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加工过程中的振动危险

欧宝体育官方网站振动会使工件表面产生振动纹,降低工件的加工精度和表面质量,低频振动时会产生波纹;

振动会导致刀具崩刃,加速刀具或砂轮磨损;

振动使机床夹具的连接部分松动,影响运动副的工作性能,使机床失去精度;

欧宝体育官方网站产生噪声污染机械设备振动方面的书,危害操作者健康;

影响生产效率;

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加工过程中的振动类型

加工时的振动类型:自由振动、强迫振动、自激振动。

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1.自由振动

过程系统受到初始扰动力破坏并破坏其平衡状态后,系统仅靠弹性恢复力维持的振动称为自由振动。由于系统中的阻尼,自由振动会逐渐减弱,对加工影响不大。

2.强制振动

它是由稳定的外部周期性干扰力(激振力)作用引起的;除了力之外,任何随时间变化的位移、速度和加速度也会引起系统的振动;强迫振动源:机外+机内。机外:其他机床、锻锤、火车、卡车等通过基础向机床传递振动: 1)转动部件质量不平衡(转动部件质量偏心) 2)机床制造误差和缺陷传动部分(如齿轮啮合的影响,皮带厚度不均匀引起的皮带轮圆度误差和张力变化,滚动轴承的套圈和滚子的尺寸和形状误差) 3)切割时的冲击(如往复运动部件的冲击;液压传动系统)压力脉动;断续切削时的冲击振动)

强迫振动特性:频率特性:与干扰力频率相同,或干扰力频率的整数倍。幅值特性:与干扰力的幅值和过程系统的动态特性有关。当干扰力的频率接近或等于过程系统的某一固有频率时,出现共振相位角特性:强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个φ角,其值与系统的动态特性和干扰力的频率有关

受迫振动的运动方程:

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图解:内圆磨削振动系统 a) 模型图 b) 动态模型 c) 力图

3、自激振动

在没有周期性外力的情况下(相对于切削过程),系统内部由激励反馈产生的周期性振动;自激振动过程可以用传递函数的概念来描述;切削过程本身会引起一些交变的切削力,而振动系统通过这种力的变化机械设备振动方面的书,可以周期性地从不具有交变特性的能源中获得补充能量,从而维持这种振动。当运动停止时,外力的周期性变化和能量的补充也立即停止。过程系统中维持自激振动的能量来自机床电机。除了为切屑提供能量外,

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自激振动的特点:加工中的自激振动是在没有周期性外力(相对于切削过程)干扰的情况下产生的振动运动,它在原理上不同于强迫振动;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。这与强迫振动有着根本的不同机械设备振动方面的书,强迫振动的频率取决于外界干扰的频率;自激振动是一种不衰减的振动。振动过程本身可以引起某种不衰减的周期性变化,振动系统可以通过这种力的变化,周期性地从能源中获得补充能量,而不具有交变特性,从而维持振动。自激振动是由振动系统本身的参数决定的,与强迫振动有明显区别。自由振动会因阻尼而迅速衰减,而自激振动不会因阻尼的存在而衰减;能否产生自激振动以及振幅的大小取决于振动系统在每个循环中获得和消耗的能量的比较;这与强迫振动有很大不同。自由振动会因阻尼而迅速衰减,而自激振动不会因阻尼的存在而衰减;能否产生自激振动以及振幅的大小取决于振动系统在每个循环中获得和消耗的能量的比较;这与强迫振动有很大不同。自由振动会因阻尼而迅速衰减,而自激振动不会因阻尼的存在而衰减;能否产生自激振动以及振幅的大小取决于振动系统在每个循环中获得和消耗的能量的比较;

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单自由度加工振动模型产生自激振动的条件如图所示。假设工件系统为绝对刚体,振动系统与刀架相连,仅在y方向单自由度振动。在反力 Fp 的作用下,刀具进出(振动)。刀架振动系统也有F弹作用于其上。y越大,F弹越大。当 Fp=F 弹时,刀架停止振动。对于上述振动系统,反力Fp为外力,Fp对振动系统所做的功如图所示。刀具切入时,其运动方向与反力方向相反,做负功;那是,振动系统消耗能量W来振动;刀具切出时,其运动方向与反力方向相同,做正功;即振动系统必须吸收振动出来的能量W;

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图解:单自由度加工振动模型 a) 振动模型 b) 力与位移的关系

三种情况:振动,系统在一定程度上存在振幅稳定的自激振动;

因此,振动系统发生自激振动的基本条件为:W振动输出>W振动输入或FP振动输出>FP振动输入

自激振动的再生原理

如图所示,车刀只做横向进给。在稳定切削过程中,刀架系统偶尔会因材料硬点、加工余量不均或其他原因的影响而受到干扰。刀架系统因此产生自由振动并在加工表面上留下相应的振动模式。

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图表:自由正交切削过程中再生颤振的产生

当工件旋转一圈时机械设备振动方面的书,刀具需要在带有振动线的表面上进行切削,切削力因切削厚度的变化而周期性变化。产生动态切削力。切削厚度变化引起的自激振动称为“再生颤振”。

再生自激振动的产生条件图中的绿线表示上一圈切削工件的表面振动模式,红线表示下一圈切削的表面。

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a) 前后两匝振动模式无相位差(ψ=0) b) 前后两匝振动线相位差为ψ=πc) 振动线相位下一回合的在图c之前

