下载文档原格式
北方工业大学科目机械振动-精密深孔镗削中镗杆振动问题学院机电工程学院专业班级机研-12学生姓名指导教师撰写日期：2012年12月12日摘要在机械制造业中，一般规定孔深L 与孔径d 之比大于5，即L/d＞5 的孔称为深孔。
深孔加工是处于封闭或半封闭状态下进行的，不能直接观察到刀具的切削情况；且受孔径尺寸限制，刀具直径小，悬伸长，刚性差；切屑不易排出，切削热不易传散，因此深孔加工一直是金属切削领域内公认的技术难题。
而对于两端孔径小，中间孔径大的瓶腔深孔加工则难度更大，除了存在上述一般深孔加工的问题外，还要求实现镗刀块的伸出、夹紧、松开、缩回等动作，且受入口直径的限制，镗杆的刚性问题及振动问题变得更加尖锐。
因此精密小深孔加工技术的研究在理论和实践上都具有重要意义。
经过深孔镗削过程中的自激振动分析、深孔镗杆进行了静力学和动力学理论分析、对深孔镗杆进行ANSYS分析、深孔镗杆的模态分析，有一些减小振动的方法可以利用，如合理选择刀具几何形状、提高工艺系统的抗振性、采用减振装置、合理调整振型的刚度比、超声波方法、镗杆结构优化、智能镗杆颤振监测实验系统、镗削振动主动控制、设计辅助结构等方法等等。
关键词：深孔；镗削；减振目录目录 (3)1机械振动概况 (4)1.1机械振动对机械加工的影响 (4)1.2深孔加工的振动问题 (4)2精密振动切削工艺中的振动问题 (4)2.1项目简介 (4)2.1.1项目中的振动 (4)2.1.2项目镗削工序的振动分析 (4)3深孔镗削过程中的振动分析 (6)3.1深孔镗削过程中的自激振动 (6)3.2深孔镗杆进行了静力学和动力学理论分析 (7)3.3对深孔镗杆进行ANSYS分析 (9)3.4深孔镗杆的模态分析 (10)4减小深孔镗削中振动的方法 (11)4.1概述 (11)4.2超声波方法 (11)4.3镗杆结构优化 (13)4.4智能镗杆颤振监测实验系统 (13)4.5镗削振动主动控制 (14)4.6深孔镗削加减振措施后效果 (15)5.总结 (15)参考文献 (16)1机械振动概况1.1机械振动对机械加工的影响在机械加工过程中,工艺系统的振动会破坏刀具与工件之间正常的运动轨迹,给机械加工带来较大的危害,具体表现在以下几个方面：①影响加工表面质量,频率低时产生波纹,频率高时产生微观不平度；②降低生产效率,加工中的振动制约了切削用量的提高,严重时甚至使切削不能正常进行；③缩短刀具、机床等的使用寿命；④振动产生的噪声污染了环境。
数控车削中的自激振动分析与消振措施陈浩（常州冶金技师学院，江苏省常州市新冶路41-1号，213019）摘要：本文就数控车削过程中产生的振动及其对加工的影响进行了简单地描述，对数控车削过程中产生自激振动的因素及其特点，进行了描述和分析，并从几方面有针对性的对自激振动采取相应的消振措施，进行控制。
关键字：自激振动；低频振动；高频振动；消振措施数控加工中，工艺系统如发生振动，则使工艺系统的正常运动方式受到干扰，从而破坏了机床、工件、刀具的正确关系，使加工表面出现振纹，严重地恶化了加工质量，降低了刀具耐用度和机床使用寿命，限制了生产率的提高。
随着科学技术不断发展，对零件表面质量要求越来越高，振动往往成为提高产品质量的主要障碍。
数控加工中的振动，有自由振动、受迫振动和自激振动三种类型。
自由振动、受迫振动是比较容易消除的，只要把激起振动的基本原因找到，振动就可以去除。
但自激振动是一个比较复杂和比较难以解决的问题。
本文就针对数控车削过程中产生的自激振动的原因进行研讨和分析，并采取相应的减振、消振措施。
1 数控车削过程中的振动及其对加工的影响由机床、工件和刀具组成的工艺系统是一个弹性系统。
工艺系统的振动对加工影响非常大。
振动使加工表面产生波纹，严重恶化加工精度和加工表面质量。
振动影响刀具的耐用度，甚至使刀头崩裂，从而使刀具不能充分利用。
振动使机床的运动零部件加快磨损，连接部位松动，缩短机床的使用寿命。
