機械加工過程中的振動特點和預(yù)防措施分析

胡健鋒

摘要：機械加工過程中的振動會惡化加工表面質(zhì)量，損壞切削刀具，降低生產(chǎn)率。本文著重介紹振動的兩種類型，振動產(chǎn)生的原因及消除方法，供大家參考。

關(guān)鍵詞：機械加工 強迫振動 自激振動 預(yù)防措施

0 引言

機械加工中的振動對加工表面品質(zhì)和生產(chǎn)率有很大的影響，是一種十分有害的物理現(xiàn)象。若加工中產(chǎn)生了振動，刀具與工件間將產(chǎn)生相對位移，會使加工表面產(chǎn)生振痕，嚴(yán)重影響零件的表面品質(zhì)和性能；振動使刀具受到附加動載荷，加速刀具磨損，有時甚至崩刃；同時振動使機床、夾具等的連接部分松動，從而增大間隙，降低剛度和精度，縮短使用壽命，嚴(yán)重時甚至使切削加工無法繼續(xù)進(jìn)行；振動中產(chǎn)生的噪聲還將危害操作者的身體健康。為減小振動，有時不得不降低切削量，使機床加工的生產(chǎn)效率降低。因此，研究分析機械加工中的振動原因和特性，尋求控制振動的有效途徑是很有必要的。

1 機械加工振動的表現(xiàn)和特點

振動分強迫振動和自激振動兩種類型。具體表現(xiàn)和特點如下。

1.1 強迫振動 強迫振動是物體受到一個周期變化的外力作用而產(chǎn)生的振動。如在磨削過程中，由于電動機、高速旋轉(zhuǎn)的砂輪及皮帶輪等不平衡，三角皮帶的厚薄或長短不一致，油泵工作不平穩(wěn)等，都會引起機床的強迫振動，它將激起機床各部件之間的相對振動幅值，影響機床加工工件的精度，如粗糙度和圓度。對于刀具或做回轉(zhuǎn)運動的機床，振動還會影響回轉(zhuǎn)精度。強迫振動的特點是：①強迫振動本身不能改變干擾力，干擾力一般與切削過程無關(guān)(除由切削過程本身所引起的強迫振動外)。干擾力消除，振動停止。如外界振源產(chǎn)生的干擾力，只要振源消除，導(dǎo)致振動的干擾力自然就不存在了。②強迫振動的頻率與外界周期干擾力的頻率相同，或是它的整倍數(shù)。③干擾力的頻率與系統(tǒng)的固有頻率的比值等于或接近與1時，產(chǎn)生共振，振幅達(dá)到最大值。此時對機床9O_T_過程的影響最大。④強迫振動的振幅與干擾力，系統(tǒng)的剛度及阻尼大小有關(guān)。干擾力越大、剛度及阻尼越小，則振幅越大，對機床的加工過程影響也就越大。

1.2 自激振動 是由振動系統(tǒng)本身在振動過程中激發(fā)產(chǎn)生的交變力所引起的不衰減的振動，就是0激振動。即使不受到任何外界周期性干擾力的作用，振動也會發(fā)生。如在磨削過程中砂輪對工件產(chǎn)生的摩擦?xí)鹱约ふ駝?。工件、機床系統(tǒng)剛性差，或砂輪特性選擇不當(dāng)，都會使摩擦力加大，從而使自激振動加劇?；蛴捎诘毒邉傂圆?、刀具幾何角度不正確引起的振動，都屬于自激振動。自激振動的特點是：①自激振動的頻率等于或接近系統(tǒng)的固有頻率。按頻率的高低可分為高頻顫振(一般頻率在500～50O0Hz)及低頻顫振(一般頻率為50 500Hz o②自激振動能否產(chǎn)生及其振幅的大小，決定于每一振動內(nèi)系統(tǒng)所獲得的能量與阻尼消耗能量的對比情況。③由于持續(xù)自激振動的干擾力是由振動過程本身激發(fā)的，故振動中止，干擾力及能量補充過程立即消失。

2 振動產(chǎn)生的原因分析

產(chǎn)生振動的原因復(fù)雜多變，根據(jù)機加工行業(yè)出現(xiàn)的振動現(xiàn)象及兩種不同類型振動的表現(xiàn)形式，分析原因，大致如下：

2.1 強迫振動產(chǎn)生的原因 ①機床上回轉(zhuǎn)件不平衡所引起的周期性變化的離心力。如由于電機或卡盤、皮帶輪回轉(zhuǎn)不平衡引起的。②機床傳動零件缺陷所引起的周期性變化的傳動力。如因刀架、主軸軸承、拖板塞鐵等機床部件松動或齒輪、軸承等傳動零件的制作誤差而引起的周期性振動。③切削過程本身不均勻性所引起的周期性變化的切削力。如車削多邊形或表面不平的工件及在車床上加工外形不規(guī)則的毛坯工件。④往復(fù)運動部件運動方向改變時產(chǎn)生的慣性沖擊。如平面磨削過程的方向改變或瞬時改變機床的回轉(zhuǎn)方向。⑤由外界其他振源傳來的干擾力。在鍛造車間附近，因空氣錘的振動引起其他機床的強迫振動，甚至共振。

