機(jī)械加工中的振動特點及預(yù)防策略分析

李靜

(新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453000)

機(jī)械加工過程中振動作為一種有害的物理現(xiàn)象,對加工表面品質(zhì)和生產(chǎn)率具有很大的影響。機(jī)械生產(chǎn)過程中的振動使得道具與工件之前產(chǎn)生位移,加劇加工表面的振動,加速刀具的磨損速度,甚至產(chǎn)生崩刃。同時振動的發(fā)生使得機(jī)床、夾具等縫隙增加,降低剛度和精度,縮短使用的壽命,嚴(yán)重知識切削無法進(jìn)行,降低機(jī)床的生產(chǎn)效率,因為通過對機(jī)械加工中振動的特點和原因進(jìn)行分析,從而找到有效控制振動的措施和途徑。

1 機(jī)械加工中振動的特點

機(jī)械加工過程中振動主要有兩種,一種是強(qiáng)迫振動,一種是自激振動。兩種振動有著各自的特點。

1.1 強(qiáng)迫振動

強(qiáng)迫振動主要是在外力的作用下產(chǎn)生的一種振動方式,是物體受外外界一個周期性的作用力。例如在磨削過程中,產(chǎn)生振動主要是由于皮帶輪、高速旋轉(zhuǎn)的砂輪以及電動機(jī)之間的不平衡造成的振動。一般在機(jī)械加工過程中三角皮帶的長短和厚度不一致也會引起強(qiáng)迫振動。這些振動引起機(jī)床各個部件的相對位移,對機(jī)床加工的精度產(chǎn)生較大的影響。如果機(jī)床的回轉(zhuǎn)運(yùn)動中產(chǎn)生了較大的振動,那么回轉(zhuǎn)的精度將大大降低,影響零件的加工質(zhì)量。

強(qiáng)迫振動的特點是多方面的,其一,強(qiáng)迫振動不能改變外力的影響,除了由于切削而產(chǎn)生的作用力。干擾力如果徹底消除,那么振動就不會產(chǎn)生。如果干擾力是由于外界的振源產(chǎn)生的,那么只要將振源消除,那么振動也會跟著消除。其二,強(qiáng)迫振源的頻率等于外界周期干擾力的頻率,或者兩者成倍數(shù)關(guān)系。其三,干擾力的頻率與系統(tǒng)的固有頻度之間的比值為1或者近似于1,此時的振動幅度最大,對加工的影響也就最大。其四,強(qiáng)迫振動的振幅還與系統(tǒng)的剛度、阻尼大小以及干擾力之間具有很大的相關(guān)性,強(qiáng)迫振動的振幅與干擾力成正比,與系統(tǒng)剛度和阻尼成反比。強(qiáng)迫振動的位移變化比干擾力在相位上低于一個相位角,位移值與干擾力的頻率和動態(tài)特性有關(guān)。

1.2 自激振動

自激振動是在切削加工時,周期性外力消失,系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)出來的周期性振動,也被成為顫振。其振動的頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率。機(jī)床加工系統(tǒng)主要有調(diào)節(jié)系統(tǒng)和振動系統(tǒng)組成的閉環(huán)系統(tǒng),刺激機(jī)床所產(chǎn)生的作用力主要是在切削的過程中產(chǎn)生的,但系統(tǒng)自身的作用力又反作用于切削的過程,一旦停止機(jī)床的運(yùn)動,動態(tài)的切削力也就消失。自激振動系統(tǒng)在一個振動的周期內(nèi),能夠維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果在切削的過程中十分平穩(wěn),那么系統(tǒng)就對自激振動產(chǎn)生較大的影響,為其提供條件。在實際的機(jī)械加工過程中,總是會受到外界作用力的干擾,從而產(chǎn)生切削力,并且作用于機(jī)床系統(tǒng)上,從而產(chǎn)生自激振動。

自激振動主要特點表現(xiàn)為:(1)機(jī)械加工過程中,尤其是切削過程中,自激振動沒有外界周期性作用力,這也是與強(qiáng)迫振動相區(qū)別的最重要特點。(2)自激振動的頻率取決于系統(tǒng)的固定頻率,且與系統(tǒng)的某一固定頻率相似。按照頻率的高低可以分為高頻率和低頻率。

高頻一般在500-5000HZ之間,低頻一般在50-500HZ之間。這一點也區(qū)別與強(qiáng)迫振動。(3)自激振動作為一種不衰減的振動,能夠引起某種周期性的變化,且不減退,振動系統(tǒng)能夠運(yùn)用這個力的變化從能源周期性中獲取能量,從而將這個振動維持下去。一旦運(yùn)動停止,這種能量的獲取過程也會消失。工藝系統(tǒng)中維持自激振動的主要能量來源于機(jī)床電動機(jī)。(4)自激振動的振幅取決于在一個周期內(nèi)振動系統(tǒng)獲得和消耗的能量。