由于振动，使加工时的切削用量受到限制，尤其是加工刚性较差的细长轴和薄壁零件时，不得不较大幅度地降低和改变切削用量，采取必要的防振措施，从而降低了生产率。
因此，加工过程中产生的振动，是一种极其有害的现象。
弄清数控车削过程中产生振动的原因，采取相应的减振、消振措施，对保证零件的加工质量，提高劳动生产率和改善操作者的劳动条件，具有十分重要的意义。
数控加工中的振动有自由振动、受迫振动和自激振动三种类型。
在数控加工中，主要是自激振动。
机械加工自激振动的研究Ξ徐 伟1,雷盛开2(1.广东技术师范学院,广东广州 510655;2.三峡大学职业技术学院,湖北宜昌 447002))摘 要:探讨机械加工中自激振动的产生机理,简述减少自激振动的途径,通过合理选择切削用量,提高工艺系统的抗振性等措施,可取得较好效果。
关键词:机械加工;自激振动;机理;途径中图分类号:TH113.1 文献标识码:A 文章编号:1007-4414(2004)03-0023-02 在机械加工过程中,工艺系统的振动会破坏刀具与工件之间正常的运动轨迹,给机械加工带来较大的危害,具体表现在以下几个方面:①影响加工表面质量,频率低时产生波纹,频率高时产生微观不平度;②降低生产效率,加工中的振动制约了切削用量的提高,严重时甚至使切削不能正常进行;③缩短刀具、机床等的使用寿命;④振动产生的噪声污染了环境。
据统计,机械加工过程中的振动以自激振动为主,约占总数的70%以上。
为了保证零件的加工质量,在机械加工过程中,必须采取相应的工艺措施对自激振动加以控制。
1 产生自激振动的机理[1]切削过程中产生的自激振动是一种频率较高的强烈振动,通常又称为颤振。
对于它的产生机理,虽然从20世纪50年代以来进行了许多研究,但尚无完全成熟的理论,还不能用一种理论来阐明各种状况下的切削(磨削)自激振动。
目前运用较多的主要有再生颤振原理、振型耦合颤振原理两种系统理论。
1.1 再生颤振原理(1)再生颤振现象的产生在稳定的切削过程中,由于偶然的扰动(材料的硬疵点,加工余量不均匀,或其他原因的冲击等),工艺系统会产生1次自由振动,并在加工表面上留下相应的振纹。
当工件转至下1转时,由于切削到重叠部分的振纹使切削厚度发生改变,引起切削力的变化,使系统再一次振动,并在本转加工表面上产生新的振纹,这个振纹又会影响到下一圈的切削,从而造成持续的振动。
这种后续切削中重复再生的振动,形成了再生颤振。
由此可见,再生颤振来源于切削厚度改变所引起的动态切削力,但并非动态切削力存在就一定会导致再生颤振,这还要取决于工艺系统的各种组合条件。
镗床浅谈及镗削加工过程中预防和消除振动的方法摘要镗床是一种主要用镗刀在工件上加工孔的机床。
通常用于加工尺寸较大，精度要求较高的孔，特别是分布在不同表面上，孔距和位置精度要求较高的孔，还可以进行铣削，钻孔，扩孔，铰孔等工作，在机械加工工艺中应用非常广泛。
本文从镗床的基本知识、镗刀的种类及特性，以及加工过程中预防和消除振动的方法与措施等方面入手来简要阐述一下镗床的基础知识和加工特性。
关键词镗床镗刀分类工艺特点振动强迫振动自激振动预防消除一、镗床概述（一）、镗床的基本特性镗床是一种主要用镗刀在工件上加工孔的机床。
通常用于加工尺寸较大，精度要求较高的孔，特别是分布在不同表面上，孔距和位置精度要求较高的孔。
如箱体上的孔，还可以进行铣削，钻孔，扩孔，铰孔等工作。
镗床的镗削特点为：刀具结构简单,通用性达,可粗加工也可半精加工和精加工,适用批量较小的加工，镗孔质量取决于机床精度。
镗床的运动分析为：主运动为镗刀的旋转运动，进给运动为镗刀或工件的移动。
（二）、镗床的主要类别镗床可以分为以下三类：1、卧式镗床：卧式镗床既要完成粗加工（如粗镗、粗铣、钻孔等），又要进行精加工（如精镗孔）。
因此对镗床的主轴部件的精度、刚度有较高的要求.卧式镗床的主参数是镗轴直径。
卧式镗床主轴箱；前立柱；主轴；平旋盘；工作台；上滑座；下滑座；床身导轨；后支承套；后立柱2、坐标镗床一种高精度的机床。
