現代制造技術基礎理論第八講第1頁，課件共38頁，創作于2023年2月主要內容機床顫振基礎理論知識單自由度線性振動系統非線性振動的定性分析速度反饋引起的切削顫振；位移延時反饋引起的切削顫振；模態耦合引起的切削顫振第八講：機床顫振的基本理論第2頁，課件共38頁，創作于2023年2月1.自由振動振動方程：(1)當時,系統作頻率為的簡諧振動:(2)當時,系統作衰減振蕩:頻率為小于系統的固有頻率.每過一個周期，振幅減小（3）當時,系統作衰減的非周期振動（4）當時為負阻尼,系統作發散振蕩8.1單自由度線性振動系統第3頁，課件共38頁，創作于2023年2月2.受迫振動方程(1)當時穩態響應是與激勵頻率ω相同的簡諧振動(2)穩態響應的振幅A取決于激勵的幅值B和頻率比(3)穩態響應的相位差θ取決于頻率比s:第4頁，課件共38頁，創作于2023年2月2.受迫振動方程(4)當激勵頻率為時穩態響應的振幅A有極大值,稱為共振;(5)ξ=0,時,系統作振幅隨時間增大的發散振蕩，即共振的過渡過程.(6)系統在若干激勵同時作用下的響應，等于它們單獨作用時的響應的疊加。第5頁，課件共38頁，創作于2023年2月1.相平面內的相軌跡單自由度機械系統的自由振動:引入新的變量y表示速度:系統的運動狀態由位置x及速度體現,構成系統的狀態變量。動力學方程可改寫為一階微分方程組：以x，y為直角坐標建立的坐標平面稱為相平面。與系統的運動狀態一一對應的相平面上的點稱為系統的相點相點移動的軌跡稱為相軌跡；不同初始條件的相軌跡組成相軌跡族8.2非線性振動的定性分析第6頁，課件共38頁，創作于2023年2月2.相軌跡的奇點將狀態變量的一階微分方程的兩式相除得到相軌跡的一階微分方程:給定系統的作用力,即函數f(x,y)確定后，上式確定相平面內各點的向量場，構成相軌跡族。第7頁，課件共38頁，創作于2023年2月奇點：相平面內使相軌跡的一階微分方程右邊分子分母同時為零的點。奇點表明系統的速度和加速度均為零，即系統的平衡狀態，也將奇點稱為系統的平衡點；奇點可以是穩定的也可以是不穩定的。3.保守系統的自由振動保守系統的動力學方程:相軌跡微分方程:此方程分離變量積分,得到相軌跡方程:保守系統的相軌跡的特點(1)相軌跡曲線相對橫坐標對稱第8頁，課件共38頁，創作于2023年2月(2)勢能曲線z=V(x)與橫坐標的平行線z=E交點的橫坐標x=C1、C2、C3，相軌跡和橫坐標相交。(3)勢能曲線z=V(x)駐點相對應的點x=S1、S2、S3為奇點，滿足奇點的條件。(4)在勢能取極小值的x=S1處，設E>V(S1),則在x=S1的某個小鄰域內都有E≥V(S1)

在相平面上可以得到一個圍繞奇點的封閉相軌跡。當E減小時，封閉軌跡逐漸收縮，而當E=V(S1)，縮為奇點S1。當E<V(S1),相平面上不存在相應的相軌跡。這類型的奇點是穩定的，稱為中心，對應系統的穩定平衡狀態第9頁，課件共38頁，創作于2023年2月(5)在勢能取極大值的x=S2處，設E<V(S2),則在區間(C2，C3）內沒有對應的軌跡，而在x<C2及x>C3處

