淺議機械加工中的振動消除與利用

楊明+徐榮其

摘要：振動現象在機械加工過程中出現最頻繁，如何在加工過程中解決振動的問題，一直是機械制造業研究的課題之一。隨著科技的不斷發展，現代化的數控機床成為了機械制造過程中的主要工具，雖然提高了機械制造的效率，但是也會帶來諸多的問題。文章主要分析了振動對機械加工的不良影響，然后對振動的種類和原因進行了闡述，最后對消除振動的方法和途徑進行了探討。

關鍵詞：機械加工；振動種類；消除振動

中圖分類號：TB535 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）01-0048-03

振動能夠給機械加工帶來不良的影響。如果出現振動，工件相對于刀具會產生位移，生產的產品會在表面產生振痕，如果振動嚴重會導致產品質量下降。振動能夠使加工系統不斷受到工件的反作用力，會使刀具磨損或者崩刃，破壞機床加工系統，使工作無法正常進行。同時振動也有一定作用，例如通過振動消磨和超聲波加工等方式，會對機械加工產生促進的作用。因此需要對機械加工中產生振動的原因進行分析，對振動進行控制，充分地將振動有效地利用起來。

1 振動的類型和產生原因

導致振動產生的原因有許多方面，主要有3種類型：自由振動、強迫振動、自激振動。

1.1 對自由振動進行分析

如果系統工作中外力消失，機床系統自身會產生衰減運動，稱為自由振動。產生的原因是工藝系統受到部分作用力，例如外界對系統的沖擊力、機床傳動系統非周期性引起的沖擊力和加工工件時產生的沖擊力等，會使系統的本身不平衡，需要靠系統本身的彈性恢復力進行恢復，由此產生的振動主要是自由振動。自由振動的頻率同系統自身的頻率相同，但是系統會產生阻尼作用力，因此自由振動會慢慢消退。

1.2 對強迫振動進行分析

強迫振動主要是受到外界周期性的干擾力引起的振動。其產生的主要原因是：在切削加工中，因為構造機床的零件有些精度不高，當機床在工作時會出現不均勻的現象，從而導致振動的產生。同時在刀具反面也會引起振動，各種刀具都具有自己獨特的刃口高度，因此在機械加工就會產生振動。如果被切削的工件出現表面不連續以及軟硬度不相同等等方面的原因，也能夠導致在加工中產生振動。同時在加工系統的外部，也存在著導致車床在工作時產生振動的原因。

強迫振動具有自己獨特的特點，主要為：因為導致振動產生的穩態是諧振動，所以在干擾力沒有消除時，振動不會減退，如果干擾力消除，振動就會立刻停止；根據振動產生的原因，振動的頻率等同于干擾力的頻率；當系統的阻尼力變小，強迫振動的振幅就會變大，諧波的影響軌跡范圍也越大，因此加大阻尼，可以有效地減少強迫振動的振幅；在共振的區域，很小的頻率就會導致振幅變化大，同時相位角也會發生變化。

1.3 對自激振動進行分析

自激振動就是當機床在加工時，振動自身會使部分切削力的周期發生變化，這個產生的切削力又反作用于系統，補充了系統由于阻尼作用減少的能力，使系統的振動得以維持和加強。在機械加工過程中，產生的自激振動主要是頻率較高的強烈的振動，會使加工工件的表面的質量下降，大大影響了機床的生產效率。進行磨削工程中，砂輪磨鈍之間產生的振動也是自激振動。主要的工作原理如圖1所示：

圖1 自激振動原理

自激振動的主要特點：由于自激振動類型屬于不衰減的振動，因此系統本身固有的參數對自激振動產生的頻率起到了決定性的作用，這個方面與強迫振動有很大的差別；在振動的每一個周期內，將系統獲得振動能量同阻尼引起的消耗能量進行對比，這個值能夠決定自激振動的振幅大?。蛔约ふ駝邮怯烧駝舆^程本身產生的激振和反饋導致的，所以如果加工過程停止，自激振動就會消失。

2 振動消除的措施

在機械加工中強迫振動和自激振動所占比重非常大，而自由振動占的比例非常小。自由振動能夠迅速被阻尼力消除，因此在消除振動中，主要根據產生的原因對另外兩種振動進行消除。

