淺析機(jī)械加工過程中機(jī)械振動的成因及措施

（河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000）

【摘要】：在加工過程中，振動現(xiàn)象嚴(yán)重影響了加工零件的生產(chǎn)效率和表面質(zhì)量。同時，也會造成刀具損壞、噪聲污染。因此，分析機(jī)械加工中機(jī)械振動的原因，并采取相應(yīng)的措施，對于提高機(jī)械加工的質(zhì)量與效率具有重要的價值。文章分析了機(jī)械加工過程中振動產(chǎn)生的原因和特點，并提出了相應(yīng)的解決措施，為解決機(jī)械加工過程中的機(jī)械振動現(xiàn)象提供了參考。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械加工；機(jī)械振動；振動成因；措施

經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)過程中，缺少不了各種原材料和設(shè)備，所有的過程都是需要進(jìn)行加工處理的。隨著國內(nèi)機(jī)械加工先進(jìn)水平的不斷提高，加工效率和經(jīng)濟(jì)效益逐漸增加，為其他領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但我們不能忽視當(dāng)前機(jī)械的過程中也存在一些問題，特別是振動產(chǎn)生的對機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品以及加工生產(chǎn)的不利影響，還有其造成的嚴(yán)重的噪音污染，不符合當(dāng)代社會對加工行業(yè)的需求。另外，機(jī)械振動也造成設(shè)備資源的過早損壞，因此應(yīng)關(guān)注機(jī)械振動現(xiàn)象，詳細(xì)探討其產(chǎn)生的原因，并積極采取相應(yīng)的措施來改善。

一、機(jī)械加工過程中機(jī)械振動的原因及特點

（一）自由振動產(chǎn)生的原因

在機(jī)械加工中，自由振動是最簡單的振動，在機(jī)械振動中的比例僅僅只有5%左右。一般情況下，引起機(jī)械自由振動的主要原因有以下幾個方面：一是，在機(jī)械設(shè)備加工過程中，切削力突然變化，造成自由振動；二是，加工設(shè)備在工作的時候受到外力作用而造成自由振動。

（二）自激振動產(chǎn)生的原因及特點

產(chǎn)生自激振動的原因主要有以下幾個方面：其一，在加工過程中，刀屑與刀具、刀具與工件之間的摩擦發(fā)生變化，引起自激振動；其二，由于工件內(nèi)部硬度不均勻，造成刀具崩刀后和加工設(shè)備發(fā)生自激振蕩；其三，加工設(shè)備中刀具安裝剛性差，導(dǎo)致刀桿顫動而引發(fā)自激振蕩；其四，機(jī)械加工設(shè)備加工細(xì)長軸等工件，由于其剛性較差，工件表面不可避免的產(chǎn)生波紋或錐度，進(jìn)而產(chǎn)生自激振蕩；其五，由于積屑瘤不穩(wěn)定，時生時滅，同時刀具前角及切削層橫截面積在機(jī)械加工時又不斷發(fā)生改變，這些都會引起自激振動。

相比于與其他類型的振動，自激振動的主要特征如下：一是自激振動的產(chǎn)生不存在周期性外力干擾。二是其產(chǎn)生的振動頻率與機(jī)械加工系統(tǒng)的某一固有頻率接近。三是自激振動在振動時，其本身會導(dǎo)致某種不衰減的周期性變化，振動系統(tǒng)會借助這種周期性變化力，從不具備交變特性的能源中周期性地獲得補(bǔ)充能量，以保持振動。振動停止后，這種外力的周期性變化與能量的補(bǔ)充過程均停止。四是自激振動的產(chǎn)生及其振幅的大小取決于每一振動周期內(nèi)獲得的能量與消耗的能量的比值。

（三）強(qiáng)迫振動產(chǎn)生的原因及特點

機(jī)械加工過程中強(qiáng)迫振動產(chǎn)生的主要原因有工藝系統(tǒng)內(nèi)部和外部兩方面因素。工藝系統(tǒng)內(nèi)部因素造成強(qiáng)迫振動的原因：一是離心慣性力引起的振動。在機(jī)械加工工藝系統(tǒng)中，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸節(jié)、皮帶輪、砂輪以及被加工的高速回轉(zhuǎn)工件會發(fā)生不平衡現(xiàn)象，這種不平衡會產(chǎn)生離心慣性力，從而引發(fā)強(qiáng)迫振動，所引發(fā)振動頻率與這些元件每秒鐘的相應(yīng)轉(zhuǎn)數(shù)大致相等。二是機(jī)械加工系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)存在缺陷。有些傳動中的旋轉(zhuǎn)零件存在制造誤差或者裝配誤差，這些誤差會引發(fā)周期性的干擾力，導(dǎo)致強(qiáng)迫振動的產(chǎn)生，如，皮帶傳動中平皮帶的接頭，軸承滾道尺寸的不均勻等都會引起強(qiáng)迫振動。三是機(jī)械加工時存在的間歇特性。當(dāng)加工件的加工部位與間斷部分具有一定的節(jié)奏交替時，很容易產(chǎn)生周期性的激振力，從而引發(fā)強(qiáng)迫振動，如，銑削、拉削及周邊磨損不均勻的砂輪。工藝系統(tǒng)外部因素造成強(qiáng)迫振動的原因：一是地基振動因素，典型的有機(jī)械加工現(xiàn)場周圍存在引起地基強(qiáng)烈振動，如，空氣壓縮機(jī)、大型沖床、大型鍛錘等設(shè)備等。二是具有往復(fù)運動部件的機(jī)械加工設(shè)備在加工過程中，液壓系統(tǒng)中液壓件的沖擊現(xiàn)象，運動部件進(jìn)行換向時產(chǎn)生的慣性力均會引起強(qiáng)迫振動。

