關于機械加工過程中的機械振動的研究

摘 要：隨著科學技術的快速發展，機械加工水平也在不斷提高。在機械加工過程經常出現機械振動現象，影響機械加工工作，因此有必要對機械振動進行深入研究。目前在機械振動中主要有三種形式，即強迫振動、自激振動以及自由振動。文章將對這幾種機械振動產生的原因及控制方式進行進一步研究。

關鍵詞：機械振動；強迫振動；自激振動；自由振動；原因；控制方式

1 機械加工中機械振動的分類

1.1 強迫振動

強迫振動在機械加工過程中是比較常見的，這一問題主要是由于在機械加工過程中受到外界周期性的干擾，使得系統被迫出現振動的現象。由于外界的干擾力呈周期性，所以可以為機械振動提供持續的動力。只要存在外界干擾力，這種振動就不會停止。

1.2 自由振動

自由振動與強迫振動存在差異，這一種振動方式是系統在運行初期時受到了激振力的作用，使得系統平衡遭到破壞而產生的振動。但是由于在機械加工過程中存在阻尼，所以自由振動是逐漸減弱的。一般來說，在機械加工過程中這種振動并不會產生太大影響。

1.3 自激振動

在機械加工過程中自激振動出現的頻率較小，但是影響較大。這種振動是在交變力與周期性振動共同作用的情況下產生的。如果在機械切削過程中出現這種振動，也被稱作顫振。

2 造成機械加工振動的原因

2.1 產生自由振動的原因

自由振動是機械加工過程中最簡單的振動形式，振動比率只占總比例的5%。而造成這種振動的原因主要有以下幾個方面：一是在加工機械設備時，如果切削力突然發生改變，就會引起自由振動。二是在加工機械設備時，如果突然出現外界的沖擊力，也會導致自由振動的出現。在機械加工過程中，如果出現自由振動，其振動幅度會逐漸減弱，這是由于在加工過程中沒有外力補充，所以這種振動對機械加工的影響相對較小。但是一旦出現自由振動很容易引發自激振動。

2.2 產生強迫振動的原因

在機械加工過程中強迫振動產生的影響較大，而造成強迫振動的原因主要有兩個，即工藝系統內部因素和工藝系統外部因素。在機械加工過程中很容易出現強迫振動，而造成這一振動出現的原因主要是工藝系統的內部因素，表現在以下幾個方面：（1）離心慣性力導致的強迫振動。在進行機械加工時需要運用多種機器，比如皮帶輪、電動機轉子、聯軸節以及高速回轉工件等，這些設備在運行過程中經常會出現不平衡問題，從而出現離心慣性力。在這一種力的作用下會造成強迫振動，一般元件的轉數決定了振動的頻率。（2）在機械加工過程中系統傳動機構存在問題。在加工過程中加工機械經常存在問題，比如旋轉零件規格存在誤差等。這一問題會加大周期性的干擾力度，使得強迫振動出現。（3）加工過程存在間歇問題，在加工時加工件與間斷位置要進行有節奏的交替，這就會產生激振力，引發振動。引發強迫振動的外部因素，主要表現在以下幾個方面：（1）主要因素是地基振動因素，在機械加工現場存在強烈的地基振動，比如說大型設備在運行過程造成的振動等，會導致強迫振動的產生。（2）在加工機械設備時需要往復運動的，比如液壓件。這些因素也會導致強迫振動的出現。

2.3 產生自激振動原因

在機械加工過程中自激振動經常出現，而造成這一振動問題出現的原因主要有四個：（1）在切削零件時，刀具、工件之間存在一定的摩擦力，這就會導致自激振動的出現。（2）在加工過程中設備內部的硬度不均勻，會出現崩刀現象，從而引發了自激振動。（3）在加工過程中刀具在安裝時剛性較差，刀桿會發生顫動，從而引發振動問題。（4）在進行細長軸等工件加工時，因為工件的剛性較弱，所以在工件的表面會出現波紋，從而引發振動。

3 防治機械振動的具體方式

依據調查顯示，在進行機械加工時自激振動出現的頻率最高，約為振動發生的65%，而強迫振動出現的幾率為30%，自由振動只占5%。所以，在機械加工過程中自激振動的危害最大，而自由振動對機械加工的影響和危害性最小。要想解決機械加工過程中的振動問題就要從自激振動和強迫振動入手。

