機(jī)械零部件加工中振動產(chǎn)生原因分析及控制

楊磊

摘 要：機(jī)械加工是一個國家工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家提出了工業(yè)2.0計劃以實現(xiàn)我國工業(yè)發(fā)展的轉(zhuǎn)型升級，在這一過程中應(yīng)當(dāng)對機(jī)械加工加以重視，提高機(jī)械加工質(zhì)量。機(jī)械零部件的加工質(zhì)量是機(jī)械零部件加工制造中的重點也是難點，在機(jī)械零部件的加工過程中振動現(xiàn)象是出現(xiàn)最頻繁也是對機(jī)械零部件加工質(zhì)量影響較大的問題之一，做好機(jī)械零部件的機(jī)械加工需要做好對于機(jī)械零部件加工中振動的解決，本文將在分析數(shù)控加工中振動形成原因及其會對機(jī)械零部件加工所造成的不良影響的基礎(chǔ)上對如何做好機(jī)械零部件加工中的振動的消除進(jìn)行分析闡述.

關(guān)鍵詞：機(jī)械零部件；振動；振動消除

中圖分類號：TH161 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

振動是一種在機(jī)械零部件的加工中多發(fā)且會造成嚴(yán)重危害的物理現(xiàn)象，現(xiàn)今在機(jī)械零部件的加工中多采用的是數(shù)控加工的加工方式，但是在機(jī)械零部件的加工時如出現(xiàn)振動將會使得加工刀具和加工工件之間出現(xiàn)一定的相對位移，從而會在機(jī)械零部件的加工表面產(chǎn)生一定的振痕進(jìn)而影響機(jī)械零部件的表面加工精度和加工質(zhì)量。此外，在機(jī)械零部件的加工過程中如產(chǎn)生振動將會使得加工刀具受到額外附加的動載荷從而使得刀具的磨損加速嚴(yán)重時甚至?xí)斐杀廊?，影響加工的安全性和機(jī)械零部件的加工質(zhì)量。在機(jī)械零部件的加工過程中所產(chǎn)生振動還會使得機(jī)床、夾具等的連接部分產(chǎn)生一定的松動，在影響機(jī)械零部件的加工質(zhì)量的同時還會導(dǎo)致切削加工無法正常進(jìn)行。在振動較為嚴(yán)重時多采用的是降低機(jī)械零部件的加工進(jìn)給量，從而使得機(jī)械零部件的數(shù)控加工效率大為降低，因此需要在總結(jié)分析機(jī)械零部件加工時所產(chǎn)生的種類的基礎(chǔ)上對如何做好機(jī)械零部件加工時振動的管控進(jìn)行討論以便更好地對機(jī)械零部件進(jìn)行加工提高機(jī)械零部件的加工質(zhì)量和加工效率。

