淺議機械加工中的振動消除與利用

楊明+徐榮其

摘要：振動現(xiàn)象在機械加工過程中出現(xiàn)最頻繁，如何在加工過程中解決振動的問題，一直是機械制造業(yè)研究的課題之一。隨著科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化的數(shù)控機床成為了機械制造過程中的主要工具，雖然提高了機械制造的效率，但是也會帶來諸多的問題。文章主要分析了振動對機械加工的不良影響，然后對振動的種類和原因進行了闡述，最后對消除振動的方法和途徑進行了探討。

關(guān)鍵詞：機械加工；振動種類；消除振動

中圖分類號：TB535 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）01-0048-03

振動能夠給機械加工帶來不良的影響。如果出現(xiàn)振動，工件相對于刀具會產(chǎn)生位移，生產(chǎn)的產(chǎn)品會在表面產(chǎn)生振痕，如果振動嚴(yán)重會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。振動能夠使加工系統(tǒng)不斷受到工件的反作用力，會使刀具磨損或者崩刃，破壞機床加工系統(tǒng)，使工作無法正常進行。同時振動也有一定作用，例如通過振動消磨和超聲波加工等方式，會對機械加工產(chǎn)生促進的作用。因此需要對機械加工中產(chǎn)生振動的原因進行分析，對振動進行控制，充分地將振動有效地利用起來。

1 振動的類型和產(chǎn)生原因

導(dǎo)致振動產(chǎn)生的原因有許多方面，主要有3種類型：自由振動、強迫振動、自激振動。

1.1 對自由振動進行分析

如果系統(tǒng)工作中外力消失，機床系統(tǒng)自身會產(chǎn)生衰減運動，稱為自由振動。產(chǎn)生的原因是工藝系統(tǒng)受到部分作用力，例如外界對系統(tǒng)的沖擊力、機床傳動系統(tǒng)非周期性引起的沖擊力和加工工件時產(chǎn)生的沖擊力等，會使系統(tǒng)的本身不平衡，需要靠系統(tǒng)本身的彈性恢復(fù)力進行恢復(fù)，由此產(chǎn)生的振動主要是自由振動。自由振動的頻率同系統(tǒng)自身的頻率相同，但是系統(tǒng)會產(chǎn)生阻尼作用力，因此自由振動會慢慢消退。

1.2 對強迫振動進行分析

強迫振動主要是受到外界周期性的干擾力引起的振動。其產(chǎn)生的主要原因是：在切削加工中，因為構(gòu)造機床的零件有些精度不高，當(dāng)機床在工作時會出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致振動的產(chǎn)生。同時在刀具反面也會引起振動，各種刀具都具有自己獨特的刃口高度，因此在機械加工就會產(chǎn)生振動。如果被切削的工件出現(xiàn)表面不連續(xù)以及軟硬度不相同等等方面的原因，也能夠?qū)е略诩庸ぶ挟a(chǎn)生振動。同時在加工系統(tǒng)的外部，也存在著導(dǎo)致車床在工作時產(chǎn)生振動的原因。

強迫振動具有自己獨特的特點，主要為：因為導(dǎo)致振動產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)是諧振動，所以在干擾力沒有消除時，振動不會減退，如果干擾力消除，振動就會立刻停止；根據(jù)振動產(chǎn)生的原因，振動的頻率等同于干擾力的頻率；當(dāng)系統(tǒng)的阻尼力變小，強迫振動的振幅就會變大，諧波的影響軌跡范圍也越大，因此加大阻尼，可以有效地減少強迫振動的振幅；在共振的區(qū)域，很小的頻率就會導(dǎo)致振幅變化大，同時相位角也會發(fā)生變化。

1.3 對自激振動進行分析

自激振動就是當(dāng)機床在加工時，振動自身會使部分切削力的周期發(fā)生變化，這個產(chǎn)生的切削力又反作用于系統(tǒng)，補充了系統(tǒng)由于阻尼作用減少的能力，使系統(tǒng)的振動得以維持和加強。在機械加工過程中，產(chǎn)生的自激振動主要是頻率較高的強烈的振動，會使加工工件的表面的質(zhì)量下降，大大影響了機床的生產(chǎn)效率。進行磨削工程中，砂輪磨鈍之間產(chǎn)生的振動也是自激振動。主要的工作原理如圖1所示：

