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切削振動與結構特性分析

摘要"

人類利用機器從事工作以後,機器產生的振動問題一直是人們極欲解決的重要問題。對工具機而言,振動是不希望產生的,由振動所產生的噪音可能影響操作人員、降低工作效率,也可能使工具機零組件提早出現破壞,而使其安全程度、可靠性和強度下降,除此之外,工具機的振動還會導致被加工工件的表面粗度及精度降低、刀具壽命和生產率下降,因此,必須了解工具機振動的規律,並儘可能加以限制。但是振動並非是有害而無利的,有許多機械利用振動現象達到所需求的功能,如某些進料裝置則是利用振動理論來設計的。因此,我們研究振動,就是要掌握它的規律,減少其缺點,並利用其優點。

關鍵詞:工具機切削精度提升方向、切削與振動之關係、切削測試方式、切削顫振與振動訊號辨識方式

振動的分類

振動是一種複雜的物理現象,具有多種形式,根據振動力學的振動分類方法,可大致將振動分類以下幾種:
1. 依振動的規律區分:可分為簡諧振動及隨機振動。前者稱為周期振動,後者稱為非周期振動。
2. 依振動發生的原因區分:可分為自由振動、強迫振動及自激振動。
3. 依自由度的多寡區分:可分為單自由度系統振動及多自由度系統振動。
4. 依振動位移特徵區分:可分為角振動及直線振動。
5. 依系統結構參數區分:可分為線性振動及非線性振動。
在機器的故障診斷中,通常偏重於以振動規律及振動發生原因這兩種分類進行測試及診斷。以下針對「振動發生原因」的振動分類作以下說明:
1. 自由振動:
在運動開始時給振動系統一定的能量後,在振動過程中再也沒有能量的輸入和損耗,依靠系統本身的彈性恢復力保持等幅的振動。
2. 強迫振動:
在外界持續且周期的激振力作用下,振動系統不斷的從外界獲得能量來補償阻尼所消耗的能量,使系統可以維持持續且等幅的振動。若激振力是簡諧力,則強迫振動以激振力的頻率進行振動。強迫振動也時常從其它機器通過地基傳來或者由於工具機內部的周期衝擊或者不平衡的旋轉質量而產生。
3. 自激振動:
工具機進行切削過程中,在沒有週期外力的刺激下,刀具與工件間也可能產生相對的振動。當振動時,動態切削力伴隨著產生,並在工件的加工表面上留下明顯的且有規律的振紋,這種現象的振動屬於自激振動,簡稱顫振。
顫振不僅降低了機台的加工質量及切削效率,而且對機台與刀具的使用壽命帶來不利的影響。為了適應現代工具機朝向高精度、高效率、多功能及自動化發展的趨勢,如何於加工中避免與抑制顫振,是設計、製造、組裝工具機時一個重要的問題。
工具機切削過程中是否會產生顫振,取決於切削時之工具機結構動態特性與切削條件,其相關影響因素如下列所示:
• 結構動態特性影響因素:如機台、工件、刀具本身之靜、動態結構剛性、工件-刀具夾持剛性...等。
• 切削條件影響因素:進給速度、切削厚度、切削深度、刀具及工件材質與幾何形狀...等。
當發生顫振時切削力變化與切削條件變化相互影響發生。在特定切削條件下,結構受到切削力的作用引起切削條件的變化,由於切削條件變化再激起切削力變化,如此交互作用過程使顫振持續發生。

再生效應(切削厚度變化效應)

當刀具切削到前一次切削所遺留具有振紋的表面時,切削厚度就發生變化,切削厚度的變化引起切削力的改變,又激起刀具與工件的相對振動,並再次留下振紋。如此重複循環,可能使得整個加工表面形成顫振。這種現象稱為切削厚度變化效應,是為再生型顫振,如圖1所示。
切削速度變化效應(速度下降特性)

當加工機以高切削速度切削塑性金屬時,切削力一般隨切削速度的提高而減小,這種物理現象通常稱為切削力的下降特性。當在切削力具有下降特性的速度範圍內進行加工時,如刀具和工件產生相對振動,引起切削速度變化,則切削力隨之變化,有可能導致切削顫振,如圖2所示。

振動關聯效應

機台結構是一個多自由度的系統,當切削力發生,結構系統的振型被激發,刀尖會以一特定的軌跡作運動,在刀尖切入工件的過程中,若刀尖運動方向與切削力的作用方向相反,切削力朝系統作負功,消耗系的能量,若相同,則切削力朝系統作正功,向系統輸入能量。當刀具與工件相對位置安排不當,或是機台結構的模態振型引起刀尖作正功的軌跡較多時,即正功大於負功,有多餘的能量輸入系統以補償系統正阻尼的消耗,從而使系統產生自激振動。這種顫振是由於機台結構各模態振型相互影響所引起,稱為振型關聯型顫振,如圖3所示。
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