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1、第五节第五节 机械加工中的振动机械加工中的振动及其控制措施及其控制措施本节内容本节内容一、机械加工中的强迫振动一、机械加工中的强迫振动二、自激振动及其控制二、自激振动及其控制机械制造工艺学机械制造工艺学机械加工过程中振动的危害机械加工过程中振动的危害1 1、振动频率较高时会产生振动频率较高时会产生微观不平度微观不平度，振动频率较，振动频率较 低时会产生低时会产生波度波度，降低降低工件的工件的加工精度加工精度，影响影响加加 工工表面粗糙度表面粗糙度；2 2、振动使加工系统持续承受动态振动使加工系统持续承受动态交变载荷作用交变载荷作用，加加 速刀具、磨具的速刀具、磨具的磨损磨损，易引起，易引起崩刃
2、崩刃；3 3、振动使机床、夹具零部件振动使机床、夹具零部件的的联接松动联接松动，间隙加间隙加 大大，接触接触刚度减小刚度减小，精度降低精度降低，缩短缩短使用使用寿命寿命；4 4、振动一旦产生，就要减小切削用量，使得机床振动一旦产生，就要减小切削用量，使得机床、刀具刀具的的性能得不到充分发挥，性能得不到充分发挥，影响生产效率影响生产效率；5 5、产生噪声、产生噪声污染污染，危害危害操作者操作者健康健康。机械制造工艺学机械制造工艺学三种基本类型三种基本类型强迫振动（强迫振动（30%）自由振动自由振动自激振动（自激振动（65%）机械加工过程中振动的类型机械加工过程中振动的类型机械制造工艺学机械制造工
3、艺学自由振动自由振动自由振动自由振动 工艺工艺系统系统受到初始干扰力的激励而引起的振动，靠受到初始干扰力的激励而引起的振动，靠弹性恢复力来维持。弹性恢复力来维持。由于系统中存在由于系统中存在阻尼阻尼，自由振动将，自由振动将逐渐逐渐衰弱衰弱，对加工影响不大。，对加工影响不大。机械制造工艺学机械制造工艺学a a、有阻尼的自由振动、有阻尼的自由振动b b、强迫振动、强迫振动c c、有阻尼的自由振动、有阻尼的自由振动 和强迫振动的合成和强迫振动的合成一、机械加工中的强迫振动一、机械加工中的强迫振动 由工艺系统内部或外部周期交变激振力由工艺系统内部或外部周期交变激振力(干扰力干扰力)持续作用下被迫产生的
4、振动。持续作用下被迫产生的振动。（一）（一）产生原因产生原因内部振源内部振源外部振源外部振源机床高速回转零部件的不平衡机床高速回转零部件的不平衡（回回转零件的质量偏心转零件的质量偏心产生离心力产生离心力）切削过程本身的不平衡切削过程本身的不平衡（往复部件往复部件、断续切削时的冲击断续切削时的冲击等等）机床传动系统制造误差和缺陷机床传动系统制造误差和缺陷（齿轮啮合的齿轮啮合的周期性周期性冲击、皮带冲击、皮带接缝、接缝、轴承滚动轴承滚动体体尺寸及形状误差尺寸及形状误差、液压传、液压传动油液脉动等动油液脉动等）机械制造工艺学机械制造工艺学其他机床、锻锤、火车、卡车等其他机床、锻锤、火车、卡车等通过机
5、床地基传给机床的振动。通过机床地基传给机床的振动。机械制造工艺学机械制造工艺学强迫振动力学模型强迫振动力学模型 下图是安装在简支梁上的电动机，以下图是安装在简支梁上的电动机，以w的角速度旋转，的角速度旋转，假如电机转子不平衡而产生离心力假如电机转子不平衡而产生离心力Po ,则则Po沿沿X 方向的分力方向的分力Px（Px=Pocoswt），就是简支梁的外界周期性干扰力。在这），就是简支梁的外界周期性干扰力。在这一激振力作用下，简支梁将作不衰减的振动。一激振力作用下，简支梁将作不衰减的振动。强迫振动的运动方程强迫振动的运动方程 内圆磨削振动系统及力学模型内圆磨削振动系统及力学模型机械制造工艺学机械
