金屬切削理論 切削振動

金屬切削理論教學(xué)討論題

第六組切削振動組前言機械加工過程產(chǎn)生的振動非常復(fù)雜，需要根據(jù)不同情況綜合分析原因，采取措施加以消除和控制，以保證加工工件的質(zhì)量要求，提高生產(chǎn)率，提高機床的使用壽命并創(chuàng)造良好工作環(huán)境。1機械加工中的振動的危害（1）對工件質(zhì)量的危害

加工過程中的振動降低了加工表面的質(zhì)量，引起加工表面的振動波紋，表面粗糙度值增大。它還會使工件和刀具之間產(chǎn)生相對位移，影響正常的運動軌跡。這樣，就降低了工件的尺寸和形位精度。（2）對機床及工裝夾具的危害振動使機床及夾具的運動元件之間松動，間隙增大，加快了機床及夾具零件的磨損，造成機床及夾具精度下降，影響切削質(zhì)量，降低機床及夾具的使用壽命。嚴(yán)重時甚至造成重大安全事故。（3）對切削刀具的危害由于振動的產(chǎn)生，影響刀具的正常切削條件，使刀具承受交變切削力的作用，切削熱增加，進而加快了刀具的磨損，甚至?xí)鹎邢魅械谋懒眩蟠蠼档土说毒叩氖褂脡勖?機械加工中的振動的危害（4）對生產(chǎn)效率的影響為了避免工藝系統(tǒng)劇烈的振動，不得不降低切削用量，如采用較低的轉(zhuǎn)速和切深等。同時，由于降低了刀具的使用壽命，頻繁換刀、磨刀，使生產(chǎn)效率下降。（5）對操作環(huán)境的危害因振動會產(chǎn)生刺耳的噪聲，使操作者的身心健康受到損害，降低了工作效率。切削顫振的在線監(jiān)測

與控制研究現(xiàn)狀分析2.1機床顫振在線監(jiān)測的研究現(xiàn)狀2.1.1顫振預(yù)報方法在神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)未引入前主要分為兩大類基于快速傅立葉轉(zhuǎn)換在頻域內(nèi)進行特征量的提取在時域進行特征量的選取,采用模式識別或時間序列的方法進行顫振的預(yù)測及識別近年來,模糊理論和人工智能技術(shù)的發(fā)展,使切削顫振的早期預(yù)報正朝著智能化方向發(fā)展。專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和模糊識別的理論及方法在切削顫振預(yù)報中得到了應(yīng)用,增大了預(yù)報系統(tǒng)的容錯能力和判別速度。切削顫振的在線監(jiān)測

與控制研究現(xiàn)狀分析2.1.2切削顫振監(jiān)測信號的選擇切削力信號刀具與工件之間的振動位移信號1995年,D.M.Hummels采用一種基于局部最佳信號偵測技術(shù)(LORBF模型)應(yīng)用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對傳感器信號進行在線的快速預(yù)處理,有效地將諧振波信號從干擾噪聲影響的傳感信號中提取出來。車床尾架、刀架以及銑床主軸的振動加速度信號切削位置附近的振動聲音信號反映工件加工表面波紋的光纖信號傳統(tǒng)方法切削顫振的在線監(jiān)測

與控制研究現(xiàn)狀分析2.2機床顫振在線控制的研究現(xiàn)狀2.2.1主動控制主動控制就是采用反饋控制的原理,檢測出系統(tǒng)的某一狀態(tài)量(切削力或位移)的變動,然后把與狀態(tài)量同頻率、同幅度但反相的控制量加到這個狀態(tài)量本身或作相應(yīng)變動后加在其它狀態(tài)量上去。例1：在外圓車削中直接將動態(tài)切削力信號放大并反相后作為電磁激振

器的輸入信號,這樣可使施加給工件的激勵力始終跟蹤動態(tài)切削力

并反相。例2：采用狀態(tài)空間方法對切削加工過程建立模型,通過調(diào)節(jié)刀具和工件

之間的相對位置來對切削顫振進行閉環(huán)控制。切削顫振的在線監(jiān)測

與控制研究現(xiàn)狀分析2.2.2被動控制被動型顫振控制方法主要是通過在系統(tǒng)中加入吸振部件來達到減振抑振的效果消極控制：不需要附加能源,減振器的工作完全取決于主振動系統(tǒng)積極控制：需附加能源切削顫振的在線監(jiān)測