圖1 自激振動原理

自激振動的主要特點：由于自激振動類型屬于不衰減的振動，因此系統(tǒng)本身固有的參數(shù)對自激振動產(chǎn)生的頻率起到了決定性的作用，這個方面與強迫振動有很大的差別；在振動的每一個周期內(nèi)，將系統(tǒng)獲得振動能量同阻尼引起的消耗能量進行對比，這個值能夠決定自激振動的振幅大??；自激振動是由振動過程本身產(chǎn)生的激振和反饋導(dǎo)致的，所以如果加工過程停止，自激振動就會消失。

2 振動消除的措施

在機械加工中強迫振動和自激振動所占比重非常大，而自由振動占的比例非常小。自由振動能夠迅速被阻尼力消除，因此在消除振動中，主要根據(jù)產(chǎn)生的原因?qū)α硗鈨煞N振動進行消除。

2.1 消除自激振動的措施

2.1.1 對切削過程中的有關(guān)參數(shù)進行科學(xué)的選擇。主要是設(shè)置切削的速度和工件的進給量還有背吃刀量，如圖2，當(dāng)切削速度在20～60m/min的范圍內(nèi)，振幅增大得很快，當(dāng)速度高于或者低于此范圍后，振動逐漸減弱，振幅減少。如圖3進給量和振幅主要成反比的關(guān)系，振幅隨著進給量的增大而逐漸減少。圖4所示，背吃刀量和振幅成正比關(guān)系，振幅隨著背吃刀量的增大而增大。在切削過程中要根據(jù)實際情況選擇合理的與切削過程相關(guān)的參數(shù)。

2.1.2 在加工時增強系統(tǒng)本身的抗振性。在對振動的消除中，占主導(dǎo)地位的是機床系統(tǒng)本身的抗振性，要對該方面加以重視?？梢酝ㄟ^以下方式進行改善，首先可以對機床的剛性進行改善，還可以將各個部件根據(jù)各自特有的固定頻率進行分析，然后進行合理的安排，同時還可以將系統(tǒng)的阻力進行加大。這些措施都能夠增大機床的抗振性。對于刀具也要提高其抗振性。對于工件可以提高其剛性，主要是將工件的彎曲剛性提高。

2.1.3 在加工系統(tǒng)中添加消振裝置。主要是將吸震器添加到系統(tǒng)中，吸震器主要有兩種類型：動力式吸震器、沖擊式吸震器。動力式吸震器就是在系統(tǒng)上添加幾個大的質(zhì)量塊，通過添加的質(zhì)量塊產(chǎn)生動力，使彈性元件產(chǎn)生的力同激振力互相抵消。沖擊式吸震器主要是在振動系統(tǒng)中添加一個與剛性連接的殼體，在添加的殼體內(nèi)存在一個可以自由運動的質(zhì)量塊，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生振動時，自由振動的質(zhì)量塊沖擊殼體，消耗能量，從而減少振動。

2.2 減少強迫振動的措施

根據(jù)強迫振動產(chǎn)生的原因，我們在消除振動時需要將振源找出來，再對振源采取措施，來使振動消除。

2.2.1 將振源的激振力進行消除或者減弱。當(dāng)零件的轉(zhuǎn)速高于600r/min時，需要進行平衡。當(dāng)零件高速旋轉(zhuǎn)時，零件自身的砂粒不均勻的分布表明，這樣在工作時引起的表面磨損也不是均勻的，這樣就會導(dǎo)致主軸的振動，因此如果是新?lián)Q的砂輪，必須經(jīng)過兩次的平衡試驗，即修正前的試驗和修整后的試驗。同時提高齒輪的平穩(wěn)性，能夠使周期性的沖擊力導(dǎo)致的振動減少。endprint

2.2.2 盡量使激振力的頻率不要臨近于系統(tǒng)自身固有的頻率，防止共振的產(chǎn)生，可以將電動機的轉(zhuǎn)速進行改變，也可以將主軸的轉(zhuǎn)速改變。同時我們還可以將接觸面和結(jié)合面的精度提高，減少間隙，來使系統(tǒng)的固有頻率升高。

2.2.3 可以采用隔振的手段，在機床的電機和床身的連接處采用柔性的連接方法，使電機本身的振動被隔離；同時可以將液壓部分和機床進行分離或者在系統(tǒng)中添加液壓緩沖裝置，這樣可以減少部件進行換向時造成的沖擊力；在機床與地基之間加入厚橡皮或者木材等，使機床和地面的聯(lián)系隔斷，可以防止四周的振源利用地面?zhèn)鹘o機床。

