機械加工過程中機械振動的成因及解決措施

聶洪軒

摘 ?要：在機械加工過程中，機械振動會影響到機械產(chǎn)品加工的質(zhì)量，加快設(shè)備的損壞。但機械振動現(xiàn)象是無法完全避免的。所以，技術(shù)人員只能采取有效的措施，盡量控制機械振動，從而降低機械振動對機械加工的影響。該文就此展開了討論，先是結(jié)合實際深入分析了機械振動的成因，然后重點闡述了解決自激振動、強迫振動的措施。

關(guān)鍵詞：機械加工過程;機械振動;成因;解決

中圖分類號：TH161 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

機械振動是一種非常常見的機械加工現(xiàn)象，主要就是指加工工件、設(shè)備等振動。機械振動對機械加工非常不利，輕則導(dǎo)致刀具松動，加工產(chǎn)品尺寸發(fā)生變化，重則出現(xiàn)各種劃痕，導(dǎo)致產(chǎn)品成為廢品。最重要的是機械振動還會加速刀具磨損，導(dǎo)致刀刃損壞。顯然，為了保證機械產(chǎn)品加工質(zhì)量，延長刀具的使用壽命，必須采取有效的措施，防治機械振動現(xiàn)象的發(fā)生。

1 機械振動的成因

1.1 自由振動

造成機械自由振動的原因包括：第一，在機械加工過程中，切削力會影響到刀具的波動，進而產(chǎn)生自由振動現(xiàn)象。第二，在機械加工中，相關(guān)設(shè)施受到了外力沖擊，進而給刀具帶來了振動。

1.2 強迫振動

強迫振動的產(chǎn)生原因主要是受到內(nèi)部因素和外部因素的影響。其中內(nèi)部因素包括：離心慣性力影響、傳動機結(jié)構(gòu)存在缺陷、機械加工具有間歇性特點等。外部因素主要就是指工藝系統(tǒng)不夠成熟，存在一定的缺陷。

首先，在離心慣性力影響方面，主要就是指電動機的轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸節(jié)、砂輪等工件在高速運轉(zhuǎn)過程中，可能會造成機械系統(tǒng)失去平衡。一旦失去平衡，整個體系就會產(chǎn)生離心慣性力，進而引發(fā)強迫振動問題。在這一過程中，元件轉(zhuǎn)速與體系振動頻率是相等。其次，在傳動機結(jié)構(gòu)缺陷方面。若旋轉(zhuǎn)零件裝配不合適、尺寸不合適就會造成干擾力，進而引發(fā)強迫振動。最后，在工藝系統(tǒng)因素方面。主要包括：第一，地基振動。主要是指機械設(shè)備振動引發(fā)的地基振動，象大型空氣壓縮機、鍛錘和沖床等設(shè)備。第二，運動工件慣性力引發(fā)的強迫振動。象液壓件在往復(fù)運動中會產(chǎn)生沖擊力，一旦換向，就會引發(fā)強迫振動現(xiàn)象。

1.3 自激振動

自激振動的產(chǎn)生原因包括以下2種：第一，工件之間的摩擦引發(fā)的自激振動。象刀具、零部件之間的不斷摩擦，會使刀具發(fā)生顫動，進而引發(fā)自激振動。第二，工件硬度不均勻會導(dǎo)致崩刀問題，進而引發(fā)自激振動。第三，刀具剛性差，導(dǎo)致刀桿出現(xiàn)顫動，也會造成自激振動現(xiàn)象。第四，在加工細長軸工件時，加工工件的剛性太差，在局部受到加工力時，其他部分無法固定，就會造成加工工件的波動，導(dǎo)致自激振動。自激振動的特點是振動頻率不會受到外力的影響。

2 解決機械振動的措施

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)研究表明：機械加工過程中，強迫振動的發(fā)生率約為30%，自激振動的發(fā)生率約為65%，自由振動的發(fā)生率只有5%。而且自由振動會逐漸衰減。但其他2種機械振動現(xiàn)象并不具備自然衰減的特征。所以，在制定機械振動的解決措施時，可重點從自激振動、強迫振動2個方面入手。

2.1 強迫振動的解決措施

從上述成因分析結(jié)果來看，造成機械強迫振動的關(guān)鍵原因就是外力影響。所以，若要解決強迫振動，就可從外力控制方面入手。但強迫振動的預(yù)防還需結(jié)合振源、振動規(guī)律。首先，強迫振動的振動源來自于外部。所以，可采用環(huán)境實驗、現(xiàn)場拾振等方法尋找振動源。其中現(xiàn)場拾振法是指利用速度傳感器、力傳感器搜集已經(jīng)出現(xiàn)的振動信號頻率，并進行頻譜分析，明確振動頻次。環(huán)境實驗法則是指在停機狀態(tài)下，進行振動信號的搜集、分析，進而挖掘出振動頻率成分。在確定振源、振動規(guī)律之后，就可采取以下措施預(yù)防強迫振動。