2.2 自激振動產(chǎn)生的原因 ①切削過程中，切屑與刀具、刀具與工件之間摩擦力的變化。②切削層金屬內(nèi)部的硬度不均勻。在車削補焊后的外圃或端面而出現(xiàn)的硬度不均現(xiàn)象，常常引起刀具崩刀及車床自振現(xiàn)象。③刀具的安裝剛性差，如刀桿尺寸太小或伸出過長，會引起刀桿顫動。④工件剛性差。如加工細(xì)長軸等剛性較差工件，會導(dǎo)致工件表面出現(xiàn)波紋或錐度。⑤積屑瘤的時生時滅，時切削過程中刀具前角及切削層橫截面積不時改變。⑥切削量不合適引起的振動，切削寬而薄的切削易振動。

3 預(yù)防措施

3.1 控制強迫振動的途徑 強迫振動是由于外界周期性干擾力引起的，因此為了消除受迫振動，應(yīng)先找出振源，然后采取適應(yīng)的措施加以控制。

3.1.1 減小或消除振源的激振力。對轉(zhuǎn)速在600r／min以上的零件如砂輪、卡盤、電動機轉(zhuǎn)子等必須經(jīng)過平衡，特別是高速旋轉(zhuǎn)的零件，如砂輪，因其本身砂粒的分布不均勻和工作時表面磨損不均勻等原因，容易造成主軸的振動，因此對于新?lián)Q的砂輪必須進(jìn)行修整前和修整后的兩次平衡。提高齒輪的制造精度和裝配精度，特別是提高齒輪的工作平穩(wěn)性精度，從而減少因周期性的沖擊而引起的振動，并可減少噪聲；提高滾動軸承的制造和裝配精度，以減少因滾動軸承的缺陷而引起的振動：選用長短一致、厚薄均勻的傳動帶等。

3.1.2 調(diào)整振源頻率。避免激振力的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近，以防止共振。采取更換電動機的轉(zhuǎn)速或改變主軸的轉(zhuǎn)速來避開共振區(qū)；用提高接觸面精度、降低結(jié)合面的粗糙度、消除間隙、提高接觸剛度等方法，來提高系統(tǒng)的剛度和固有頻率。

3.1.3 采用隔振措施。機床的電機與床身采用柔性聯(lián)接以隔離電機本身的振動；把液壓部分與機床分開；采用液壓緩沖裝置以減少部件換向時的沖擊；采用厚橡皮、木材將機床地基隔離，用防振溝隔開設(shè)備的基礎(chǔ)和地面的聯(lián)系，以防止周圍的振源通過地面和基礎(chǔ)傳給機床等。

3.2 控制自激振動的途徑

3.2.1 合理選用刀具的幾何參數(shù) 試驗和理論研究表明，刀具的幾何參數(shù)中，對振動影響最大的是主偏角Kr和前角γ0。由于切屑越寬越容易產(chǎn)生振動，而Kr越小，切削寬度越寬，因此越易產(chǎn)生振動，前角γ0越大，切削力越小，振幅也越小。

3.2.2 提高工藝系統(tǒng)的抗振性 工藝系統(tǒng)本身的抗振性能是影響顫振的主要因素之一。應(yīng)設(shè)法提高工藝系統(tǒng)的接觸剛度，如對接觸面進(jìn)行刮研，減小主軸系統(tǒng)的軸承間隙，對滾動軸承施加一定的預(yù)緊力，提高頂尖孔的研磨質(zhì)量等。加工細(xì)長軸時，使用中心架或跟刀架，盡量縮短鏜桿和刀具的懸伸量，用死頂尖代活頂尖，采用彈性刀桿等都能收到較好的減振效果。

3.2.3 采用減振裝置 當(dāng)采用上述措施仍然達(dá)不到消振的目的時，可考慮使用減振裝置。減振裝置通常都是附加在工藝系統(tǒng)中，用來吸收或消耗振動時的能量，達(dá)到減振的目的。它對抑制強迫振動和顫振同樣有效，是提高工藝系統(tǒng)抗振性的一個重要途徑，但它并不能提高工藝系統(tǒng)的剛度。

3.2.4 調(diào)整振型的剛度比 根據(jù)振型耦合原理，工藝系統(tǒng)的振動還受到各振型的剛度比以及其組合的影響。合理調(diào)整它們之間的關(guān)系，就可以有效地提高系統(tǒng)的抗振性，抑制自激振動。

4 結(jié)束語

機械加工過程產(chǎn)生的振動非常復(fù)雜，是需要日常的不斷分析和總結(jié)，根據(jù)不同情況分析原因，采取措施加以消除和控制，以保證加工工件的質(zhì)量要求，提高生產(chǎn)率，創(chuàng)造良好工作環(huán)境。