6、制造工艺学（二）强迫振动的主要特点（二）强迫振动的主要特点1 1、由外界周期性干扰力引起，、由外界周期性干扰力引起，不不 会被阻尼衰减掉会被阻尼衰减掉，振动本身也，振动本身也 不能使激振力变化；不能使激振力变化；2 2、不管系统本身固有频率如何，、不管系统本身固有频率如何，强迫振动的频率总是强迫振动的频率总是与外界干与外界干 扰力的频率相同扰力的频率相同，或是干扰力，或是干扰力 频率的整数倍；频率的整数倍；3 3、振幅大小很大程度取决于、振幅大小很大程度取决于干扰干扰 力频率力频率与系统的与系统的固有频率固有频率的比的比 值，当比值等于或接近值，当比值等于或接近1 1 时，时，振幅最大，称为振
7、幅最大，称为“共振共振”；4 4、振幅大小与、振幅大小与系统刚度系统刚度、阻尼系阻尼系 数数、干扰力干扰力有关。有关。机械制造工艺学机械制造工艺学（三）减小强迫振动的措施和途径（三）减小强迫振动的措施和途径机械制造工艺学机械制造工艺学式中式中 f 和和 fn 分别为振源频率和系统固有频率分别为振源频率和系统固有频率 常常用用隔隔振振材材料料有有橡橡皮皮、金金属属弹弹簧簧、空空气气弹弹簧簧、泡泡沫乳胶、软木、矿渣棉、木屑等沫乳胶、软木、矿渣棉、木屑等。一般要求：一般要求：1 1、减小振源的激振力，调整振源频率；、减小振源的激振力，调整振源频率；2 2、提高工艺系统刚度及增加阻尼，避开共振区；、提
8、高工艺系统刚度及增加阻尼，避开共振区；3 3、隔振；、隔振；4 4、采用减振器和阻尼器。、采用减振器和阻尼器。主动隔振主动隔振主动隔振主动隔振阻止机床振动通过地基外传阻止机床振动通过地基外传阻止机床振动通过地基外传阻止机床振动通过地基外传 被动隔振被动隔振被动隔振被动隔振阻止机外干扰力通过地基传给机床阻止机外干扰力通过地基传给机床阻止机外干扰力通过地基传给机床阻止机外干扰力通过地基传给机床二、自激振动二、自激振动及其控制及其控制（一）（一）自激振动自激振动的概念的概念 在在在在没没没没有有有有周周周周期期期期性性性性外外力力(相相对对于于切切削削过过程程而而言言)作作作作用用用用下下下下，由振
9、动系统本身产生的交变力激发和维持的振动。由振动系统本身产生的交变力激发和维持的振动。机械制造工艺学机械制造工艺学电动机(能源)交变切削力F(t)振动位移X(t)自激振动闭环系统自激振动闭环系统机床振动系统（弹性环节）调节系统（切削过程）机床机床加工系统加工系统是一个由是一个由振动系统振动系统和和调节系统调节系统组成的闭组成的闭环系统，激励环系统，激励加工系统加工系统产生产生振动振动运动的运动的交变切削力交变切削力是由是由切切削削运动运动本身本身产生的。产生的。振动系统振动系统通过通过该该力的变化，从不具备力的变化，从不具备交变特性的能源中周期性交变特性的能源中周期性地地获得补充能量，从而维持这
