數(shù)控機(jī)床工作中的共振現(xiàn)象
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發(fā)表時(shí)間：2020-04-17 16:04:38
在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)時(shí)，必須要考慮機(jī)床實(shí)際工作中可能出現(xiàn)的種種狀況對(duì)于加工精度造成的影響。這些狀況在機(jī)床處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)往往容易被人忽略。我們今天要介紹一下共振現(xiàn)象對(duì)機(jī)床的影響，以及如何盡量避免這一現(xiàn)象的發(fā)生。
什么是共振現(xiàn)象
共振是一種常見的物理現(xiàn)象。振動(dòng)的物體，每秒鐘完成全振動(dòng)的次數(shù)稱為這種振動(dòng)的頻率，單位是赫茲。振動(dòng)又分為自由振動(dòng)（無(wú)周期性驅(qū)動(dòng)力）和受迫振動(dòng)（有周期性驅(qū)動(dòng)力）兩種類型。
物體發(fā)生無(wú)周期性驅(qū)動(dòng)力的自由振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)的頻率是由自身的質(zhì)量、幾何形狀、材質(zhì)等因素決定的，這種振動(dòng)的頻率稱為物體的自激振動(dòng)頻率。一般情況下，對(duì)同一物體而言是一個(gè)固定值。而物體在外加的周期性驅(qū)動(dòng)力下做受迫振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)頻率就不再按照自激振動(dòng)頻率了，而是與驅(qū)動(dòng)力的頻率相同。當(dāng)受迫振動(dòng)中，物體受到周期性驅(qū)動(dòng)力的頻率與物體自身的自激振動(dòng)頻率相同時(shí)，將會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，這種情況導(dǎo)致的結(jié)果是使物體的振動(dòng)幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非共振狀態(tài)。
我國(guó)古代著名的科學(xué)筆記《夢(mèng)溪筆談》中，就記載過(guò)這樣一個(gè)事例：余友人家有一琵琶，置之虛室，以管色奏雙調(diào)，琵琶弦輒有聲應(yīng)之，奏他調(diào)則不應(yīng)，寶之以為異物，殊不知此乃常理。翻譯成白話文就是：我的一個(gè)朋友家中有一只琵琶，常常放置在沒有人居住的空房間里。如果以吹管類樂器吹奏雙調(diào)（一種曲調(diào)的名稱）時(shí)，琵琶的琴弦會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲音來(lái)應(yīng)和。吹奏其他的曲調(diào)，就沒有這種情況發(fā)生。朋友拿這只琵琶當(dāng)寶貝，認(rèn)為是奇異、有靈性之物，其實(shí)是不知道，這是一種常見的道理。以上提到的琵琶琴弦自動(dòng)應(yīng)和管樂之音，其實(shí)就是因?yàn)楣軜仿暡ǖ恼駝?dòng)引起了琵琶琴弦的共振而發(fā)生的。
我們生活中也有很多共振現(xiàn)象的實(shí)例。例如，1831年，一隊(duì)英國(guó)士兵在通過(guò)曼徹思特附近的布勞頓吊橋時(shí)，吊橋發(fā)生了倒塌；無(wú)獨(dú)有偶，1849年，一對(duì)法國(guó)軍隊(duì)在通過(guò)昂熱市曼恩河上一座大橋時(shí)，也發(fā)生了同樣的悲劇。物理研究表明，這兩座大橋都是因?yàn)槭勘鴤冋R劃一的腳步頻率引發(fā)了共振才倒塌的。因此，今天，世界上任何一個(gè)國(guó)家的任何一只部隊(duì)，無(wú)論軍紀(jì)有多么嚴(yán)格，在通過(guò)橋梁的時(shí)候，指揮官都會(huì)下令將齊步走改為散步走，以打亂腳步頻率，避免橋梁共振坍塌。
共振現(xiàn)象對(duì)機(jī)床加工精度的影響
發(fā)生共振現(xiàn)象由于導(dǎo)致振動(dòng)幅度加大，因此對(duì)機(jī)床的加工質(zhì)量有很大的影響。