得到相軌跡的兩個分支，當E增大時這兩支曲線逐漸靠近，當E=V(S2)時它們在奇點S2處相接觸。當E>V(S2)則演變成分布在x軸上、下方的兩支曲線這類型的奇點是不穩定的，稱為鞍點，對應系統的不穩定平衡狀態通過鞍點的相軌跡稱為分隔線。（6）在勢能曲線的拐點x=S3處，相軌跡在x<S3的左半邊具有中心性質，在x>S3的右半邊具有鞍點性質,相軌跡不封閉。這種奇點為退化的鞍點，對應不穩定的平衡狀態第10頁，課件共38頁，創作于2023年2月4.極限環:自激振動相平面(相空間)軌線相圖第11頁，課件共38頁，創作于2023年2月5.自激振動的特征振動過程中，存在能量的輸入與耗散，因此為非保守系統；能源恒定，能量的輸入僅受運動狀態，既振動的位移和速度的調節，因此自振系統不顯含時間變量，為自治系統；振動的特征量如頻率和振幅，由系統的物理參數確定，與初始條件無關；自振系統必為非線性系統；自激振動的穩定性取決于能量的輸入與耗散的相互關系，若振幅偏離穩態值時，能量的增減能使振幅回到穩態值，則自激振動穩定，反之不穩定。第12頁，課件共38頁，創作于2023年2月自激振動的能量特性第13頁，課件共38頁，創作于2023年2月自激振動的例子第14頁，課件共38頁，創作于2023年2月激振力:速度反饋系統組成8.2：速度反饋引起的切削顫振第15頁，課件共38頁，創作于2023年2月1.切削過程中的速度反饋機制

名義切削速度:理想情況下:V、、彈簧的壓縮量保持不變，切削過程平穩進行，切削系統處于平衡點；平衡狀態的穩定性取決于系統工作點的位置：A點不穩定；B點穩定系統的運動方程第16頁，課件共38頁，創作于2023年2月2.速度反饋所形成的負阻尼將在附近展開,得如果僅研究剛開始發生顫振的情況,假定與比較,很小,可只取其線性項,略去高次項。第一項是常數項對振動無影響，可略去。記則運動方程可表示為即系統的阻尼由兩部分組成

（1）振動系統本身的阻尼，正阻尼

（2）速度反饋而形成的等效阻尼，可正可負第17頁，課件共38頁，創作于2023年2月負阻尼令運動方程為上式的通解為負阻尼系統是不穩定的:原因第18頁，課件共38頁，創作于2023年2月3.自激振動的能量機制切削過程的能量機制當機床工作在切削力的下降特性區域時，切削力將對振動系統做凈的正功，即對振動系統輸入能量；

而當機床工作在切削力的上升特性區域時，切削力對振動系統做凈的負功，即振動系統的能量被切削過程耗散掉。對能量機制的說明第19頁，課件共38頁，創作于2023年2月3.自激振動的能量機制切削過程的能量的估算