1.機(jī)械零部件加工時所產(chǎn)生的種類和振動產(chǎn)生的原因分析

在數(shù)控機(jī)床對機(jī)械零部件進(jìn)行加工的過程中其所產(chǎn)生的振動主要有：自由振動、受迫振動和自激振動的幾種類型。其中，對于機(jī)械零部件加工時所產(chǎn)生的自由振動，其產(chǎn)生的主要原因是由于機(jī)械零部件在加工的過程中工藝系統(tǒng)受到部分外作用力的作用，比如：外界對于機(jī)械零部件加工時的沖擊力、機(jī)床傳動系統(tǒng)非周期性所引起的沖擊力和加工工件時所產(chǎn)生的沖擊力等，這些附加的外作用力都會對系統(tǒng)的平衡及穩(wěn)定性造成一定的影響，這些外附加力需要依靠系統(tǒng)本身的彈性恢復(fù)力進(jìn)行平衡恢復(fù)，在這一過程中機(jī)械零部件加工系統(tǒng)中所產(chǎn)生的振動主要是自由振動，在機(jī)械零部件加工系統(tǒng)遭受到自由振動時其振動的頻率與加工系統(tǒng)自身的頻率相同，但是加工系統(tǒng)會對振動產(chǎn)生相應(yīng)的阻尼作用從而抵消機(jī)械零部件加工時所產(chǎn)生的自由振動。在機(jī)械零部件的加工過程中所產(chǎn)生的強迫振動其主要來源來自于外界周期性的干擾力所引起的，造成其產(chǎn)生的主要原因有：機(jī)械零部件的切削過程中會由于機(jī)床自身精度的原因從而造成機(jī)械零部件在加工的過程中出現(xiàn)受力不均勻的現(xiàn)象并表現(xiàn)為機(jī)械零部件加工系統(tǒng)的受迫振動，此外，在機(jī)械零部件的加工過程中，加工刀具的反面也會導(dǎo)致受迫振動的產(chǎn)生，在機(jī)械零部件的加工過程中需要使用多種刀具，而各種刀具都有其獨特的刃口高度，這些刃口高度在機(jī)械零部件的機(jī)械加工時會導(dǎo)致受迫振動的產(chǎn)生，而當(dāng)機(jī)械零部件在加工的過程中在機(jī)械零部件的表面出現(xiàn)硬度突變或是其他一些原因的情況下都會導(dǎo)致機(jī)械零部件在加工時產(chǎn)生振動。機(jī)械零部件加工時所產(chǎn)生的受迫振動尤其獨特的特點，在機(jī)械零部件的加工時受迫振動多是機(jī)械規(guī)律性的振動，因此其表現(xiàn)為諧振動，在外界干擾率沒有完全消除時，機(jī)械零部件加工所產(chǎn)生的振動不會消除，外界所產(chǎn)生的干擾力和機(jī)械零部件的所產(chǎn)生的振動呈現(xiàn)出正比關(guān)系，此外，機(jī)械零部件加工時多產(chǎn)生的振動頻率和干擾力的頻率相同，當(dāng)系統(tǒng)的阻尼力變小時，強迫振動時所產(chǎn)生的振幅將會增大，而系統(tǒng)振動所產(chǎn)生的諧波的影響軌跡范圍也將隨之增大，因此，通過適當(dāng)?shù)丶哟笙到y(tǒng)的阻尼可以將機(jī)械零部件加工時所產(chǎn)生的強迫振動的振幅大為降低。對于機(jī)械零部件加工時自激振動主要產(chǎn)生于機(jī)床在對機(jī)械零部件進(jìn)行加工的過程中，機(jī)械零部件加工所產(chǎn)生的振動會使得機(jī)械零部件加工所產(chǎn)生的切削力產(chǎn)生周期性的變化，而這一變化的切削力又通過反作用于系統(tǒng)從而對系統(tǒng)所產(chǎn)生的振動大為加強，在機(jī)械零部件的加工過程中，其所產(chǎn)生的自激振動主要來自于頻率較高的的強烈的振動，這一振動的存在會使得機(jī)械零部件加工表面的質(zhì)量受到較大的影響，此外，機(jī)械零部件加工時遭受到自激振的影響還會影響機(jī)械零部件的加工效率，因此，需要在機(jī)械零部件的加工過程中對于振動所產(chǎn)生的影響引起足夠的重視并通過采用合理有效的措施來對

2.機(jī)械零部件加工過程中所產(chǎn)生的振動的控制及消除措施

在機(jī)械零部件加工過程中所產(chǎn)生的3類振動中，強迫振動和自激振動在其中占據(jù)較大的比例，而自由振動對于機(jī)械零部件的加工質(zhì)量所產(chǎn)生的影響較小，機(jī)械零部件加工時所產(chǎn)生的自由振動能夠迅速地依靠機(jī)械零部件加工系統(tǒng)自身的阻尼力予以抵消從而減小其對于機(jī)械零部件加工系統(tǒng)所造成的影響，因此在機(jī)械零部件加工所產(chǎn)生的振動的控制上需要著重加強對于受迫振動和自激振動的控制。