其主要特点是具有坐标位置的精密测量装置；有良好的刚性和抗振性。
它主要用来镗削精密孔（IT5级或更高），例如钻模、镗模上的精密孔。
工艺范围：可以镗孔、钻孔、扩孔、铰孔以及精铣平面和沟槽，还可以进行精密刻线和划线以及进行孔距和直线尺寸的精密测量工作。
坐标镗床的主要技术参数是工作台的宽度。
图卧式坐标镗床1--下滑座；2—上滑座；3—工作台；4—立柱；5—主轴箱；6—床身底座3、金刚镗床一种高速精密镗床。
主要特点是主运动vc很高，ap和f很小，加工精度可达IT5—IT6，Ra达0.63--0.08μm。
3、振动对工件表面质量的影响及其控制3。
1振动对工件表面质量的影响机械加工中产生的振动，一般说来是一种破坏正常切削过程的有害现象。
各种切削和磨削过程都可能发生振动，当速度高、切削金属量大时常会产生较强烈的振动。
切削过程中的振动,会影响加工质量和生产率，严重时甚至会使切削不能继续进行，因此通常都是对切削加工不利的,主要表现在以下几个方面。
(1)影响加工的表而粗糙度。
振动频率低时会产生波度，频率高时会产生微观不平度。
（2)影响生产率.加工中产生振动，会限制切削用量的进一步提高,严重时甚至会使切削不能继续进行。
（3）影响刀具寿命。
切削过程中的振动可能使刀尖刀刃崩碎,特别是韧性差的刀具材料，如硬质合金、陶瓷等，要注意消振问题.（4)对机床、夹具等不利。
振动使机床、夹具等的零件连接部分松动，间隙增大,刚度和精度降低，同时使用寿命缩短.此外，强烈的振动及伴随而来的噪声，还会污染环境，危省操作者的身心健康。
对于精密零件的精密加工和超精密加工,其尺寸精度要求多小于m1μ，表面粗糙度值m.0以下，而且不允许出现波纹.因此，在切削过程中哪怕出现极Raμ02其微小的振动，也会导致被加工零件达不到设计的质量要求.振动对机械加工有不利的一面，但又可以利用振动来更好地切削，如振动磨削、振动研抛、超声波加工等都是利用振动来提高表面质量或生产率的.机械加工中产生的振动,根据其产生的原因，大体可分为自由振动、强迫振动和自激振动三大类,如图1所示.图1 切削加工中振动的类型3.2自由振动自由振动是当系统所受的外界干扰力去除后系统本身的衰减振动。
由于工艺系统受一些偶然因素的作用（如外界传来的冲击力、机床传动系统中产生的非周期性冲击力、加工材料的局部硬点等引起的冲击力等)，系统的平衡被破坏，只靠其弹性恢复力来维持的振动属于自由振动。
在机械加工中,自由振动是最简单的振动，所占振动比率仅5%左右。
振动的频率就是系统的固有频率。
由于工艺系统的阻尼作用，这类振动会很快衰减。
自激振动实验报告1. 引言自激振动（或称为自激共振）是指当一个系统在失去平衡状态后在外界无周期激励下产生的振动现象。
自激振动广泛应用于各个领域，如物理学、工程学和生物学等。
本实验旨在通过搭建自激振动实验装置，研究和观察自激振动的现象和特性。
2. 实验装置实验装置主要包括弹簧、质量块、振动台以及传感器等。
其中，弹簧用于提供恢复力，质量块用于产生初始扰动，振动台用于固定实验装置，并确保其不会因震动而移动。
传感器则用于测量质量块的振动情况。
3. 实验步骤1. 将实验装置放置在振动台上，确保装置稳定而不易移动。
2. 通过振动台的开关打开装置的电源，使其处于工作状态。
3. 在实验装置的底部固定一个传感器，以测量质量块的振动情况。
4. 将质量块拉离平衡位置，然后释放，并观察质量块的振动状态。
5. 调整质量块的初始位置，使其与弹簧等其他参数保持一定的差异，然后再次观察和记录质量块的振动情况。
6. 重复步骤4和步骤5，记录不同初始条件下质量块的振动现象和特性。
4. 结果和分析在实验中，我们观察到了自激振动的现象和特性。
当质量块受到初始扰动后，开始发生振荡。
如果初始扰动足够大，质量块的振幅将逐渐增大，直到达到某一个临界值，此时振动变得非常明显。
这是因为在这个临界值下，质量块的振动频率会与系统的固有频率产生共振，从而导致振幅的增加。
我们还发现，在不同初始条件下，质量块的振动特性有所不同。