10、个获得补充能量，从而维持这个振动。振动。切削运动一停止切削运动一停止，则这种外力的周期性变化和能量，则这种外力的周期性变化和能量的补充过程都立即停止的补充过程都立即停止，自激振动自激振动也也随之消失随之消失。工艺系统中工艺系统中维持自激振动的能量维持自激振动的能量来自机床来自机床电动机电动机，电，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输给振动系统，使工艺系统产生振动运动运动。机械制造工艺学机械制造工艺学自激振动的特点自激振动的特点1 1、机械加工中的自激振动是在机械加工中的自激振动是在没有周期性外力
11、没有周期性外力(相相 对于切削过程而言对于切削过程而言)干扰下所产生的振动运动干扰下所产生的振动运动；2 2、自激振动是一种、自激振动是一种不衰减的振动不衰减的振动；3 3、自激振动的、自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率频率等于或接近于系统的固有频率；4 4、自激振动能否产生及振幅、自激振动能否产生及振幅 的大小取决于振动系统在的大小取决于振动系统在 每一个周期内获得和消耗每一个周期内获得和消耗 的能量对比情况。的能量对比情况。当获得当获得 的能量小于消耗的能量的能量小于消耗的能量，则则自激振动停止自激振动停止。机械制造工艺学机械制造工艺学自激振动系统能量关系自激振动系统能量关系A B
12、C能量QEE0振幅E机械制造工艺学机械制造工艺学1 1 1 1、再生效应再生效应自自激激振振动动原理原理 切削切削中因中因偶然干扰，使加工系统产生振动并在加工表面偶然干扰，使加工系统产生振动并在加工表面留下振纹。留下振纹。再再次走刀时，次走刀时，因重叠部分因重叠部分的振纹使切削的振纹使切削深深度发生度发生变化，导致切削力周期性变化，导致切削力周期性改改变，产生自激振动变，产生自激振动。这种这种因因切削切削深深度变化（简称再生效应）而引起的度变化（简称再生效应）而引起的自激振动自激振动称为称为再生效应再生效应自激振动自激振动。车车削、削、铣铣削、削、刨刨削、削、钻钻削、削、磨磨削等均削等均不例外
13、。不例外。（二）产生自激振动的几种学说（二）产生自激振动的几种学说重迭系数重迭系数：前一次切削工件表面形成的波纹面宽度在相继的后前一次切削工件表面形成的波纹面宽度在相继的后一次切削的有效宽度中所占的比例，用一次切削的有效宽度中所占的比例，用表示表示：=（Bf）/B ，B切削宽度切削宽度，f 进给量进给量 重叠系数对重叠系数对再生效应再生效应自自激激振振动动的影响的影响重叠系数越大，越容易产生自激振动。重叠系数越大，越容易产生自激振动。机械制造工艺学机械制造工艺学机械制造工艺学机械制造工艺学 产生产生产生产生再生效应再生效应再生效应再生效应自激振动的条件自激振动的条件自激振动的条件自激振动的条件
14、 再生再生效应效应自激振动原理自激振动原理f切入 切出y0ya）b）y0y切入 切出fc）fy0y切入 切出d）切入 切出fy0ya a）前后两转的振纹没有）前后两转的振纹没有 相位差（相位差（=0）b b）前后两转的振纹相位）前后两转的振纹相位 差为差为（=）c c）后一转振纹相位超前）后一转振纹相位超前 图图a a）b b）c c）系统）系统均均无能量获得；无能量获得；d d）后一转振纹相位滞后后一转振纹相位滞后 图图d d）y 滞滞后后于于y0，即即 -0，此此时时切切出出半半周周比比切切入入半半周周中中的的平平均均切切削削厚厚度度大大，切切出出时时切切削削力力所所作作正正功功（获获得得
