机械加工过程中产生的振动.doc

西北工业大学继续教育学院毕业论文引 言随着科学技术和社会的迅速发展，整个社会对机械产品的质量及其生产效率提出了越来越高的要求。相应于此，近年来数控技术、数控加工技术在机械制造业中得到广泛应用和迅猛发展，工程技术人员及数控机床编程与操作人员学习、学习这些技术已成为一种趋势。在机械加工过程中，随着科学技术的发展和人们需求的提高，工件的精度也在不断的提高，但是工艺系统常常还是会发生振动，即在工件和刀具的切削刃之间，除了名义上的切削运动外，还会出现一种周期性的相对运动。产生振动时，工艺系统的正常切削过程便受到干扰和破坏，从而使零件加工表面出现振纹，降低了零件的加工精度和表面质量，频率低时产生波度，频率高时产生微观不平度。强烈的振动会使切削过程无法进行，甚至造成刀具 “崩刃 ”。为此，常被迫降低切削用量，致使机床、刀具的工作性能得不到充分的发挥，限制了生产率的提高。振动还影响刀具的耐用度和机床的寿命，发出噪声，恶化工作环境，影响工人健。本文就是为了降低道具的磨损提高机床的寿命，进一步提高零件加工表面的精度，本文主要以机械加工过程中产生的振动及解决方法为题进行分析，并找出原因。从而得到解决。由于我水平有限，文章中难免出现遗漏和错误，恳请老师批评指正。1振动的概念及危害 1.1概述机械加工过程中，工艺系统会发生振动，即刀具与工件之间产生周期性往复运动。这种附加在正常切削运动上的周期性运动，会破坏工件与刀具之间的正常的运动轨迹，使加工表面产生振痕，将严重影响零件的表面质量和使用性能。动态交变载荷使刀具极易磨损（甚至崩刃），机床连接特性遭到破坏，缩短了刀具和机床的使用寿命。当振动严重时，使加工过程无法进行。为了减少振动，有时不得不降低切削用量，而使生产率下降。各种切削和磨削过程都可能发生振动，当速度高、金属切除率大时会产生较强烈的振动。1.2振动的分类 工艺系统的振动可分为三种类型：自由振动、受迫振动和自激振动。 a自由振动：当系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。在切削过程中，由于材料硬度不均或工件表面有缺陷，工艺系统就会发生 这种 振动，但由于阻尼作用，振动会迅速衰减，因而对机械加工的影响不大。 b强迫振动：是一种在工艺系统内部或外部周期性干扰力持续作用下，系统被迫产生的振动。 c自激振动：系统在没有受到外界周期性干扰力（激振力）作用下产生的持续振动称为自激振动。维持这种振动的交变力是由振动系统在自身运动中激发出来的。1.3机械加工过程中振动的危害 （1） 影响加工表面粗糙度 当振动频率较高时会产生微观不平度，振动频率较低时会产生波度。（2） 影响生产效率 机械加工过程一旦产生振动，就要减小切削用量，使得机床刀具性能得不到充分发挥，从而限制生产效率的提高。（3） 影响刀具寿命 振动将使加工系统持续承受动态交变载荷作用，刀具易磨损，甚至崩刃，特别像硬质合金、陶瓷等韧性差的刀具更是如此。（4） 影响机床、夹具的使用寿命 振动会使机床、夹具的零部件间的联接产生松动，间隙加大，接触刚度减小，精度降低，使用寿命缩短。（5） 产生噪声污染 机械加工中的振动所引起的噪声有害于操作者的健康。1.4自由振动的简述作振动的系统在外力的作用下物体离开平衡位置以后就能自行按其固有频率振动，而不再需要外力的作用，这种不在外力的作用下的振动称为自由振动理想情况下的自由振动叫无阻尼自由振动自由振动时的周期叫固有周期，自由振动时的频率叫固有频率它们由振动系统自身条件所决定，与振幅无关 振子通过有时间变化的外界刺激进行振动称为强迫振动。