機(jī)械加工振動的防治

石鵬成

（中國重汽集團(tuán)大同齒輪有限公司，山西 大同 037006）

機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的振動，是一種十分有害的現(xiàn)象。如果加工中產(chǎn)生了振動，刀具與工件間的相對位移會使加工表面產(chǎn)生振痕，將嚴(yán)重影響零件的表面質(zhì)量和使用性能；工藝系統(tǒng)將持續(xù)承受動態(tài)交變載荷的作用，刀具極易磨損甚至崩刃，機(jī)床連接特性收到破壞，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。

機(jī)械加工中產(chǎn)生的振動主要有強(qiáng)迫振動和自激振動兩種類型，根據(jù)振動產(chǎn)生的原理及特點(diǎn)，主要從以下幾方面消減振動：

1 消除或減弱產(chǎn)生強(qiáng)迫振動的條件

1.1 減小機(jī)內(nèi)外干擾力的幅值

高速旋轉(zhuǎn)的零件必須進(jìn)行平衡，盡量減小傳動機(jī)構(gòu)的缺陷，提高帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動等傳動裝置的穩(wěn)定性。對于高精度機(jī)床，應(yīng)盡量少用或不用齒輪、平帶等可能成為振源的傳動原件，并使動力源與機(jī)床本體分離。對于往復(fù)運(yùn)動部件，應(yīng)采用較平穩(wěn)的換向機(jī)構(gòu)。

1.2 適當(dāng)調(diào)整振源的頻率

在選擇轉(zhuǎn)速時，使可能引起強(qiáng)迫振動的振源頻率f，遠(yuǎn)離機(jī)床加工系統(tǒng)薄弱模態(tài)的固有頻率fn，一般應(yīng)滿足：

1.3 采取隔振措施

隔振有兩種方式：一種是主動隔振，是為了阻止機(jī)床振源通過地基外傳；另一種是被動隔振，是阻止機(jī)外干擾力通過地基傳給機(jī)床。

2 消除或減弱產(chǎn)生自激振動的條件

2.1 調(diào)整振動系統(tǒng)小剛度主軸的位置

圖1（a）所示尾座結(jié)構(gòu)小剛度主軸x1剛好落在切削力F與y軸的夾角β范圍內(nèi)，容易產(chǎn)生振型耦合型顫振。圖1（b）所示尾座結(jié)構(gòu)較好，小剛度主軸x1落在F與y軸的夾角β范圍之外。

圖1 兩種尾座結(jié)構(gòu)

2.2 減小重疊系數(shù)

重疊系數(shù)μ直接影響再生效應(yīng)的大小。重疊系數(shù)μ的數(shù)值取決于加工方式、刀具的幾何形狀及切削用量等。

2.3 增加切削阻尼

適當(dāng)減小刀具后角，可以加大工件和刀具后面之間的摩擦阻尼，對提高切削穩(wěn)定性有利。但刀具后角過小會引起摩擦顫振，一般后角取2°～3°為宜，必要時還可以在后刀面上磨出帶有副后角的消振棱。

2.4 采用變速切削方法加工

再生型顫振是切削顫振的主要形態(tài)，變速切削對于再生型顫振具有顯著的抑制作用。變速切削是人為的以各種方式連續(xù)改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速所進(jìn)行的一種切削方式。在變速切削中，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速將以一定的變速幅度、一定的變速頻率、一定的變速波形圍繞某一基本轉(zhuǎn)速作周期變化。

變速切削的減振機(jī)理可歸結(jié)為3點(diǎn)：①采用變速切削方法加工時，只要變速幅度足夠大，切削過程將在不穩(wěn)定區(qū)與條件穩(wěn)定區(qū)內(nèi)交替進(jìn)行。當(dāng)切削加工在條件穩(wěn)定區(qū)進(jìn)行時，理論上加工系統(tǒng)的振動響應(yīng)趨近于零。②變速切削系統(tǒng)的振動響應(yīng)是變頻激勵的瞬態(tài)響應(yīng)，與恒頻激勵相比，變頻激勵的振動響應(yīng)要小。③在變速切削時，振動頻率隨機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速變化近似呈分段線性鋸齒狀變化。