15、能能量量）大大于切入时所作负功，于切入时所作负功，系统有能量获得系统有能量获得，产生自激振动产生自激振动。如如图图用刃宽小于螺距的宽刀用刃宽小于螺距的宽刀纵车方牙螺纹的外圆表纵车方牙螺纹的外圆表面，刀具并未发生重叠切削，面，刀具并未发生重叠切削，从从原理原理上排除上排除产生产生再生效再生效应应自自激激振振动动的可能性的可能性。但在实际加工中，当切削深度达但在实际加工中，当切削深度达到一定值时，仍会发生到一定值时，仍会发生自自激激振振动动，这种振动称为这种振动称为“振型振型耦合自耦合自激激振振动动”。2 2、振型耦合自振型耦合自激激振振动动原理原理机械制造工艺学机械制造工艺学机械制造工艺学机械制
16、造工艺学 振动系统实际上都是振动系统实际上都是多自由度多自由度的，的，下下图图将将机机床刀架简床刀架简化为化为具有具有两个两个自由度自由度的的振动系统振动系统，用相互垂直的用相互垂直的刚度刚度分别分别为为k1、k2 两组弹簧支撑两组弹簧支撑，弹簧弹簧轴线轴线x1、x2 称为称为刚度主轴刚度主轴。假定工件为绝对刚体，假定工件为绝对刚体，主振系统是刀具部件主振系统是刀具部件。振型耦合振型耦合自自激激振振动动原理原理机械制造工艺学机械制造工艺学AACCBBEEDDFp/N切削速度对吃刀抗力切削速度对吃刀抗力F Fp p的影响的影响3 3、负摩擦自、负摩擦自激激振振动动原理原理 切削塑性材料时，切削塑
17、性材料时，吃刀抗力吃刀抗力Fp自某一速度开始随切自某一速度开始随切削速度增加而下降。在此区域，极易引起削速度增加而下降。在此区域，极易引起自激振动自激振动。机械制造工艺学机械制造工艺学机械制造工艺学机械制造工艺学负摩擦负摩擦自自激振激振动动原理原理 Fp主要取决于切屑与刀具相对运动所产生的摩擦力。主要取决于切屑与刀具相对运动所产生的摩擦力。切切切切削过程若有振动，削过程若有振动，削过程若有振动，削过程若有振动，切入半周期切入半周期切削速度高切削速度高 Fp小小 切入半切入半切入半切入半周切削力所作负功小于切出半周周切削力所作负功小于切出半周周切削力所作负功小于切出半周周切削力所作负功小于切出半
18、周期期期期切削力所作正功，切削力所作正功，切削力所作正功，切削力所作正功，系统有系统有能量输入，振动能量输入，振动得以得以维持维持。Fp主要由摩擦引起，故将切削速度增高导致摩擦力下降主要由摩擦引起，故将切削速度增高导致摩擦力下降主要由摩擦引起，故将切削速度增高导致摩擦力下降主要由摩擦引起，故将切削速度增高导致摩擦力下降的特性称为的特性称为的特性称为的特性称为负摩擦特性负摩擦特性。由切削力由切削力由切削力由切削力的的的的滞后引起，故滞后引起，故滞后引起，故滞后引起，故称为称为称为称为滞后型滞后型自激自激振振动动。由于存在由于存在由于存在由于存在惯性惯性和和和和阻尼阻尼，作，作，作，作用在刀具上的
19、切削力滞后主振用在刀具上的切削力滞后主振用在刀具上的切削力滞后主振用在刀具上的切削力滞后主振动系统运动动系统运动动系统运动动系统运动。振入过程实际切削厚度小振入过程实际切削厚度小振入过程实际切削厚度小振入过程实际切削厚度小于名义值于名义值于名义值于名义值 Fp小小切入半周切入半周切入半周切入半周期期期期切削力所作负功小于切出半切削力所作负功小于切出半切削力所作负功小于切出半切削力所作负功小于切出半周切削力所作正功，周切削力所作正功，周切削力所作正功，周切削力所作正功，系统有能系统有能量输入，振动量输入，振动得以得以维持维持。vFpkc动力学模型动力学模型 振出振入xFpF Fp p与与 x x
