機(jī)械加工過程中機(jī)械振動(dòng)的成因及解決措施

艾天波　白桂森

【摘 要】在進(jìn)行機(jī)械加工的過程中，工件的表面質(zhì)量尤為關(guān)鍵，直接關(guān)系到工件的使用性能，進(jìn)而影響到工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。在進(jìn)行機(jī)械加工的過程中，由于生產(chǎn)工藝中多種因素及加工機(jī)械本身等綜合作用的影響，機(jī)械加工過程會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，由此影響到刀具的加工精度，降低工件的表面質(zhì)量，進(jìn)而影響工件的使用。為了保證工件的表面質(zhì)量， 需要對(duì)引起振動(dòng)的原因進(jìn)行分析，從而制定出解決的措施，減少振動(dòng)的發(fā)生幾率或者大小，提高機(jī)械加工的質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械加工；強(qiáng)迫振動(dòng)；自激振動(dòng)；預(yù)防措施

引言：

在進(jìn)行機(jī)械加工的過程中，如果出現(xiàn)振動(dòng)，將會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果，最直接后果就是影響到工件的表面質(zhì)量。在正常情況下，刀具與工件之間的距離是按照一定的規(guī)范來固定的，如果產(chǎn)生振動(dòng)，將會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生附加的動(dòng)荷載，由此在工件的表面會(huì)出現(xiàn)振痕，影響到工件的表面品質(zhì)以及使用性能。此外，這種振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重的磨損到刀具，從而降低刀具的精度和剛度，縮短刀具的使用壽命。振動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致機(jī)床各連接部位的松動(dòng)，從而加大間隙，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)影響到加工的持續(xù)，甚至加工人員的安全。振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲還會(huì)影響到工作人員的健康，所以采用相應(yīng)的措施，減少振動(dòng)的發(fā)生具有重要的意義。

1 機(jī)械加工振動(dòng)的表現(xiàn)和特點(diǎn)

1.1 強(qiáng)迫振動(dòng)

強(qiáng)迫振動(dòng)是物體受到一個(gè)周期變化的外力作用而產(chǎn)生的振動(dòng)。如在磨削過程中，由于電動(dòng)機(jī)、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(zhǎng)短不一致，油泵工作不平穩(wěn)等，都會(huì)引起機(jī)床的強(qiáng)迫振動(dòng)，它將激起機(jī)床各部件之間的相對(duì)振動(dòng)，影響機(jī)床加工工件的精度，如粗糙度和圓度。對(duì)于刀具或做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，振動(dòng)還會(huì)影響回轉(zhuǎn)精度。強(qiáng)迫振動(dòng)的特點(diǎn)是：①?gòu)?qiáng)迫振動(dòng)本身不能改變干擾力，干擾力一般與切削過程無關(guān)。干擾力消除，振動(dòng)停止。②強(qiáng)迫振動(dòng)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于 1 時(shí)，產(chǎn)生共振，振幅達(dá)到最大值。

1.2 自激振動(dòng)

是由振動(dòng)系統(tǒng)本身在振動(dòng)過程中激發(fā)產(chǎn)生的交變力所引起的不衰減的振動(dòng)，就是自激振動(dòng)。即使不受到任何外界周期性干擾力的作用，振動(dòng)也會(huì)發(fā)生。如在磨削過程中砂輪對(duì)工件產(chǎn)生的摩擦?xí)鹱约ふ駝?dòng)。工件、機(jī)床系統(tǒng)剛性差，或砂輪特性選擇不當(dāng)，都會(huì)使摩擦力加大，從而使自激振動(dòng)加劇。自激振動(dòng)的特點(diǎn)是：①自激振動(dòng)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及低頻顫振。②自激振動(dòng)能否產(chǎn)生及其振幅的大小，決定于每一振動(dòng)周期內(nèi)系統(tǒng)所獲得的能量與阻尼消耗能量的對(duì)比情況。③由于持續(xù)自激振動(dòng)的干擾力是由振動(dòng)過程本身激發(fā)的，故振動(dòng)中止，干擾力及能量補(bǔ)充過程立即消失。

2 振動(dòng)產(chǎn)生的原因分析

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

2.1 強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生的原因

①機(jī)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(jī)或卡盤、皮帶輪回轉(zhuǎn)不平衡引起的。②機(jī)床傳動(dòng)零件缺陷所引起的周期性變化的傳動(dòng)力。如因刀架、主軸軸承、拖板塞鐵等機(jī)床部件松動(dòng)或齒輪、軸承等傳動(dòng)零件的制作誤差而引起的周期性振動(dòng)。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(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí)產(chǎn)生的慣性沖擊。如平面磨削過程的方向改變或瞬時(shí)改變機(jī)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(dòng)引起其他機(jī)床的強(qiáng)迫振動(dòng)，甚至共振。

2.2 自激振動(dòng)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(bǔ)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(zhǎng)，會(huì)引起刀桿顫動(dòng)。④工件剛性差。如加工細(xì)長(zhǎng)軸等剛性較差工件，會(huì)導(dǎo)致工件表面出現(xiàn)波紋或錐度。⑤積屑瘤的時(shí)生時(shí)滅，切削過程中刀具前角及切削層橫截面積不時(shí)改變。⑥切削量不合適引起的振動(dòng)，切削量寬而薄的切削易振動(dòng)。