2.1 消除自激振動的措施

2.1.1 對切削過程中的有關參數進行科學的選擇。主要是設置切削的速度和工件的進給量還有背吃刀量，如圖2，當切削速度在20～60m/min的范圍內，振幅增大得很快，當速度高于或者低于此范圍后，振動逐漸減弱，振幅減少。如圖3進給量和振幅主要成反比的關系，振幅隨著進給量的增大而逐漸減少。圖4所示，背吃刀量和振幅成正比關系，振幅隨著背吃刀量的增大而增大。在切削過程中要根據實際情況選擇合理的與切削過程相關的參數。

2.1.2 在加工時增強系統本身的抗振性。在對振動的消除中，占主導地位的是機床系統本身的抗振性，要對該方面加以重視?？梢酝ㄟ^以下方式進行改善，首先可以對機床的剛性進行改善，還可以將各個部件根據各自特有的固定頻率進行分析，然后進行合理的安排，同時還可以將系統的阻力進行加大。這些措施都能夠增大機床的抗振性。對于刀具也要提高其抗振性。對于工件可以提高其剛性，主要是將工件的彎曲剛性提高。

2.1.3 在加工系統中添加消振裝置。主要是將吸震器添加到系統中，吸震器主要有兩種類型：動力式吸震器、沖擊式吸震器。動力式吸震器就是在系統上添加幾個大的質量塊，通過添加的質量塊產生動力，使彈性元件產生的力同激振力互相抵消。沖擊式吸震器主要是在振動系統中添加一個與剛性連接的殼體，在添加的殼體內存在一個可以自由運動的質量塊，當系統產生振動時，自由振動的質量塊沖擊殼體，消耗能量，從而減少振動。

2.2 減少強迫振動的措施

根據強迫振動產生的原因，我們在消除振動時需要將振源找出來，再對振源采取措施，來使振動消除。

2.2.1 將振源的激振力進行消除或者減弱。當零件的轉速高于600r/min時，需要進行平衡。當零件高速旋轉時，零件自身的砂粒不均勻的分布表明，這樣在工作時引起的表面磨損也不是均勻的，這樣就會導致主軸的振動，因此如果是新換的砂輪，必須經過兩次的平衡試驗，即修正前的試驗和修整后的試驗。同時提高齒輪的平穩性，能夠使周期性的沖擊力導致的振動減少。endprint

2.2.2 盡量使激振力的頻率不要臨近于系統自身固有的頻率，防止共振的產生，可以將電動機的轉速進行改變，也可以將主軸的轉速改變。同時我們還可以將接觸面和結合面的精度提高，減少間隙，來使系統的固有頻率升高。

2.2.3 可以采用隔振的手段，在機床的電機和床身的連接處采用柔性的連接方法，使電機本身的振動被隔離；同時可以將液壓部分和機床進行分離或者在系統中添加液壓緩沖裝置，這樣可以減少部件進行換向時造成的沖擊力；在機床與地基之間加入厚橡皮或者木材等，使機床和地面的聯系隔斷，可以防止四周的振源利用地面傳給機床。

3 機械加工過程中振動的有效利用

在對振動進行利用的各種方法中，振動切削是最容易實現的，且應用效果很好，能夠改善零件的表面品質。振動切削就是將工件之間的空間和時間的條件進行合理的改變，引起切削加工原理發生改變，降低切削力和切削熱，使切削的質量得以提升，同時提高加工的時效性。振動切削的時間短暫，能夠完成切入和切出的過程，由于時間短暫，當進行切削時工件還沒有開始振動，刀具已經離開

工件。

對于振動的利用，還可以通過改變切削速度來實現，使切削速度變得有規律性，這樣能夠提高加工工件的表面質量。例如，當振動產生時，可以將切削力和切削溫度降低，這樣能夠減小需要熱處理的零件的變形和減少裂紋，實現精密的加工。當振動的參數選擇合理，還能明顯地提高刀具的使用壽命。振動的切削試驗表明，當振動切削時，刀具如果按照正弦的規律，可以在加工表面形成細小的刀痕，這樣當零件進行工作時在表面產生的油膜，可以大大提高零件活動摩擦的耐磨性。振動切削的殘余力非常小，因此加工的變質層比較淺，對表面的金組織的影響較小，這樣表面和材料內部的金組織的構造幾乎相當，工件表面的耐腐蝕性可以得以提高。

4 結語

對機械加工中振動產生的原因和規律進行認真分析，可以利用相應的措施來減少振動的產生，可以使工件的質量提高，還可以提高機床和刀具的工藝能力。但是如果想將振動全部消除，還需要進一步的深入研究，采取更先進的消振措施。如果將加工中產生的振動進行合理的運用，可以提高服務的品質，使零件質量提高。

參考文獻

[1] 王宏穎，彭二寶.數控設備常見故障及處理[J].安徽

水利水電職業技術學院學報，2006，（2）.

