tǒng)組成成的的閉閉環(huán)環(huán)系系統(tǒng)統(tǒng)，，激激勵勵加工工系系統(tǒng)統(tǒng)產(chǎn)生生振動動運動動的的交變變切切削削力力是由由切削削運動動本身身產(chǎn)生生的的。。振動動系系統(tǒng)統(tǒng)通過過該力的的變變化化，，從從不不具具備備交交變變特特性性的的能能源源中中周周期期性性地獲得得補補充充能能量量，，從從而而維維持持這這個個振振動動。。切削削運運動動一一停停止止，則則這這種種外外力力的的周周期期性性變變化化和和能能量量的的補補充充過過程程都都立立即即停停止止，自激激振振動動也隨之之消消失失。工藝藝系系統(tǒng)統(tǒng)中中維持持自自激激振振動動的的能能量量來自自機機床床電動動機機，電電動動機機除除了了供供給給切切除除切切屑屑的的能能量量外外，，還還通通過過切切削削過過程程把把能能量量輸輸給給振振動動系系統(tǒng)統(tǒng)，，使使工工藝藝系系統(tǒng)統(tǒng)產(chǎn)產(chǎn)生生振振動動運動動。機械械制制造造工工藝藝學(xué)學(xué)自激激振振動動的的特特點點1、、機械械加加工工中中的的自自激激振振動動是是在在沒有有周周期期性性外外力力(相對于于切切削削過過程程而而言言)干干擾擾下下所所產(chǎn)產(chǎn)生生的的振振動動運運動動；2、、自自激激振振動動是是一一種種不衰衰減減的的振振動動；3、、自自激激振振動動的的頻率率等等于于或或接接近近于于系系統(tǒng)統(tǒng)的的固固有有頻頻率率；4、、自自激激振振動動能能否否產(chǎn)產(chǎn)生生及及振振幅幅的大大小小取取決決于于振振動動系系統(tǒng)統(tǒng)在在每一一個個周周期期內(nèi)內(nèi)獲獲得得和和消消耗耗的能能量量對對比比情情況況。。當獲獲得得的能能量量小小于于消消耗耗的的能能量量，則自激激振振動動停停止止。機械械制制造造工工藝藝學(xué)學(xué)自激振動系統(tǒng)能量關(guān)系A(chǔ)BC能量QE－E＋0振幅E機械械制制造造工工藝藝學(xué)學(xué)1、、再生生效效應(yīng)應(yīng)自激振動原理理切削削中因因偶然然干干擾擾，，使使加加工工系系統(tǒng)統(tǒng)產(chǎn)產(chǎn)生生振振動動并并在在加加工工表表面面留留下下振振紋紋。。再次走走刀刀時時，，因重重疊疊部部分分的振振紋紋使使切切削削深度發(fā)發(fā)生生變變化化，，導(dǎo)導(dǎo)致致切切削削力力周周期期性性改變，，產(chǎn)產(chǎn)生生自自激激振振動動。這種種因切削削深度變變化化（（簡簡稱稱再再生生效效應(yīng)應(yīng)））而而引引起起的的自激激振振動動稱為為再生生效效應(yīng)應(yīng)自激激振振動動。車削、、銑削、、刨削、、鉆削、、磨削等等均均不例例外外。。（二二））產(chǎn)產(chǎn)生生自自激激振振動動的的幾幾種種學(xué)學(xué)說說一般般情況況下下，0＜＜μ＜1；無重迭迭時，μ=0前后后兩兩次次走走刀刀完完全全重迭迭時，μ=1重迭迭系系數(shù)數(shù)：前一一次次切切削削工工件件表表面面形形成成的的波波紋紋面面寬寬度度在在相相繼繼的的后后一一次次切切削削的的有有效效寬寬度度中中所所占占的的比比例例，，用用μμ表表示示：μ=（（B－－f）/B，，B——切削削寬寬度度，f—進給給量量◆重疊疊系系數(shù)數(shù)對對再生生效效應(yīng)應(yīng)自激振動的影影響響重疊疊系系數(shù)數(shù)越越大大，，越越容容易易產(chǎn)產(chǎn)生生自自激激振振動動。。機械械制制造造工工藝藝學(xué)學(xué)機械械制制造造工工藝藝學(xué)學(xué)◆產(chǎn)生再生效應(yīng)應(yīng)自激振動動的條件件