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d) 下一轮振动模式的相位滞后图。图中d,a) b) c) 系统没有能量获取;d) 此时切出大于切入半周期的平均切削厚度,切出时做正功的切削力(增益能量)大于切入时做的负功。切入时,系统有能量获取,产生自激振动。结论:在再生颤振中,只有在下一个旋转的振动模式的相位滞后于前一个旋转的振动模式时,才可能产生再生颤振。

重叠系数对再生颤振的影响

在纵向切削或磨削工件表面时,下一次走刀(进给)和上一次走刀(进给)之间总会有部分重叠。如果有重叠切割,可能会出现再生颤振。重叠系数:前道次在工件表面形成的波纹面宽度与后道次有效宽度之比,以μ表示。

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式中,bd——等效切削宽度,即从实际切削到前次切削的垂直于振动方向的残余振动纹的投影宽度;b——当前切割垂直于振动方向的切割宽度;B, fa ——轮宽和轴向进给量。

一般为0<μ<1,轴向切削时,0<μ<1用于径向切削(前后两走完全重叠时)μ=1(如切槽、钻孔、端铣等)车方螺纹, μ =0,无重叠切割,无再生颤动。

在金属切削中,除了极少数例外,刀具总是在波纹表面上部分或完全切削。振型耦合原理:振动系统实际上是多自由度的,如图所示是一个二自由度振动系统的示意图。不管再生效果如何,当刀架系统产生角频率为ω的振动时,刀架会同时在x1和x2两个方向上振动,刀具振动的轨迹一般为椭圆闭合曲线A →C→B→D→A。

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自激振动产生条件:①k1=k2,x1与x2无相位差,轨迹为直线,无能量输入②k1>k2,x1超前x2,轨迹A→D →B→C→A为椭圆,切入半周内平均切削厚度大于切削半周内,系统无能量输入③k1<k2,x1滞后于x2,轨迹为a顺时针椭圆,即:A→C→B→D→A。此时切入半周的平均切削厚度小于切出半周的平均切削厚度,获得能量,并能保持振动。

利用负摩擦原理切削塑料材料时,切削阻力Fp随着切削速度从一定速度的增加而减小。在该区域内,容易引起自激振动。

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Fp主要取决于切屑与刀具相对运动产生的摩擦力。如果切削过程中有振动,则切入半周切削速度高→Fp小→切入半周切削力做的负功小于切入半周做的正功切出半周的切削力,系统有能量输入机械设备振动方面的书,保持振动

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Fp主要是由摩擦引起的,所以摩擦力随着切削速度的增加而减小的特性称为负摩擦特性。

切削力滞后原理

由于惯性和阻尼,作用在刀具上的切削力滞后于主振动系统的运动。进振过程中,实际切削厚度小于标称值→Fp小→切入半周切削力做的负功小于切出半周做的正功循环切削力,系统有能量输入,保持振动。

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由切削力的滞后引起的,称为滞后颤振。

加工时振动的预防措施

1.消除或削弱产生强迫振动的条件

减少机内干扰力的振幅动力源(特别是液压系统),分离机体;机床内高速旋转部件静平衡和动平衡;提高旋转部件的制造和装配精度,或振动和动力齿轮采用对平衡不敏感的高阻尼材料,以减少啮合引起的振动;对于往复运动部件,注重质量、速度和换向机构。

调整振源频率:调整刀具或工件的转速,使激振力的频率偏离工艺系统的固有频率。

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其中 f 和 fn 分别是振动源的频率和系统的固有频率。

隔振 主动隔振 - 防止机器振动通过基础 被动隔振 - 防止外部干扰力通过基础传递到机床 常见的隔振材料包括橡胶、金属弹簧、空气弹簧、泡沫乳胶、软木、矿渣羊毛、木屑等。

增加工艺系统的刚度和阻尼

各零件之间的接触面经刮磨处理,增加各零件之间连接的刚性;刀架用于缩短工件或刀具在装夹时的悬伸长度,以增加工艺系统的刚性。

如果减振装置不能从根本上消除产生振动的条件,不能有效改善过程系统的动态特性,可以使用减振装置。

2、消除或削弱自激振动的条件

减少切削或磨削时的重叠系数 减少重叠系数的方法:增加主偏角,增加进给量

合理选择切削量V=30~70m/min→自振↑f↓→自振↑;保证Ra时→f↑切削深度增大,切削宽度也随之增大,振动增大,在选择切削深度时必须考虑切削宽度对振动的影响

合理选择刀具参数前角、主偏角↑→自振↓后角↓→自振↓;但太小→固有振动↑适当增大前角和主偏角,可以减小Fy,从而减小振动。当主偏角增大时,垂直于加工面方向的切削力减小,不易产生自振。

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但在精加工时切深和后角较小时,切削刃不易切入工件,刀具背面与加工表面的摩擦加剧,但很容易引起自振。通常在刀具主背面磨削一个负后角的窄小面,如图所示,可以增加工件与后刀面之间的摩擦阻尼,具有良好的减振效果。

调整振动系统刚度低的主轴位置

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增加切削阻尼

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使用变速处理

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抑制再生颤振,用于工艺系统刚性较好的场合;切割过程在不稳定区和条件稳定区交替进行;加工系统的振动频率随主轴转速而变化,其振动响应是变频励磁的瞬时响应,与变频励磁相同。它小于恒定频率。

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3、改善工艺系统的动态特性

提高工艺系统的刚性;增加工艺系统的阻尼;

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4.采用减振装置

动态减震器

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摩擦阻尼器

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减震器

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式中,T——振动体的振动周期 MA——振动体 M 的振幅

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- 结尾 -

出品 | 吉格曼

来源 | 金属大脑

微信 | bb理查德2018

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