实际意义上是指所有通过周期性刺激的正弦状自由振动。这个对振动进行周期性刺激的频率称作刺激频率。另外也有多频率的刺激。刺激也通过随机过程随机振动被研究。 在规律刺激下一个系统同时产生两种振动：自由振动（一个或多个固有频率），大小定义自初态条件并在单位振动时间内发生阻尼狭义上的带有常数振幅的刺激频率的强迫振动。刺激频率（或多个中的一个）与固有频率（或多个中的一个）的关系及振动系统的阻尼可以通过放大函数定量。 在工程力学中距离刺激，力刺激，不平衡刺激都是重要因子。 振幅在共振的条件下达到最大值。在无阻尼和刺激频率与固有频率相等时，振幅为无限大。阻尼增大，共振振幅减小。据统计，强迫振动约占 30%，自激振动约占 65%，自由振动占比重则很小。自由振动往往是由于切削力的突然变化或其它外界力的冲击等原因所引起的。这种振动一般可以迅速衰减，因此对机械加工过程的影响较小。而强迫振动和自激振动都是不能自然衰减而且危害较大的振动。下面就这两种振动形式进行简单的分析。 2.机械加工过程中的强迫振动强迫振动是由工艺系统内部或外界周期干扰力持续作用下引起的振动。 机械加工中的强迫振动与一般机械中的强迫振动没有什么区别，强迫振动的频率与干扰力的频率相同或是它的倍数。如在磨削过程中，由于电动机、高速旋转的砂轮及皮带轮等不平衡，三角皮带的厚薄或长短不一致，油泵工作不平稳等，都会引起机床的强迫振动，它将激起机床各部件之间的相对振动幅值，影响机床加工工件的精度，如粗糙度和圆度。对于刀具或做回转运动的机床，振动还会影响回转精度。2.1强迫振动的振源强迫振动的振源由来自机床内部的机内振源和来自机床外部的机外振源两大类。 2.1.1机外振源机外振源:机外振源与机床的周边环境有关，影响因素较多，但它们都是通过地基传给机床的，从而引起工艺系统的振动。机外振源 可通过加设隔振地基来隔离。 2.1.2机内振源 （1） 不平衡造成的离心惯性力 在车床工作时， 由于存在质量偏心， 当机床高速旋转时产生离心惯性力，这种惯性力就是使机床振动的激振力， 其振动频率大致等于这些元件每秒钟的相应转数， 即f = n /60 （ H z）（其中n 为机床主轴的转数） .(2） 机床传动机构的缺陷 在机床上的零部件， 特别是传动中的旋转零件， 由于制造中存在一定的制造误差， 在装配时又存在一定的装配误差等等， 这些在转动时就会产生周期性的干扰力， 而成为强迫振动力的振源。如齿轮的齿形制造误差以及啮合刚度的变化， 不但使齿轮产生径向、切向和轴向的振动， 产生噪声， 而且还可通过轴和轴承成为其他零部件的振源。同时滚动轴承的精度误差， V 带的厚度不均匀等都会造成强迫振动。（3） 车削形状不规则的断续切削 加工这些零件时刀具和工件常常产生冲击， 当被加工部位与间断部分有一定的节奏交替时， 就可能产生周期性的激振力， 而这种交变的切削力就会引起强迫振动。 （4） 地基振动 地基振动的程度一般取决于两方面因素： 一是邻近设备， 如冲床、锻锤等引起的振动强度。二是地基和建筑物承载结构的谐振特性， 当引起地基振动时， 地基同时也把振动传给机床导致机床与地基一起振动。因此， 要想在机床上加工出高精度和表面粗糙度值低的零件， 则必须将机床与地基隔绝开来。（5）往复运动部件的惯性力引起的振动具有往复运动部件的机床，当运动部件换向时的惯性力及液压系统中液压件的冲击现象都会引起强迫振动。2.2 强迫振动的特点 ( 1 )强迫振动本身不能改变干扰力，干扰力一般与切削过程无关（除由切削过程本身所引起的强迫振动外）。干扰力消除，振动停止。