第一，采用分離外部振源的方法。具體來說，在機械產(chǎn)品加工過程中，將油泵、加工設(shè)施、電動機等動力設(shè)備隔離開，從將振源隔離開?；蛘哌€可以采用厚橡皮、彈性木板、硬膠皮墊等材料，隔離開振動設(shè)備。象將彈性木板、硬膠皮墊在磨床砂電動機底座、墊板之間，以消除電動機的振動影響。另外，還可在機床觸地位置設(shè)置防振溝，使機床與地基分離，從而消除自激振動。第二，采用協(xié)調(diào)振源頻率的措施。也就是盡量避免機械振動頻率與機械加工體系的振動頻率相同，產(chǎn)生共振問題。具體可采取以下措施：在機械加工設(shè)備設(shè)計之初，就應(yīng)優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，預(yù)防共振現(xiàn)象的發(fā)生;如果在機械產(chǎn)品加工體系頻率已經(jīng)確定，則可改變機械設(shè)施自振頻率。另外，在設(shè)置電動機、主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)時，應(yīng)考慮共振現(xiàn)象。第三，還可采用增加系統(tǒng)阻尼的方法，提高系統(tǒng)的剛度、穩(wěn)定性。象采用加裝阻尼設(shè)備、噴涂阻尼材料、填充阻尼材料等措施。需要注意的是對于不同的機械加工工件，要采取不同的處理措施。如果是機床主軸，則可加裝電流變液阻尼器;如果是支撐件的零部件臂，則可向其中添加合適的阻尼材料;如果是承受彎曲振動的零部件，則可向其表明噴涂黏性材料。這樣就能有效提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度，從而有效消除強迫振動的影響，保證機械產(chǎn)品加工質(zhì)量。

2.2 自激振動處理措施

在自激振動處理時，可從機械設(shè)備本身入手，采用有效的處理措施。首先，科學(xué)確定刀具的幾何系數(shù)。具體來說，是依據(jù)刀具使用需求進行挑選。需要注意的是要重點確定刀具的前角、主偏角系數(shù)。這2個幾何系數(shù)對自激振動的影響最大。所謂前角是指前刀面與基面間的夾角。主偏角是指主切削刃在基面的投影、進給方向的夾角。一般情況下，若主偏角加大，則前角也會變大，振幅就會減少。所以，要盡可能地加大主偏角。但是要注意控制前角大小。因為前角過大，有可能會削弱刀刃的強度，造成刀刃的損壞。另外，還應(yīng)當合理選擇后角系數(shù)。在確定刀具后角系數(shù)的基礎(chǔ)上，要盡可能地選擇較小的后角系數(shù)。這樣才能有效消除機械振動大對機械產(chǎn)品加工的影響。

其次，要科學(xué)地選擇切削用量。切削用量包括切削深度、進給量和進給速度。3個指標是相互影響的，若其中一個指標增加，則其他指標就會減少。所以，為了保證機械加工質(zhì)量，應(yīng)合理選擇切削用量參數(shù)?？紤]到自激振動的特點，可降低切削深度，增加進給量，并選擇高速或低速切削。這樣才能有效消除自激振動。

最后，采用減振措施。如果機械體系具有良好的耐振屬性，也能消除自激振動的影響。所以，可適當提高機械體系的剛度，從而使其能夠應(yīng)對自激振動的振動強度。具體可采取以下措施：第一，提前處理接觸面?？刹捎脟娡?、烤漆、鍍鋅、噴油、染黑等處理措施。第二，合理調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動體系的軸承縫隙。具體可參照相關(guān)標準。第三，可適當?shù)卦黾舆\作軸承的預(yù)緊力。第四，要盡可能地提高頂尖孔的打磨質(zhì)量。第五，可采用減振設(shè)備。象使用阻尼器，消除自激振動。但是需要注意的是阻尼器主要就是利用固體、液體的阻尼消除自激振動，其使用效果與其自身的運動速度、距離有關(guān)。所以，應(yīng)在振動比較強的地方加裝阻尼器。另外，還可運用吸振器。簡單地說就是吸收振動能力的機器。目前，市面上常見的有沖擊式、動力式2種類型的吸振器。其中動力吸振器是指利用附件質(zhì)量塊的動力能量抵消振動能量。該附件質(zhì)量塊是直接與系統(tǒng)相連的。沖擊式吸振器主要是利用質(zhì)量塊的自由沖擊能力抵消振動能量。與動力吸振器不同的是沖擊式吸振器的質(zhì)量塊是在一個與振動系統(tǒng)剛性連接的殼體內(nèi)做自由沖擊運動的。

綜上所述，機械加工的過程比較煩瑣，容易受到內(nèi)外不良因素的影響產(chǎn)生各種振動現(xiàn)象，進而影響到機械加工。所以，若要消除這種振動影響，技術(shù)人員應(yīng)該深入了解機械振動的產(chǎn)生原因，然后根據(jù)成因采取有效的處理措施。只有這樣才能有效消除機械振動對機械加工的影響，保證機械加工的順利開展。

參考文獻

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