再生效應(yīng)自激振動原理f切入切出y0ya）b）φy0y切入切出fc）φfy0y切入切出d）切入切出fy0yφa）前后后兩轉(zhuǎn)的的振紋沒沒有相位差（（φ=0）b）前后后兩轉(zhuǎn)的的振紋相相位差為（φ=π）c）后一一轉(zhuǎn)振紋紋相位超超前圖a）b））c）系系統(tǒng)均無能量獲獲得；d）后一轉(zhuǎn)振振紋相位位滯后圖d）y滯后于y0，即-π<φ<0，此時切出半周周比切入入半周中中的平均均切削厚厚度大，，切出時時切削力力所作正正功（獲獲得能量量）大于于切入時時所作負負功，系統(tǒng)有能能量獲得得，產(chǎn)生自激激振動。如圖用刃寬小小于螺距距的寬刀刀縱車方牙牙螺紋的的外圓表表面，刀刀具并未未發(fā)生重重疊切削削，從原理上排除產(chǎn)生再生效應(yīng)應(yīng)自激振動的可能性性。但在實際際加工中中，當切切削深度度達到一一定值時時，仍會會發(fā)生自激振動，這種振動動稱為““振型耦合合自激振動”。2、振型耦合合自激振動原理機械制造造工藝學(xué)學(xué)機械制造造工藝學(xué)學(xué)振動系統(tǒng)統(tǒng)實際上上都是多自由度度的，下圖將機床刀架簡簡化為具有兩個自由度的振動系統(tǒng)統(tǒng)，用相互垂垂直的剛度分別為k1、k2兩組彈簧簧支撐，彈簧軸線x1、x2稱為剛度主軸軸。假定工工件為絕絕對剛體體，主振系統(tǒng)統(tǒng)是刀具具部件。振型耦合合自激振動原理質(zhì)量m的刀具部件以ω的頻率振振動時，，則質(zhì)量m在x1、x2兩個方向向上以不不同的振振幅和相相位進行行振動。①當k1=k2，x1與x2無相位差差，刀尖的的運動軌跡為直直線，系統(tǒng)無能量輸輸入；②當k1＞k2，x1超前x2，刀尖的運運動軌跡A→D→→C→B→A為封閉橢圓E，切入半半周內(nèi)的的平均切切削厚度度比切出出半周內(nèi)內(nèi)的大，，系統(tǒng)無無能量輸輸入；③當k1＜k2，x1滯后于x2，刀尖的運動動軌跡為一順順時針方向向的橢圓，即：：A→B→C→D→A。此時，切切入半周內(nèi)內(nèi)的平均切切削厚度比比切出半周周內(nèi)的小，系統(tǒng)有能量獲得得，振動得以維持。機械制造工工藝學(xué)ACBEDFp

/N切削速度對吃刀抗力Fp的影響3、負摩擦自自激振動原理切削塑性材材料時，吃刀抗力Fp自某一速度度開始隨切切削速度增增加而下降降。在此區(qū)區(qū)域，極易易引起自激振動。機械制造工工藝學(xué)機械制造工工藝學(xué)負摩擦自激振動原理Fp主要取決于于切屑與刀刀具相對運運動所產(chǎn)生生的摩擦力力。切削過程若有有振動，切入半周期期切削速度高高→Fp小→切入半周切削力所所作負功小小于切出半半周期切削力所作作正功，系統(tǒng)有能量輸入，，振動得以維持。Fp主要由摩擦擦引起，故故將切削速速度增高導(dǎo)導(dǎo)致摩擦力力下降的特性稱為為負摩擦特性性。由切削力的滯后引起，，故稱為滯后型自激振動。由于存在慣性和阻尼，作用在刀具上上的切削力力滯后主振振動系統(tǒng)運動動。振入過程實實際切削厚厚度小于名義值→Fp小→切入半周期切削力所作作負功小于于切出半周切削力所所作正功，，系統(tǒng)有能量輸入，振振動得以維持。vFpkc動力學(xué)模型振出振入xFpFp與x關(guān)系4、切削力滯滯后自激振動原理機械制造工工藝學(xué)（三）控制制自激振動動的途徑1、合理選擇擇切削用量量機械制造工工藝學(xué)采用低速或或高速切削削。增大進給量量、減小切切削深度（吃刀量））。2、合理選擇擇刀具的幾幾何參數(shù)機械制造工工藝學(xué)前角↑→振幅↓；切削速度度高時，前角對振動影響減弱。。主偏角↑→切削力↓振幅↓，90°時振幅最小。后角↓→振幅↓，一般取2°~3°；太小時反而會引起振動。刀尖圓角半半徑↑→切削力↑，應(yīng)使刀尖尖圓角半徑↓；但太小時時刀具耐用用度降低，，表面粗糙糙度值增大。