如外界振源产生的干扰力，只要振源消除，导致振动的干扰力自然就不存在了。( 2 ) 强迫振动的频率与外界周期干扰力的频率相同，或是它的整倍数( 3 )干扰力的频率与系统的固有频率的比值等于或接近与1时，产生共振，振幅达到最大值。此时对机床加工过程的影响最大。( 4 )强迫振动的振幅与干扰力，系统的刚度及阻尼大小有关。干扰力越大、刚度及阻尼越小，则振幅越大，对机床的加工过程影响也就越大。( 5 )强迫振动的位移变化总是比干扰力在相位上滞后一个相位角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。 2.3 减小强迫振动的途径 对高速回转（600r/min以上）的零件进行平衡（静平衡和动平衡）或设置自动平衡装置。或采用减振装置。 调整轴承及镶条等处的间隙，改变系统的固有频率，使其偏离激振频率；调整运动参数，使可能引起强迫振动的振源频率，远离机床加工薄弱模态的固有频率。 提高传动装置的稳定性，如在车床或磨床上采用少接头、无接头皮带，传动皮带应选择长短一致。用斜齿轮代替直齿轮，在主轴上安装飞轮等。 在精密磨床上用叶片泵代替齿轮泵，在液压系统中采用缓冲装置等以消除运动冲击。 将高精度机床的动力源与机床本体分置在两个基础上以实现隔振。常用的隔振材料及隔振器有橡胶隔振器、泡沫橡胶、毛粘等。 适当选择砂轮的硬度、粒度和组织，适当休整砂轮，减轻砂轮堵塞，减少磨削力的波动。 按均匀铣削条件适当选择铣刀直径，齿数和螺旋角；增加铣刀齿数；以顺铣代替逆铣；采用等距刀齿结构，破坏干扰力的周期性。 刮研接触面，提高接触刚度；采用跟刀架、中心架等增强工艺系统刚度。选择较好的砂轮架导轨形式。 采用粘结结构的基础件及薄壁封砂结构的床身等，增加阻尼，提高抗振能力。 隔离外来振动的影响，采取隔振措施，如在磨床砂轮电动机底座和垫板之间垫上具有弹性的木版或硬胶皮等。2.4 机械加工过程中强迫振源的查找方法 如果已经确认机械加工过程中发生了强迫振动，就要设法查找振源，以便去除振源或减小振源对加工过程的影响。由强迫振动的特征可知，强迫振动的频率总是与干扰力的频率相等或是它的倍数，我们可以根据强迫振动的这个规律去查找强迫振动的振源。 3.机械加工过程中的自激振动3.1自激振动的概述 切削加工时，在没有周期性外力（相对于切削过程而言）作用下，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。 其振动频率与系统的固有频率相近。 既然没有周期性外力的作用，那么激发自激振动的交变力是怎样产生的呢 ? 用传递函数的概念来分析，机床加工系统是一个由振动系统和调节系统组成的闭环系统，如图 3-1 所示。激励机床系统产 生振动运动的交变力是由切削过程产生的，而切削过程同时又受机床系统振动运动的控制，机床系统的振动运动一旦停止，动态切削力也就随之消失。自激振动系统维持稳定振动的条件为在一个振动周期内，从能源机构经调节系统输入到振动系统的能量，等于系统阻尼所消耗的能量。 图3-1自激振动系统框图如果切削过程很平稳，即使系统存在产生自激振动的条件，也因切削过程没有交变的动态切削力，使自激振动不可能产生。但是，在实际加工过程中，偶然的外界干扰（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与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的动态切削力。