機械加工過程中機械振動成因及改善措施研究

吳舒

（福建省福州市馬尾區商務局，福建 福州 350015）

機械加工過程中機械振動成因及改善措施研究

Causes and improvement measures of mechanical vibration during machining process

吳舒

（福建省福州市馬尾區商務局，福建 福州 350015）

機械加工是我國工業化發展與進步的重要組成部分，而加工過程中產生的機械振動影響工件質量與加工效率，已經成為不可忽視的制約因素。深入探討分析機械加工過程中振動的類型與成因，并提出合理的解決措施，合理的控制振動，對改善工件質量、提升加工效率都有非常重要的現實意義。

機械加工；機械振動；成因；改善措施

1 振動對機械加工的影響與危害

機械加工過程中，會產生不同程度的機械振動，并進一步帶來眾多負面的影響。首先，機械振動會影響工件加工表面的粗糙度，波度會在振動頻率較低的時候出現，在一定程度上影響工件的加工質量，制約著最終產品的使用壽命。其次，為控制振動、保證工件質量，工人們往往會選擇減少切削量來提高產品的合格率，這就會在很大程度上影響生產效率。再次，振動加劇了刀具的磨損，增加了崩刃的危險，并且明顯降低了夾具、機床等生產部件的使用壽命，無形中增加企業的生產成本。最后，振動往往會產生噪聲，造成噪聲污染，對工人、附近居民的健康產生危害。

2 機械加工過程中產生振動的類型與特點

2.1 自由振動

振動系統在機械運轉時會受到被稱為激振力的外界作用力的影響，從而使系統的平衡狀態遭受影響，這種情況下產生的振動方式就是自由振動。總體來說，自由振動對機械加工的影響并不大，所占比重也相對較小。振動系統本身存在的阻尼使其總是處在逐漸衰減的狀態，影響甚微[1]。

2.2 強迫振動

在周期性的外力作用下，系統會而產生強迫振動。在磨削過程中產生的機械振動較為典型。泵件狀態不穩定、三角皮帶的長短厚薄不等、輪系結構與電動機的配合不均勻等情況都會不同程度的造成機床的強迫振動。通常，強迫振動會導致機床部件間的相對運動，因此其加工精度、圓度和粗糙度都會受到較大影響。對做回轉運動的機床來說，其精度會因強迫振動而大幅下降。強迫振動的干擾力是獨立于振動本身存在的，通常與加工過程無關，持續對振動系統產生影響，干擾力停止，振動也隨之停止。其振動頻率與干擾力頻率的密切相關，通常二者存在整數倍關系或保持一致。若出現干擾力的頻率與系統的固有頻率相同或相近的情況，則容易產生共振，此時振幅達到最大值，將會對機床造成嚴重的破壞。

2.3 自激振動

與強迫振動存在明顯的不同，自激振動并不是在外力的作用下產生的，而是自身交變力作用的結果，且其并不會衰減。例如，在機床磨削工作中，工件與砂輪之間的摩擦會導致自激振動，不恰當的砂輪選擇、較差的機床與工件剛性都會加劇自激振動。其振動頻率與系統固有頻率相近，它的產生及其強烈程度受振動周期內所獲得的能量與所消耗的能量的相對比值影響。自激振動作用力的來源是振動過程本身，因而振動停止，能量的補充過程及相關干擾力也隨之消失。

3 機械加工過程中出現機械振動的原因

3.1 自由振動的成因

一般說來，在機械加工中，自由振動的產生原因主要有兩個。第一，機械加工過程中，切削力并不是恒定的，切削力的驟然變化會產生自由振動。第二，外界的沖擊力會造成設備運轉的不穩定，從而產生振動。綜上所述，自由振動是由系統自身決定的，其特性受振動系統的固有頻率、系統的剛度和質量所影響。

3.2 強迫振動的成因

作為機械加工過程中產生的最主要的振動形式，在機械加工過程中很容易發生強迫振動。強迫振動的形成原因可從內部和外部兩個方面的因素去考慮，而內部因素又是其主要成因，主要可歸納為以下幾點。第一，加工機床整體存在不平衡性問題，整體離心力成為一個具有周期性特點的作用力，通常這一狀況發生在皮帶、卡盤或者電機回轉不平衡的時候。第二，機床的傳動性零件往往存在一定的缺陷，產生周期性的傳動力，引起強迫振動。例如軸承零件存在缺陷、松動，刀架安裝不牢固，安裝精度不高等都容易引起此類問題。第三，切削過程的不均勻性，也是強迫振動的形成原因[2]。從外部因素來說，地基的振動可能造成強迫振動。這種情況最常出現在沖壓機械的工作過程中，劇烈的地基振動可能進一步導致強迫振動。強迫振動對機械設備、加工工件的影響極大，必須加以控制。