切削或磨削的重疊系數(shù)apfaB振動方向XDfbbda）切削b）磨削κrκr，◆減小切削或或磨削時的的重疊系數(shù)數(shù)機械制造工工藝學(xué)增加主偏角角增大進給量量★提高機床尾頂尖的動剛度機械制造工工藝學(xué)3、提高工藝藝系統(tǒng)的抗抗振性◆提高機床的抗振振性主要是提高高機床零件件間的接觸觸剛度和接接觸阻尼。?！镎{(diào)整振動系統(tǒng)小剛度度主軸的位位置機械制造工工藝學(xué)考慮振型耦耦合影響，，合理布置置主切削力力和小剛度度主軸的位置。兩種尾座座結(jié)構(gòu)：（a）振動系統(tǒng)的的小剛度主主軸x1位于切削力力F與y軸之間時，，容易產(chǎn)生自自振。（b）抗振。ab

兩種尾座結(jié)構(gòu)βx2x2x1x1x1x1x2x2αβαFFyy機械制造工工藝學(xué)◆提高刀具的抗振振性刀具應(yīng)有較較高的彎曲曲和扭曲剛剛度，高的的阻尼系數(shù)和彈性性模數(shù)。

車刀消振棱0.1～0.3-5°～-20°2°～3°★增加切削阻阻尼（例采采用倒棱車車刀）減小刀具后后角，可增增大摩擦阻阻尼，切削削穩(wěn)定性提提高，但不不能太小，以2～3度為好。。也可在后后刀面上磨磨出消振棱棱。阻尼材料鑄鐵環(huán)鑄鐵套筒

工件上加阻尼材料★工件上加阻尼材料機械制造工工藝學(xué)◆提高工件安裝剛剛度★細長軸切削中，可使用中中心架或跟跟刀架。圖4－53削削扁鏜桿桿鏜孔★采用削扁鏜桿機械制造工工藝學(xué)◆0°＜α＜60°鏜孔時，系統(tǒng)最不穩(wěn)穩(wěn)定，產(chǎn)生激烈振動；◆115°＜α＜150°鏜孔時，系統(tǒng)最穩(wěn)定定，不易出現(xiàn)振動。4、合理調(diào)調(diào)整振型的的剛性比及及其組合車床上車刀刀裝在水平平面上穩(wěn)定定性最差；；車刀裝在60度的方方位上，穩(wěn)穩(wěn)定性最好好。機械制造工工藝學(xué)★調(diào)整刀具安裝位置，提高穩(wěn)定定性通過阻尼作作用，將振振動能量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為熱能能消耗掉，，實現(xiàn)減振振的目的。。5、采用減減振裝置（（阻尼器、、吸振器））機械制造工工藝學(xué)2）阻尼器的原理及應(yīng)用①固體摩擦阻尼器②液體摩擦阻尼器③電磁阻尼器機械制造工工藝學(xué)★阻尼器的應(yīng)應(yīng)用機械制造工工藝學(xué)2）吸振器的原理及應(yīng)用①動力式吸振器②沖擊式吸振器通過彈性元元件把一個個附加質(zhì)量連接到振動動系統(tǒng)上，，利用附加質(zhì)量在振動系統(tǒng)統(tǒng)激勵下發(fā)發(fā)生振動的的動力作用用來抵消系系統(tǒng)的激振振力。及動力學(xué)模型型★動力式吸振器機械制造工工藝學(xué)★動力式吸振振器及動力學(xué)模模型機械制造工工藝學(xué)★沖擊式吸振振器的應(yīng)用★沖擊式吸振振器及動力學(xué)模模型式中:T—振動體M的振動動周期A—振動體體M的的振幅幅機械制制造工工藝學(xué)學(xué)5、采采用變速切削機械制制造工工藝學(xué)學(xué)抑制