机床结构及操作研究论文

机床工作时产生振动，不仅会影响机床的动态精度和被加工零件的质量，而且还要降低生产效率和刀具的耐用度。振动剧烈时甚至会降低机床的使用性能，不仅如此，伴随振动所产生的噪声可能刺激操作工人，引起疲倦，导致工作效率下降。故振动问题必须引起我们足够的重视。随着科学技术的飞跃发展，对机器零件的制造精度和表面质量提出了更高的要求，从而机床振动问题的研究成为研制、生产和使用机床部门必须面对的重大课题。研究机床振动的目的，在于探究机床振动发生的原因，谋求防止和消除机床振动的方法，以及研制抗振性更佳的机床。本文对机床的振动危害及减振方法做了一定的讨论及研究。机床的减振方法从理论上来说，一般有四种途径：1、减少激振力P。2、增大系统的阻尼 。3、增大系统中的刚度K。4、提高系统的固有频率 或改变激振频率 ，以使两者远离。本文主要是对卧式铣床的振动减振系统的实验特性的研究，由于铣床的外部环境及本身构造在其的研究中可看做是不可改变的因素，所以可以实现的减振方法只有附加谐振系统在振动结构上用以抵消原振动，以达到减振的目的。故本文主要讨论的减振方法属于阻尼消振的一种，即安装减振器或类似结构以抵消卧式铣床悬臂梁本身的振动，以达到减振的目的。本文的研究主要可以分为以下三个部分：首先，参照X62W型铣床，设计了一台用于减振试验的铣床模型机。铣床模型机模拟了铣床的主要结构，包括底座、立柱、刀轴等，并根据需要添加了减振槽、挂架及相当于偏心轮的模拟铣刀等结构。盛放不同规格钢球的减振槽相当于一个阻尼消振器，利用钢球之间及其与槽壁之间的碰撞摩擦，消耗铣床模型机的振动能量，以达到减振的目的。其次，是对模型机固有频率的测定。这是试验最基本和首要的一步，用以作为标准衡量之后减振试验效果的好坏。本文讲述了三种模型机的激振方法：1、稳态正弦激励法：稳态正弦激励又称简谐激振，它是通过激振设备对被测试对象施加频率可控的简谐激振力，常用的激振设备是频带宽、波形好的电磁激振系统，由扫描信号发生器，功率放大器和激振器组成。 2、脉冲激励法：脉冲激振是用一把装有力传感器的锤子（又叫脉冲锤）敲击试件，它对试件的作用力为近似正弦波，其有效频率范围决定于脉冲持续时间τ，锤头垫愈硬τ越小，则频率范围愈大。使用适当的锤头垫材料可以得到要求的频带宽度，改变锤头配重块的质量和敲击加速度可调节激振力的大小。3、施加偏心激振力法：在模型机设计中，在模拟铣刀上设计了一通孔，使模拟刀具相当于一偏心轮，在高速旋转的状态下，即对系统产生一离心激振力，对调频电动机转速进行调节可改变激振力的大小。在本次试验中，主要是利用正弦激励法测定了模型机的固有频率，由于时间和条件限制，脉冲法只做了一组用于对比，最后一种方法仅作为设想来介绍。最后，减振试验由于是多因素，多水平试验，要得到全面准确的试验结果，工作量十分大。故采用了科学的正交试验方案，既减少了试验次数，又可得出全面的结论。正交设计（Orthogoual design）简称正交设计（Orthogoual）,它是利用规格化的正交表（Orthogoual table），科学的安排与分析多因素试验的方法，使目前最常用的方法之一。正交表是指利用“均衡搭配”与“整齐可比”这两条基本原理，从大量的全面实验方案中，挑选出少量具有代表性的实验点，所制成的排列整齐的规格化表格。在本次的实验中，安排了五组钢球减振实验以及一组沙子的减振实验。其中，钢球减振的前四组分别是根据钢球排列层数（包括两层及三层）、重量及规格设计的正交试验方案，第五组是一组为更好得到钢球大小和槽数对实验结果影响的对比而做的全面试验。另外，为对比钢球及其他材料的减振效果，还做了一组根据沙子重量设计的正交试验。六组实验的数据对比及结果分析从一定程度上说明了利用钢球减振的可能性。在对振动问题的研究分析之外，本文也对现今国内外机床动态性能的研究作了一定的介绍，并指出了未来的研究趋势。 在本文的撰写过程中，参考了大量有关机床振动、动力学及冲击测试、试验模态分析等的有关书籍，并且得到了指导老师及同学的帮助。但由于时间及条件限制，可能存在一些不足之处，希望评阅老师指出并原谅。第2章 机床振动问题的分析2．1 机床减振问题的提出机床工作时产生振动，不仅会影响机床的动态精度和被加工零件的质量，而且还要降低生产效率和刀具的耐用度。振动剧烈时甚至会降低机床的使用性能，不仅如此，伴随振动所产生的噪声可能刺激操作工人，引起疲倦，导致工作效率下降。故振动问题必须引起我们足够的重视。当开动机床进行加工时，由于机床各运动部分彼此发生一定规律的相对运动，因而其摩擦表面上必然有摩擦力作用着。