3.1 降低強迫振動的具體方式

要想有效降低強迫振動出現的頻率，就要找到造成這種振動的原因，從根源上解決這一問題。

（1）降低激振力。在機械加工過程中存在回轉不平衡問題，這就會導致激振力的產生。要想降低激振力就要解決元件不平衡問題，減少沖擊力和離心力對系統的影響。首要要保證電動轉子、砂輪以及刀盤等具備高轉速的元件的平衡性，保證在裝置過程中的平衡性。其次是要可能保證傳動裝置的穩定程度，比如說在加工機械設備時要盡量保證傳動皮帶長度一致，要使用斜齒輪等。保證傳動的穩定程度。在機械加工過程中要調整設備軸心的軸度，提高設備的精確度，保證裝配質量。（2）降低外來振動對設備的影響。在進行機械加工時，要將機床和動力源合理劃分開，可以在設備之間使用隔振材料，這樣就可以有效降低外來振動對設備的影響。（3）提高系統阻尼。要想降低機械加工過程的振動就要提高設備的剛度和穩定性，而提高阻尼是解決這一問題的有效措施。要想提高阻尼主要從以下幾個方面入手：在機床的主軸上安裝阻尼器、在支承件上安裝混凝土等阻尼材料。這樣才能有效提高設備的阻尼，增強設備穩定性。

3.2 減少自激振動的措施

自激振動主要影響因素來源于受切削過程中的工藝系統內部，因此對自激振動控制應該從機械加工中的切削用量、刀具幾何參數以及切削過程中的阻尼進行控制，減小或消除自激振動。

（1）合理選擇切削用量。切削用量是指切削速度、進給量和切削深度三者的總稱。切削速度對刀具壽命有非常大的影響.提高切削速度時，切削溫度就上升，而使刀具壽命大大縮短.加工不同種類、硬度的工件，切削速度會有相應的變化。（2）合理選擇刀具幾何角度。基本角度分別是在正交平面內的前角、后角；在切削平面內的刃傾角；在基面內的主偏角、副偏角。派生角度是刀尖角、楔角。因為前角、后角和楔角之和等于90°。在不同的測量面內，都可以定義前角或后角。例如：在正交平面、法平面、切深平面、進給平面內都有其對應的前角和后角。阻尼器的應用。阻尼器是利用固體或液體的阻尼來消耗振動的能量，實現減振。阻尼器的減振效果與其運動速度的快慢、行程的大小有關。運動越快、行程越長，則減振效果越好。故阻尼器應裝在振動體相對運動最大的地方。吸振器的應用。吸振器又分為動力式吸振器和沖擊式吸振器兩種：動力式吸振器它是利用彈性元件把一個附加質量塊連接到系統上，利用附加質量的動力作用，以此來減弱振動；沖擊式吸振器它是由一個在殼體內自由沖擊的質量塊和一個與振動系統剛性連接的殼體組成的。每當機械系統發生振動時，由物體往復運動沖擊殼體消耗了振動的能量，所以可減小振動。（3）合理調整振型的剛度比，提高加工系統動態特性。提高加工系統的剛度，提高加工系統的剛度，特別是薄弱環節的剛度，便可有效提高機械系統的穩定性。對滾動軸承施加預載荷、提高各零件結合面間的接觸剛度、鏜孔時鏜桿加上鏜套、加工細長軸時采用中心架或跟刀架等等措施都可提高加工系統剛度。增加加工系統的阻尼，阻尼比用于表達結構阻尼的大小，是結構的動力特性之一，是描述結構在振動過程中某種能量耗散的術語，引起結構能量耗散的因素（或稱之為影響結構阻尼比的因素）很多，加工系統的阻尼來源于結合面上的摩擦阻尼、工件材料的內阻尼（材料內摩擦產生的阻尼稱內阻尼）及其它附加阻尼。不同材料的內阻尼不同，機床床身、立柱等大型支承件一般用鑄鐵制造，因為鑄鐵的內阻尼比鋼大，如何增加加工系統的阻尼這方面需要人們進行認真的研究。

參考文獻

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