在變速切削過程中，機(jī)床加工系統(tǒng)的振動頻率隨著機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速變動而變動，加工系統(tǒng)的振動響應(yīng)移向幅頻響應(yīng)曲線的衰減區(qū)，與恒速切削相比，震動響應(yīng)明顯減小。一般來說，只要變速參數(shù)選擇合適，采用變速切削可使振幅降至恒速切削時的10%～20%。

3 改善工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性

3.1 提高工藝系統(tǒng)剛度

提高工藝系統(tǒng)的剛度，可以有效地改善工藝系統(tǒng)的抗振性和穩(wěn)定性。在增強(qiáng)工藝系統(tǒng)剛度的同時，應(yīng)盡量減小構(gòu)件自身的質(zhì)量。

3.2 增大工藝系統(tǒng)的阻尼

工藝系統(tǒng)的阻尼主要來自零部件材料的內(nèi)阻尼、結(jié)合面上的摩擦阻尼及其他附加阻尼等。材料的內(nèi)阻尼是指由材料的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻尼，不同材料的內(nèi)阻尼是不同的。由于鑄鐵的內(nèi)阻尼比鋼大，所以機(jī)床上的床身、立柱等大型支承件常用鑄鐵制造。機(jī)床阻尼大多來自零部件結(jié)合面的摩擦阻尼，有時它可占總阻尼的90%，應(yīng)通過各種途徑加大結(jié)合面間的摩擦阻尼。對于機(jī)床的活動結(jié)合面，應(yīng)當(dāng)注意調(diào)整其間隙，必要時可施加預(yù)緊力以增大摩擦力。

4 采用各種消振、減振裝置

如果不能從根本上消除產(chǎn)生切削振動的條件，又無法有效地提高工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性，為保證必要的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率，可以采用消振、減振裝置。常用的減振器有以下3種類型：

4.1 動力減振器

它是用彈性原件k2將一個附加質(zhì)量m2連接到主振系統(tǒng)m1，k1上（見圖2），利用附加質(zhì)量的動力作用，使其加在主振系統(tǒng)上的作用力（或力矩）與激振力（或力矩）大小相等、方向相反，從而達(dá)到抑制主振系統(tǒng)振動的目的。

圖2 動力減振器

4.2 摩擦減振器

它是利用摩擦阻尼來消散振動能量。

4.3 沖擊式減振器

利用兩物體相互碰撞要損失動能的原理，在振動體M上裝有一個起沖擊作用的自由質(zhì)量（沖擊塊）m。系統(tǒng)振動時，自由質(zhì)量將反復(fù)沖擊振動體，以消散振動能量，達(dá)到減振目的。圖3是沖擊式減振器的典型結(jié)構(gòu)及動力學(xué)模型。為了獲得最有利的碰撞條件，要求振動體M和沖擊塊m都能以其最大速度運(yùn)動時發(fā)生相互碰撞，這樣才能得到最大的動能損耗。間隙δ的大小對減振效果影響甚大，為獲得最佳減振效果，間隙δ應(yīng)滿足：

式中：T：振動體M的振動周期；

A：振動體M的振幅。

圖3 沖擊式減振器及其動力學(xué)模型

由于振動體的振幅A在產(chǎn)生碰撞之后要減小，且在切削加工中振動體的振幅A不可能是恒定的，因此，沖擊式減振器的間隙應(yīng)是可調(diào)的，以取得最佳減振效果。沖擊式減振器具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、減振效果好等優(yōu)點(diǎn)，可以在較大的振動頻率范圍內(nèi)使用。

[1]王先逵編著.機(jī)械制造工藝學(xué)（上下冊）.北京：清華大學(xué)出版社，1989

[2]賓鴻贊，曾慶福主編.機(jī)械制造工藝學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990

[3]吳博達(dá)等.細(xì)長軸車削振動的診斷與防治.吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1987（1）；36～44