數(shù)控機(jī)床工作中的共振現(xiàn)象
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發(fā)表時間：2020-04-17 16:04:38
在設(shè)計數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)時，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)時往往容易被人忽略。我們今天要介紹一下共振現(xiàn)象對機(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。振動的物體，每秒鐘完成全振動的次數(shù)稱為這種振動的頻率，單位是赫茲。振動又分為自由振動（無周期性驅(qū)動力）和受迫振動（有周期性驅(qū)動力）兩種類型。
物體發(fā)生無周期性驅(qū)動力的自由振動時，振動的頻率是由自身的質(zhì)量、幾何形狀、材質(zhì)等因素決定的，這種振動的頻率稱為物體的自激振動頻率。一般情況下，對同一物體而言是一個固定值。而物體在外加的周期性驅(qū)動力下做受迫振動時，振動頻率就不再按照自激振動頻率了，而是與驅(qū)動力的頻率相同。當(dāng)受迫振動中，物體受到周期性驅(qū)動力的頻率與物體自身的自激振動頻率相同時，將會發(fā)生共振現(xiàn)象，這種情況導(dǎo)致的結(jié)果是使物體的振動幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非共振狀態(tài)。
我國古代著名的科學(xué)筆記《夢溪筆談》中，就記載過這樣一個事例：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，琵琶的琴弦會自動發(fā)出聲音來應(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應(yīng)和管樂之音，其實(shí)就是因為管樂聲波的振動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，一隊英國士兵在通過曼徹思特附近的布勞頓吊橋時，吊橋發(fā)生了倒塌；無獨(dú)有偶，1849年，一對法國軍隊在通過昂熱市曼恩河上一座大橋時，也發(fā)生了同樣的悲劇。物理研究表明，這兩座大橋都是因為士兵們整齊劃一的腳步頻率引發(fā)了共振才倒塌的。因此，今天，世界上任何一個國家的任何一只部隊，無論軍紀(jì)有多么嚴(yán)格，在通過橋梁的時候，指揮官都會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)致振動幅度加大，因此對機(jī)床的加工質(zhì)量有很大的影響。
首先，共振造成的振幅過大會改變刀具和工件的正常運(yùn)動軌跡，引起二者之間相對位置發(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)振動波紋，同時，由于刀具的正常切削條件被打破，也會導(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。由于振幅過大導(dǎo)致機(jī)床各零部件之間發(fā)生松動和異常磨損，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，振幅過大還會帶來大量不必要的噪聲，對生產(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；而受迫振動的驅(qū)動力頻率通常在26赫茲到66赫茲之間。由此可見，銑床通常的自激振動頻率恰在受迫振動驅(qū)動力頻率區(qū)間之內(nèi)，導(dǎo)致共振現(xiàn)象時候發(fā)生。要想避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象，就要使機(jī)床的自激振動頻率離開驅(qū)動力頻率這個區(qū)間，使其高于66赫茲或低于26赫茲。這必須通過改變機(jī)床設(shè)計結(jié)構(gòu)和材料來實(shí)現(xiàn)。
再比如，機(jī)床在進(jìn)行大件焊接時，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頻率，以避免共振，就應(yīng)該對薄壁加裝加強(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，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。振動的物體，每秒鐘完成全振動的次數(shù)稱為這種振動的頻率，單位是赫茲。振動又分為自由振動（無周期性驅(qū)動力）和受迫振動（有周期性驅(qū)動力）兩種類型。
物體發(fā)生無周期性驅(qū)動力的自由振動時，振動的頻率是由自身的質(zhì)量、幾何形狀、材質(zhì)等因素決定的，這種振動的頻率稱為物體的自激振動頻率。一般情況下，對同一物體而言是一個固定值。而物體在外加的周期性驅(qū)動力下做受迫振動時，振動頻率就不再按照自激振動頻率了，而是與驅(qū)動力的頻率相同。當(dāng)受迫振動中，物體受到周期性驅(qū)動力的頻率與物體自身的自激振動頻率相同時，將會發(fā)生共振現(xiàn)象，這種情況導(dǎo)致的結(jié)果是使物體的振動幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非共振狀態(tài)。
我國古代著名的科學(xué)筆記《夢溪筆談》中，就記載過這樣一個事例：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，琵琶的琴弦會自動發(fā)出聲音來應(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應(yīng)和管樂之音，其實(shí)就是因為管樂聲波的振動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，一隊英國士兵在通過曼徹思特附近的布勞頓吊橋時，吊橋發(fā)生了倒塌；無獨(dú)有偶，1849年，一對法國軍隊在通過昂熱市曼恩河上一座大橋時，也發(fā)生了同樣的悲劇。物理研究表明，這兩座大橋都是因為士兵們整齊劃一的腳步頻率引發(fā)了共振才倒塌的。因此，今天，世界上任何一個國家的任何一只部隊，無論軍紀(jì)有多么嚴(yán)格，在通過橋梁的時候，指揮官都會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)致振動幅度加大，因此對機(jī)床的加工質(zhì)量有很大的影響。
首先，共振造成的振幅過大會改變刀具和工件的正常運(yùn)動軌跡，引起二者之間相對位置發(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)振動波紋，同時，由于刀具的正常切削條件被打破，也會導(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。由于振幅過大導(dǎo)致機(jī)床各零部件之間發(fā)生松動和異常磨損，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，振幅過大還會帶來大量不必要的噪聲，對生產(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；而受迫振動的驅(qū)動力頻率通常在26赫茲到66赫茲之間。由此可見，銑床通常的自激振動頻率恰在受迫振動驅(qū)動力頻率區(qū)間之內(nèi)，導(dǎo)致共振現(xiàn)象時候發(fā)生。要想避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象，就要使機(jī)床的自激振動頻率離開驅(qū)動力頻率這個區(qū)間，使其高于66赫茲或低于26赫茲。這必須通過改變機(jī)床設(shè)計結(jié)構(gòu)和材料來實(shí)現(xiàn)。
再比如，機(jī)床在進(jìn)行大件焊接時，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頻率，以避免共振，就應(yīng)該對薄壁加裝加強(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，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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