当初始扰动较小时，振动的幅值不会有明显的增长，且自激振动的持续时间较短。
而当初始扰动较大时，振动的幅值会迅速增大，并且持续时间较长。
这说明初始条件对自激振动的发生和发展起到了重要的影响作用。
5. 结论通过本实验，我们成功观察和研究了自激振动的现象和特性。
自激振动是一个重要的物理现象，在工程和其他领域中具有广泛的应用价值。
通过对自激振动的研究，我们可以更好地理解和控制系统的振动行为，从而提高系统的稳定性和性能。
6. 致谢感谢实验室提供的实验设备和材料，以及老师和助教们的指导和帮助。
一、实验目的1. 理解自激振动现象的概念及产生条件；2. 掌握自激振动实验的原理和方法；3. 通过实验观察自激振动现象，分析其影响因素；4. 培养学生的实验操作能力和科学探究精神。
二、实验原理自激振动是指系统在没有外界周期性激励的情况下，由于系统内部的非线性因素，产生周期性振动的一种现象。
自激振动现象的产生条件主要包括：系统内部存在非线性因素、能量在系统内部循环流动、系统参数的特定值。
本实验采用摩擦玻璃杯边缘产生自激振动的原理，通过改变玻璃杯的边缘形状、摩擦力度和杯内水量等因素，观察自激振动现象的变化。
三、实验仪器与材料1. 玻璃杯；2. 纸张；3. 水量测量工具；4. 摩擦棒；5. 计时器；6. 观察记录表格。
四、实验步骤1. 将玻璃杯清洗干净，并测量其内水量；2. 在玻璃杯边缘贴上纸张，观察纸张的振动情况；3. 使用摩擦棒摩擦玻璃杯边缘，观察自激振动现象；4. 改变摩擦力度，重复步骤3，观察自激振动现象的变化；5. 改变玻璃杯内水量，重复步骤3和4，观察自激振动现象的变化；6. 记录实验数据，分析自激振动现象的影响因素。
五、实验结果与分析1. 实验现象在摩擦玻璃杯边缘时，观察到纸张在玻璃杯边缘处发生振动，振动频率与摩擦棒的运动频率一致。
当摩擦力度增大时，振动幅度增大；当摩擦力度减小时，振动幅度减小。
改变玻璃杯内水量，发现水量越多，自激振动现象越明显。
2. 分析实验结果表明，自激振动现象的产生与摩擦力度、玻璃杯内水量等因素有关。
摩擦力度越大，自激振动现象越明显；玻璃杯内水量越多，自激振动现象越明显。
这是因为摩擦玻璃杯边缘时，摩擦力使玻璃杯边缘产生形变，形变产生的能量在玻璃杯边缘和纸张之间循环流动，形成自激振动。
摩擦力度越大，形变越大，能量循环流动越剧烈，自激振动现象越明显。
玻璃杯内水量越多，玻璃杯边缘与纸张之间的接触面积增大，能量循环流动更加充分，自激振动现象越明显。
六、实验结论1. 自激振动现象的产生与摩擦力度、玻璃杯内水量等因素有关；2. 实验成功观察到了自激振动现象，验证了自激振动现象的产生条件；3. 通过实验，加深了对自激振动现象的理解，提高了实验操作能力和科学探究精神。
实验4-2 镗杆自激振动与消振实验
●实验目的及要求
1．观察和了解镗孔加工中的自激振动现象（为便于观察振纹，改用镗杆车削外圆），加深对自激振动有关理论的理解。
2．了解影响自激振动的主要因素及控制自激振动的方法。
3．掌握正交试验设计基本方法及其应用。
4．学习电阻应变片及动态应变仪的使用方法。
● 实验原理
1．解释自激振动的坐标联系（振型耦合）原理--参考
4.9.3节。
2．冲击块消振原理
镗杆上使用的冲击式减振器结构如图4E2-1所示。
其消振
原理参考图4E2-2。
当镗杆受到瞬时干扰力激发振动后，从平
衡位置O产生位移（图a），镗杆获得位能。
当瞬时干扰力
消失后，镗杆在弹性恢复力的作用下，要回到平衡位置。
在图
b位置，镗杆具有最大速度，在此过程中镗杆带动冲击块
一起运动，使冲击块在图b位置也具有最大速度。
镗杆在
惯性力和弹性力的双重作用下，继续运动到c位置，其速速度
由
；而冲击块只受到惯性力的作用，因而在c位置仍具有。
当镗杆由c位置再向平衡位置运动时，镗杆与冲击块发生碰撞，吸收了镗杆的动能，使镗杆在第3/4个周期中，振幅明显地由减小到。
此过程继续下去，镗杆振幅逐渐减小。
