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1、第四节机械加工过程中的振动 机械加工过程中的强迫振动机械加工过程中的自激振动 一 机械加工过程中的强迫振动 机械加工中的强迫振动是由于外界 相对于切削过程而言 周期性干扰力的作用而引起的振动 一 强迫振动产生的原因 强迫振动的振源有来自机床内部的称为机内振源 也有来自机床外部的 称为机外振源 机外振源甚多 但它们都是通过地基传给机床的 可以通过加设隔振地基加以消除 机内振源主要有机床旋转件的不平衡 机床传动机构的缺陷 往复运动部件的惯性力以及切削过程中的冲击等 二 强迫振动的特征 机械加工中的强迫振动与一般机械振动中的强迫振动没有本质上的区别 在机械加工中产生的强迫振动 其振动频率与干扰力的频
2、率相同 或是干扰力频率的整数倍 强迫振动的幅值既与干扰力的幅值有关 又与工艺系统的动态特性有关 1 在干扰力源频率不变的情况下 干扰力的幅值越大 强迫振动的幅值将随之增大 2 工艺系统的动态特性对强迫振动的幅值影响极大 3 如果干扰力的频率远离了工艺系统各阶模态的固有频率 则强迫振动响应将处于机床动态响应的衰减区 振动幅值很小 4 当干扰力频率接近工艺系统某一固有频率时 强迫振动的幅值将明显增大 5 若干扰力频率与工艺系统某一固有频率相同 系统将产生共振 如工艺系统阻尼较小 则共振振幅将十分大 二 机械加工中的自激振动 颤振 一 概述机械加工过程中 在没有周期性外力 相对于切削过程而言 作用下
3、 由系统内部激发反馈产生的周期性振动 称为自激振动 简称为颤振 自激振动产生的原理 在实际加工过程中 偶然性的外界干扰 如工件材料硬度不均 加工余量有变化等 总是存在的 这种偶然性外界干扰所产生的切削力的变化 作用在机床系统上 会使系统产生振动运动 系统的振动运动将引起工件 刀具间的相对位置发生周期性变化 使切削过程产生维持振动运动的动态切削力 如果工艺系统不存在产生自激振动的条件 这种偶然性的外界干扰将因工艺系统存在阻尼而使振动运动逐渐衰减 如果工艺系统存在产生自激振动的条件 就会使机床加工系统产生持续的振动运动 维持自激振动的能量来自电动机 电动机通过动态切削过程把能量输给振动系统 以维持
4、振动运动 与强迫振动相比 自激振动具有以下特征 机械加工中的自激振动是在没有外力 相对于切削过程而言 干扰下所产生的振动运动 这与强迫振动有本质的区别 与自由振动相比 虽然自激振动的频率接近于系统的固有频率 这就是说颤振频率取决于振动系统的固有特性 这与自由振动相似 但不相同 但自由振动受阻尼作用将迅速衰减 而自激振动却不因有阻尼存在而衰减 二 产生自激振动的条件 1 自激振动实例 2 产生自激振动的条件在振出过程中 切削力凡对振动系统作功 振动系统则从切削过程中吸收一部分能量 W振出 W12345 贮存在振动系统中 刀架的振入运动则是在弹性恢复力F弹作用下产生的 振入运动与切削力方向相反 振
5、动系统对切削过程作功 即振动系统要消耗能量 W振入 W54621 当W振出 W振入时 由于振动系统吸收的能量小于消耗的能量 故不会有自激振动产生 加工系统是稳定的 当W振出 W振入时 由于在实际机械加工系统中必然存在阻尼 系统在振入过程中为克服阻尼尚需消耗能量W摩阻 振入 由此可知 在每一个振动周期中 振动系统从外界获得的能量 W W振出 W振入 W摩阻 振入 若W振出 W振入 则 W 0 即振动系统每振动一次 系统便会损失一部分能量 因此 系统也不会有自激振动产生 加工系统仍是稳定的 当W振出 W振入时 加工系统将有持续的自激振动产生 加工系统处于不稳定状态 根据W振出与W振入的差值大小又可
6、分为以下三种情况 1 W振出 W振入 W摩阻 振入 加工系统有稳幅自激振动产生 2 W振出 W振入 W摩阻 振入 加工系统将出现振幅递增的自激振动 待振幅增至一定程度出现新的能量平衡W 振出 W 振入 W 摩阻 振入 时 加工系统才会有稳幅自激振动产生 3 W振出W振入 在力与位移的关系图中 要求振出过程曲线应在振入过程曲线的上部 如图4 29所示 三 自激振动的激振机理 对于自激振动的激振机理 许多学者曾提出过许多不同的学说 比较公认的有再生原理 振型耦合原理 负摩擦原理和滞后原理 1 再生原理 在金属切削过程中 除极少数情况外 刀具总是完全地或部分地在带有波纹的表面上进行切削的 首先来研究
7、车刀作自由正交切削的情况 此时 车刀只做横向进给 车刀将完全地在前一转切削时留下的波纹表面上进行切削 如图4 30所示 假定切削过程受到一个瞬时的偶然性扰动 刀具与工件便发生相对振动 自由振动 振动的幅值将因有阻尼存在而逐渐衰减 但此时会在加工表面上留下一段振纹 如图4 31b所示 当工件转过一转后 刀具要在留有振纹的表面上进行切削 图4 31c 切削厚度将发生波动 这就有交变的动态切削力产生 如果切削过程中各种条件的匹配是促进振动的 那么将会进一步发展到图4 31d那样的颤振状态 通常 将这种由于切削厚度变化效应引起的自激振动 称为再生型颤振 在自由正交切削条件下 工件前一转 次 切削所产生的振纹和本转 次 切削产生的振纹完全重叠 此时重叠系数 1 在一般加工中 0 1 重叠系数 反映了再生效应 切削厚度变化效应 的程度 越小 就越不容易产生再生型颤振