20、 关系关系4 4、切削力滞后自、切削力滞后自激激振振动动原理原理机械制造工艺学机械制造工艺学（三）控制自激振动的途径（三）控制自激振动的途径1 1、合理选择切削用量、合理选择切削用量机械制造工艺学机械制造工艺学v 采用低速或高速切削采用低速或高速切削。v 增大进给量、减小切削深度增大进给量、减小切削深度（吃刀量）。（吃刀量）。2 2、合理选择刀具的几何参数、合理选择刀具的几何参数机械制造工艺学机械制造工艺学 前角前角前角前角振振振振幅幅幅幅；切削速度高时，；切削速度高时，；切削速度高时，；切削速度高时，前角前角前角前角对振动对振动对振动对振动 影响减弱。影响减弱。影响减弱。影响减弱。主偏角主偏
21、角主偏角主偏角切削力切削力切削力切削力振振振振幅幅幅幅，9090 时时时时振振振振幅最小。幅最小。幅最小。幅最小。后角后角后角后角振振振振幅幅幅幅，一般取一般取23；太小时；太小时；太小时；太小时反而会反而会反而会反而会 引起引起引起引起振振振振动。动。动。动。刀尖圆角半径刀尖圆角半径刀尖圆角半径刀尖圆角半径切削力切削力切削力切削力，应使刀尖圆角半，应使刀尖圆角半，应使刀尖圆角半，应使刀尖圆角半 径径径径；但太小时刀具耐用度降低，表面粗糙度；但太小时刀具耐用度降低，表面粗糙度；但太小时刀具耐用度降低，表面粗糙度；但太小时刀具耐用度降低，表面粗糙度 值增大。值增大。值增大。值增大。切削或磨削的切
22、削或磨削的重叠系数重叠系数apfaB振动方向XDfbbda）切削b）磨削rr，减小切削或磨削时的重叠系数减小切削或磨削时的重叠系数机械制造工艺学机械制造工艺学v 增加主偏角增加主偏角v 增大进给量增大进给量 提高机床提高机床尾顶尖尾顶尖的动刚度的动刚度机械制造工艺学机械制造工艺学3 3、提高工艺系统的抗振性、提高工艺系统的抗振性 提高提高机床的抗振性机床的抗振性 主要是提高机床零件间的接触刚度和接触阻尼。主要是提高机床零件间的接触刚度和接触阻尼。调整调整振动振动系统小刚度主轴的位置系统小刚度主轴的位置机械制造工艺学机械制造工艺学 考虑振型耦合影响，合理布置主切削力和小刚度主轴考虑振型耦合影响，
23、合理布置主切削力和小刚度主轴的位置的位置。两种尾座结构：。两种尾座结构：（a a）振动系统的小刚度主轴振动系统的小刚度主轴 x1位于切削力位于切削力F F与与y y轴之间时，轴之间时，容易产生自振容易产生自振。（b b）抗振抗振。ab 两种尾座结构两种尾座结构x2x2x1x1x1x1x2x2FFyy机械制造工艺学机械制造工艺学 提高提高刀具的抗振性刀具的抗振性 刀具应有较高的弯曲和扭曲刚度，高的阻尼刀具应有较高的弯曲和扭曲刚度，高的阻尼 系数和弹性模数。系数和弹性模数。车刀消振棱车刀消振棱0.10.3-5-202 3 增加切削阻尼（例采用倒棱车刀）增加切削阻尼（例采用倒棱车刀）减小刀具后角，可