強(qiáng)迫振動的特征機(jī)械加工中強(qiáng)迫振動的主要特征如下：一是其自身不改變干擾力，與加工過程關(guān)系不大，通過相應(yīng)措施消除干擾力，振動即可停止。二是強(qiáng)迫振動的振動頻率與外界周期干擾力頻率相近，或者是其頻率的整倍數(shù)。三是強(qiáng)迫振動產(chǎn)生的干擾力頻率在一定條件下很容易與系統(tǒng)自身固有頻率發(fā)生共振現(xiàn)象，嚴(yán)重影響機(jī)械加工過程。四是強(qiáng)迫振動所產(chǎn)生的振幅與干擾力成正比，與剛度及阻尼成反比。五是強(qiáng)迫振動的位移變化比干擾力在相位上滯后一個相位角。

二、機(jī)械加工過程中機(jī)械振動的改善措施

（一）減少強(qiáng)迫振動的措施

機(jī)械加工中產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動是由周期性激振力引起，強(qiáng)迫振動的頻率總是與干擾力的頻率相等或是其倍數(shù)，因此消除或者減少這種振動的首要問題是找出振動源。

其一，減小激振力。激振力是由機(jī)械加工過程中回轉(zhuǎn)的不平衡質(zhì)量引起的，減小激振力就是減小因回轉(zhuǎn)元件的不平衡所引起的離心慣性力及沖擊力，一是對砂輪、電動機(jī)轉(zhuǎn)子及刀盤等600rad/min以上的高速回轉(zhuǎn)元件進(jìn)行靜平衡與動平衡，或者設(shè)置自動平衡裝置。二是提高傳動裝置的穩(wěn)定性，如，機(jī)械加工設(shè)備所用的傳動皮帶長短一致、無接頭或者少接頭、盡量用斜齒輪代替直齒輪、在主軸上安裝飛輪、高精度與小功率加工設(shè)備使動力源與機(jī)床脫 離等措施。三是提高傳動的穩(wěn)定性，改善以聯(lián)軸器相聯(lián)的各軸軸心線間的同軸度，從高速軸或主 軸上除去帶動潤滑油泵的凸輪，同時提高制造精 度和裝配質(zhì)量。

其二，調(diào)節(jié)振源頻率。在機(jī)械加工過程中，合理安排加工系統(tǒng)的固有頻率，能夠有效預(yù)防共振現(xiàn)象的發(fā)生，其主要措施如下：一是為有效避開系統(tǒng)的固有頻率，可以調(diào)節(jié)激振力頻率。二是在設(shè)計機(jī)械加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)時，讓工藝系統(tǒng)各個部件的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于或者遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于共振區(qū)頻率。三是對機(jī)械加工設(shè)備中的軸承與鑲條等部件的間隙加以調(diào)整，使其偏離激振頻率。四是調(diào)節(jié)機(jī)械加工系統(tǒng)的一些運動參數(shù)，有效避免可能產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動的振源頻率，遠(yuǎn)離機(jī)械加工設(shè)備中薄弱模態(tài)的固有頻率。

其三，增加系統(tǒng)阻尼。增大阻尼是提高動剛度和振動穩(wěn)定性的有效措施，主要方法是在機(jī)床主軸上加裝電流變液阻尼器、對滾動軸承適當(dāng)預(yù)緊、將型砂或混凝土等阻尼材料填充在支承件的零部件臂中，在機(jī)械加工系統(tǒng)中的承受彎曲振動的支承件的表面噴涂一層有高內(nèi)阻和較高彈性模量的黏性材料等。提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動剛度的主要方法是提高加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)件剛度。

（二）自激振動控制措施

自激振動主要影響因素來源于受切削過程中的工藝系統(tǒng)內(nèi)部，因此對自激振動控制應(yīng)該從機(jī)械加工中的切削用量、刀具幾何參數(shù)以及切削過程中的阻尼進(jìn)行控制，減小或消除自激振動。

其一，減小重疊系數(shù)。重疊系數(shù)對系統(tǒng)再生效應(yīng)的大小影響很大，因此，通過改變切削用量和刀具幾何形狀，盡量減小μ值，可提高切削的穩(wěn)定性。其二，合理選擇刀具幾何參數(shù)。在機(jī)械加工中所用的刀具幾何參數(shù)中，適當(dāng)?shù)卦龃笄敖桥c主偏角，能減小振動。同時后角要盡量取小。在精加工時，如果切削深度選擇較小，后角過小，刀刃不容易切入工件，同時刀具后面與加工表面間的摩擦?xí)觿。菀桩a(chǎn)生自激振動，因此為增大工件和后刀面之間的摩擦阻尼，可在刀具的主后面上磨出一段后角為負(fù)的窄棱面。

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