镗杆振动的衰减速度主要取决于冲击块的质量以及冲击块与镗杆内孔壁之间的间隙大小。
(点击上图观看动画）
3．正交试验方法
在多因素考核中，采用正交试验法可以用最少的试验次数获得最满意的试验结果，即
科学地确定多个因素中各因素对考核指标影响的大小，并能准确地找出最佳条件。
正交试验法的基本思想是在试验中使各因素的各种水平得到均匀的搭配，以用较少的试验次数充分反映多种因素和多种水平的影响。
为此，设计了一系列的正交表。
根据正交表进行正交试验的方法和步骤如下：
1）明确试验目的，确定考核指标本实验的目的是确定影响自激振动的因素，寻找减小自激振动的措施。
因此可取镗杆振动的振幅作为考核指标。
2）选择因素，确定水平本实验根据已有经验，选取加工时实际可控的4种因素（刀具前角，刀具主偏角，切削速度和进给量），每个因素均取3个水平，见表4E2-1。
3）选取正交表根据表4E2-1所列因素和水平，可选用正交表。
表示4种
因素，每个因素取3个水平，共需做9次试验。
4）进行试验按正交表的因素和水平组合进行试验（表4E2-2），并将每组试验结果（振幅值）填写在表4E2-2的最后一栏中。
5）计算将各因素所对应的T1、T2、T3（T1、T2、T3分别为水平1、2、3所对应的
试验值之和）和μ1、μ2、μ3（μ1、μ2、μ3分别为水平1、2、3所对应的试验值的平均值）计算出来，并填入表4E2-2相应的栏目中。
6）实验结果分析对于每一个确定的因素，各水平的平均值反映了该因素各水平的优
劣；而极差则反映了各因素对考核指标影响的大小。
根据平均值可确定各因素之间的最佳水平组合，根据极差可确定各因素之间的主次关系。
● 实验设备和仪器
1．普通车床1台；
2．安装镗杆的专用刀架1个；
3．削扁镗杆1根（结构形式参考图4-76），圆镗杆1根，冲击式减振镗杆1根；
4．不同几何角度的镗刀头若干个；
5．动态电阻应变仪1台，示波器1台，电阻应变片4片（要求阻值相同）。
6．测振仪1套。
● 实验步骤和方法
1．观察镗杆自激振动刀尖运动轨迹
在圆镗杆根部垂直方向和水平方向上各相对粘贴两片电阻应变片，并将每对应变片按
桥式电路接入动态应变仪，再将应变仪的输出引入示波器。
试验前仪器要预热，应变仪要仔细调零。
选择合适的切削参数进行切削，使镗杆产生明显的自激振动，观察示波器上的图形，并粗略判断镗杆自激振动的频率。
2．削扁镗杆切削稳定区的确定
安装削扁镗杆，改变镗杆的削扁方向（主振方向），每隔15°切削一次。
用测振仪测
量镗杆的振幅，并记录。
比较每次切削振动情况，找出稳定切削区。
切削条件可选取：刀具前角后角，主偏角，副偏角，主轴转数n=200r/min，进给量f=0.1mm/r，切削深度=0.3mm ，工件材料45钢，外径d=50mm。
3．镗杆自激振动的正交试验
安装圆截面镗杆，按表4E2-2选择试验因素和水平，并进行试验。
记录试验结果，对
试验结果进行分析，确定各因素影响的大小，并选取最佳的参数组合。
切削条件除变动因素外，可参照第2步试验条件。
4．冲击块消振试验
安装冲击式减振镗杆，按第2步所列切削参数进行切削，比较不放冲击块、冲击块与
孔壁间隙为分别为0.02mm、0. 1 mm和0. 2 mm等4种情况切削表面振纹的大小（也可用测振仪测量镗杆振动的振幅，并比较其大小）。
注：若不具备实验室条件，本实验可只做第3步，即完成镗杆自激振动的正交试验。
此时若无测振仪，可用振纹大小（用肉眼观测，给出相对值）代替振幅值。
●思考题
1）自激振动有什么特点（与受迫振动相比较）？自激振动时，刀尖的运动轨迹为什么近似椭圆？
2）刀具的几何角度对镗杆的自激振动有什么影响？为什么？
3）切削用量对镗杆的自激振动有什么影响？为什么？
4）正交试验法有什么优点？正交试验的因素和水平应如何选取？本实验中的因素为何没有选取切削深度？
5）镗孔时，有几种消振方法？各有什么特点？
6）如何估算圆截面镗杆的自激振动频率？并与示波器判别的频率相比较。