3 機械加工過程中振動的有效利用

在對振動進行利用的各種方法中，振動切削是最容易實現(xiàn)的，且應(yīng)用效果很好，能夠改善零件的表面品質(zhì)。振動切削就是將工件之間的空間和時間的條件進行合理的改變，引起切削加工原理發(fā)生改變，降低切削力和切削熱，使切削的質(zhì)量得以提升，同時提高加工的時效性。振動切削的時間短暫，能夠完成切入和切出的過程，由于時間短暫，當(dāng)進行切削時工件還沒有開始振動，刀具已經(jīng)離開

工件。

對于振動的利用，還可以通過改變切削速度來實現(xiàn)，使切削速度變得有規(guī)律性，這樣能夠提高加工工件的表面質(zhì)量。例如，當(dāng)振動產(chǎn)生時，可以將切削力和切削溫度降低，這樣能夠減小需要熱處理的零件的變形和減少裂紋，實現(xiàn)精密的加工。當(dāng)振動的參數(shù)選擇合理，還能明顯地提高刀具的使用壽命。振動的切削試驗表明，當(dāng)振動切削時，刀具如果按照正弦的規(guī)律，可以在加工表面形成細(xì)小的刀痕，這樣當(dāng)零件進行工作時在表面產(chǎn)生的油膜，可以大大提高零件活動摩擦的耐磨性。振動切削的殘余力非常小，因此加工的變質(zhì)層比較淺，對表面的金組織的影響較小，這樣表面和材料內(nèi)部的金組織的構(gòu)造幾乎相當(dāng)，工件表面的耐腐蝕性可以得以提高。

4 結(jié)語

對機械加工中振動產(chǎn)生的原因和規(guī)律進行認(rèn)真分析，可以利用相應(yīng)的措施來減少振動的產(chǎn)生，可以使工件的質(zhì)量提高，還可以提高機床和刀具的工藝能力。但是如果想將振動全部消除，還需要進一步的深入研究，采取更先進的消振措施。如果將加工中產(chǎn)生的振動進行合理的運用，可以提高服務(wù)的品質(zhì)，使零件質(zhì)量提高。

參考文獻

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水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2006，（2）.

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[6] 顧立志，龍澤明，冉啟文，白鳳山，袁哲俊.振動切

削研究狀況及發(fā)展趨勢[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報（自然科

學(xué)版），2000，（2）.

作者簡介：楊明（1984—），男，云南玉溪人，哈爾濱電機廠（昆明）有限責(zé)任公司助理工程師，研究方向：材料成型機控制工程；徐榮其（1959—），男，云南姚安人，云南玉溪宏誠機電有限公司工程師，研究方向：金屬材料加工。endprint

2.2.2 盡量使激振力的頻率不要臨近于系統(tǒng)自身固有的頻率，防止共振的產(chǎn)生，可以將電動機的轉(zhuǎn)速進行改變，也可以將主軸的轉(zhuǎn)速改變。同時我們還可以將接觸面和結(jié)合面的精度提高，減少間隙，來使系統(tǒng)的固有頻率升高。

2.2.3 可以采用隔振的手段，在機床的電機和床身的連接處采用柔性的連接方法，使電機本身的振動被隔離；同時可以將液壓部分和機床進行分離或者在系統(tǒng)中添加液壓緩沖裝置，這樣可以減少部件進行換向時造成的沖擊力；在機床與地基之間加入厚橡皮或者木材等，使機床和地面的聯(lián)系隔斷，可以防止四周的振源利用地面?zhèn)鹘o機床。

3 機械加工過程中振動的有效利用

在對振動進行利用的各種方法中，振動切削是最容易實現(xiàn)的，且應(yīng)用效果很好，能夠改善零件的表面品質(zhì)。振動切削就是將工件之間的空間和時間的條件進行合理的改變，引起切削加工原理發(fā)生改變，降低切削力和切削熱，使切削的質(zhì)量得以提升，同時提高加工的時效性。振動切削的時間短暫，能夠完成切入和切出的過程，由于時間短暫，當(dāng)進行切削時工件還沒有開始振動，刀具已經(jīng)離開

工件。

對于振動的利用，還可以通過改變切削速度來實現(xiàn)，使切削速度變得有規(guī)律性，這樣能夠提高加工工件的表面質(zhì)量。例如，當(dāng)振動產(chǎn)生時，可以將切削力和切削溫度降低，這樣能夠減小需要熱處理的零件的變形和減少裂紋，實現(xiàn)精密的加工。當(dāng)振動的參數(shù)選擇合理，還能明顯地提高刀具的使用壽命。振動的切削試驗表明，當(dāng)振動切削時，刀具如果按照正弦的規(guī)律，可以在加工表面形成細(xì)小的刀痕，這樣當(dāng)零件進行工作時在表面產(chǎn)生的油膜，可以大大提高零件活動摩擦的耐磨性。振動切削的殘余力非常小，因此加工的變質(zhì)層比較淺，對表面的金組織的影響較小，這樣表面和材料內(nèi)部的金組織的構(gòu)造幾乎相當(dāng)，工件表面的耐腐蝕性可以得以提高。