24、减小刀具后角，可增大摩擦阻尼，切削稳增大摩擦阻尼，切削稳定性提高，但不定性提高，但不能能太小，太小，以以2 23 3度为好。也可在度为好。也可在后刀面上磨出消振棱。后刀面上磨出消振棱。阻尼材料铸铁环铸铁套筒 工工件上加阻尼材料件上加阻尼材料 工工件件上上加阻尼加阻尼材料材料机械制造工艺学机械制造工艺学 提高提高工件安装刚度工件安装刚度 细长轴细长轴切削中切削中，可使用中心架或跟刀架。，可使用中心架或跟刀架。图453 削扁镗杆镗孔 采用采用削扁镗杆削扁镗杆机械制造工艺学机械制造工艺学 006060镗孔时，镗孔时，镗孔时，镗孔时，系统最不稳定系统最不稳定，产生，产生，产生，产生激烈激烈振动振动；1
25、151151515151500镗孔时，镗孔时，镗孔时，镗孔时，系统最稳定系统最稳定，不易出现不易出现振动振动。4 4、合理调整振型的刚性比及其组合、合理调整振型的刚性比及其组合 车床上车刀装在水平面上稳定性最差；车床上车刀装在水平面上稳定性最差；车刀装在车刀装在6060度的方位上，稳定性最好。度的方位上，稳定性最好。机械制造工艺学机械制造工艺学 调整调整刀具安装刀具安装位置位置，提高稳定性，提高稳定性通过阻尼作用，将振动通过阻尼作用，将振动能量转换为热能消耗掉，能量转换为热能消耗掉，实现减振的目的。实现减振的目的。5 5、采用减振装置（阻尼器、吸振器）、采用减振装置（阻尼器、吸振器）机械制造工
26、艺学机械制造工艺学2 2）阻尼器的原理及应用阻尼器的原理及应用 固体摩擦阻尼器固体摩擦阻尼器 液体摩擦阻尼器液体摩擦阻尼器 电磁阻尼器电磁阻尼器机械制造工艺学机械制造工艺学 阻尼器的应用阻尼器的应用机械制造工艺学机械制造工艺学2 2）吸振器的原理及应用吸振器的原理及应用 动力式吸振器动力式吸振器 冲击式吸振器冲击式吸振器 通过弹性元件把一个通过弹性元件把一个附加质量附加质量连接到振动系统上，利连接到振动系统上，利用用附加质量附加质量在振动系统激励下发生振动的动力作用来抵消在振动系统激励下发生振动的动力作用来抵消系统的激振力。系统的激振力。及及动动力力学学模模型型 动动力力式式吸吸振振器器机械制
27、造工艺学机械制造工艺学 动力式吸振器动力式吸振器及动力学模型及动力学模型机械制造工艺学机械制造工艺学 冲冲击击式式吸吸振振器器的的应应用用 冲击式吸振器冲击式吸振器及动力学模型及动力学模型式中式中 :T T 振动体振动体 M M 的振动周期的振动周期 A A 振动体振动体 M M 的振幅的振幅机械制造工艺学机械制造工艺学5 5、采用、采用变速变速切削切削机械制造工艺学机械制造工艺学 抑制抑制再生效应再生效应自自激激振振动动，用于工艺系统刚性较好的用于工艺系统刚性较好的 场合。场合。切削过程在不稳定区与条切削过程在不稳定区与条 件稳定区交替进行件稳定区交替进行。加工系统振动频率随主轴加工系统振动
28、频率随主轴 转速变动而变动，其振动转速变动而变动，其振动 响应是变频激励的瞬时响响应是变频激励的瞬时响 应，与恒频相比要小应，与恒频相比要小。变速切削减振原理变速切削减振原理机械制造工艺学机械制造工艺学控控制自激振动制自激振动的的途径途径V=2060m/min自振最大f自振；保证Ra时f提高机床抗振性提高刀具抗振性（采用消振刀具）提高工件安装刚性根据振型耦合原理，工艺系统的振动还受到各振型的刚度比及其组合的影响。合理调整它们之间的关系，就能有效提高系统的抗振性，抑制自激振动。提高工艺系统抗振性合理选择切削用量合理选择刀具参数采用变速切削合理调整振型刚度比及其组合采用减振装置前角、主偏角自振后角自振；但太小时自振抑制再生效应自激振动，用于工艺系统刚性较好的场合。小 结机械制造工艺学机械制造工艺学本章结束本章结束