與控制研究現(xiàn)狀分析2.2.3調(diào)整切削參數(shù)抑制通過在線調(diào)整切削參數(shù),主要有變切削速度、變進給量和變刀具工作角度。例1：Tarng等通過在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速,尋找到一最佳主軸轉(zhuǎn)速,使刀具振動波紋和工件表面波紋之間相位差等于2π,這樣可使切削深度達到其最大切削穩(wěn)定極限。例2：Smith發(fā)現(xiàn)顫振頻率、切削系統(tǒng)固有頻率和主軸轉(zhuǎn)速之間有一個復(fù)雜關(guān)系,當(dāng)通過調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速,使顫振頻率等于切削系統(tǒng)固有頻率時,刀具振動波形和工件表面波紋之間相位差等于2π、系統(tǒng)穩(wěn)定性最佳,顫振將被抑制。例3：于駿一等將變速切削法與顫振預(yù)報相結(jié)合,實現(xiàn)了顫振的在線監(jiān)視控制。3數(shù)控車床的切削振動分析與控制方案

強制振動是因斷續(xù)切削而導(dǎo)致的強制振動或者是因轉(zhuǎn)動零件有瑕疵而造成的振動，一般常見的因軸承損壞而造成的異音、齒輪嚙合不佳、工件夾持不佳、主軸擺幅過大等現(xiàn)象皆屬此類。

自激振動是在切削加工時，具有周期性的工作凹凸不平特性，并造成周期相位的少許錯開而又反復(fù)重迭的再生效果所產(chǎn)生的影響一般可稱之為“共振”，其主因來自于工具機結(jié)構(gòu)的自然頻率受到激發(fā)或者是工件夾持系統(tǒng)的自然頻率過低而受到激發(fā)所引起。

3.1數(shù)控車床切削振動的分類3數(shù)控車床的切削振動分析與控制方案

3.2數(shù)控車床切削振動原因分析

機內(nèi)振源是指由機床本身的工藝系統(tǒng)造成的振動。比如數(shù)控車床上各個機械部件的振動包括運轉(zhuǎn)部件不平衡引起的振動：如傳動皮帶輪、機床主軸、卡盤和工件旋轉(zhuǎn)過程中的不平衡引起的振動；機械傳動部件引起的振動：如主軸箱中的齒輪嚙合時的沖擊力，卸荷帶輪把徑向載荷卸給箱體時的振動，三角皮帶的厚度不均勻，皮帶輪老化松動等；機床在進行斷續(xù)切削加工時對工藝系統(tǒng)的沖擊振動：如切削帶有鍵槽的工件表面時循環(huán)沖擊載荷引起的振動等。

機外振源是指由機床外部的一些振動干擾源造成的振動。比如其它大型沖擊設(shè)備、鍛壓設(shè)備、火車、高頻振源等通過地基等介質(zhì)傳遞給車床的振動。3數(shù)控車床的切削振動分析與控制方案

3.3數(shù)控車床較容易產(chǎn)生切削振動的場合（1）細(xì)長軸類零件的車削。（2）薄壁類零件的車削。（3）箱體類零件（如鈑金焊接結(jié)構(gòu)件）車削。（4）超硬材料的切削。（5）數(shù)控機床軸承已受損但仍繼續(xù)切削等。（6）數(shù)控系統(tǒng)中與切削運動控制相關(guān)的參數(shù)設(shè)置不當(dāng)。除了上述場合以外，在數(shù)控車削時選擇的切削用量過大、主切削力的方向、車刀的幾何角度的選擇不當(dāng)?shù)纫部赡墚a(chǎn)生切削振動。

3數(shù)控車床的切削振動分析與控制方案

3.4數(shù)控車床切削振動的控制方案（1）根據(jù)數(shù)控車床加工的對象和切削工序，盡量選擇合適的切削用量，即最適當(dāng)?shù)那邢魉俣取⒈吵缘读亢瓦M給速度。（2）針對一些細(xì)長軸類零件在加工中振動較大問題，應(yīng)對其工藝系統(tǒng)進行一些改進，如安裝中心架、跟刀架或者設(shè)計專用夾具等。（3）提高切削工藝系統(tǒng)的剛性，例如使用彈性系數(shù)較高的刀桿或?qū)Ｓ玫目拐竦稐U，如整體硬質(zhì)合金的刀桿。（4）若機床的