機械加工自激振動研究

黃慶杰 唐山冀東水泥股份有限公司唐山分公司

1 自激振動的產生

所有實系統都躲不過能源損耗，而后由振動不斷減退從而靜止。所以維持持久的等幅振動是靠能量的補充。補充系統外界能量形式有兩種：1受迫振動。周期變化產生激力，系統會在此作用下來補充能量，系統維持等幅振動就是通過交變的能量。2自振系統。能量補充也是從外界接受，但不同的是能源不是周期變化的而是恒定的。系統控制能量的輸入是靠本身的狀態，來擬定一個調節器。交變性的能量就是調節器的作用。輸入與耗散的能量達到平衡而接近一定振幅的振動，就是自激振動。自振系統的構成有三部分（耗散系統、恒定的能源、受系統運動狀態反饋的調節器）如下圖1所示：

圖1 自振系統的構成

2 自激振動的特征

2.1 自振系統為非保守系統，因振動過程存在能量的輸入與耗散。

2.2 能源恒定，能量的輸入受位移、速度調節影響，為自治系統。自激振動頻率等于或接近系統的固有頻率，即由系統本身的參數決定 。

2.3 它是在切削加工過程中通過不斷吸取能量來維持自身穩定的振動.而不是由外界千擾所引起。

2.4 自激振動振幅大小取決于每一振動周期內系統獲得的能量與消耗能量的比值。當獲得的能量大于消耗的能量時，則振幅將不斷增加，一直到兩者能量相等為止。反之振幅將不斷減小。當獲得的能量小于消耗的能量時，自激振動也隨之消失。

3 產生自激振動的機理

自激振動與周期激勵的響應相比較，依然是一種周期振動，它也是靠外界能源的驅動形成。切削過程中產生的自激振動是一種頻率較高的強烈振動，通常又稱為顫振。對于它的產生機理，進行了許多研究，但一直沒有找到完全成熟的理論，還不能用一種理論來闡明各種狀況下的切削(磨削)自激振動。目前運用較多的主要有再生顫振原理、振型耦合顫振原理兩種系統理論。

3.1 再生顫振原理

在穩定的切削過程中， 由于偶然的擾動（如刀具碰到工件材料上的硬質點、余量不均勻等），引起工件與刀具發生相對的自由振動，從而在切削表面上留下振紋，當第二次刀具總是完全重復或部分重復地切削到前一次切削過的表面。

3.2 振型耦合顫振原理

當縱車方牙螺紋的外圓表面時(圖2)，刀具并不發生重疊切削，若按再生顫振的解釋已排除了產生顫振的可能性。但實際加工中，當切削深度達到一定值時，仍會產生顫振，其原因可用“振型耦合理論”說明。

圖2 縱車方牙螺紋的外圓表面

4 減少自激振動的途徑

4.1 合理選擇切削用量

切削用量不僅是在機床調整前必須確定的重要參數，而且其數值合理與否對加工質量、加工效率、生產成本等有著非常重要的影響。所謂“合理的”切削用量是指充分利用刀具切削性能和機床動力性能(功率、扭矩),在保證質量的前提下，獲得高的生產率和低的加工成本的切削用量。

4.2 提高工藝系統的抗振性

提高機床抗振性，改善機床剛度、各部件的固有頻率要合理安排，特別是增加機床主軸部件、刀架部件、尾座部件和床身等的剛度。提高機床的制造和裝配質童可使接觸剛度增加，并能增加阻尼系數，從而使抗振能力增強.

4.3 合理選擇刀具幾何角度

當合理的刀具材料選定之后，能否使刀具材料發揮應有的效用與刀具是否具有合理的幾何形狀和結構，以及是否正確使用刀具密切相關，即合理選擇切削參數將直接影響到刀具切削能力的發揮，同時對于保證加工質量、提高生產效率、降低加工成本都具有十分重要的意義。

4.4 采用減振裝置

當上面所述的措施依舊不能夠達到消振的目的，就可以選擇減振裝置。減振裝置通常都是附加在工藝系統中，用來吸收或消耗振動時的能量 ，達到減振的目的。減振裝置可分為阻尼減振器、動力減振器、摩擦減振器和沖擊減振器。在設計，使用減振器時，要考慮減振效果、體積、重量、結構、使用護以及經濟效益等各種因素。

4.5 合理調整振型的剛度比

根據振型耦合原理，工藝系統的振動還受到各振型的剛度比及其組合的影響。合理調整它們之間的關系，可以有效地提高系統的抗振性，抑制自激振動。

5 加工波紋面的關鍵技術

車波紋面時應注意以下幾點：切削進給速度一定要合理選擇，不能過高或過低，要和

刀具材料相匹配；盡量使粗車刀和精車刀1次裝夾完成加工任務，以減少頻繁換刀造成的對刀誤差。

6 總結

機械制造技術的發展日新月異，需要我們學習和掌握的東西非常多，而技術工人只局限于操作是遠遠不夠的。企業要發展，就必須融入越來越多的先進制造技術的理念和實踐。

[1]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.2017(08)

[2]丁向陽,馮高頭,編.機械加工常見異常現象分析及解決方法[M].機械工業出版社, 2017