第5章

機(jī)械加工質(zhì)量控制機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)概述5.1影響機(jī)械加工精度的因素5.2加工誤差的綜合分析5.3影響機(jī)械加工表面質(zhì)量的因素5.4機(jī)械加工過程中的振動5.5第5章

機(jī)械加工質(zhì)量控制5.5機(jī)械加工過程中的振動機(jī)械加工過程中振動是一種十分有害的現(xiàn)象，舉例：會造成刀具與工件之間產(chǎn)生相對位移，不僅惡化了加工表面質(zhì)量、縮短了刀具和機(jī)床的使用壽命，嚴(yán)重時將使加工無法進(jìn)行。為了避免振動，常常不得不降低切削用量，從而降低了生產(chǎn)率。由于振動發(fā)出刺耳的噪聲，不僅使勞動者容易疲勞，身心受到損害，工作效率降低，而且污染了環(huán)境引言：與所有的機(jī)械振動一樣，分為自由振動、強(qiáng)迫振動和自激振動三大類。強(qiáng)迫振動是指工藝系統(tǒng)在外部激振力作用下產(chǎn)生的振動；自激振動是指工藝系統(tǒng)在輸入輸出之間有反饋特性，并有能源補(bǔ)充而產(chǎn)生的振動，在機(jī)械加工中也稱為“顫振”。機(jī)械加工過程中的振動分類：根據(jù)工藝系統(tǒng)的自由度數(shù)量：單自由度系統(tǒng)的振動；多自由度系統(tǒng)的振動。根據(jù)統(tǒng)計，機(jī)械加工過程中的強(qiáng)迫振動約占30%，自激振動約占65%，而自由振動所占比例則很小。5.5機(jī)械加工過程中的振動5.5.1機(jī)械加工過程中的強(qiáng)迫振動1.強(qiáng)迫振動的振源其主要振源有兩大類：一類來自機(jī)床內(nèi)部（機(jī)內(nèi)振源）：機(jī)外振源主要是通過地基傳給機(jī)床的，如周圍的加工設(shè)備、運(yùn)輸車輛、氣源氣泵等的振動，都可以通過地基傳給加工系統(tǒng)。一類來自機(jī)床外部（機(jī)外振源）：機(jī)內(nèi)振源主要有：1)機(jī)床高速回轉(zhuǎn)部件的不平衡，如電動機(jī)轉(zhuǎn)子、帶輪、聯(lián)軸節(jié)、砂輪以及被加工工件等旋轉(zhuǎn)不平衡引起的周期性激振力，都有可能使加工過程產(chǎn)生強(qiáng)迫振動。2)機(jī)床傳動機(jī)構(gòu)缺陷或液壓傳動系統(tǒng)的壓力脈動。如制造不精確或安裝不良的齒輪，傳送帶的接頭，油泵工作特性引起的油壓脈動等，都會引起系統(tǒng)強(qiáng)迫振動。3)切削過程中的沖擊。如在銑削、拉削加工中刀齒的切入或切出、加工斷續(xù)表面等都會由于周期性沖擊而引起強(qiáng)迫振動。4)往復(fù)運(yùn)動部件的慣性力。在具有往復(fù)運(yùn)動部件的機(jī)床中，往復(fù)運(yùn)動部件改變方向時所產(chǎn)生的慣性沖擊，往往是這類機(jī)床加工時主要的強(qiáng)迫振源。5.5.1機(jī)械加工過程中的強(qiáng)迫振動2.強(qiáng)迫振動的特點(diǎn)1)強(qiáng)迫振動是在外界周期性干擾力的作用下產(chǎn)生的，但振動本身并不能引起振源干擾力的變化。如作用在加工系統(tǒng)上的干擾力是簡諧激振力F=F0sinwt，則強(qiáng)迫振動的穩(wěn)態(tài)過程也是簡諧振動，只要這個激振力存在，該振動就不會被阻尼衰減掉。2)強(qiáng)迫振動的頻率總與外界干擾力的頻率相等或成倍數(shù)關(guān)系。3)強(qiáng)迫振動振幅的大小在很大程度上取決于干擾力的頻率f激與加工系統(tǒng)固有頻率f0的比值，當(dāng)f激/f0=1時，系統(tǒng)產(chǎn)生“共振”，此時振幅最大。4)強(qiáng)迫振動振幅的大小除了與f激/f0有關(guān)外，還與干擾力、系統(tǒng)剛度及阻尼系數(shù)有關(guān)。5.5.1機(jī)械加工過程中的強(qiáng)迫振動1)消除或減小內(nèi)部振源。機(jī)床上的高速回轉(zhuǎn)零部件（如主軸部件）必須做好動平衡；提高傳動元件及傳動裝置（如齒輪、皮帶、軸承等）的制造精度和裝配精度，保證傳動平穩(wěn)；使電機(jī)或液壓泵等動力源與機(jī)床本體分離。2）調(diào)整振源的頻率。通過合理安排結(jié)構(gòu)的固有頻率或改變傳動比，避免產(chǎn)生共振。干擾力的頻率f激與加工系統(tǒng)固有頻率f0的關(guān)系一般應(yīng)滿足3.減小或消除強(qiáng)迫振動的措施3)提高工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性。增加工藝系統(tǒng)剛度，加大阻尼可以減少系統(tǒng)的振動。4)隔振。在振動的傳遞路線中設(shè)置障礙，使振源不能傳到刀具或工件上去。