机械加工过程的工艺系统动态分析

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1、机械加工过程的工艺系统动态分析（机床振动学（machine vibration）, 切削动力学）在机床的工作过程中，存在着不可避免的振动现象，机床工作时 产生的振动主要有以下三个方面：刀具与被加工工件之间产生的相对 振动、传动部分产生的振动、机床和基础之间的振动。振动是在日常生活和工程实际中普遍存在的一种现象。事实上， 人类就生活在振动的世界里。地面上的车辆（汽车振动和噪声 （noise-vibration-harshness，NVH）是汽车动态性能的一个重要指标，在 国外一些著名的汽车公司，有近20%的研发费用来解决车辆的NVH 问题。振动源主要为：发动机振动-减振动材料如橡胶-车架上-方向

2、盘 的振动-六缸好于四缸；行驶中地面车轮-悬挂-车身-座骑-身体）；火 车、空中的飞机、卫星、海洋中的船舶等都在不断振动着。房屋建筑、 桥梁水坝等在受到激励后也会发生振动。就连茫茫的宇宙中，也到处 存在着各种形式的振动，如风、雨、雷、电、地震等随时间的为断变 化，从广义的角度来理解，就是特殊形式的振动（或波动），而电磁 波不停地在以振动的方式发射和传播，股票的涨跌。我们可以想像， 如果没有振动，将会是怎样，如果心脏停止振动；如果没有空气 振动就听不到声音；如果宇宙没有振动振动是无处不在的，我们不可能回避振动，也不可能完全消灭振 动，我们要研究振动，只有掌握了振动规律和待征以后，才能有效地 利用

3、振动的有益方面并限制振动的有害方面。如大船（有减振措施）， 减少机床振动；然而振动也可以用来为人类服务，例如，利用钟摆振动原理制造的钟表；振动破碎机（气锤X振动压路机、海浪发电机、X光、CT、核磁共振等。所谓机械振动，是指物体（或物体系）在平衡位置（或平均位置） 附近来回往复运动。力是力学中的最基本概念之一。物体受力的作用往往同时产生两 种效应：一种是使物体发生形变-称为力的内效应；另一种是使物体 运动状态发生改变-称为力的外效应-如果想像你与拳王泰森对阵，一 拳（不到一吨，据测左手500公斤，右手800公斤（1kg=9.8N）打 到你身上是什么结果将打扁了也将你打飞了。在研究物体运动 时，不

4、考虑力的内效应-刚体。使质量为1kg （千克）的物体产生1m/s2 （米/秒2）加速度所需要的力变为1N。偏离平衡位置-弹性力-回平衡位置-到平衡时弹性力消失-由于有 质量就有惯性向前运动-动能转化为势能-能量守恒-在没有阻尼的理 想条件下，这种运动一经开始，就会无限期地持续进行，永不停止。my = -ky my + ky = 0 n my + w2 y = 0 无阻尼自由n 振动my = -cy - kymy + cy + ky = 0有阻尼自由振动my + cy + ky = F(t) = F sin wt 强迫振动尽管各种应用领域内的振动问题千差万别，但解决的途径往往具 有共同性：首先要

5、从具体的工程对象提炼出力学模型；然后应用力学 知识建立所研究问题的数学模型，通常是微分方程组和代数方程组； 接着对数学模型进行分析和计算，求出精确、近似或数值解。对于实 际工程问题的复杂模型，只能求数值解，这时需要利用计算机并编制 或应用计算软件。最后，将计算结果与工程问题的实际现象或实验研 究的测试结果进行比较，考察理论结果能否解决原先的工程问题。如 不能解决而数学模型及求解均无错误，则需要修改力学模型再重复上 述过程。机械振动学的主要研究内容包括模型建立、振动分析、参数识别、振动测量、振动与噪声控制、振动环境预测、振动利用等基本问题与 综合问题。机床-刀具-工件组成了质量-阻尼-弹性的振动

6、系统。机床系统振动带来的危害有：影响刀具与工件之间的正常运动 轨迹，并在加工过程中使工件表面形成振纹，使工件表面的粗糙度增 大、精度与光洁度降低，严重影响了加工件的表面质量；恶化了加 工过程，使不得不减少加工时的进刀量，限制了加工速度的提高，降 低了生产率；动载荷使机床、刀具、工件在振动状况下工作，加工 速了机床与刀具的磨损，缩短了机床与刀具的寿命。强烈的振动会使 机床产生崩刃现象，迫使加工过程无法进行下去；振动产生噪声， 恶化了工作环境，可能影响到操作者情绪，对正常工件的开展带来一 定负面影响。一般来讲，机床在加工过程中的振动主要有自由振动、强迫振动 与自激振动。机床振动的研究内容主要体现在

7、：机床的振源研究、机床的振动 建模、机床的振动分析、机床的振动控制、机床的动态设计与机床的 故障诊断等这个单自由度强迫振动微分的全部解包括两部分y =七+ *，一是 通解七二。顷siW/ -1圳），二是特解y =zsin（wt -d）2 J（1 -2）2 + 您入）2。通解y1是对应于有阻尼自由振动的齐次方程的解，在小阻尼情况下，为衰减振动（振动逐渐 衰减为0），只在振动开始后的段时间内才有意义，所以称为瞬态振 动（如（a）图）。特解y表示系统在简谐激励下产生的强迫振动，它是2一种持续等幅振动，称为稳态振动。工程中的共振问题。如塔科马大桥。冯卡门（1881年1963 年）提出“卡门涡街”理论建立“湍流”概念。钱学森、钱伟长、郭永怀为 其亲传弟子。引潮力（天体绕着系统的共同质心公转时产生的离心力和邻近天 体的万有引力的合力）共振：海水的潮起潮落与地球和月亮的相对运 动是有关的。万有引力（质量与距离），在宇宙中地球是这种系统的 一个成员，因而它的邻近天体一太阳和月亮对它上面的质点作用着引 潮力。三点一线的奇特天文现象，并且认为这种现象往往预示重大灾 难的发生。有人曾利用这种预测理论对过去100年中所发生的重大地 震进行验证，结果其准确率竟然高达99%。台风。