首先，共振造成的振幅過(guò)大會(huì)改變刀具和工件的正常運(yùn)動(dòng)軌跡，引起二者之間相對(duì)位置發(fā)生偏移。這樣不僅降低了加工表面的質(zhì)量和尺寸精度，使工件表面粗糙程度增加，甚至出現(xiàn)振動(dòng)波紋，同時(shí)，由于刀具的正常切削條件被打破，也會(huì)導(dǎo)致刀具磨損加快，使用壽命減少。
其次，被破壞的不只是刀具。由于振幅過(guò)大導(dǎo)致機(jī)床各零部件之間發(fā)生松動(dòng)和異常磨損，因此大大減少了機(jī)床整體的加工精度、工作效率和使用壽命。
最后，振幅過(guò)大還會(huì)帶來(lái)大量不必要的噪聲，對(duì)生產(chǎn)環(huán)境造成噪聲污染，影響操作工人的工作專注度，危害他們的身心健康。
如何減少共振發(fā)生
以銑床為例，研究發(fā)現(xiàn)，銑床在切削作業(yè)中，自激振動(dòng)頻率通常在35赫茲到55赫茲之間，即每秒完成35到55次全振動(dòng)；而受迫振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力頻率通常在26赫茲到66赫茲之間。由此可見，銑床通常的自激振動(dòng)頻率恰在受迫振動(dòng)驅(qū)動(dòng)力頻率區(qū)間之內(nèi)，導(dǎo)致共振現(xiàn)象時(shí)候發(fā)生。要想避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象，就要使機(jī)床的自激振動(dòng)頻率離開驅(qū)動(dòng)力頻率這個(gè)區(qū)間，使其高于66赫茲或低于26赫茲。這必須通過(guò)改變機(jī)床設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。
再比如，機(jī)床在進(jìn)行大件焊接時(shí)，焊接結(jié)構(gòu)一般都屬于薄壁機(jī)構(gòu)，這也是一種容易發(fā)生共振的結(jié)構(gòu)。為增加板壁的自激振動(dòng)頻率，以避免共振，就應(yīng)該對(duì)薄壁加裝加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)，肋條應(yīng)該選擇質(zhì)量輕、剛度大的材料，安裝時(shí)，慣性矩要大，形心矩要小。以輕型鋼結(jié)構(gòu)形式和波紋板做板壁加強(qiáng)肋效果最好。
什么是共振現(xiàn)象
共振是一種常見的物理現(xiàn)象。振動(dòng)的物體，每秒鐘完成全振動(dòng)的次數(shù)稱為這種振動(dòng)的頻率，單位是赫茲。振動(dòng)又分為自由振動(dòng)（無(wú)周期性驅(qū)動(dòng)力）和受迫振動(dòng)（有周期性驅(qū)動(dòng)力）兩種類型。
物體發(fā)生無(wú)周期性驅(qū)動(dòng)力的自由振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)的頻率是由自身的質(zhì)量、幾何形狀、材質(zhì)等因素決定的，這種振動(dòng)的頻率稱為物體的自激振動(dòng)頻率。一般情況下，對(duì)同一物體而言是一個(gè)固定值。而物體在外加的周期性驅(qū)動(dòng)力下做受迫振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)頻率就不再按照自激振動(dòng)頻率了，而是與驅(qū)動(dòng)力的頻率相同。當(dāng)受迫振動(dòng)中，物體受到周期性驅(qū)動(dòng)力的頻率與物體自身的自激振動(dòng)頻率相同時(shí)，將會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，這種情況導(dǎo)致的結(jié)果是使物體的振動(dòng)幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非共振狀態(tài)。
