機(jī)械加工過程中機(jī)械振動的因素以及對策探討

仲健維

摘要：在機(jī)械加工中，機(jī)械振動對生產(chǎn)效率以及工件的加工質(zhì)量的影響都是非常惡劣的，因此通過對不同類型的機(jī)械加工振動的成因以及控制措施進(jìn)行了分析，為減少機(jī)械振動提供一些參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工；振動；預(yù)防措施

1.機(jī)械加工中振動的類型

在機(jī)械加工中，強(qiáng)迫振動比較容易出現(xiàn)，這種由于外界存在固定的周期性的影響，系統(tǒng)在這種影響下，振動表現(xiàn)為強(qiáng)制的、周期性的。

自由振動與強(qiáng)迫振動不同，自由振動是機(jī)械系統(tǒng)在最初運(yùn)行時受到了激振力作用，系統(tǒng)平衡被破壞。不過由于阻尼的存在，自由振動呈減弱趨勢，對系統(tǒng)的影響較之于其他形式的振動小。

在機(jī)械加工中，自激振動雖然不易出現(xiàn)，但是其對加工系統(tǒng)的影響是比較大的。是交變力與周期性振動的產(chǎn)物，在切削過程中，也稱作顫振。自激振動是一種頻率較高的振動。系統(tǒng)的振動能夠引發(fā)工件、刀具間的位置變化，使得加工過程產(chǎn)生了維持振動運(yùn)動的動態(tài)切削力，系統(tǒng)產(chǎn)生了自然激蕩。

2.不同類型的振動產(chǎn)生的原因

2.1強(qiáng)迫振動

機(jī)械加工中，產(chǎn)生振動的原因包括系統(tǒng)外部作用和系統(tǒng)內(nèi)部，主要包括：

2.1.1系統(tǒng)內(nèi)部傳動零件缺陷，使得傳動力發(fā)生周期性變化而引起的周期性運(yùn)動。

2.1.2系統(tǒng)內(nèi)部回轉(zhuǎn)件不平衡導(dǎo)致離心力的周期性變化。

2.1.3切削本身的不均勻性使得切削力呈周期性變化。

2.1.4慣性沖擊。往復(fù)運(yùn)動部件的運(yùn)動方向改變時產(chǎn)生的。

2.1.5外界干擾。來自系統(tǒng)外振源的影響，而引起的強(qiáng)迫振動。

2.2自由振動

自由振動是機(jī)械加工中最簡單的振動，其產(chǎn)生原因主要是：

2.2.1機(jī)械加工中，切削力的突然變化產(chǎn)生的自由振動。

2.2.2機(jī)械加工中，外界力的沖擊而造成的振動。

可以了解，機(jī)械加工中自由振動的產(chǎn)生是一個突然變化的力的作用，所以這個突然并不是周期性的，也不會提供持續(xù)的能量補(bǔ)充，并且在阻尼的作用下，迅速衰減。雖然自由振動對機(jī)械加工的影響不大，但仍需對其重視，因為在某些條件具備時可能引發(fā)自激振動。

2.3自激振動

自激振動產(chǎn)生的原因主要包括：

2.3.1在機(jī)械加工中，刀具與工件以及切屑與刀具間產(chǎn)生的摩擦力可能引發(fā)自激振動。

2.3.2加工工件內(nèi)部硬度不均，刀具崩刀后可能與加工設(shè)備發(fā)生自激振蕩。

2.3.3刀具安裝剛性差，使刀桿顫動引發(fā)自激振蕩。

2.3.4在機(jī)械加工中，切削量選取不當(dāng)產(chǎn)生的自激振蕩。

2.3.5由于積屑瘤時生時滅，機(jī)械加工時刀具前角及切削層橫截面積的不斷改變，都是自激振蕩的發(fā)生的誘因。

3.機(jī)械振動的應(yīng)對對策

大量數(shù)據(jù)研究表明，機(jī)械加工中，三種振蕩類型其中強(qiáng)迫振動約占30% ，自由振動約5%，而自激振動約占65%。自由振動不僅僅比例小，由于其自身會發(fā)生衰減，所以對機(jī)械加工過程的影響極小。而另外兩種對系統(tǒng)的危害很大，本文主要針對這兩種形式的振動減少措施進(jìn)行分析。