3.3 自激振動的成因

自激振動是機械加工過程中另一種較為常見的振動形式。其主要的產生原因為：第一，對于切削加工來說，工件與刀具、刀具與產生的切屑之間存在摩擦力，容易引發自激振動。第二，工件的材料往往存在不均勻性，軟硬程度存在差別，這就可能會使刀具出現崩刀現象，進而引發自激振動。第三，刀具可能存在安裝剛性差的問題，引起刀桿的振動，也可能引起自激振動。第四，由于細長軸的剛性較差，一旦機械加工設備需要加工細長軸時，很容易在工件加工表面形成錐度或者波紋，引起自激振動。第五，由于積屑瘤的存在，其存在不穩定性，時有時無，而切削層的橫截面積與刀具的前角又不是恒定不變的，這就很容易引起自激振動。另外，機械加工過程中進刀量、切削量選取不合適，也容易導致自激振動的發生。

4 機械加工過程中機械振動的控制措施

資料顯示，在機械加工過程中產生的振動中，自激振動占65%左右，強迫振動為30%。與前兩種情況相比，自由振動僅為5%上下。并且，自由振動的比率較低，也會在短時間內衰減到很小，因而它對機械加工的影響遠小于其它兩種情況。相比之下，這兩種振動形式不會自然衰減，對機械加工的影響更為明顯。因而強迫振動與自激振應著重考慮，并采取控制措施。

4.1 強迫振動的控制措施

第一，外部環境是強迫振動的主要起因，所以，應首先對引起振動的源頭進行控制。對于轉速要求較高的加工工具，應在使用前進行平衡性的檢測。以砂輪為例，砂輪是一種需要高速旋轉的零部件，而其制造特點預示著其本身質量分布的不均勻。再者，其高速旋轉過程中也會加劇其磨損受力的不平衡性。因而，砂輪自身的特點決定其在使用過程中很容易造成振動，并損傷主軸。這就需要在使用之前對其進行多次檢測，在運行時最大程度上避免振動，以確保平穩性。另外，合適的傳送帶與軸承可減少噪聲與振動。

第二，嚴格預防共振的產生。共振現象是指振動頻率相同或相近的兩個振動系統，在振動過程中相互呼應，造成振幅的疊加，造成破壞的現象。在機械加工時，往往存在多個設備的共同使用，假如兩個或多個振動系統的振動頻率相近，就可能造成巨大的損害，減少設備的使用壽命。為避免共振現象的產生，應盡量差別化相鄰機器的振動頻率，對其進行相應的調整。也可以通過提高結合面平整度、改變發動機轉速，這些措施都能有效的降低振動的危害。

第三，使用減振裝置和一定的隔振措施是控制強迫振動行之有效的方法。內嵌在工藝中的減振裝置以消耗、吸收振動能量來達到減振的目的。彈性隔振裝置的工作原理是將振源與需要防振的機床間分隔開來，大量的吸收振動能量，以減小振源的危害。例如，機床與電機之間用橡膠墊隔開、四周配有隔振溝并填充木屑等隔振材料、下部配備隔振器等。機床應盡量與動力源實現分離[3]。

4.2 自激振動的控制措施

首先，對于自激振動，應當選取合適的刀具，振動的產生與刀具的幾何參數的選取密不可分。幾何參數應該作為選取刀具的重要參考因素。最為重要的是刀具的前角與主偏角，二者分別與振動的強烈程度呈反比例關系和正比例關系。另外，在機床切削過程中，自激振動的產生與切削量的大小密切相關，應根據生產需要選取合適的切削量，既滿足生產需求，又在最大程度上控制振動。

其次，應加強對工藝系統抗振性的推敲。其自身的抗振性在很大程度上決定顫振幅度，決定自激振動的產生。提高其解除剛度，具體可采用減小軸承間隙、刮研接觸面、施加合適的預緊力等措施。在加工細長工件時，可選用刀架或中心架，減少刀具的懸空幅度，選取彈性刀桿等方法都能有效的控制振動。

5 結語

機械振動是機械加工過程中經常會出現的現象，根據振動的特點可將其分為自由振動、強迫振動和自激振動三種類型。其中，自由振動所占比重小，且可自行衰減，影響相對較小，可不必進行控制。但強迫振動與自激振動出現頻率高，危害極大，必須采取相應措施加以控制。對強迫振動可采用控制振源、避免共振、采用防振裝置等措施。對于自激振動可通過對刀具幾何參數的合理選取、加強工藝系統的抗振性等措施來有效削減振動。這些控制措施對提高工件加工質量與加工效率，防止振動產生的危害具有明顯的作用。

[1] 黃洪根. 機械加工過程中的振動因素影響探討[J]. 商品與質量，2014（4）.

[2] 劉新建，楊慶齡. 機械加工過程中機械振動的成因及解決措施[J]. 常州工程學院學報，2013（2）.

[3] 仲健維. 機械加工過程中機械振動的因素以及對策探討 [J].中國機械，2015（6）.

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TH16

1009-797X (2015) 24-0081-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.031

吳舒（1957-），男，大學本科，機械設計制造工藝工程師，研究方向為機械設計、制造工藝及材料。

2015-11-08