當ξ比較小時上式成為

切削力在一個振動周期做的功對能量機制的重新說明機床結構的內阻所耗散的能量總能量:第20頁，課件共38頁，創作于2023年2月4.能量平衡與振幅穩定性總能量:和的關系取切削力的高次項(三項)再求切削力在一個振動周期所做的功要達到能量平衡即可得能量平衡時的穩定振幅進一步分析由負阻尼引起的不穩定（動態不穩定）第21頁，課件共38頁，創作于2023年2月4.顫振的閾限切削力的下降特性所激起的顫振主要在精密切削條件下發生。這時刀具后刀面與工件切削表面之間的摩擦力成為主切削力的主要成分，一般認為這一摩擦力與后刀面和工件之間的接觸面積成正比，而該接觸面積又正比于刀具后刀而磨損棱帶的平均寬度VB，于是可將主切削力寫為是單位磨損寬度所對應的主切削力,可得穩定與不穩定之間的臨界情況后刀面的臨界磨損量第22頁，課件共38頁，創作于2023年2月1.位移反饋、負剛度和靜態不穩定性運動方程:系統的特點：是作用在振動體上的力本身又受到其振動位移的控制。上式中F(x)一般是非線性函數，當c較小時，可將之在x＝0附近展成冪級數，僅取其一次項，而略去高次項和常數項，得運動方程成為系統的剛度變化系統的固有頻率負剛度8.3位移延時反饋引起的切削顫振第23頁，課件共38頁，創作于2023年2月穩定性（單擺）負剛度的討論運動方程成為其特征方程特征根方程的通解為由負剛度引起的失穩稱靜態不穩定第24頁，課件共38頁，創作于2023年2月靜態不穩定實例切削過程扎刀現象振動位移反饋機制第25頁，課件共38頁，創作于2023年2月位移反饋引起的等效剛度計算刀桿剛度由dF引起的撓度和轉角設刀刃到刀桿中性面之間的距離為Z根據幾何關系有:將切削力與切削厚度之間的函數關系展開切削力的增量由于是ds的增函數,故有,因此第26頁，課件共38頁，創作于2023年2月位移反饋引起的等效剛度計算等效剛度系統的總剛度“扎刀”現象的條件防止“扎刀”現象的措施改變刀桿的形狀，使得當刀刃向下變形時，它同時會退離工件，而不是扎入工件，這樣上式中的第二項會變成正剛度，不會再失穩。單純的位移反饋或者只能使系統原來的正剛度增加，或者形成負剛度而引起靜態不穩定，但不可能引起動態不穩定，即不可能引起自激振動。位移的延時反饋卻可以引起自激振動。第27頁，課件共38頁，創作于2023年2月2位移的延時反饋延時反饋系統:如果作用在系統上的瞬時激振力F(t)不是受到當時的振動位移x(t)的控制，而是受到某一時段T以前的振動位移x(t-T)的控制，則得到位移的延時反饋系統，或稱為“時延系統”。運動方程將Fx(t-T)線性化時延系統的穩定性：可穩定也可不穩定分析可穩定和不穩定之間的中間狀態：產生等幅振動的可能性第28頁，課件共38頁，創作于2023年2月設因此引入記號可得運動方程為：位移的延時反饋等價于位移與速度同時反饋，它同時改變了系統的阻尼與剛度延時反饋產生的等效剛度與等效阻尼系數。視時延了的長短，可以出現負的剛度或負的阻尼，從而引起靜態或動態的不穩定。第29頁，課件共38頁，創作于2023年2月3.金屬切削過程的再生顫振(1)再生顫振系統(2)運動方程式中：h是滯后阻尼系數。采用滯后阻尼只是為了使后面的公式比較整齊，當阻尼比較小，而且系統作簡諧振動時，無論采用滯后阻尼模型或粘滯阻尼模型，其差別都不大。上式右邊的負號是由于對作用在刀具上的切削力F(t)的正向與工具振動位移x(t)的正向作了相反的規定。如果切削厚度的變化比較小，

則切削力的動態增量第30頁，課件共38頁，創作于2023年2月展直切削厚度考慮x(t)為等幅諧波有T為工件一轉的周期,β為兩相鄰兩圈刀刃波紋之間的相位差記第31頁，課件共38頁，創作于2023年2月切削厚度的動態變化量切削力的動態變化量激振力同時受到振動位移和振動速度的控制，證明了位移的延時反饋相當于位移與速度同時反饋。運動方程可寫為分析剛度和阻尼分析穩定性第32頁，課件共38頁，創作于2023年2月(3)穩定性方程和穩定性圖臨界狀態臨界切削寬度穩定性閾臨界狀態下的固有頻率系統的穩定性方程組穩定性圖第33頁，課件共38頁，創作于2023年2月(4)能量傳輸機制功的計算由此式可見，當β＝0-180o時，B>0．即切削力對振動系統做負功，振動系統將機械能饋送回切削過程，作為熱能消耗掉，因此切削過程是穩定的；當β＝180-360o時，B<0，切削力做正功，如果此正功大干機床結構的阻尼所消耗的能量，振動能量將不斷積累．振動加劇，切削過程是不穩定的。第34頁，課件共38頁，創作于2023年2月兩自由度振動系統的自由振動的運動方程非耦合的二自由度方程通過載荷中位移反饋耦合起來上式移項并整理后得如果是單自由度系統，是不會發生自激振動的。可是兩自由度系統，振動位移在兩個自由度之間的交叉反饋，卻有可能導致系統失穩，從而引發顫振。8.4模態耦合引起的切削顫振1.模態耦合與模態耦合系統的穩定性第35頁，課件共38頁，創作于2023年2月系統的穩定性判別設系統的解代入運動方程得非零解的條件展開得到特征方程令特征方程成為第36頁，課件共38頁，創作于2023年2月系統的穩定性判別特征方程的解

對p及系統穩定性的影響(1)