3 預(yù)防措施

3.1 控制強(qiáng)迫振動(dòng)的途徑

3.1.1 因?yàn)閺?qiáng)迫振動(dòng)的原因來自外部環(huán)境，所以對(duì)于引起振動(dòng)的源頭要進(jìn)行控制。對(duì)于轉(zhuǎn)速較高的工具，在使用之前，要對(duì)其進(jìn)行平衡檢測(cè)。像是砂輪等進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)的零件，因?yàn)槠浔旧淼纳傲７植疾粔蚓鶆颍又谛D(zhuǎn)的過程中，受到的不均勻磨損，致使表面平整度不均。由此砂輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，容易對(duì)主軸造成損傷。所以在新砂輪使用之前，要對(duì)修整前后的砂輪進(jìn)行兩次檢測(cè)，以保證砂輪的平穩(wěn)性，減少在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。還可以選擇合適的軸承以及傳動(dòng)帶，以此來減少振動(dòng)以及噪聲的產(chǎn)生。

3.1.2 在機(jī)械加工的過程中，會(huì)有多個(gè)機(jī)械設(shè)備同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，如果相鄰的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，并且由旋轉(zhuǎn)而造成的振動(dòng)頻率又相同時(shí)，就會(huì)造成共振現(xiàn)象。共振將會(huì)對(duì)機(jī)器造成較大的損害，加劇了磨損的范圍。為了解決這類現(xiàn)象，應(yīng)該對(duì)振源進(jìn)行調(diào)整，對(duì)相鄰的部件調(diào)整振動(dòng)頻率，將激振力的頻率與系統(tǒng)固有的頻率調(diào)整開，防止共振的產(chǎn)生?；蛘哌€可以通過改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或者是主軸的轉(zhuǎn)速來進(jìn)行調(diào)整，亦或提高結(jié)合面的平整度，這些都可以有效的減少振動(dòng)的產(chǎn)生。

3.1.3 對(duì)強(qiáng)迫振動(dòng)進(jìn)行分析

強(qiáng)迫振動(dòng)主要是受到外界周期性的干擾力引起的振動(dòng)。其產(chǎn)生的主要原因是：在切削加工中，因?yàn)闃?gòu)造機(jī)床的零件有些精度不高，當(dāng)機(jī)床在工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)受力不均勻的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致振動(dòng)的產(chǎn)生。同時(shí)在刀具刃面也會(huì)引起振動(dòng)，各種刀具都具有自己獨(dú)特的刃口高度，因此在機(jī)械加工過程中就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。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情況，也能夠?qū)е略诩庸ぶ挟a(chǎn)生振動(dòng)。同時(shí)在加工系統(tǒng)的外部，也存在著導(dǎo)致車床在工作時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的原因。強(qiáng)迫振動(dòng)具有自己獨(dú)特的特點(diǎn)，主要為：因?yàn)閷?dǎo)致振動(dòng)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)是諧振動(dòng)，所以在干擾力沒有消除時(shí)，振動(dòng)不會(huì)減退，如果干擾力消除，振動(dòng)就會(huì)立刻停止；根據(jù)振動(dòng)產(chǎn)生的原因，振動(dòng)的頻率等同于干擾力的頻率；當(dāng)系統(tǒng)的阻尼力變小，強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅就會(huì)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?gòu)?qiáng)迫振動(dòng)的振幅；在共振的區(qū)域，很小的頻率就會(huì)導(dǎo)致振幅變化大，同時(shí)相位角也會(huì)發(fā)生變化。

3.2 控制自激振動(dòng)的途徑

3.2.1 合理選用刀具的幾何參數(shù)

在經(jīng)過多次的試驗(yàn)和驗(yàn)證得出，刀具的幾何參數(shù)與振動(dòng)有很大的關(guān)系，所以在選擇刀具時(shí)，應(yīng)該對(duì)幾何參數(shù)進(jìn)行合理的選擇。幾何參數(shù)中的主偏角和前角與振動(dòng)的關(guān)系最為密切，主偏角與振動(dòng)的大小成正比例關(guān)系，前角與振動(dòng)成反比例關(guān)系。所以合理的確定刀具的幾何參數(shù)，可以有效的減少自激振動(dòng)的產(chǎn)生。

3.2.2 提高工藝系統(tǒng)的抗振性

工藝系統(tǒng)本身的抗振性能對(duì)于機(jī)器的震顫也有很大的影響，所以為了減少震顫，應(yīng)該改善工藝系統(tǒng)的性能。對(duì)于機(jī)器中的接觸面，要不斷的提高剛度，并且進(jìn)行研磨，嚴(yán)格控制主軸和軸承之間的空隙，增加預(yù)緊力改善頂尖孔的質(zhì)量。

3.2.3 采用減振裝置

如果在工藝系統(tǒng)中，采用多種方法都無法減小振動(dòng)，那么可以在工藝系統(tǒng)中使用減震措施，將減震裝置安放到系統(tǒng)中，以此來吸收振動(dòng)所產(chǎn)生的能量。減震裝置對(duì)于強(qiáng)迫振動(dòng)和震顫都有很好的效果，可以有效的提高平穩(wěn)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械加工是工業(yè)生產(chǎn)的重要方面，保證機(jī)械加工的質(zhì)量是促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。在進(jìn)行機(jī)械加工的過程中，會(huì)因?yàn)楦鞣N原因而產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重的影響到工件的質(zhì)量和使用性能。所以應(yīng)該分析引起振動(dòng)的原因，然后采取有針對(duì)性的措施，減少振動(dòng)的產(chǎn)生，提高工件的生產(chǎn)質(zhì)量和性能，為工業(yè)生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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