2 機(jī)械加工過程中振動產(chǎn)生的原因分析

強(qiáng)迫振動產(chǎn)生的振源可分為機(jī)床內(nèi)部和外部的振源。機(jī)床外振源主要與機(jī)床的環(huán)境有關(guān),主要是通過地基傳導(dǎo)到機(jī)床上,從而引起振動。機(jī)床內(nèi)振源造成的原因是多方面的。一是不平衡造成的離心慣性力。在機(jī)械加工的過程中,由于機(jī)床處于高速的旋轉(zhuǎn)狀態(tài),存在著質(zhì)量的偏心,產(chǎn)生了離心慣性力,在該作用力的刺激下機(jī)床的振源發(fā)生振動,振動的頻率也逐漸增大。二是機(jī)床傳動機(jī)構(gòu)的缺陷。對于機(jī)床上傳動中能夠旋轉(zhuǎn)的零部件,在制造的過程中會存在著一些精度差異,由于多種原因的作用在機(jī)床的轉(zhuǎn)動時受到周期性干擾力的作用,從而引起機(jī)床的振動。例如機(jī)床上的齒輪在制造時存在著一定的誤差,這樣使得齒輪在轉(zhuǎn)動的過程中產(chǎn)生三個方向的作用力,如徑向力、切向力和軸向力,通過軸承造成其他部件的振動。如果滾動軸承的精度存在著很大的誤差,那么也會造成強(qiáng)迫振動。三是車削形狀不規(guī)則的斷續(xù)切削。在機(jī)械加工中,刀具和工件之間會產(chǎn)生摩擦力,這時如果兩者之間存在著較大的間隙,那么就會產(chǎn)生一個周期性的作用力,進(jìn)而產(chǎn)生振動。四是地基振動。地基振動原因是多方面的,一方面是臨近的設(shè)備的振動強(qiáng)度,另一方面是地基的諧振特性。因此在加工高精度的零件時,機(jī)床和地基必須進(jìn)行隔絕。

3 機(jī)械加工中預(yù)防振動的措施

3.1 預(yù)防強(qiáng)迫振動的措施 (1)對于機(jī)械加工中零件的旋轉(zhuǎn)速度在600r/min以上的高速狀態(tài),設(shè)置自動平衡裝置或者減振裝置,保持靜平衡和動平衡。(2)減小軸承和鑲條等的間隙,改變系統(tǒng)的固定頻率,能夠與刺激振動的頻率之間保持一定的距離。改變運(yùn)動的參數(shù),能夠降低固定頻率,與機(jī)床加工的固有頻率錯開一定的距離。(3)增強(qiáng)裝置的穩(wěn)定性和牢固度,盡量減少磨床上的接頭,采用無接頭的皮帶運(yùn)轉(zhuǎn),傳動皮帶的選擇一定要長短厚薄一致。采用斜齒輪,或者安裝飛輪裝置在主軸上。(4)將葉片泵替換齒輪泵安裝在精密磨床上,將穿沖裝置安裝在液壓系統(tǒng)上,防止運(yùn)動中產(chǎn)生的振動。(5)選擇合適的砂輪硬度和粒度,及時調(diào)整砂輪的角度,清理砂輪上的堵塞物,減少磨削力帶來的振動。(6)銑刀直徑、齒數(shù)以及螺旋角的選擇要根據(jù)銑削條件進(jìn)行選擇,增加銑刀齒數(shù),以順銑替代逆銑。采用合適的刀齒結(jié)構(gòu),這樣能夠破壞外界的周期作用力。(7)及時刮研接觸面,提高接觸面的剛度。系統(tǒng)的剛度采用中心架、跟刀架。砂輪架導(dǎo)軌要選擇合適的。(8)床身的選擇可以采用封砂結(jié)構(gòu),增加阻尼,減少外界的作用力,減少振動。(9)隔離外來對機(jī)床的影響,

可以在機(jī)床與電機(jī)之間墊上減振物體,達(dá)到有效的減振效果,一般采用硬膠皮,這樣效果會更好。

3.2 預(yù)防自激振動的措施 (1)減小重疊系數(shù)μ。重疊系數(shù)μ決定著再生效應(yīng)的大小。重疊系數(shù)數(shù)值的大小與加工的方式、刀具的形狀、切削量等密切相關(guān)。例如在機(jī)械加工中,車螺紋加工方式,重疊系數(shù)μ等于0,工藝系統(tǒng)不會再產(chǎn)生自激振動的條件。在切斷工件加工中,重疊系數(shù)等于1,產(chǎn)生的再生效應(yīng)比較大。對于一般外圓,縱向車削的方式,重疊系數(shù)一般在0-1之間,這時可以改變刀具的幾何形狀和切削量,降低重疊系數(shù)的數(shù)值,從而降低再生效應(yīng),保持加工過程的穩(wěn)定性。(2)合理選擇刀具的幾何參數(shù)。刀具的幾何參數(shù)對振動影響最大的就是主偏角kr和 Y0。主偏角越大,在加工表面垂直方向上的切削分力就會相應(yīng)的減小,自身就不會產(chǎn)生。例如在機(jī)械加工的過程中,kr等于90度時,產(chǎn)生的振動越小。前角越大,產(chǎn)生的振幅越小。(3)合理選擇切削量。在低速或者高速切削時,振動最小。如果在加工表面粗糙度允許的情況下,可以增加切削量,防止振動的增強(qiáng)。切削的深度和寬度與振動的強(qiáng)度之間成正比,因此在切削時要選擇合適的切削寬度和深度。(4)提高工藝系統(tǒng)的剛度。例如在外圓磨床的主軸系統(tǒng)中要減少軸承之間的間隙,增強(qiáng)接觸的剛度。工件與刀具之間如果抗振性能低時可以采用中心架來提高其性能。如果加工用細(xì)長刀桿加工孔時,可以用中間導(dǎo)向支撐。(5)采用減振裝置。常用的減振裝置有阻尼減振器和沖擊減振器。在車床中應(yīng)用都能夠起到良好的抗振性能。

4 結(jié)語

機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的振動原因十分復(fù)雜,需要在實際的生產(chǎn)過程中抓住振動的特點,根據(jù)振動產(chǎn)生的機(jī)理分析振動產(chǎn)生的原因,采取預(yù)防和處理措施進(jìn)行控制,進(jìn)而提高生產(chǎn)的質(zhì)量和效率,延長機(jī)床的使用壽命。

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