機械加工振動的防治

石鵬成

（中國重汽集團大同齒輪有限公司，山西 大同 037006）

機械加工過程中產生的振動，是一種十分有害的現象。如果加工中產生了振動，刀具與工件間的相對位移會使加工表面產生振痕，將嚴重影響零件的表面質量和使用性能；工藝系統將持續承受動態交變載荷的作用，刀具極易磨損甚至崩刃，機床連接特性收到破壞，嚴重時甚至使切削加工無法繼續進行；振動中產生的噪聲還將危害操作者的身體健康。

機械加工中產生的振動主要有強迫振動和自激振動兩種類型，根據振動產生的原理及特點，主要從以下幾方面消減振動：

1 消除或減弱產生強迫振動的條件

1.1 減小機內外干擾力的幅值

高速旋轉的零件必須進行平衡，盡量減小傳動機構的缺陷，提高帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動等傳動裝置的穩定性。對于高精度機床，應盡量少用或不用齒輪、平帶等可能成為振源的傳動原件，并使動力源與機床本體分離。對于往復運動部件，應采用較平穩的換向機構。

1.2 適當調整振源的頻率

在選擇轉速時，使可能引起強迫振動的振源頻率f，遠離機床加工系統薄弱模態的固有頻率fn，一般應滿足：

1.3 采取隔振措施

隔振有兩種方式：一種是主動隔振，是為了阻止機床振源通過地基外傳；另一種是被動隔振，是阻止機外干擾力通過地基傳給機床。

2 消除或減弱產生自激振動的條件

2.1 調整振動系統小剛度主軸的位置

圖1（a）所示尾座結構小剛度主軸x1剛好落在切削力F與y軸的夾角β范圍內，容易產生振型耦合型顫振。圖1（b）所示尾座結構較好，小剛度主軸x1落在F與y軸的夾角β范圍之外。

圖1 兩種尾座結構

2.2 減小重疊系數

重疊系數μ直接影響再生效應的大小。重疊系數μ的數值取決于加工方式、刀具的幾何形狀及切削用量等。

2.3 增加切削阻尼

適當減小刀具后角，可以加大工件和刀具后面之間的摩擦阻尼，對提高切削穩定性有利。但刀具后角過小會引起摩擦顫振，一般后角取2°～3°為宜，必要時還可以在后刀面上磨出帶有副后角的消振棱。

2.4 采用變速切削方法加工

再生型顫振是切削顫振的主要形態，變速切削對于再生型顫振具有顯著的抑制作用。變速切削是人為的以各種方式連續改變機床主軸轉速所進行的一種切削方式。在變速切削中，機床主軸轉速將以一定的變速幅度、一定的變速頻率、一定的變速波形圍繞某一基本轉速作周期變化。

變速切削的減振機理可歸結為3點：①采用變速切削方法加工時，只要變速幅度足夠大，切削過程將在不穩定區與條件穩定區內交替進行。當切削加工在條件穩定區進行時，理論上加工系統的振動響應趨近于零。②變速切削系統的振動響應是變頻激勵的瞬態響應，與恒頻激勵相比，變頻激勵的振動響應要小。③在變速切削時，振動頻率隨機床主軸轉速變化近似呈分段線性鋸齒狀變化。

在變速切削過程中，機床加工系統的振動頻率隨著機床主軸轉速變動而變動，加工系統的振動響應移向幅頻響應曲線的衰減區，與恒速切削相比，震動響應明顯減小。一般來說，只要變速參數選擇合適，采用變速切削可使振幅降至恒速切削時的10%～20%。

3 改善工藝系統的動態特性，提高工藝系統的穩定性

3.1 提高工藝系統剛度

提高工藝系統的剛度，可以有效地改善工藝系統的抗振性和穩定性。在增強工藝系統剛度的同時，應盡量減小構件自身的質量。

3.2 增大工藝系統的阻尼

工藝系統的阻尼主要來自零部件材料的內阻尼、結合面上的摩擦阻尼及其他附加阻尼等。材料的內阻尼是指由材料的內摩擦而產生的阻尼，不同材料的內阻尼是不同的。由于鑄鐵的內阻尼比鋼大，所以機床上的床身、立柱等大型支承件常用鑄鐵制造。機床阻尼大多來自零部件結合面的摩擦阻尼，有時它可占總阻尼的90%，應通過各種途徑加大結合面間的摩擦阻尼。對于機床的活動結合面，應當注意調整其間隙，必要時可施加預緊力以增大摩擦力。

4 采用各種消振、減振裝置

如果不能從根本上消除產生切削振動的條件，又無法有效地提高工藝系統的動態特性，為保證必要的加工質量和生產率，可以采用消振、減振裝置。常用的減振器有以下3種類型：

4.1 動力減振器

它是用彈性原件k2將一個附加質量m2連接到主振系統m1，k1上（見圖2），利用附加質量的動力作用，使其加在主振系統上的作用力（或力矩）與激振力（或力矩）大小相等、方向相反，從而達到抑制主振系統振動的目的。

圖2 動力減振器

4.2 摩擦減振器

它是利用摩擦阻尼來消散振動能量。

4.3 沖擊式減振器

利用兩物體相互碰撞要損失動能的原理，在振動體M上裝有一個起沖擊作用的自由質量（沖擊塊）m。系統振動時，自由質量將反復沖擊振動體，以消散振動能量，達到減振目的。圖3是沖擊式減振器的典型結構及動力學模型。為了獲得最有利的碰撞條件，要求振動體M和沖擊塊m都能以其最大速度運動時發生相互碰撞，這樣才能得到最大的動能損耗。間隙δ的大小對減振效果影響甚大，為獲得最佳減振效果，間隙δ應滿足：

式中：T：振動體M的振動周期；

A：振動體M的振幅。

圖3 沖擊式減振器及其動力學模型

由于振動體的振幅A在產生碰撞之后要減小，且在切削加工中振動體的振幅A不可能是恒定的，因此，沖擊式減振器的間隙應是可調的，以取得最佳減振效果。沖擊式減振器具有結構簡單、重量輕、體積小、減振效果好等優點，可以在較大的振動頻率范圍內使用。

[1]王先逵編著.機械制造工藝學（上下冊）.北京：清華大學出版社，1989

[2]賓鴻贊，曾慶福主編.機械制造工藝學.北京：機械工業出版社，1990

[3]吳博達等.細長軸車削振動的診斷與防治.吉林工業大學學報，1987（1）；36～44