如果工艺系统不存在自激振动的条件，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。3.2机床加工过程中产生自激振动的条件如果在一个振动周期内，振动系统从电动机获得的能量大于振动系统对外界做功所消耗的能量，若两者之差刚好能克服振动时阻尼所消耗的能量，则振动系统将有等幅振动运动产生。下图是一个单自由度振动系统模型，振动系统与刀架系统相连，且只在y方向振动。为分析问题简便起见，暂不考虑系统阻尼的作用。分析可知，在刀架振动系统振入工件的半个周期内，它的振动位移y振入与径向切削力Fy振入方向相反，切削力作负功（相当于刀架振动系统将已被压缩的弹簧k经振入运动而将所积蓄的部分能量释放出来）；而在刀架振动系统振出工件的半个周期内，它的振动位移y振出与径向切削力Fy振出方向相同，切削力作正功（相当于刀架振动系统通过振出运动使弹簧k压缩而获得能量）。只有正功大于负功，或者说只有系统获得的能量大于系统对外界释放的能量，系统才有可能维持自激振动。若用E吸收表示前者，E消耗表示后者，则产生自激振动的条件可表示为:E吸收E消耗。 3.3自激振动产生的原因:切削过程中，切屑与刀具、刀具与工件之间摩擦力的变化。切削层金属内部的硬度不均匀。在车削补焊后的外圆或端面而出现的硬度不均现象，常常引起刀具崩刀及车床自振现象。刀具的安装刚性差，如刀杆尺寸太小或伸出过长，会引起刀杆颤动。工件刚性差。如加工细长轴等刚性较差工件，会导致工件表面出现波纹或锥度。积屑瘤的时生时灭，时切削过程中刀具前角及切削层横截面积不时改变。切削量不合适引起的振动，切削宽而薄的切削易振动。 3.4 自激振动的形成机理 经过对自激振动地研究，人们从不同的侧面出发，形成了多种关于自激振动机理的理论。 3.4.1负摩擦自振原理负摩擦自振原理在切削塑性材料时，由切削原理可知，径向切削分力 Fx 开始随切削速度 vc 的增加而增大，自某一速度开始，又随切削速度的增加而下降。在力 - 速度曲线下降区，极易引起自激振动。径向切削分力主要取决于切屑与刀具相对运动所产生的摩擦力。图 3-3a） 所示为车削加工的简化振动模型。将加工系统简化为单自由度系统，刀具简化为等效质量 m ，仅能做径向运动。图 3-3b） 为径向切削力 Fx 与切屑和前刀面相对滑动速度 v 的关系曲线。在稳定切削时，工件表面的线速度为 VC ，则刀具和切屑的相对滑动速度为 V1 Vc / ，为切屑收缩系数。当刀具发生振动时，前刀面与切屑的相对滑动速度便要附加一个振动速度 V2 ，刀具切入工件时相对滑动速度为 V1 + V2 ，刀具退出工件时，相对滑动速度为 V1 - V2 ，它们分别对应于径向切削力 Fx1 和 Fx2 。所以，刀具切入工件的半个周期中，切削力所做的负功小于刀具切出工件的半个周期中所做的正功，在一个振动周期中，便有多余的能量输入振动系统，从而激起振动。 a)车削振动系统 b）切削力Fx与切屑相对滑动速度V的关系图 3-3 负摩擦原理图3.4.2再生效应自振原理再生效应自振原理切削或磨削加工时，后一次走刀和前一次走刀总会有部分重叠。如图 3-4 所示为外圆磨削简图。设砂轮宽度为 B ，工件每转进给量为 f ，砂轮前一转的磨削区和后一转磨削区有重叠部分，其大小用重叠系数 表示： 前后两次走刀完全重叠时， 1 ；无重叠时， 0 ；一般情况， 在 0 1 之间。 图 3-4 外圆磨削简图在稳定的切削过程中，由于偶然的扰动（如刀具碰到工件材料上的硬质点、余量不均匀等），引起工件与刀具发生相对的自由振动，从而在切削表面上留下振纹，当第二次走刀时，刀具将在有波纹的表面上进行切削。