振动与防治

振动与防治机械制造技术基础讨论课机械振动介绍加工质量概念影响加工质量影响和加工误差的因素提高加工质量的措施振动与防治案例分析振动：机床-刀具-工件系统往往会发生颤动，这种颤动称为振动。危害：1.加工表面留下波纹，降低加工质量2.伴有特征性的噪音出现3.使刀具损坏，机床联接零件松动甚至损坏。原因：引起振动的原因是多方面的，有外因也有内因，但根本原因是内因引起的。一般我们将内因所引起的振动称为自发振动，将外因所引起的作用称为强迫振动。机械振动介绍1.强迫振动强迫振动是在周期性的干扰力作用下发生的，其主要原因如下：（1）外界传来的振动。在工作机床的周围有其他强力振动的机床或机器工作着，于是振动传给本机床。（2）转动着的工件或机床部件不平衡。如机床的齿轮、轴、卡盘或带轮的转动时不平衡而产生离心力。因为离心力改变方向就会产生振动，其振动频率等于不平衡零件每秒的转数。（3）机床传动机构或零件存在问题。如精度不高或安装不正确的齿轮、磨损了的零件等都会产生干扰力。此外如带传动接触不好、由油泵所造成的输油管中液体的脉动和粗加工所遗留下来是工件表面波峰等，均会产生周期性是干扰力。（4）加工方法本身所引起的振动。如车削带有轮齿的齿圈外圆或带有油槽、键槽的内孔等都会产生振动。2.自发振动自发振动是物体受到没有振动的干扰力作用下，由其本身内部的矛盾性，即摩擦力或内应力等发生变化所引起的，它由运动本身所造成并受运动本身所支配，而当运动停止时，振动也消失。产生自发振动的原因如下：（1）切屑排出时，切屑与刀具和刀具与工件之间的摩擦力变动而引起振动。切削钢料时的振动就比切削铸铁时大。（2）切削层沿着其厚度方向的硬化不均匀而引起振动。（3）积屑瘤的时生时灭，使切削中的刀具前角和后角发生变化和切削横截面积的变化而引起振动。1.机床方面（1）机床床脚应刚性地固定在地脚下，最好灌注水泥，并用适当的弹性支座或隔震材料，如弹簧、橡胶、软木、毡呢等。土壤也有隔震效果，或在基础周围挖有防震沟。（2）制造机床时最好选择能吸收振动能量的材料，如铸铁就比钢材好，因此有些防震机床就采用铸铁作为轴的材料，床脚、轴承座多用铸铁制造。（3）增加主轴刚性。如采用三档轴承、减少轴的伸出长度、增加轴承长度等，轴承应能调节。（4）调整机床主轴与轴承、滑板与楔铁之间的间隙。当然主轴有较高的圆度。（5）当滑板不用时，尽可能把它锁紧。（6）消除丝杠与螺母之间的间隙。（7）应校正机床。如床身扭转，则当滑板移动时，各处接触点不同容易产生间隙。消除方法2.刀具方面应用较大偏角的刀具，以减小径向力，并使切屑厚度增加；增大车刀前角，使刀刃锋利，减小切屑与刀具的摩擦，使切削力减小；刀尖圆弧半径应取得小些；刀具后角小一些，近主刀刃处（约0.5—1mm）的后角甚至于接近零度；不能用钝刃的刀具进行切削；应用截面较大的刀杆，这样不但增加刀杆刚性，而且有利于散热，此外刀头尽可能伸出短一些，刀尖与工件中心等高或稍高一些；应用弹簧刀杆；用反装车刀切削。3.夹具方面为减少振动，装夹工件时应注意以下几点：（1）大卡盘的刚性比小卡盘好，四爪卡盘的刚性比三爪卡盘好，工件直接用螺钉安装在花盘上比卡盘装夹好。刚性好就不容易振动。（2）用一夹一顶安装工件比两顶尖安装工件好，两端夹持工件比一夹一顶安装工件好。（3）应用刚性顶尖比活络顶尖好。在高速时一定要用活络顶尖，那么活络顶尖的外壳最好镶在床尾套筒内，而床尾套筒尽可能伸出短些。（4）车细长轴时，应采用中心架或跟刀架。4.切削用量方面在切削用量中，影响振动最大的是切削速度和吃刀量，其次是进给量。切削速度对振动的影响随切削速度的增大而增大，以后又减小，其临界速度随材料和切削方式不同而不同，一般以20—80m/min最不利于切削。吃刀量愈大振动愈强烈，进给量增大可以减小振动。任何情况下应避免宽而薄的切屑。当机床功率或刚性不足时，应增加进给次数，并增大进给量来保证生产率，即用低速大进给方法。如果加工表面已有振痕，则第二次走刀时尽量避免造成振痕的切削速度和进给量。5.