當(dāng)振源來自機(jī)床外部時，經(jīng)常采用的隔振方法是在機(jī)床周圍挖隔振溝，或把機(jī)床用橡膠、軟木、泡沫塑料等與地基隔開，或使用空氣彈簧支承整個機(jī)床（超精密機(jī)床多采用此措施）等。5.5.1機(jī)械加工過程中的強(qiáng)迫振動5.5.2機(jī)械加工過程中的自激振動(顫振)1.自激振動的振源及產(chǎn)生條件：自激振動是在沒有周期性外力(相對于切削過程而言)干擾下所產(chǎn)生的振動那么激發(fā)自激振動的交變力是怎么產(chǎn)生的呢?機(jī)床加工系統(tǒng)是一個由振動系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成的閉環(huán)系統(tǒng)：如果切削過程很平穩(wěn)，即使系統(tǒng)存在產(chǎn)生自激振動的條件，也因切削過程沒有交變切削力（觸發(fā)力），而不會產(chǎn)生自激振動。但是在實(shí)際加工過程中，偶然性的外界干擾所產(chǎn)生的切削力的變化，作用在機(jī)床系統(tǒng)上，就會使系統(tǒng)產(chǎn)生振動運(yùn)動。如果工藝系統(tǒng)不存在產(chǎn)生自激振動的條件，由偶然性外界干擾引發(fā)的強(qiáng)迫振動將因系統(tǒng)存在阻尼而逐漸衰減；如果工藝系統(tǒng)存在產(chǎn)生自激振動的條件，就可能會使機(jī)床加工系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)的振動運(yùn)動。5.5.2機(jī)械加工過程中的自激振動(顫振)產(chǎn)生自激振動的條件是：如果在一個振動周期內(nèi)，振動系統(tǒng)從電動機(jī)獲得的能量大于振動系統(tǒng)對外界做功所消耗的能量，若兩者之差剛好能克服振動時阻尼所消耗的能量，則振動系統(tǒng)將有等幅振動運(yùn)動（即自激振動）產(chǎn)生。車削外圓單自由度振動系統(tǒng)模型維持自激振動的能量來自機(jī)床電動機(jī)，電動機(jī)除了供給切除切屑的能量外，還通過切削過程把能量輸給振動系統(tǒng)，使機(jī)床系統(tǒng)產(chǎn)生振動運(yùn)動。5.5.2機(jī)械加工過程中的自激振動(顫振)自激振動系統(tǒng)能量與振幅的關(guān)系自激振動幅值的增大或減小，取決于每一振動周期中振動系統(tǒng)所獲得的能量與所消耗的能量之差的正負(fù)號。在一個振動周期內(nèi)，若振動系統(tǒng)獲得的能量ER等于系統(tǒng)消耗的能量EZ，則自激振動是以O(shè)B為振幅的穩(wěn)定的等幅振動；當(dāng)振幅為OA時，振動系統(tǒng)每一振動周期從電動機(jī)獲得的能量ER大于振動所消耗的能量EZ，則振幅將不斷增大，直至增大到振幅OB時為止；反之，當(dāng)振幅為OC時，振動系統(tǒng)每一振動周期從電動機(jī)獲得的能量ER小于振動所消耗的能量EZ，則振幅會不斷減小，直至減小到振幅OB時為止。5.5.2機(jī)械加工過程中的自激振動(顫振)2.自激振動的特點(diǎn)1)自激振動是一種不衰減的振動，振動過程本身能引起某種力的周期變化。2)自激振動的頻率等于或接近系統(tǒng)的固有頻率，也就是說，由振動系統(tǒng)本身的固有頻率所決定，這一點(diǎn)與強(qiáng)迫振動有著本質(zhì)不同。3)自激振動的形成和持續(xù)是由切削過程產(chǎn)生的，如若停止切削過程，即使機(jī)床空運(yùn)轉(zhuǎn)，自激振動也就停止了。4)自激振動能否產(chǎn)生以及振幅的大小，決定于每一振動周期內(nèi)系統(tǒng)所獲得能量與所消耗的能量的對比情況，不因有阻尼存在而衰減為零。5.5.2機(jī)械加工過程中的自激振動(顫振)3.自激振動的控制1)消除或減弱產(chǎn)生自激振動的條件。機(jī)械加工過程中的自激振動的產(chǎn)生與加工本身密不可分，但是產(chǎn)生自激振動機(jī)理的不同，所采取的減振措施也不同，如采用變速切削、合理選用切削用量，可以改變切削過程中能量的變化，可以減小或抑制自激振動的產(chǎn)生。2）改善工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性。通過提高工藝系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的剛度，可以有效地提高機(jī)床加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如增強(qiáng)連接結(jié)合面的接觸剛度，對滾動軸承施加預(yù)載荷，加工細(xì)長工件外圓時采用中心架或跟刀架，都可以提高工藝系統(tǒng)的剛度；也可以增大工藝系統(tǒng)的阻尼，來改變工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性。5.5.2機(jī)械加工過程中的自激振動(顫振)3）采用各種消振減振裝置。