振动的发生与维持可用图 11-17 所示的三种切削过程的能量关系说明。设第 i 次切削时刀具与工件间的振纹为 y0 ，第 i +1 次（振纹为 y ） 就要从已有振纹的表面上切除切屑。图 3-5a） 中表示在一个周期中切削厚度处处相等，切入时切削力 F 所做的负功（因为切人时刀具的速度方向与切削力 F 的方向相反）与切出时所做的正功相等，振纹保持原有的状态；图 3-5b）中表示振幅 y 比 y0 滞后 角，刀具切人半周期中平均切削厚度比切出时的平均厚度小，因此，切入时的平均切削力比切出时的小，所以，在一个振动周期中，切削力做的正功大于负功，系统得到了能量的输入，振动加强。图 3-5c) 中 y 比 y0 超前 角，刀具切人的半周期，平均切削厚度比切出时的大，因此，切削力所做的负功大于正功，振动逐渐衰减。 综上所述，振动 y 滞后于 y0 是产生再生颤振的必要条件图 3-5 再生型颤振示意图3.4.3振型藕合自振原理振型藕合自振原理振动系统实际上都是多自由度的，图 3-6 是一个二自由度振动系统示意图。设切削前工件表面是光滑的，即不考虑再生效应，当刀架系统产生了角频率为的振动，则刀架将在 X1 和 X2 两个方向上同时振动，刀具振动的轨迹一般为椭圆形的封闭曲线。如图 3-6 所示，椭圆形曲线的旋向是顺时针的，则刀具沿 ACB 的轨迹是切入工件，它的运动方向与切削力 F 的方向相反，F 做负功。沿着 BDA 轨迹退出时，F 力做正功。由于切出时平均切削厚度大于切入时平均切削厚度，故切削力做的正功大于负功，在一个振动周期中便有多余的能量输入振动系统，维持系统的振动。图 3-6振型耦合自振原理示意图3.5 自激振动的特征 与其他类型的振动相比，自激振动有以下特征： （ 1 ）机械加工中的自激振动是在没有周期性外力（相对于切削过程而言）干扰下所产生的振动运动，这一点与强迫振动有原则区别。 （ 2 ）自激振动的频率接近于系统的某一固有频率，或者说，颤振频率取决于振动系统的固有特性。干扰力的频率。按频率的高低可分为高频颤振（一般频率在5005000Hz）及低频颤振（一般频率为50500Hz）。这一点与强迫振动根本不同，强迫振动的频率取决于外界.（ 3 ）自激振动是一种不衰减的振动。振动过程本身能引起某种不衰减的周期性变化，而振动系统能通过这种力的变化，从不具备交变特性的能源中周期性的获得补充能量，从而维持住这个振动。当运动一停止，则这种外力的周期性变化和能量的补充过程也都立即停止。工艺系统中维持自激振动的能量来自机床电动机，电动机除了供给切除切屑的能量外，还通过切削过程把能量输给振动系统，使工艺系统产生振动运动。 （ 4 ）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，如图3-7所示。图中 表示获得能量， 表示消耗能量。只有 时系统才处于稳定状态。 图3-7 自激振动系统的能量关系3.6自激振动的控制 自激振动主要受切削过程中的工艺系统内部因素的影响。主要影响因素有切削用量、刀具几何参数和切削过程中的阻尼等。通过合理控制这些因素，就能减小或消除自激振动。 （ 1 ）尽量减小重叠系数 重叠系数 直接影响再生效应的大小。重叠系数值取决于加工方式、刀具的几何形状、切削用量等。图 11-19 中列出了两种加工方式的 值。车螺纹（图 3-8a ）时， 0 ，工艺系统不会有再生型自激振动产生。切断工件（图 3-8b ）时， 1 ，再生效应最大。对于一般外圆，纵向车削时， 0 1 ，此时应通过改变切削用量和刀具几何形状，使 尽量减小，以提高切削的稳定性。