2.1 控制及消除機(jī)械零部件加工自激振動的措施

為做好對于機(jī)械零部件加工時所產(chǎn)生的自激振動的控制可以通過以下措施加以控制：（1）做好機(jī)械零部件加工時的刀具的幾何參數(shù)的選擇與控制，在機(jī)械零部件加工所使用的刀具的幾何尺寸中，各參數(shù)中主偏角和前角是對于機(jī)械零部件加工所產(chǎn)生的自激振動影響最大的兩個參數(shù)，其中主偏角會影響到機(jī)械零部件加工時的切削的寬度，而主偏角參數(shù)與切削的寬度呈現(xiàn)出反比關(guān)系，即主偏角參數(shù)越小則使用此刀具在機(jī)械零部件的加工過程中會產(chǎn)生的越大的切削寬度從而使得機(jī)械零部件在加工的過程中更易導(dǎo)致自激振動的產(chǎn)生，此外，前角與機(jī)械零部件的切削力大小呈反比關(guān)系，適當(dāng)?shù)卦龃髾C(jī)械零部件加工刀具的前角可以有效地降低機(jī)械零部件加工時的刀具的切削力和切削振幅。提高機(jī)械零部件的加工精度和加工質(zhì)量。機(jī)械零部件加工過程中各加工參數(shù)也會對機(jī)械零部件加工時的振動造成一定的影響，因此需要對機(jī)械零部件加工時的加工參數(shù)進(jìn)行合理地選擇。做好對于加工參數(shù)的選擇關(guān)鍵是要做好對于機(jī)械零部件加工過程中的切削速度和工件的進(jìn)給量及背吃刀量參數(shù)的選擇。比如說在機(jī)械零部件的加工過程中，刀具的進(jìn)給量控制在20m/min～60m/min的范圍內(nèi)時，機(jī)械零部件加工所產(chǎn)生的自激振動的增長較為迅速，而當(dāng)機(jī)械零部件的加工進(jìn)給量超出這一范圍時機(jī)械零部件自激振動的振幅和振動的影響將大為降低，因此在機(jī)械零部件的切削加工過程中需要根據(jù)機(jī)械零部件加工的實際情況選擇合理的加工切削參數(shù)。為減小自激振動對于機(jī)械零部件加工所造成的影響，在機(jī)械零部件的加工時還可以通過增強系統(tǒng)本身的抗震性來提高機(jī)械零部件的加工質(zhì)量，通過提高機(jī)床系統(tǒng)的抗震性增強機(jī)床系統(tǒng)的抗震能力，在增強機(jī)床系統(tǒng)的抗震性方面首先可以從改善機(jī)床系統(tǒng)的剛性入手，在增強基礎(chǔ)系統(tǒng)剛性的同時還可以通過對機(jī)床系統(tǒng)的各部件的固有頻率進(jìn)行分析并通過采用合理的措施以增強基礎(chǔ)系統(tǒng)的阻力，從而實現(xiàn)對于機(jī)床系統(tǒng)的抗震性的加強，此外，在機(jī)械零部件的加工過程中，刀具的自激振問題也是影響機(jī)械零部件加工質(zhì)量的重要一環(huán)，通過增強刀具的抗震性也可以實現(xiàn)機(jī)械零部件加工質(zhì)量的提高，除此之外還能夠通過提高待加工機(jī)械零部件的彎曲剛性來降低機(jī)械零部件加工過程的自激振動對于機(jī)械零部件加工質(zhì)量的影響。為減小機(jī)械零部件加工中振動對于機(jī)械零部件加工質(zhì)量的影響還可以通過在機(jī)械零部件的加工過程中在加工系統(tǒng)中加入消振裝置來對振動加以控制，其主要的方式可以通過在機(jī)械零部件加工系統(tǒng)中加入吸振裝置，所添加的吸振裝置根據(jù)其作用機(jī)理的不同主要分為動力式吸振器和沖擊式吸振器兩大類，其中的動力式吸振器主要的作用機(jī)理是通過在機(jī)械零部件的加工系統(tǒng)中添加多個較大的質(zhì)量塊，這些質(zhì)量塊來產(chǎn)生的力與機(jī)械零部件加工過程中所產(chǎn)生的激振力相抵消以實現(xiàn)對于機(jī)械零部件加工過程中的振動的控制，此外，沖擊式吸振器的作用機(jī)理主要是通過在機(jī)械零部件的加工振動系統(tǒng)中添加一個與剛性連接的殼體，通過在剛性殼體中加入一個能夠自由運動的質(zhì)量塊以實現(xiàn)對于機(jī)械零部件加工時所產(chǎn)生的自激振動的抵消。此外在減小自激振動對于機(jī)械零部件加工質(zhì)量的影響中還可以通過調(diào)整振型的剛度比的方式來減小振動所造成的影響，通過振型耦合原理的分析，機(jī)械零部件振動還受到振型的剛度比及其組合的影響，通過在分析其原理的基礎(chǔ)上對兩者之間的關(guān)系適當(dāng)?shù)卣{(diào)整能夠有效地提高系統(tǒng)的抗震性，從而抑制機(jī)械零部件加工中的自激振動的產(chǎn)生。