机床回转部分不平衡等因素必将使回转系统受到离心力的作用。切削过程中刀具切入工件去除金属层，将会使整个机床系统受到切削力作用。这些作用力并非保持常值，有的是周期性变化的，有的可能同系统某些元件的刚度轴线有一定的方位关系等。这些力在某些条件下会起一定的激振作用，从而使整个机床系统或其零部件发生各种类型的振动。机床振动一般分为三大类：1、自由振动2、受迫振动3、自激振动。铣床的振动主要与切削过程有关，它包括由于铣刀齿间断切削和切削截面积变化所引起的受迫振动，以及由于切削力的变化所激发的颤振，从抗振角度来看，铣床是在繁重的条件下工作的，这是由于：1、切削力的变化较大。2、切除薄而宽的切屑，特别是用圆柱铣刀铣平面时。3、在使用最普遍的升降台铣床上，工作台必须按三个互相垂直的方向相对于主轴移动，这样就影响到铣床的刚度。综上所述，机床振动是必须引起注意的一个重要的问题。随着科学技术的飞跃发展，对机器零件的制造精度和表面质量提出了更高的要求，从而使机床振动问题的研究成为研制、生产和使用机床部门必须面对的重大课题。研究机床振动的目的，在于探究机床振动发生的原因，谋求防止和消除机床振动的方法，以及研制抗振性更佳的机床。本文主要是针对卧式铣床的振动及减振问题的研究。2．2 机床振动产生的原因及减振方法2．2．1 机床振动产生的原因机床振动按产生的原因一般分为：自由振动、受迫振动、自激振动。一般来说，我们主要是研究受迫振动及自激振动的产生原因，并寻找减少及消除这两种振动的方法。1、自由振动：自由振动是指当系统的平衡被破坏，只靠其弹性恢复力来维持的振动。振动系统作自由振动时的频率就是系统的固有频率。2、受迫振动：受迫振动是指在外激振力扰动下激发的振动。例如在车床，铣床和磨床上，常见到回转主轴系统的受迫振动，其频率取决于回转主轴系统的转速。发生受迫振动的原因是多种多样的，主要振源有以下这些：（1）地基引起的机床振动。一般说来，如果不把机床与地基的振动隔绝起来，那么要在机床上加工出精度和表面光洁度很高的零件是不可能的。地基振动程度的大小取决于两个因素，一是由附近设备和通道运输引起的振动强度，二是土壤，楼板和建筑承载结构的谐振特性。地基的固有振动频率常在由上述设备产生的激振力的频率范围内。（2）高速回转的机床不平衡部件和工件引起的振动。当机床的回转运动装置工作时，最强烈的受迫振动就是不平衡部件高速回转时所产生的激振力。例如电机的转子、主轴部件，装刀具的不平衡的刀杠。由此引起的受迫振动的频率，大致是这些部件每秒钟相应的转速。当用回转刀具工作时，例如在坐标镗床或金刚镗床上，强烈的振源来自刀具系统主轴部件的不平衡度。（3）机床传动机构的缺陷所引起的振动。制造不精确或安装不良的齿轮会产生周期性的力而传动到机床回转或移动部件上，并在一定条件下可能成为受迫振动的振源。皮带传动中皮带的接头，三角皮带制造上的缺陷，轴承滚动体的不均匀等都会引起受迫振动。（4）切削过程的间歇特性引起的振动。在许多情况下，加工方法本身导致切削力的周期性变化，这种变化是由于刀齿间歇地依次工作所引起的。在铣削加工时，一个周期性变化的切削力作用在铣刀上，在间歇切削时这个力的峰值是很高的，从而使铣床主轴系统承受更大的负荷。从动力学的观点来看，如果铣床使用不同刀齿数的铣刀，就一定会碰到各种可能的频率，当切削力的某些频率接近传动系统的某些扭转振动的固有频率时，会有一些危险。（5）往复运动的机床部件的惯性力所引起的振动。具有往复运动部件的机床中，最强烈的振源就是部件改变运动方向时所产生的惯性力。3、自激振动：自激振动是指机械系统由于外部能量与系统运动相耦合，（即系统的非振荡性能源通过反馈装置）形成振荡激励所产生的振动，当振动停止，振荡激励随之消失。振动频率接近于系统固有频率。此外，还有机床工作台等移动部件在低速运行时所发生的张弛摩擦自激振动（俗称爬行）。在自激振动中，把金属切削过程中表现为刀具与工件之间强烈相对振动的一种称为“颤振”。机床颤振一般分为两类：第一类颤振出现于未经切削加工的毛胚表面。当第一次切削毛胚时在加工表面留下波纹（振纹）。这种颤振称为“初生颤振”。第二类颤振是在经过一次切削加工并留有振纹的工件表面进行第二次切削加工时形成的。发生自激振动的原因，主要有以下这些：（1）切削过程中，由于存在欠阻尼特性而引起初生颤振。（2）前一次在工件表面产生的振纹，将使第二次走刀的切削深度发生周期性的变化，从而产生交变力而加强颤振。（3）由于机床结构本身特性所引起的机床颤振。