我國(guó)古代著名的科學(xué)筆記《夢(mèng)溪筆談》中，就記載過(guò)這樣一個(gè)事例：余友人家有一琵琶，置之虛室，以管色奏雙調(diào)，琵琶弦輒有聲應(yīng)之，奏他調(diào)則不應(yīng)，寶之以為異物，殊不知此乃常理。翻譯成白話文就是：我的一個(gè)朋友家中有一只琵琶，常常放置在沒有人居住的空房間里。如果以吹管類樂器吹奏雙調(diào)（一種曲調(diào)的名稱）時(shí)，琵琶的琴弦會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲音來(lái)應(yīng)和。吹奏其他的曲調(diào)，就沒有這種情況發(fā)生。朋友拿這只琵琶當(dāng)寶貝，認(rèn)為是奇異、有靈性之物，其實(shí)是不知道，這是一種常見的道理。以上提到的琵琶琴弦自動(dòng)應(yīng)和管樂之音，其實(shí)就是因?yàn)楣軜仿暡ǖ恼駝?dòng)引起了琵琶琴弦的共振而發(fā)生的。
我們生活中也有很多共振現(xiàn)象的實(shí)例。例如，1831年，一隊(duì)英國(guó)士兵在通過(guò)曼徹思特附近的布勞頓吊橋時(shí)，吊橋發(fā)生了倒塌；無(wú)獨(dú)有偶，1849年，一對(duì)法國(guó)軍隊(duì)在通過(guò)昂熱市曼恩河上一座大橋時(shí)，也發(fā)生了同樣的悲劇。物理研究表明，這兩座大橋都是因?yàn)槭勘鴤冋R劃一的腳步頻率引發(fā)了共振才倒塌的。因此，今天，世界上任何一個(gè)國(guó)家的任何一只部隊(duì)，無(wú)論軍紀(jì)有多么嚴(yán)格，在通過(guò)橋梁的時(shí)候，指揮官都會(huì)下令將齊步走改為散步走，以打亂腳步頻率，避免橋梁共振坍塌。
共振現(xiàn)象對(duì)機(jī)床加工精度的影響
發(fā)生共振現(xiàn)象由于導(dǎo)致振動(dòng)幅度加大，因此對(duì)機(jī)床的加工質(zhì)量有很大的影響。
首先，共振造成的振幅過(guò)大會(huì)改變刀具和工件的正常運(yùn)動(dòng)軌跡，引起二者之間相對(duì)位置發(fā)生偏移。這樣不僅降低了加工表面的質(zhì)量和尺寸精度，使工件表面粗糙程度增加，甚至出現(xiàn)振動(dòng)波紋，同時(shí)，由于刀具的正常切削條件被打破，也會(huì)導(dǎo)致刀具磨損加快，使用壽命減少。
其次，被破壞的不只是刀具。由于振幅過(guò)大導(dǎo)致機(jī)床各零部件之間發(fā)生松動(dòng)和異常磨損，因此大大減少了機(jī)床整體的加工精度、工作效率和使用壽命。
最后，振幅過(guò)大還會(huì)帶來(lái)大量不必要的噪聲，對(duì)生產(chǎn)環(huán)境造成噪聲污染，影響操作工人的工作專注度，危害他們的身心健康。
如何減少共振發(fā)生
以銑床為例，研究發(fā)現(xiàn)，銑床在切削作業(yè)中，自激振動(dòng)頻率通常在35赫茲到55赫茲之間，即每秒完成35到55次全振動(dòng)；而受迫振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力頻率通常在26赫茲到66赫茲之間。由此可見，銑床通常的自激振動(dòng)頻率恰在受迫振動(dòng)驅(qū)動(dòng)力頻率區(qū)間之內(nèi)，導(dǎo)致共振現(xiàn)象時(shí)候發(fā)生。要想避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象，就要使機(jī)床的自激振動(dòng)頻率離開驅(qū)動(dòng)力頻率這個(gè)區(qū)間，使其高于66赫茲或低于26赫茲。這必須通過(guò)改變機(jī)床設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。
再比如，機(jī)床在進(jìn)行大件焊接時(shí)，焊接結(jié)構(gòu)一般都屬于薄壁機(jī)構(gòu)，這也是一種容易發(fā)生共振的結(jié)構(gòu)。為增加板壁的自激振動(dòng)頻率，以避免共振，就應(yīng)該對(duì)薄壁加裝加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)，肋條應(yīng)該選擇質(zhì)量輕、剛度大的材料，安裝時(shí)，慣性矩要大，形心矩要小。以輕型鋼結(jié)構(gòu)形式和波紋板做板壁加強(qiáng)肋效果最好。
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