图 3-8 不同加工方式的值（ 2 ）合理选择刀具几何参数刀具几何参数中对振动影响最大的是主偏角 r 和 o 。 主偏角增大，则垂直于加工表面方向的切削分力减小，故不易产生自振。从图 3-9 可以看出，当 r =90 时，振幅最小。前角越大，切削力越小，振幅也越小。图 3-10 所示为前角对振幅的影响。 适当地增大前角、主偏角，能减小 Fy ，从而减小振动。后角可尽量取小，但精加工中由于切削深度较小，后角较小时，刀刃不容易切入工件，且使刀具后面与加工表面间的摩擦加剧，反而容易引起自振。通常在刀具的主后面上磨出一段后角为负的窄棱面，如图 3-11所示，这样可以增大工件和后刀面之间的摩擦阻尼，起到很好的减振效果。 图 3-9 主偏角对振幅的影响 图 3-10 前角对振动的影响图3-11刀具的负倒棱（ 3 ）合理选择切削用量图 3-12 是切削速度与振幅的关系曲线。从图中可以看出，在低速或高速切削时，振动较小。图 3-13 图 3-14是进给量和切削深度与振幅之间的关系曲线。它们表明，选较大的进给量和较小的切削深度有利于减小振动。 采用高速切削或低速切削可以避免自激振动。增大进给量可使振幅减小，在加工表面粗糙度允许的情况下，可以选取较大的进给量以避免自激振动。切削深度增大，切削宽度也增大，振动增强，选择切削深度时一定要考虑切削宽度对振动的影响。 图 3-12 切削速度对振幅的影响图 图3-13 进给量与振幅之间的关系图 3-14切削深度对振幅的影响（ 4 ）提高工艺系统的刚度首先是提高机床的抗振性能。例如外圆磨床的主轴系统要适当地减小轴承的间隙，滚动轴承要加适当的预紧力 ，以增强接触刚度。工件与刀具的抗振性能成为系统薄弱环节时，应采取相应的技术措施，如加工细长轴时，用中心架或跟刀架来提高工件的抗振性能；当用细长刀杆加工孔时，要采用中间导向支承来提高刀具的抗振性能等等。 （ 5 ）采用减振装置在采用上述措施后仍然不能达到减振目的时，可考虑使用减振装置。常用减振装置有阻尼减振器和冲击减振器： 1 ）阻尼减振器它利用固体和液体的摩擦阻尼来消耗振动的能量。如在机床主轴系统中附加阻尼减振器，它相当于间隙很大的滑动轴承，通过阻尼套和阻尼间隙中的粘性油的阻尼作用来减振。 2 ）冲击减振器如图 3-15 所示，它是由一个与振动系统刚性相联的壳体 2 和一个在壳体内自由冲击的质量块 1 所组成的。当系统振动时，自由质量块反复冲击振动系统，消耗振动的能量，以达到减振效果。 图 3-15 冲击减振器（ 6 ）合理安排机床 工件 刀具的相对位置根据振型耦合自激振动原理，刚度比及方位角的合理选择可以提高抗振性，抑制自激振动。另外，车削加工时，工件的正转与反转对振动的影响往往不同。在很多情况下，工件反转切削时，其切削力方向往往与系统的高刚度方向一致，因此切削的稳定性较好。3.7自激振动与强迫振动的区别自激振动和强迫振动在机械加工过程中都干扰了切削精度，严重影响了加工件的表面质量，还会缩短机床及刀具使用寿命。但是，自激振动是在没有外激励作用的情况下，由系统自身激发所产生的一种振动；而强迫震动是受外力作用下被迫的产生一种震动强迫震动必须是被动的结论.通过这两年多的理论学习，我初步了解了机械加工及相关的知识。上文就是以“机械加工过程中的振动及防止措施”为题通过对自由振动、强迫振动、自激振动做了简述。通过查阅书籍资料分别对自由振动、强迫振动、自激振动从概念、意义、危害振动的特点、条件、及控制方法做了简单的分析。通过机械加工过程中产生的不同振动，在分析产生振动的原因后采取响应的措施，可以明显减小机械加工过程中的振动