结构件阻尼增大效果的测试与分析(一)

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1.前言
数控机床是现代机械制造业的必要装备，它是一个国家装备制造业的制造水平的一个代表者，也关系到一个国家的工业战略地位和综合国力水平。同时，数控机床是世界各国竞相发展的重要产品，国内外市场竞争异常激烈。当今世界数控机床已经朝着高精度、高速度、高稳定性的方向发展，各个工业强国未来致力朝着超精密加工方向发展。
机床工作时的振动和变形不仅会减低生产效率和产生噪声，还会影响机床的动态精度和加工件表面质量。为了让机床能够高速、高精、高稳地运行，它必须具有良好的动态特性，就是要尽量减少和避免机床振动的产生。这也是高速、高精、高稳机床在机械设计时需要考虑和解决的永恒问题。
在精密加工机床机械设计中，为了减少和避免机床的振动，常常寻求提高机床刚度的途径，就是将机床零部件的模态尽可能提高。可是，这种设计方法需要设计和仿真工程师很好地配合才可以，还需要花费很多时间，而且往往由于实际条件的限制，生产出来的机床的振动性能未能如愿。因此，既然振动很难避免产生，那么如何减少振动的幅值（即减振）成了机床产品的一项重要研究内容。阻尼有助于降低机械结构的振动的幅值，但是，对于机床行业来说，目前在国内外的研究中还未能找到很方便、有效增大阻尼方法。为此，设计及寻找增大机床结构件阻尼的方案很有必要。
2.试验设计原理
阻尼是指系统损耗能量的能力。从减振的角度看，就是将机械振动的能量转变成热能或其它可以损耗的能量，从而达到减振的目的。阻尼技术就是充分运用阻尼耗能的一般规律，从材料、工艺、设计等各项技术问题上发挥阻尼在减振方面的潜力，以提高机械结构的抗振性、降低机械产品的振动、增强机械与机械系统的动态稳定性。从物理现象分，阻尼可以分成工程材料的内阻尼、流体的粘滞阻尼、接合面阻尼与库仑摩擦阻尼、冲击阻尼、磁电效应阻尼。在机床行业，工程材料的内阻尼是最常见阻尼形式之一，这种阻尼的性能常常受到关注，它可以较方便地被人们所使用，可以较有效地抑制机械结构的振动。另外，在实际工程中，在机床结构件上添加振动隔离的阻尼器件（弹簧、阻尼器等）是一种较常见抑制振动的方法，但是，在机床上常常没有条件添加这些阻尼器件。因此，提高机床的抗振性能，从结构件的材料上着手是个较理想的办法。工程材料种类繁多，衡量其内阻尼的指标通常用损耗因子，表1列出了各种材料在室温和声频范围内的损耗因子值。

表1 常用材料的损耗因子

要减少机床的振动，不仅需要提高机床结构件的阻尼特性，而且还要保证结构件的刚度不受很大的影响。在保证结构件刚度的前提下，可以改变结构件各处的材料性能使其刚度不变而阻尼变大，但是这种方式在实际工程上难以应用且应用不方便。在结构件上直接粘附阻尼材料结构层既可以方便、有效地实施，还可以增加结构件的阻尼性能，提高其抗振性和稳定性。附加阻尼结构特别适用于梁、板、壳件的减振，在汽车外壳、飞机舱壁、轮船等薄壳结构的抗振保护与控制中较广泛采用，而在机床结构件上应用效果还有待研究。为此，设计了一个悬臂梁受到冲击加载的试验，通过粘附在悬臂梁上的材料不同，观看这些材料对悬臂梁振动的抑制情况。

图1 附加阻尼结构