[2] 朱慶波.淺析數控機床電氣故障診斷與維修技術[J].

計算機光盤軟件與應用，2012，（7）.

[3] 丁向陽，馮高頭.機械加工常見異?，F象分析及解決

方法[M].北京：機械工業出版社，2007.

[4] 江志國.淺析機械振動的原因及其防止措施[J].現代

經濟信息，2009，（8）：26-28.

[5] 劉濤，王慧智.機械加工精度誤差分析及提高措施

[J].寧夏機械，2011，（4）.

[6] 顧立志，龍澤明，冉啟文，白鳳山，袁哲俊.振動切

削研究狀況及發展趨勢[J].佳木斯大學學報（自然科

學版），2000，（2）.

作者簡介：楊明（1984—），男，云南玉溪人，哈爾濱電機廠（昆明）有限責任公司助理工程師，研究方向：材料成型機控制工程；徐榮其（1959—），男，云南姚安人，云南玉溪宏誠機電有限公司工程師，研究方向：金屬材料加工。endprint

2.2.2 盡量使激振力的頻率不要臨近于系統自身固有的頻率，防止共振的產生，可以將電動機的轉速進行改變，也可以將主軸的轉速改變。同時我們還可以將接觸面和結合面的精度提高，減少間隙，來使系統的固有頻率升高。

2.2.3 可以采用隔振的手段，在機床的電機和床身的連接處采用柔性的連接方法，使電機本身的振動被隔離；同時可以將液壓部分和機床進行分離或者在系統中添加液壓緩沖裝置，這樣可以減少部件進行換向時造成的沖擊力；在機床與地基之間加入厚橡皮或者木材等，使機床和地面的聯系隔斷，可以防止四周的振源利用地面傳給機床。

3 機械加工過程中振動的有效利用

在對振動進行利用的各種方法中，振動切削是最容易實現的，且應用效果很好，能夠改善零件的表面品質。振動切削就是將工件之間的空間和時間的條件進行合理的改變，引起切削加工原理發生改變，降低切削力和切削熱，使切削的質量得以提升，同時提高加工的時效性。振動切削的時間短暫，能夠完成切入和切出的過程，由于時間短暫，當進行切削時工件還沒有開始振動，刀具已經離開

工件。

對于振動的利用，還可以通過改變切削速度來實現，使切削速度變得有規律性，這樣能夠提高加工工件的表面質量。例如，當振動產生時，可以將切削力和切削溫度降低，這樣能夠減小需要熱處理的零件的變形和減少裂紋，實現精密的加工。當振動的參數選擇合理，還能明顯地提高刀具的使用壽命。振動的切削試驗表明，當振動切削時，刀具如果按照正弦的規律，可以在加工表面形成細小的刀痕，這樣當零件進行工作時在表面產生的油膜，可以大大提高零件活動摩擦的耐磨性。振動切削的殘余力非常小，因此加工的變質層比較淺，對表面的金組織的影響較小，這樣表面和材料內部的金組織的構造幾乎相當，工件表面的耐腐蝕性可以得以提高。

4 結語

對機械加工中振動產生的原因和規律進行認真分析，可以利用相應的措施來減少振動的產生，可以使工件的質量提高，還可以提高機床和刀具的工藝能力。但是如果想將振動全部消除，還需要進一步的深入研究，采取更先進的消振措施。如果將加工中產生的振動進行合理的運用，可以提高服務的品質，使零件質量提高。

參考文獻

[1] 王宏穎，彭二寶.數控設備常見故障及處理[J].安徽

水利水電職業技術學院學報，2006，（2）.

[2] 朱慶波.淺析數控機床電氣故障診斷與維修技術[J].

計算機光盤軟件與應用，2012，（7）.

[3] 丁向陽，馮高頭.機械加工常見異常現象分析及解決

方法[M].北京：機械工業出版社，2007.

