四節(jié)機械加工過程中的振動

1、第四節(jié) 機械加工過程中的振動機械加工過程中的強迫振動機械加工過程中的自激振動1一、機械加工過程中的強迫振動機械加工中的強迫振動是由于外界（相對于切削過程而言）周期性干擾力的作用而引起的振動。2（一）強迫振動產(chǎn)生的原因強迫振動的振源有來自機床內(nèi)部的稱為機內(nèi)振源，也有來自機床外部的，稱為機外振源。機外振源甚多，但它們都是通過地基傳給機床的，可以通過加設(shè)隔振地基加以消除。機內(nèi)振源主要有機床旋轉(zhuǎn)件的不平衡、機床傳動機構(gòu)的缺陷、往復運動部件的慣性力以及切削過程中的沖擊等。3（二）強迫振動的特征機械加工中的強迫振動與一般機械振動中的強迫振動沒有本質(zhì)上的區(qū)別：在機械加工中產(chǎn)生的強迫振動，其振動頻率與干擾力的

2、頻率相同，或是干擾力頻率的整數(shù)倍。4強迫振動的幅值既與干擾力的幅值有關(guān)，又與工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性有關(guān)：1）在干擾力源頻率不變的情況下，干擾力的幅值越大，強迫振動的幅值將隨之增大。2）工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性對強迫振動的幅值影響極大。3）如果干擾力的頻率遠離了工藝系統(tǒng)各階模態(tài)的固有頻率，則強迫振動響應(yīng)將處于機床動態(tài)響應(yīng)的衰減區(qū)，振動幅值很?。?4）當干擾力頻率接近工藝系統(tǒng)某一固有頻率時，強迫振動的幅值將明顯增大；5）若干擾力頻率與工藝系統(tǒng)某一固有頻率相同，系統(tǒng)將產(chǎn)生共振。如工藝系統(tǒng)阻尼較小，則共振振幅將十分大。6二、機械加工中的自激振動（顫振）（一）概述 機械加工過程中，在沒有周期性外力（相對于切削過程

3、而言）作用下，由系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)反饋產(chǎn)生的周期性振動，稱為自激振動，簡稱為顫振。7自激振動產(chǎn)生的原理 在實際加工過程中，偶然性的外界干擾（如工件材料硬度不均、加工余量有變化等）總是存在的，這種偶然性外界干擾所產(chǎn)生的切削力的變化，作用在機床系統(tǒng)上，會使系統(tǒng)產(chǎn)生振動運動。系統(tǒng)的振動運動將引起工件、刀具間的相對位置發(fā)生周期性變化，使切削過程產(chǎn)生維持振動運動的動態(tài)切削力。8如果工藝系統(tǒng)不存在產(chǎn)生自激振動的條件，這種偶然性的外界干擾將因工藝系統(tǒng)存在阻尼而使振動運動逐漸衰減；如果工藝系統(tǒng)存在產(chǎn)生自激振動的條件，就會使機床加工系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)的振動運動。維持自激振動的能量來自電動機，電動機通過動態(tài)切削過程把能量輸給

4、振動系統(tǒng)，以維持振動運動。9與強迫振動相比，自激振動具有以下特征：機械加工中的自激振動是在沒有外力（相對于切削過程而言）干擾下所產(chǎn)生的振動運動，這與強迫振動有本質(zhì)的區(qū)別；與自由振動相比，雖然自激振動的頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率，這就是說顫振頻率取決于振動系統(tǒng)的固有特性，這與自由振動相似（但不相同），但自由振動受阻尼作用將迅速衰減，而自激振動卻不因有阻尼存在而衰減。10二、產(chǎn)生自激振動的條件1自激振動實例112產(chǎn)生自激振動的條件 在振出過程中，切削力凡對振動系統(tǒng)作功，振動系統(tǒng)則從切削過程中吸收一部分能量（W振出=W12345），貯存在振動系統(tǒng)中。 刀架的振入運動則是在彈性恢復力F彈作用下產(chǎn)生的，振

5、入運動與切削力方向相反，振動系統(tǒng)對切削過程作功，即振動系統(tǒng)要消耗能量（W振入=W54621）。12當W振出W振入時，由于振動系統(tǒng)吸收的能量小于消耗的能量，故不會有自激振動產(chǎn)生，加工系統(tǒng)是穩(wěn)定的。13當W振出=W振入時，由于在實際機械加工系統(tǒng)中必然存在阻尼，系統(tǒng)在振入過程中為克服阻尼尚需消耗能量W摩阻（振入）。由此可知，在每一個振動周期中，振動系統(tǒng)從外界獲得的能量W= W振出-（W振入+ W摩阻（振入）若W振出=W振入，則WW振入時，加工系統(tǒng)將有持續(xù)的自激振動產(chǎn)生，加工系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)W振出與W振入的差值大小又可分為以下三種情況：1）W振出=W振入+ W摩阻（振入），加工系統(tǒng)有穩(wěn)幅自激振

6、動產(chǎn)生。2）W振出W振入+ W摩阻（振入），加工系統(tǒng)將出現(xiàn)振幅遞增的自激振動，待振幅增至一定程度出現(xiàn)新的能量平衡W振出=W振入+W摩阻（振入）時，加工系統(tǒng)才會有穩(wěn)幅自激振動產(chǎn)生。153）W振出W振入，在力與位移的關(guān)系圖中，要求振出過程曲線應(yīng)在振入過程曲線的上部，如圖4-29所示。16（三）自激振動的激振機理對于自激振動的激振機理，許多學者曾提出過許多不同的學說，比較公認的有再生原理、振型耦合原理、負摩擦原理和滯后原理。171再生原理在金屬切削過程中，除極少數(shù)情況外，刀具總是完全地或部分地在帶有波紋的表面上進行切削的。首先來研究車刀作自由正交切削的情況，此時，車刀只做橫向進給，車刀將完全地在前一轉(zhuǎn)切削時留下的波紋表面上進行切削，如圖4-30所示。18假定切削過程受到一個瞬時的偶然性擾動，刀具與工件便發(fā)生相對振動（自由振動），振動的幅值將因有阻尼存在而逐漸衰減。但此時會在加工表面上留下一段振紋，如圖4-31b所示。當工件轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，刀具要在留有振紋的表面上進行切削（圖4-31c），切削厚度將發(fā)生波動，這就有交變的動態(tài)切削力產(chǎn)生。如果切削過程中各種條件的匹配是促進振動的，那么將會進一步發(fā)展到圖4-31d那樣的顫振狀態(tài)。通常，將這種由于切削厚度變化效應(yīng)引起的自激振動，稱為再生型顫振。19