2.2 做好受迫振動的控制以降低其對于機(jī)械零部件加工系統(tǒng)的影響

以上對于在機(jī)械零部件的加工過程中的受迫振動所產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，為降低受迫振動對于機(jī)械零部件加工系統(tǒng)的影響需要找出造成受迫振動產(chǎn)生的振源，并對振源加以控制以提高機(jī)械零部件的加工質(zhì)量。做好對于機(jī)械零部件加工過程中震源的控制可以通過以下方式：（1）將振源的激振力加以控制，當(dāng)在機(jī)械零部件的加工過程中零件的轉(zhuǎn)速過高時需要對機(jī)械零部件進(jìn)行找平衡，由于機(jī)械零部件自身中的各部均勻性有所差異，導(dǎo)致機(jī)械零部件在高速旋轉(zhuǎn)時會引起工件表面磨損的差異并導(dǎo)致主軸振動的產(chǎn)生。（2）避免機(jī)械零部件加工時所產(chǎn)生的激振頻率與系統(tǒng)自身固有頻率相接近，為避免這一現(xiàn)象的產(chǎn)生可以通過改變電機(jī)主軸的轉(zhuǎn)速或是提高機(jī)械零部件接觸面和結(jié)合面的精度并減小兩者之間的間隙，從而提高機(jī)械零部件加工系統(tǒng)的固有的頻率。（3）在機(jī)械零部件加工傳動系統(tǒng)中加裝隔振措施，在機(jī)床的床身和電機(jī)的連接處采用柔性連接的方式使得電機(jī)自身的振動被隔離在機(jī)床加工范圍之外，此外，對于機(jī)床液壓系統(tǒng)所造成的振動可以通過將液壓系統(tǒng)和機(jī)床進(jìn)行分離或是在液壓系統(tǒng)中加裝液壓緩沖裝置以減小機(jī)床部件在進(jìn)行換向時所產(chǎn)生的沖擊力，此外對于數(shù)控加工機(jī)床的地基中還需要進(jìn)入厚橡皮或是木板、防振溝等的方式來減少外界對于機(jī)械零部件加工系統(tǒng)的影響，提高機(jī)床系統(tǒng)的抗震性。

3.做好機(jī)械零部件加工中的振動的有效利用

在對機(jī)械零部件加工中的振動的利用中，振動切削是最容易實現(xiàn)也是應(yīng)用效果較好的方法之一，通過在機(jī)械零部件的加工中應(yīng)用振動切削能夠極大地改善機(jī)械零部件的加工表面質(zhì)量。振動切削的原理主要是通過改變待加工工件之間的空間和時間條件以引起切削加工原理的改變，降低機(jī)械零部件加工過程中的切削熱和切削力對機(jī)械零部件加工所造成的影響，從而使得機(jī)械零部件的切削質(zhì)量能夠得到較大地提升，同時提高機(jī)械零部件加工的時效性。振動切削的時間較為短暫，因此在使用振動切削時能夠?qū)⒄駝訉C(jī)械零部件加工質(zhì)量的影響降到最低，這是由于振動切削的作用時間較短，其所產(chǎn)生的振動在振動切削時并未來得及作用到待加工零部件時刀具即以離開了所作用的工件。在機(jī)械加工的過程中，通過將機(jī)械加工時的切削速度進(jìn)行有規(guī)律地調(diào)整，既可以將切削振動所造成的影響降低，還能夠通過此種措施合理利用振動提高加工的表面質(zhì)量。比如在機(jī)械零部件加工中當(dāng)振動產(chǎn)生時，通過降低切削力和切削溫度可以使得熱處理的零件的變形和裂紋得到較大程度地降低，從而實現(xiàn)對于機(jī)械零部件的精密加工。

結(jié)語

振動在機(jī)械零部件的加工過程中會對機(jī)械零部件的表面加工質(zhì)量產(chǎn)生極大的影響。本文在分析造成機(jī)械零部件加工過程中振動產(chǎn)生的原因的基礎(chǔ)上對如何做好振動的控制進(jìn)行了分析闡述。

參考文獻(xiàn)

[1]胡培民，黃玉美.零件加工與裝配對機(jī)器機(jī)械結(jié)構(gòu)振動性能的影響[J].機(jī)械工程師，1995（5）：3-5.

[2]陳匯資，趙波，童景琳，等.適用于深腔加工的超聲振動系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J].機(jī)械設(shè)計與研究，2016（1）：84-87.

[3]李洪波.電動機(jī)振動故障分析、降低振動的途徑及在電機(jī)車間的應(yīng)用[J].技術(shù)報道，1998（1）：62-67.