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数控机床工作中的共振现象

文章出处: 人气:发表时间:2020-04-18 00:04
在设计数控机床结构时,必须要考虑机床实际工作中可能出现的种种状况对于加工精度造成的影响。这些状况在机床处于静止状态时往往容易被人忽略。我们今天要介绍一下共振现象对机床的影响,以及如何尽量避免这一现象的发生。





什么是共振现象
共振是一种常见的物理现象。振动的物体,每秒钟完成全振动的次数称为这种振动的频率,单位是赫兹。振动又分为自由振动(无周期性驱动力)和受迫振动(有周期性驱动力)两种类型。



物体发生无周期性驱动力的自由振动时,振动的频率是由自身的质量、几何形状、材质等因素决定的,这种振动的频率称为物体的自激振动频率。一般情况下,对同一物体而言是一个固定值。而物体在外加的周期性驱动力下做受迫振动时,振动频率就不再按照自激振动频率了,而是与驱动力的频率相同。当受迫振动中,物体受到周期性驱动力的频率与物体自身的自激振动频率相同时,将会发生共振现象,这种情况导致的结果是使物体的振动幅度远远大于非共振状态。



我国古代著名的科学笔记《梦溪笔谈》中,就记载过这样一个事例:余友人家有一琵琶,置之虚室,以管色奏双调,琵琶弦辄有声应之,奏他调则不应,宝之以为异物,殊不知此乃常理。翻译成白话文就是:我的一个朋友家中有一只琵琶,常常放置在没有人居住的空房间里。如果以吹管类乐器吹奏双调(一种曲调的名称)时,琵琶的琴弦会自动发出声音来应和。吹奏其他的曲调,就没有这种情况发生。朋友拿这只琵琶当宝贝,认为是奇异、有灵性之物,其实是不知道,这是一种常见的道理。以上提到的琵琶琴弦自动应和管乐之音,其实就是因为管乐声波的振动引起了琵琶琴弦的共振而发生的。



我们生活中也有很多共振现象的实例。例如,1831年,一队英国士兵在通过曼彻思特附近的布劳顿吊桥时,吊桥发生了倒塌;无独有偶,1849年,一对法国军队在通过昂热市曼恩河上一座大桥时,也发生了同样的悲剧。物理研究表明,这两座大桥都是因为士兵们整齐划一的脚步频率引发了共振才倒塌的。因此,今天,世界上任何一个国家的任何一只部队,无论军纪有多么严格,在通过桥梁的时候,指挥官都会下令将齐步走改为散步走,以打乱脚步频率,避免桥梁共振坍塌。



共振现象对机床加工精度的影响
发生共振现象由于导致振动幅度加大,因此对机床的加工质量有很大的影响。



首先,共振造成的振幅过大会改变刀具和工件的正常运动轨迹,引起二者之间相对位置发生偏移。这样不仅降低了加工表面的质量和尺寸精度,使工件表面粗糙程度增加,甚至出现振动波纹,同时,由于刀具的正常切削条件被打破,也会导致刀具磨损加快,使用寿命减少。



其次,被破坏的不只是刀具。由于振幅过大导致机床各零部件之间发生松动和异常磨损,因此大大减少了机床整体的加工精度、工作效率和使用寿命。



最后,振幅过大还会带来大量不必要的噪声,对生产环境造成噪声污染,影响操作工人的工作专注度,危害他们的身心健康。



如何减少共振发生
铣床为例,研究发现,铣床在切削作业中,自激振动频率通常在35赫兹到55赫兹之间,即每秒完成35到55次全振动;而受迫振动的驱动力频率通常在26赫兹到66赫兹之间。由此可见,铣床通常的自激振动频率恰在受迫振动驱动力频率区间之内,导致共振现象时候发生。要想避免出现共振现象,就要使机床的自激振动频率离开驱动力频率这个区间,使其高于66赫兹或低于26赫兹。这必须通过改变机床设计结构和材料来实现。



再比如,机床在进行大件焊接时,焊接结构一般都属于薄壁机构,这也是一种容易发生共振的结构。为增加板壁的自激振动频率,以避免共振,就应该对薄壁加装加强肋结构,肋条应该选择质量轻、刚度大的材料,安装时,惯性矩要大,形心矩要小。以轻型钢结构形式和波纹板做板壁加强肋效果最好。


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