機械加工過程中機械振動的成因及解決措施

徐亮　孫躍輝

摘要：我國的機械加工技術(shù)和工藝正在不斷的發(fā)展，技術(shù)的進步是在加工精度的提升基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。但在加工過程中，不論是人工操作的加工方式還是數(shù)字自動化的加工方式，在刀具切割工件的時候，加工系統(tǒng)會產(chǎn)生震動，這種振動分為很多種，對加工精度產(chǎn)生的影響也是不同的，在現(xiàn)代化的加工生產(chǎn)過程中，機械振動影響的精度誤差已經(jīng)超過了工件的需求范圍，這對機械加工的精度提出了更高的要求。

關(guān)鍵詞：機械 加工精度 震動影響

一、機械振動的種類以及現(xiàn)象成因

機械加工產(chǎn)生的振動有很多種，主要分為自激振動、強迫振動、和自由振動三種，這三種振動現(xiàn)象出現(xiàn)的原因以及對加工精度產(chǎn)生的影響也各不相同。在進行機械加工時，加工產(chǎn)生的激振力會使系統(tǒng)失去平衡，自由振動現(xiàn)象就是這樣產(chǎn)生的，這種震動類型經(jīng)常出現(xiàn)，產(chǎn)生的原因也十分簡單。如果在加工過程中出現(xiàn)自由震動現(xiàn)象，并且不在加工系統(tǒng)上繼續(xù)施加外力，就會減弱振動阻尼。自由振動現(xiàn)象如果獨立出現(xiàn)，對系統(tǒng)精度產(chǎn)生的影響很微弱。

機械加工中產(chǎn)生自由振動現(xiàn)象主要的起因有兩點，加工過程中，刀具的切削力有時會產(chǎn)生突變，這會使加工系統(tǒng)產(chǎn)生自由振動現(xiàn)象，此外，如果加工系統(tǒng)突然受到外力的作用，也會產(chǎn)生自由振動現(xiàn)象，這兩種力的作用時間會影響阻尼作用時間，切削力和外力作用的時間越短，自由振動現(xiàn)象持續(xù)的時間越短。這種自由振動現(xiàn)象產(chǎn)生的時間以及出現(xiàn)變化都只與加工系統(tǒng)自身因素有關(guān)，主要受到系統(tǒng)質(zhì)量好壞，固有頻率大小，剛度大小決定。單獨的自由振動不會對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響，但自由振動現(xiàn)象有時會伴隨其他種類的震動現(xiàn)象一起出現(xiàn)。

機械加工中如果加工系統(tǒng)持續(xù)受到外力的作用，就會產(chǎn)生強迫振動，強迫振動現(xiàn)象在機械加工過程中是很常見的振動現(xiàn)象，產(chǎn)生強迫振動的外力不是由加工系統(tǒng)產(chǎn)生的，是系統(tǒng)之外的干擾力，只有干擾力消失，強迫振動才會消失，加工系統(tǒng)受到的力并不是普通力，通常這種干擾力具有周期性，干擾力的這種性質(zhì)使得強迫振動對機械加工產(chǎn)生的影響很大，會使加工產(chǎn)品良品率降低，加工周期也會受到影響。

強迫振動產(chǎn)生的原因可分為系統(tǒng)內(nèi)部原因以及外部原因，內(nèi)部原因主要分為幾個：機械系統(tǒng)的組成部件在制造時會有精密度誤差，零件組裝時會由于安裝時的操作不同產(chǎn)生安裝誤差，同時系統(tǒng)的傳送帶銜接不緊密也會對系統(tǒng)加工產(chǎn)生影響，造成離心力的出現(xiàn)，使系統(tǒng)產(chǎn)生震動現(xiàn)象。機械系統(tǒng)的主軸、砂輪、皮帶輪等在加工過程中都是高速旋轉(zhuǎn)的零件部分，這些零件在回轉(zhuǎn)的過程中無法同步的現(xiàn)象很常見，這會產(chǎn)生離心慣性力，離心慣性力會導(dǎo)致強迫振動；有時機械加工并不是連貫的，會在加工過程中斷，中斷會使加工部位與間斷出現(xiàn)頻率差，產(chǎn)生周期性的離心力，從而產(chǎn)生強迫振動。系統(tǒng)出現(xiàn)強迫振動的外因是加工系統(tǒng)所處的加工環(huán)境造成的，其他加工設(shè)備如沖床、鍛錘和空氣壓縮機等大型設(shè)備在運行時會使地面產(chǎn)生震動，地面的震動會對加工系統(tǒng)造成影響。一些做往復(fù)運動的大型設(shè)備如液壓系統(tǒng)在切換運行方向時會產(chǎn)生慣性力，這些慣性力會影響離心力，出現(xiàn)強迫振動。