工作方面车削铸铁时的振动比车削钢料时小，这是由于铸铁的冷硬程度小的缘故。冷硬愈小，则振动也愈小。改变工件重量及振动系统刚度时，频率也随之改变。加工质量的概念概念：零件加工后表面层状态完整性的表征包括以下：1、加工表面的几何特征①表面粗糙度②表面波度2、表面层物理力学性能①表面层的加工硬化②表面层金相组织的变化③表面层残余应力影响加工质量影响和加工误差的因素工艺系统的振动振动使工艺系统的各种成形运动受到干扰和破坏，使加工表面出现振纹，增大表面粗糙度值，恶化加工表面质量。刀具几何参数、材料和刃磨质量刀具的几何参数中对表面粗糙度影响最大主要是副偏角、主偏角、刀尖圆弧半径。在一定的条件下，减小副偏角、主偏角、刀尖圆弧半径都可以降低表面粗糙度。在同等条件下，使用不同材质的刀具也会对加工质量造成不同的影响切削液切削液的冷却和润滑作用能减小切削过程中的界面摩擦，降低切削区温度，使切削层金属表面的塑性变形程度下降，抑制积屑瘤和鳞刺的产生工件材料工件材料的性质；加工塑性材料时，由刀具对金属的挤压产生了塑性变形，加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。工件材料韧性越好，金属的塑性变形越大，加工表面就愈越粗糙。加工脆性材料时其切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点使表面粗糙切削条件提高加工质量的措施制订科学合理的工艺规程是保证工件表面质量的基础合理的选择切削参数是保证加工质量的关键合理的选择切削液是保证加工工件表面质量的必要条件工件主要工作表面最终工序加工方法的选择至关重要科学合理的工艺规程是加工工件的方法依据。只有制订了科学合理的工艺规程，才能为加工工件表面质量满足要求提供科学合理的方法依据，使加工工件表面质量满足要求成为可能。对科学合理的工艺规程的要求是工艺流程要短，定位要准确，选择定位基准时尽量使定位基准与设计基准重合。选择合理的切削参数可以有效抑制积屑瘤的形成，降低理论加工残留面积的高度，保证加工工件的表面质量。切削参数的选择主要包括切削刀具角度的选择、切削速度的选择和切削深度及进给速度的选择等。试验证明，主偏角、副偏角及刀尖圆弧半径对零件表而粗糙度都有直接影响。在进给量一定的情况下，减小主偏角和副偏角，或增大刀尖圆弧半径，可减小表面粗糙度。另外，适当增大前角和后角，可减小切削变形和前后刀面间的摩擦，抑制积屑瘤的产生也可减小表面粗糙度。比如在加工塑性材料时若选择较大前角的刀具可以有效抑制积屑瘤的形成，这是因为刀具前角增大时，切削力减小，切削变形小，刀具与切屑的接触长度变短，减小了积屑瘤形成的基础。选择合理的切削液可以改善工件与刀具间的摩擦系数，可降低切削力和切削温度，从而减轻刀具的磨损，以保证工件的加工质量。工件主要工作表面最终工序加工方法的选择至关重要，因为最终工序在该工作表面留下的残余应力将直接影响机器零件的使用性能。选择零件主要工作表面最终工序加工方法，须考虑该零件主要工作表面的具体工作条件和可能的破坏形式。案例一：薄壁零件加工中变形振动分析和消振措施薄壁零件以日益广泛地应用个工业部门生产机器零件中，车削薄壁零件的关键是变形、振动问题。工件产生变形振动的原因大多是由于切削力、夹紧力、定位误差和弹性变形。其中影响最大的是切削力和夹紧力。我们在实践过程中减小切削力和切削热主要采取方法是：合理地选择切削用量、合理地选择刀具几何角度、减小夹紧力引起的变形，主要改变和改善夹紧力对零件的作用。薄壁套工件特点分析：从零件图样要求及加工精度来看，加工此零件难度有几点：1.它的内外圆直径差很小，强度当然就弱。如果在卡盘上三爪夹紧力过大，就会使零件变形，造成零件圆度误差2.根据图样要求内孔与外圆有同轴度要求，如果按常规装夹方式很难保证精度的要求，还会发生变形振动，无法加工下去。解决方案：此零件要想在加工中不变形，不振动可以采取以下两种装夹方法：1.采用扇形软卡爪或开缝套筒，将工件小面积上的局部受力变为大面积上的均匀受力。