《机械制造技术》第24课 分析不同安装方式对机械加工振动的影响

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课题分析不同安装方式对机械加工振动的影响——机械加工过程中的振动课时2课时（90min）教学目标知识技能目标：（1）了解机械振动的基本规律（2）掌握机械加工过程中自激振动的抑制方法思政育人目标：培育刻苦认真、精益求精的工匠精神教学重难点教学重点：机械加工振动的分类，受迫振动的原因和抑制方法，自激振动的产生原理及抑制方法教学难点：受迫振动的原因和抑制方法，自激振动的产生原理及抑制方法教学方法启发式、讲授法、案例分析法、讨论法、总结法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学设计→考勤（2min）→教学过程主要教学内容及步骤设计意图课前任务【教师】上传预习资料，发布预习任务，和学生负责人取得联系，让其提醒同学通过文旌课堂APP或其他学习软件，完成课前任务以机械加工过程中的振动为关键词，查阅相关资料，思考加工振动的类型及产生原因，通过发起的线上任务，分析讨论机械加工振动的消除方法。【学生】完成课前任务通过课前任务，培养学生独立收集资料的能力，理解机械加工振动的类型及产生原因，锻炼其观察、分析、总结的能力考勤

（2min）【教师】使用文旌课堂APP进行签到【学生】按照老师要求签到培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况互动导入