自激振動主要由幾方面組成：在機械加工過程中，切削刀具與加工工件之間有摩擦力，當(dāng)摩擦力發(fā)生變化時，會出現(xiàn)自激振動；當(dāng)加工工件表面不均勻時，刀具在切割時會出現(xiàn)運行不穩(wěn)定，而引發(fā)自激振動；當(dāng)切削刀具質(zhì)量不足，剛度較弱時也會出現(xiàn)運行不穩(wěn)定的情況，從而引發(fā)自激振動；機械加工時切削材料的碎屑沒有被清理時，刀具會發(fā)生震顫，以及切削位置處與刀具接觸不斷在變化都會產(chǎn)生自激振動。

二、解決方案

據(jù)統(tǒng)計，在機械加工過程中，自激振動占絕大多數(shù)，其余振動為強迫振動，自由振動僅占極少一部分。因為自由振動出現(xiàn)之后會很快就消失，對機械加工的精度影響很小。其他兩種振動如果外部作用不消失便不會停止。因此本文將對強迫振動和自激振動的消除進行分析。

強迫振動主要是由外部震動產(chǎn)生的，因此在解決強迫振動時；應(yīng)先從振源著手，檢測振源有很多種方式，常見的有空轉(zhuǎn)試驗、環(huán)境試驗、現(xiàn)場拾振等方式，現(xiàn)場拾振能夠?qū)C械加工出現(xiàn)的振動信號進行收集，并與頻譜對比分析，主要是通過速度傳感器和力傳感器進行收集信號，收集結(jié)果能夠顯示出震動成分，從而分析出振動影響的來源，這些振動信號，必須是在停機狀態(tài)下測量的才有效，空轉(zhuǎn)試驗?zāi)軌蛟跓o工件時進行加工操作來產(chǎn)生對比參數(shù)。

當(dāng)?shù)贸稣饎觼碓磿r，我們需要對振源進行處理來消除震動影響，可以選擇將振源進行隔離，將加工系統(tǒng)遠離產(chǎn)生振源的設(shè)備，隔離方式可以用隔絕震動的材料如厚橡皮或彈性木板等。防震溝也可以有效的隔離加工系統(tǒng)與振源。

自激振動的振源受很多因素影響，這些因素可以通過逐步排除法來發(fā)現(xiàn)，自激振動的來源只有外部和內(nèi)部兩種原因，與系統(tǒng)的工藝有極大的相關(guān)性，很容易進行檢驗，可以通過空轉(zhuǎn)試驗來確定內(nèi)部因素，在系統(tǒng)內(nèi)有一些零件由于自身的性質(zhì)很容易引起自激振動，這些零件應(yīng)該進行重點評估，同時通過其他如運轉(zhuǎn)譜線圖、外力頻率分析以及參數(shù)計算都可以用來輔助判斷振源。

刀具這一主要振動來源對自激振動的影響是最大的，當(dāng)?shù)谰吲c工件的偏角增大時，振幅便會減小，振動就會減弱。加工時每一次的切削用量都要進行合理控制，切削用量主要由三個參數(shù)組成，切削深度、進給量、切削速度。這三個參數(shù)的總量是不變的，如何平衡三個參數(shù)之間的關(guān)系對自激振動有很大的影響，常見的加工方式是進給量控制的很大，切削深度一般較小，高速切割后，自激振動便會減小。

三、結(jié)語

機械加工產(chǎn)生的機械振動有很多種，產(chǎn)生的原因也不盡相同，應(yīng)經(jīng)過很多方面的考量來降低振動影響，使機械加工精度增高，提升加工質(zhì)量，提升生產(chǎn)效率。