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机床的刚度与振动

机床的静刚度与零部件的结构设计和制造装配质量都有关系,它不仅影响加工精度,也影响机床的动刚度。

所谓刚度,是指造成弹性体单位变形量时所需要的作用力,即刚度=作用力/变形量,有时也用他的反义词柔度来表示,柔度=变形量/作用力。

刚度又可分为静刚度与动刚度两种形式。

如果引起弹性变形的作用力是静力,则由此力和变形关系所决定的刚度,称为静刚度;如果引起弹性变形的作用力是交变力,则此时由该作用力和变形关系所确定的刚度,称为动刚度。

若机床的刚度(包括静刚度与动刚度)不足,那么机床在重力.切削力.夹紧力和摩擦力的作用下,就会产生变形.振动或爬行,从而影响到机床的使用性能。

所以在机床设计中必须考虑机床应具有一定的刚度。

机床的静刚度,有时也简称为刚度。

静刚度主要分为结构钢度(本身刚度).接触刚度和综合刚度三个方面。

静刚度差,机床变形大,则加工精度低,输入信号与加工出来的零件之间有较大的误差。

一般来说,机床的结构刚度取决于构件本身的材料性质.几何形状和尺寸,所以有时也称为本身刚度。

不同的材料,其强度不一样,不同的几何截面形状及尺寸,就有不同的截面惯性矩,它们抵抗变形的能力也就不一样。

总的来看,空心截面比实心截面的惯性矩要大,所以加大尺寸,减小壁厚,可增加刚度;方形截面比圆形截面的抗弯惯性矩要大;封闭的截面比不封闭截面的刚度要大。

另外合理地布置筋板,也是增加刚度有效办法。

接触刚度的影响因素较多。

它不但与接触材料.接触的几何形状(平面.圆柱面.球面)和硬度有关,两个平面接触,由于两个面都不是理想平面,而是存在一定宏观不平度,因而实际接触面积只是名义接触面积的一部分,即两个面真正接触的只是一些突起的高点。

实际接触的高点越多,接触刚度也就越大。

当零件表面粗糙度低时,接触面积就大,其接触刚度相应增大。

当接触面之间有较大的预紧力时,接触点也会产生弹塑性变形,增大实际接触面积,增大接触刚度。

例如,接触面的刮研质量不同,可使其接触刚度相差三倍之多,导轨平面性误差为10~15微米时,导轨的接触刚度要下降50~60%。

有资料介绍,机床零部件接触面之间的接触变形有时竟达机床总变形量的85~90%,可见接触刚度在机床综合刚度中的重要地位。

由于机床不是一个完全刚体,在外力作用下存在弹塑性变形,当外力为交变力时,可使机床产生振荡位移。

其位移幅值A可由下式计算:
A =
其中 P----- 激振力
M-----系统的当量质量
n w ------系统的固有频率
W-------激振源的交变频率
δ--------阻尼系数
根据刚度的定义,系统在交变作用下的作用下的动刚度Kd 应为:
d p A K K ==式中 Ks-------静刚度(Ks=
2n w .M ) λ-------作用力的交变频率与系统固有频率之比,即n w w λ=
ξ--------阻尼比,ξ=n
w δ
由上式可见,系统的动刚度不是一个常数,它与作用力的交变频率及系统固有频率之比λ有关。

当λ=1时,动刚度最小。

最小动刚度Kdmin 可用下式计算:
min 22d n Ks M k w ξδ==
所以,系统的最小刚度值不仅与系统的静刚度Ks 及阻尼比ξ有关,而且与系统的质量分布M 和固有频率有关n w 有关。

并且Ks. ξ.n w 三个值越大,则系统的动刚度也就越大。

机床必须有足够的刚度,才有可能使其对各种频率的扰动力不敏感,否则,将导致机床工作的不稳定。

一旦机床发生振动,要采取办法消除是比较麻烦的事情。

一般可借各种测振仪器对机床振动进行谐振分析,找出振源并采取相应的措施。

如平衡回转体,在换向机构上加缓冲器,在地基上采用隔振措施,适当改变转速以避开工艺系统的共振区,或安装不同形式的消振器等。

综合起来,提高机床抗振性能有以下几个主要途径:
1)。

提高系统的固有频率
n w 。

通过提高系统的静刚度Ks ,同时减少系统的当量质量
M
2)。

提高系统的阻尼能力,这是直接有效的方法。

比如,铸铁比刚的阻尼大,用于中小机床;而结构合理地焊接和冲压件阻尼比铸铁大,可用于大型机床;选择适当的表面粗糙度,表面粗糙度低接触刚度好,但阻尼能力差;液压油缸传动的刚性和阻尼性能比丝杆螺母副传动好;静压螺母丝杆传动副的刚性和阻尼都好,但价格昂贵,实用性差;滚珠丝杆传动虽阻尼性能差,但刚性好,结构紧凑,精度高,使用比较普遍。

3)采用各种消振器和阻尼器。

按工作原理分,阻尼器分为四种:阻尼消振器.冲击阻尼器,粘性阻尼器和自动阻尼器。

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