[4] 江志國.淺析機械振動的原因及其防止措施[J].現代

經濟信息，2009，（8）：26-28.

[5] 劉濤，王慧智.機械加工精度誤差分析及提高措施

[J].寧夏機械，2011，（4）.

[6] 顧立志，龍澤明，冉啟文，白鳳山，袁哲俊.振動切

削研究狀況及發展趨勢[J].佳木斯大學學報（自然科

學版），2000，（2）.

作者簡介：楊明（1984—），男，云南玉溪人，哈爾濱電機廠（昆明）有限責任公司助理工程師，研究方向：材料成型機控制工程；徐榮其（1959—），男，云南姚安人，云南玉溪宏誠機電有限公司工程師，研究方向：金屬材料加工。endprint

2.2.2 盡量使激振力的頻率不要臨近于系統自身固有的頻率，防止共振的產生，可以將電動機的轉速進行改變，也可以將主軸的轉速改變。同時我們還可以將接觸面和結合面的精度提高，減少間隙，來使系統的固有頻率升高。

2.2.3 可以采用隔振的手段，在機床的電機和床身的連接處采用柔性的連接方法，使電機本身的振動被隔離；同時可以將液壓部分和機床進行分離或者在系統中添加液壓緩沖裝置，這樣可以減少部件進行換向時造成的沖擊力；在機床與地基之間加入厚橡皮或者木材等，使機床和地面的聯系隔斷，可以防止四周的振源利用地面傳給機床。

3 機械加工過程中振動的有效利用

在對振動進行利用的各種方法中，振動切削是最容易實現的，且應用效果很好，能夠改善零件的表面品質。振動切削就是將工件之間的空間和時間的條件進行合理的改變，引起切削加工原理發生改變，降低切削力和切削熱，使切削的質量得以提升，同時提高加工的時效性。振動切削的時間短暫，能夠完成切入和切出的過程，由于時間短暫，當進行切削時工件還沒有開始振動，刀具已經離開

工件。

對于振動的利用，還可以通過改變切削速度來實現，使切削速度變得有規律性，這樣能夠提高加工工件的表面質量。例如，當振動產生時，可以將切削力和切削溫度降低，這樣能夠減小需要熱處理的零件的變形和減少裂紋，實現精密的加工。當振動的參數選擇合理，還能明顯地提高刀具的使用壽命。振動的切削試驗表明，當振動切削時，刀具如果按照正弦的規律，可以在加工表面形成細小的刀痕，這樣當零件進行工作時在表面產生的油膜，可以大大提高零件活動摩擦的耐磨性。振動切削的殘余力非常小，因此加工的變質層比較淺，對表面的金組織的影響較小，這樣表面和材料內部的金組織的構造幾乎相當，工件表面的耐腐蝕性可以得以提高。

4 結語

對機械加工中振動產生的原因和規律進行認真分析，可以利用相應的措施來減少振動的產生，可以使工件的質量提高，還可以提高機床和刀具的工藝能力。但是如果想將振動全部消除，還需要進一步的深入研究，采取更先進的消振措施。如果將加工中產生的振動進行合理的運用，可以提高服務的品質，使零件質量提高。

參考文獻

[1] 王宏穎，彭二寶.數控設備常見故障及處理[J].安徽

水利水電職業技術學院學報，2006，（2）.

[2] 朱慶波.淺析數控機床電氣故障診斷與維修技術[J].

計算機光盤軟件與應用，2012，（7）.

[3] 丁向陽，馮高頭.機械加工常見異?，F象分析及解決

方法[M].北京：機械工業出版社，2007.

[4] 江志國.淺析機械振動的原因及其防止措施[J].現代

經濟信息，2009，（8）：26-28.

[5] 劉濤，王慧智.機械加工精度誤差分析及提高措施

[J].寧夏機械，2011，（4）.

[6] 顧立志，龍澤明，冉啟文，白鳳山，袁哲俊.振動切

削研究狀況及發展趨勢[J].佳木斯大學學報（自然科

學版），2000，（2）.

作者簡介：楊明（1984—），男，云南玉溪人，哈爾濱電機廠（昆明）有限責任公司助理工程師，研究方向：材料成型機控制工程；徐榮其（1959—），男，云南姚安人，云南玉溪宏誠機電有限公司工程師，研究方向：金屬材料加工。endprint