第四章机械加工表面质量20130519要点解析.ppt

4.4 机械加工中的振动 影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度； 刀具与工件间的相对位移会使加工表面产生振痕，严 重影响零件的表面质量和使用性能； 工艺系统承受交变载荷，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，危害操作者身心健康； 影响生产效率，为避免或减小振动而减小切削量。 4.4.1 机械加工中的振动及分类 1．自由振动 2．受迫振动 3．自激振动 机械振动的分类 本节主要讨论机械加工过程中受迫振动和自激振动的规律。 4.4 机械加工中的振动 受迫振动—— 由于外界周期性干扰力的作用而引起的振（这是影响精密加工质量、生产率的关键问题） 1. 受迫振动产生的原因 机内振源—— 机床高速回转件的质量不平衡 ； 机床传动机构的缺陷； 往复运动部件的惯性力； 切削过程中的间歇性。 机外振源—— 其它机床或机器的振动，通过地基传给正加工的机床（隔振地基）。 4.4.2 机械加工中的受迫振动 4.4 机械加工中的振动 2．强迫振动的数学描述及特性 工艺系统是多自由度的振动系统，振动形态非常复杂。要精确地描述和解决多自由度的振动系统是很困难的，但就其某一特定的自由度而言，其振动特性与相应频率的单自由度振动可简化为单自由度系统来分析。 图4-25 内圆磨削振动系统 以内圆磨削为例 在加工中磨头受周期性变化的干扰力产生扰动，由于磨头系统的刚度远比工件的刚度低，故可把磨削系统简化为一个单自由度系统。为此，把磨头简化为一个等效质量m；把质量m支承在刚度为k的等效弹簧上；系统中存在的阻尼δ相当于与等效弹簧并联 ；作用在m上的交变力假设为简谐激振力Fsinωt。 4.4 机械加工中的振动 单自由度系统典型的动力学模型 作用在m上的力有：与位移成正比的弹性恢复力kx，与运动速度成正比的粘性阻尼力δx’ ，简谐激振力Fsinωt ，则该系统的运动方程式为： 二阶常系数线性非齐次微分方程，据微分理论，当系统为小阻尼时，它的解由令F/m=0，而得到的齐次方程的通解和非齐次方程的一个特解组成： 式中 4.4 机械加工中的振动 第一项(通解)为有阻尼的自由振动过程，如图a所示，经过一段时间后，这部分振动衰减为零。 第二项(特解)如图b所示，是圆频率等于激振圆频率的受迫振动。 图c为两种解叠加后的振动过程。 可以看到经历过渡过程以后，强迫振动是稳定的振动过程。 进入稳态后的振动力程为： 4.4 机械加工中的振动 受迫振动的特性： ① 强迫振动是由周期性激振力引起的，不会被阻尼衰减掉，振动本身也不能使激振力变化。 ② 受迫振动的振动频率与外界激振力的频率相同，而与系统的固有频率无关。 ③ 受迫振动的幅值既与激振力的幅值有关，又与工艺系统的动态特性有关。 A 区：激振力的频率很小（ω=0或λ=ω/ωο＜＜1）时，η≈1，此时的振幅相当于把激振力作为静载荷加在系统上，使系统产生静位移，这种现象发生在0≤λ≤0.7的范围，故称此范围为准静态区。 A B C 图4-27是以频率比λ=ω/ωο 为横坐标，以动态放大系数η =A/A0 (受迫振动的振幅与系统静位移的比值)为纵坐标，以阻尼比ζ为参变量而做出的受迫振动的幅频特性曲线。 B区：当激振频率增大，λ也逐渐增大，振幅迅速增大；当λ接近或等于1时，振幅急剧增加，这种现象称为共振。故将范围0.7≤λ≤1.3的区域称为共振区。 工程上常将系统的固有频率定为共振频率。固有频率前后20~30%的区域作为禁区以免共振。 改变系统固有频率、改变激振力频率、提高阻尼比、增加静刚度等，均有消振作用。 C区：当激振频率增大到λ﹥﹥1时，η→0，振幅迅速下降，甚至振动消失。这表明振动系统的惯性跟不上快速变化的激振力，这个区域称为惯性区，其范围为λ≥1.3。惯性区内，阻尼的影响大大减小，系统的位移小于静位移，且可以通过增加系统的质量来增加抗振性。 4.4 机械加工中的振动 切削加工时，在没有周期性外力作用的情况下，有时刀具与工件之间也可能产生强烈的相对振动，并在工件的加工表面上残留严明显的、有规律的振纹。这种由振动系统本身产生的交变力激发和维持的振动称为自激振动，通常也称为颤振。 4.4.3 机械加工中的自激振动 1. 自激振动的产生条件和特性 自激振动的产生 作用 干扰力 处于切削过程中的工艺系统 产生 自由振动 引起 刀具和工件相对位置的变化 切削力的波动 工艺系统产生振动 导致 这变化又引起 4.4 机械加工中的振动 非震荡性能源 交变切削力F(t) 振动位移