（5min）【教师】讲述“任务引入”案例（详见教材），并提出问题案例中是机床本身出现了故障，还是加工操作存在问题呢？【学生】聆听、思考、回答通过设置疑问的方式，引导学生主动思考，激发学生的学习兴趣传授新知（40min）【教师】通过学生的回答，引出本节课知识点，讲解机械加工过程中振动的相关知识☞【教师】提问：“机械加工振动会产生哪些影响？尝试说出几个机械加工振动的例子”，安排学生小组讨论并派代表回答问题☞【学生】聆听、分组、思考、讨论、回答问题☞【教师】总结学生的回答，机械加工振动的分类机械加工过程中，工件和刀具之间常常产生振动，使它们正常的相对运动轨迹受到破坏。会影响工件的表面质量、缩短刀具和机床的使用寿命，还可能造成刀具切削刃崩碎，造成安全事故。一、机械加工振动的分类按激励控制方式的不同，机械加工振动可分为自由振动、受迫振动和自激振动三种。1、自由振动自由振动是指所受激励或约束去除后工艺系统出现的振动。这种振动一般可以迅速衰减，对机械加工的影响很小。2、受迫振动受迫振动是指工艺系统在一个与时间有关的外力作用下产生的振动。3、自激振动自激振动又称为颤振，是指工艺系统内的能量转换成振荡激励而形成的振动。二、受迫振动1、受迫振动产生的原因受迫振动的振源分为来自机床外部的机外振源和来自机床内部的机内振源两大类。1）机外振源机外振源有很多，主要通过地基传给机床，从而引起工艺系统产生受迫振动。机外振源可通过加设隔振地基来隔离。2）机内振源（1）机床回转零件的不平衡。机床上的回转零件，如联轴器、带轮、卡盘等，由于形状不对称、材质不均匀或加工误差、装配误差等原因造成质量偏心而产生离心力，从而引起受迫振动。（2）机床传动机构的缺陷。机床传动机构的缺陷，如传动齿轮的齿距误差或安装误差、轴承滚动体大小不一、传动皮带的厚度不均匀、液压系统中油泵排出的液压油脉动等，都会使工艺系统产生受迫振动。（3）切削过程中的冲击。在铣削、拉削加工中，刀齿在切入和切出工件、加工断续表面的过程都会产生冲击，从而引起受迫振动。2、受迫振动的特征（1）受迫振动是由周期性激振力引起的，是一种不衰减的稳定振动，且振动本身不会引起激振力的变化。（2）受迫振动的振动频率与激振力的频率相同或呈倍数关系，与工艺系统的固有频率无关。这一规律常用于查找受迫振动的振源。（3）受迫振动的振幅主要取决于激振力的频率与工艺系统固有频率的比值，此外还与激振力的大小、系统刚度和阻尼系数等有关。当激振力的频率与工艺系统的固有频率相近时，振幅会急剧增加，产生共振现象。3、抑制受迫振动的方法☞【教师】提问“通过分析受迫振动产生的原因和特征，思考有哪些方法可以抑制受迫振动呢？”，安排学生小组讨论并派代表回答问题☞【学生】聆听、分组、思考、讨论、回答问题☞【教师】总结学生的回答，引出抑制受迫振动的方法1）消振和隔振将振源隔离，减轻振源对振动的影响是抑制受迫振动的一种有效的方法。2）减小激振力对工艺系统中的回转零件进行平衡处理，提高齿轮、传动带、传动链等传动零部件的精度，可减小激振力的大小。3）调节振源频率在选择参数时，尽量使振源的频率远离工艺系统的固有频率，以免产生共振。4）提高系统刚度及增加系统阻尼提高系统刚度及增加系统阻尼，可减小振幅，从而有效抑制工艺系统在共振区的受迫振动。三、自激振动1、自激振动产生的原理在一定条件下，切削过程中即使没有受到外部激振力，切削力也可能产生周期性的变化，这个周期性变化的动态力称为交变力。交变力对振动系统做功，即输入能量，可补偿振动系统因阻尼耗散的能量，以加强和维持这种振动。这种由振动过程本身所产生的交变力维持的振动，就是自激振动。【多媒体】展示“自激振动的原理”的图片（详见教材）机械加工过程中自激振动的原理：切削过程产生交变力，使工艺系统的弹性元件产生振动；工艺系统振动产生的位移再反馈给切削过程，从而使切削过程产生持续的交变力。由于维持自激振动所需的交变力是由工艺系统本身产生的，因此，工艺系统的运动一旦停止，交变力即随之消失，自激振动也就停止。2、自激振动的特征（1）自激振动的振动频率与工艺系统的固有频率相近。（2）自激振动是一种不衰减的振动，这是因为振动系统本身能产生交变力，可加强和维持这种振动。外部振源可能在最初激发振动时起作用，但它不是产生振动的内在原因。（3）自激振动能否产生及其振幅的大小，取决于振动系统在每个振动周期内能量的获得和消耗情况。若获得的能量大于消耗的能量，则振幅将会不断变化，直到二者能量相等为止；若获得的能量小于消耗的能量，则自激振动不会产生。3、抑制自激振动的方法☞【教师】提问：“通过分析自激振动产生的原因和特征，思考有哪些方法可以抑制自激振动呢？”，安排学生小组讨论并派代表回答问题☞【学生】聆听、分组、思考、讨论、回答问题☞【教师】总结学生的回答，引出抑制自激振动的方法机械加工过程中，自激振动是频率较高的强烈振动，它通常是影响加工表面质量及生产率的主要因素。因此，生产中应尽量避免和减小自激振动。抑制自激振动通常可采取以下方法。1）合理选择切削用量（1）切削速度【多媒体】展示“切削速度和自激振动振幅的关系曲线”的图片（详见教材）切削速度在范围内振幅较大，自激振动容易产生。选择高速或低速进行切削，以避免产生自激振动。（2）进给量【多媒体】展示“进给量和自激振动振幅的关系曲线”的图片（详见教材）振幅随进给量的增大而减小。在加工表面粗糙度允许的情况下，应适当增大进给量，以减小自激振动。（3）背吃刀量【多媒体】展示“背吃刀量和自激振动振幅的关系曲线”的图片（详见教材）振幅随背吃刀量的增大而增大，减小背吃刀量能够减小自激振动。但减小背吃刀量会降低生产率，故这种方法不常使用，而常采用调整切削速度和进给量的方法来减小自激振动。2）合理选择刀具几何参数在刀具几何参数中，对自激振动影响最大的是前角和主偏角。适当增大前角和主偏角能够减小切削力，从而减小自激振动。3）提高工艺系统的抗振能力☞【教师】提问：“请思考可以通过哪些途径来提高工艺系统的抗振能力？”，并随机抽取学生回答☞【学生】聆听、思考、回答☞【教师】总结学生的回答，讲解提高工艺系统抗振能力的相关内容（1）提高机床的抗振性。机床的抗振性可以通过提高机床刚度、合理安排各部件的固有频率、增大阻尼，以及提高制造和装配质量等方法来提高。（2）提高刀具的抗振性。刀具的抗振性可以通过改善刀杆的惯性矩和弹性模量，以及提高刀具的阻尼系数等方法来提高。（3）提高工件安装时的刚度。提高工件安装时的刚度主要是指提高工件的弯曲刚度，如车削细长轴时采用中心架或跟刀架等。【多媒体】播放“使用跟刀架车削细长轴”的视频（详见教材）4）采用消振及减振装置如果采用上述方法后仍无法达到减振要求，为保证加工质量和提高生产率，可采用各种消振和减振装置。【学生】聆听、理解、记忆运用多媒体课件，通过提问引导和小组讨论的方式，对机械加工过程中振动产生的原因、特征及抑制方法进行讲解，开展课堂活动，加强学生的学习兴趣和积极性，训练学生的逻辑性思维能力项目实践（38min）分析不同安装方式对机械加工振动的影响【教师】组织学生以小组形式开展项目训练活动，描述任务并发布任务要求如图所示为光轴零件车削示意图。当按图（a）所示方式安装时，加工中有强烈振动发生，此时若按图（b）所示将刀具反装，或按图（c）所示采用前后刀架同时车削，或按图（d）所示将刀具沿工件旋转方向转过某一角度装夹在刀架上，加工中的振动就会减小或消失，请同学们分析这其中的原因。（a）（b）（c）（d）【学生】分组练习，完成任务，分析不同安装方式对机械加工振动的影响【教师】巡堂辅导，及时解决学生遇到的问题，项目训练活动结束后，对各小组进行点评，从技能操作、参与程度与合作意识等多个方面综合评价各组的实践情况【学生】互相评价，并结合评价结果及教师评价进行自我总结通过分组训练的方式锻炼学生的实践操作能力，加深学生对理论知识理解和掌握，实现知识学习与技能训练的共同培养通过学生的实时反馈进行针对性指导，引导学生查漏补缺，夯实基础课堂小结

（3min）【教师】简要总结本节课的要点本节课主要对机械加工振动的分类、产生原因、特征及抑制方法等内容进行了讲解，重点强调了受迫振动和自激振动的原理、特征及抑制方法，希望同学们课后能及时复习巩固这些知识点。【学生】总结回顾