4 結(jié)語

對機械加工中振動產(chǎn)生的原因和規(guī)律進行認(rèn)真分析，可以利用相應(yīng)的措施來減少振動的產(chǎn)生，可以使工件的質(zhì)量提高，還可以提高機床和刀具的工藝能力。但是如果想將振動全部消除，還需要進一步的深入研究，采取更先進的消振措施。如果將加工中產(chǎn)生的振動進行合理的運用，可以提高服務(wù)的品質(zhì)，使零件質(zhì)量提高。

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作者簡介：楊明（1984—），男，云南玉溪人，哈爾濱電機廠（昆明）有限責(zé)任公司助理工程師，研究方向：材料成型機控制工程；徐榮其（1959—），男，云南姚安人，云南玉溪宏誠機電有限公司工程師，研究方向：金屬材料加工。endprint

2.2.2 盡量使激振力的頻率不要臨近于系統(tǒng)自身固有的頻率，防止共振的產(chǎn)生，可以將電動機的轉(zhuǎn)速進行改變，也可以將主軸的轉(zhuǎn)速改變。同時我們還可以將接觸面和結(jié)合面的精度提高，減少間隙，來使系統(tǒng)的固有頻率升高。

2.2.3 可以采用隔振的手段，在機床的電機和床身的連接處采用柔性的連接方法，使電機本身的振動被隔離；同時可以將液壓部分和機床進行分離或者在系統(tǒng)中添加液壓緩沖裝置，這樣可以減少部件進行換向時造成的沖擊力；在機床與地基之間加入厚橡皮或者木材等，使機床和地面的聯(lián)系隔斷，可以防止四周的振源利用地面?zhèn)鹘o機床。

3 機械加工過程中振動的有效利用

在對振動進行利用的各種方法中，振動切削是最容易實現(xiàn)的，且應(yīng)用效果很好，能夠改善零件的表面品質(zhì)。振動切削就是將工件之間的空間和時間的條件進行合理的改變，引起切削加工原理發(fā)生改變，降低切削力和切削熱，使切削的質(zhì)量得以提升，同時提高加工的時效性。振動切削的時間短暫，能夠完成切入和切出的過程，由于時間短暫，當(dāng)進行切削時工件還沒有開始振動，刀具已經(jīng)離開

工件。

對于振動的利用，還可以通過改變切削速度來實現(xiàn)，使切削速度變得有規(guī)律性，這樣能夠提高加工工件的表面質(zhì)量。例如，當(dāng)振動產(chǎn)生時，可以將切削力和切削溫度降低，這樣能夠減小需要熱處理的零件的變形和減少裂紋，實現(xiàn)精密的加工。當(dāng)振動的參數(shù)選擇合理，還能明顯地提高刀具的使用壽命。振動的切削試驗表明，當(dāng)振動切削時，刀具如果按照正弦的規(guī)律，可以在加工表面形成細(xì)小的刀痕，這樣當(dāng)零件進行工作時在表面產(chǎn)生的油膜，可以大大提高零件活動摩擦的耐磨性。振動切削的殘余力非常小，因此加工的變質(zhì)層比較淺，對表面的金組織的影響較小，這樣表面和材料內(nèi)部的金組織的構(gòu)造幾乎相當(dāng)，工件表面的耐腐蝕性可以得以提高。

4 結(jié)語

對機械加工中振動產(chǎn)生的原因和規(guī)律進行認(rèn)真分析，可以利用相應(yīng)的措施來減少振動的產(chǎn)生，可以使工件的質(zhì)量提高，還可以提高機床和刀具的工藝能力。但是如果想將振動全部消除，還需要進一步的深入研究，采取更先進的消振措施。如果將加工中產(chǎn)生的振動進行合理的運用，可以提高服務(wù)的品質(zhì)，使零件質(zhì)量提高。

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削研究狀況及發(fā)展趨勢[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報（自然科

學(xué)版），2000，（2）.

作者簡介：楊明（1984—），男，云南玉溪人，哈爾濱電機廠（昆明）有限責(zé)任公司助理工程師，研究方向：材料成型機控制工程；徐榮其（1959—），男，云南姚安人，云南玉溪宏誠機電有限公司工程師，研究方向：金屬材料加工。endprint