因为此零件内外圆直径差很小，强度弱，以外圆装夹定位加工内孔。如用三爪夹紧定位粗车内孔时还不会发生太大变形。到精车时，内孔尺寸与外圆尺寸直径差很小且容易发生变形，影响尺寸和精度，所以采用扇形软卡爪或开缝套筒就能解决此问题。2.内孔精车好以后，采用在车床上加工一个芯轴，以芯轴作为内孔定位基准。即能保证零件同轴要求，又能很好防止零件变形振动。因为芯轴作用把径向夹紧转为轴向夹紧，薄套轴向承载能力比径向大，且轴向夹紧力与切削力方向不一致。这样可以减小轴向夹紧力，使工件不易产生变形。在加工此零件还要充分考虑车削和切削用量选择以及刀具的合理角度，并且在加工过程中加注切削液冷却，保证工件不受热变形。案例二：LIEBHERR数控滚齿机LC3000振动及防治以一台德国LIEBHERR数控滚齿机LC3000为原型，如图所示，对加工中出现的振动(蹦刀)问题进行振源诊断:该设备在安装调试完毕后，进行内齿切削时产生严重的振动、蹦刀且噪音大，加工出的齿轮工件齿面有振纹，零件达不到产品的质量要求。LIEBHERR数控滚齿机LC3000为解决此问题:第一步，降低了切削速度和切削进给量，多次试验后无变化;第二步，对夹具进行了改进，改为由原来的8个M24的螺栓，增加到12个M24的螺栓，同时在工件上端加一个圆环形的压板以提高夹具的稳定性，防止在盘铣刀进给时引起工件振动，如下图所示。从装夹改进后的实验结果看，只是振动幅度稍有减小，振动还依然存在，没有真正找到振源。第三，现场拾振，进行频谱分析。在现场加工条件下，沿加工部位附近的振动敏感方向，用传感器(加速度计和力传感器等)拾取过程中的振动信号，做频谱分析，画频谱图。频谱图上较为明显的峰值点有多少个，机械加工系统中的振动频率成分就有多少个。从频谱结果分析看，加工工件时的振动频率与机床的固有频率近似相等，使其发生了共振。解决方案:采用变频方式，修改840D机床参数，在LH90软件系统里添加支程序，让主轴在士2rpm速度范围内进行变速切削，解决了振动问题，如右图所示。综上所述，解决机加工中振动的方法和途径可归纳为:（1）合理选择加工的装夹方式、加工轨迹、切削速度和进给量，给出不同的避免齿轮工件齿面产生振纹的加工方案;（2）避免激振力的频率与系统的固有频率接近，以防止共振。如采取更换电动机的转速或改变主轴的转速来避开共振区;（3）用提升工艺系统的刚度和阻尼，提高接触面精度、降低结合面的粗糙度;消除间隙、提高接触刚度等方法，来提高系统的刚度和固有频率，从而达到控制振动的目的;（4）通过消除或最大限度减少来自自振振源的激振力臂，如在用较高速度旋转砂轮磨削时，由于砂轮本身砂粒的分布不均和工作时表面磨损不均匀等因素，容易造成主轴的振动，因此，对于新换的砂轮应该在修整前后进行两次平衡。机械加工过程中齿轮的制造精度及装配精度都必须得到提高，提高齿轮的工作平稳性精度尤为重要。案例三：曲柄连杆机构的振动噪声与防治曲柄连杆机构简介曲柄连杆机构是往复式内燃机中的动力传递系统。曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动部分。什么是曲柄连杆机构的震动和噪音理论上，如果认为内燃机各曲柄连杆的质量、几何参数等完全相同这些力可以完全平衡，而实际情况是有设计偏差，还有制造偏差，在发动机使用过程中偏差更趋向扩大。因此，发动机的实际惯性力与按均衡、稳态参数假设计算得到的数值有相当的差异。这种差异造成了曲柄连杆机构的惯性激振力的波动，而这种波动传递到整机上，就造成了整机振动的波动，使得振动加剧，进而产生了噪音。同时齿轮声、离合器和制动器电磁阀的排气声，滑动销离合器结合时的冲击声，但主要的还是滚动轴承安装的不好或损伤时发出的声音。曲柄连杆机构的震动和噪音产生的原因在发动机曲柄连杆机构中，活塞往复运动将产生往复惯性力；曲柄回转运动将产生离心惯性力。回转部件的惯性力就是离心力。回转惯性力的方向永远是离心的，它的作用线与曲柄中心线重合，它随曲柄按角速度回转。曲柄销上的离心力直接传向