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机械加工过程中的振动及其影响 一、概 述 机械加工过程中振动的危害 影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度 影响生产效率 加速刀具磨损，易引起崩刃 影响机床、夹具的使用寿命 产生噪声污染，危害操作者健康 二、机械加工过程中振动的类型 （一）自由振动 工艺系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。 由于系统中总存在由阻尼，自由振动将逐渐衰弱，对加工影响不大。 （二）机械加工过程中强迫振动 （三）机械加工过程中自激振动 三、机械加工中振动的防治 * * 自由振动 强迫振动 自激振动 强迫振动产生原因 由外界周期性的干扰力（激振力）作用引起 强迫振动振源：机外＋机内。机外：振源均通过地基把振动传给机床。机内： 1）回转零部件质量的不平衡 2）机床传动件的制造误差和缺陷 3）切削过程中的冲击 频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数 幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振 相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个φ角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。 强迫振动的特征 自激振动的概念 在没有周期性外力作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动 自激振动过程可用传递函数概念说明（图4-72） 自激振动是一种不衰减振动 自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率 自激振动能否产生及振幅的大小取决于振动系统在每一个周期内获得和消耗的能量对比情况（图4-73）。 图4-73 自激振动系统能量关系 A B C 能量E Q E－ E＋ 0 振幅 电动机 (能源) 交变切削力F(t) 振动位移X(t) 图4-72 自激振动闭环系统 机床振动系统 （弹性环节） 调节系统 （切削过程） 自激振动的特征 ◆ 再生机理： 切削过程，由于偶然干扰，使加工系统产生振动并在加工表面上留下振纹。第二次走刀时，刀具将在有振纹的表面上切削，使切削厚度发生变化，导致切削力周期性地变化，产生自激振动 自激振动机理 图4-74 再生自激振动原理图 f 切入 切出 y0 y a） b） φ y0 y 切入 切出 f c） φ f y0 y 切入 切出 d） 切入 切出 f y0 y φ ◆ 产生条件（图4-74） ： a）b）c）系统无能量获得； d）y 滞后于y0，即 0＞φ＞-π ，此时切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出时切削力所作正功（获得能量）大于切入时所作负功，系统有能量获得，产生自激振动 ◆ 振型耦合机理：将车床刀架简化为两自由度振动系统，等效质量m用相互垂直的等效刚度分别为k1、k2两组弹簧支撑（设x1为低刚度主轴，图4-75） 图4-75 车床刀架振型耦合模型 F m a b c d x1 x1 x2 x2 β k2 k1 α1 α2 X ◆ 自激振动的产生： ① k1=k2，x1与x2无相位差, 轨迹为直线，无能量输入 ② k1＞k2，x1超前x2 ，轨迹d→c→b→a为一椭圆，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的大，系统无能量输入 ③ k1＜k2，x1滞后于x2 ，轨迹为一顺时针方向椭圆，即：a→b→c→d。此时，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的小，有能量获得，振动能够维持 。 减小机内干扰力的幅值 调整振源的频率，一般要求： ◆ 调整振动系统小刚度主轴的位置（图4-76） 消除或减弱产生强迫振动的条件 式中 f 和 fn 分别为振源频率和系统固有频率 隔振 β x2 x2 x1 x1 x1 x1 x2 x2 图4-76 两种尾座结构 消除或减弱产生自激振动的条件 （4-33） ◆ 减小切削或磨削时的重叠系数（图4-77） 式中 bd —— 等效切削宽度，即本次切削实际切到上次切削残留振纹 在垂直于振动方向投影宽度； b —— 本次切削在垂直于振动方向上的切削宽度； B , fa —— 砂轮宽度与轴向进给量。 图4-77 重叠系数 ap fa B 振动方向XD f b bd a）切削 b）磨削 κ r κ r ， （4-34） 减小重叠系数方法 图4-78 车刀消振棱 0.1～0.3 -5°～ -20° 2°～ 3° ◆ 增加切削阻尼（例采用倒棱车刀，图4-78） 增加主偏角 增大进给量 ◆ 提高工艺系统刚度 ◆ 增大