3.1強(qiáng)迫振動的減少

機(jī)械加工中，周期性的激振力是強(qiáng)迫振動產(chǎn)生的原因，找出振源是消除振動的有效措施。強(qiáng)迫振動的減少措施主要包括：調(diào)節(jié)振源頻率、減少激振力、阻尼系數(shù)的增加以及減少外來振動。

3.1.1對振源頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)

強(qiáng)迫振動的頻率與振源頻率相等或成倍數(shù)關(guān)系。在機(jī)械加工中，對加工系統(tǒng)的固有頻率的設(shè)置，能夠大大減少共振現(xiàn)象的發(fā)生，主要措施包括：①調(diào)節(jié)激振力頻率，避開系統(tǒng)的固有頻率；②調(diào)節(jié)軸承與鑲條等部件的間隙，使其偏離激振頻率；③對機(jī)械加工系統(tǒng)中的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，有效避免可能產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動的振源頻率；④設(shè)計機(jī)械加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)時，要協(xié)調(diào)工藝系統(tǒng)中各部件的固有頻率，使其遠(yuǎn)離共振區(qū)的頻率。

3.1.2減少激振力

在機(jī)械加工過程中，回轉(zhuǎn)的不平衡質(zhì)量是激振力產(chǎn)生的原因，所以保證回轉(zhuǎn)原件的平衡就能夠在源頭，是減少強(qiáng)迫振動的有效措施。首先，對600 rpm/min以上的高速回轉(zhuǎn)原件，如砂輪、刀盤以及電動機(jī)轉(zhuǎn)子等設(shè)置自動平衡裝置；其次通過對設(shè)備的維護(hù)，例如提高設(shè)備參數(shù)精度等使得傳動裝置的穩(wěn)定性得以提高；最后是通過對與聯(lián)軸器相聯(lián)的各軸軸心線間的同軸度的調(diào)整等，提高傳動的穩(wěn)定性。

3.1.3系統(tǒng)阻尼的增加

增大阻尼的主要方法包括：預(yù)緊滾動軸承、電流變液阻尼器的加裝、在支承件的零部件臂填充阻尼材料等。

3.2自激振動的減少

想要對自激振動進(jìn)行控制，主要從工藝系統(tǒng)內(nèi)部入手，減小或消除自激振動。

3.2.1重疊系數(shù)μ的減小

重疊系數(shù)μ=0時，系統(tǒng)中不存在再生型的自激振動；當(dāng)μ=1時，其再生效應(yīng)最大。也就是說μ越小，切削的穩(wěn)定性越高。影響μ值的大小的因素包括切削用量、刀具的幾何形狀以及加工方式，所以可以通過對影響因素的控制，盡量減少μ值。

3.2.2選擇合理的刀具幾何參數(shù)

為了減小振動，在機(jī)械加工中可以適當(dāng)增加前角與主偏角。

3.2.3選擇合理的切削用量

一是為減小自激振動，盡量選取較大的進(jìn)給量與較小的切削深度。二是對沒有要求的加工工件，可采用高速切削或低速切削，避免自激振動。三是在加工表面粗糙度允許的情況下，為有效預(yù)防自激振動應(yīng)選取較大的進(jìn)給量。

3.2.4提高工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性以及使用減震裝置

機(jī)械加工工藝系統(tǒng)自身的抗振性能對機(jī)械振動的影響也是比較大的，所以我們可以通過對工藝系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的剛度的提升、增大工藝系統(tǒng)自身阻尼等，有效的提高工藝系統(tǒng)的抗振性能。

減震裝置的使用同時能夠有效的控制機(jī)械加工中的振動問題。主要包括動力減振器、摩擦減振器和沖擊減振器。

4.結(jié)語

在機(jī)械加工中，造成機(jī)械振動的原因很多，且較為復(fù)雜，需要在實踐中不斷對振動的形式以及振動原因進(jìn)行分析，從而減少有害振動的發(fā)生，使得零件的加工質(zhì)量得到保證。

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