機械加工機械振動的原因及解決

謝忠華

（武漢職業技術學院 機電工程學院，湖北 武漢 430074）

企業生產加工過程在日益精進的科學技術幫助下早已實現了機械化、數字化和智能化，不僅使機械加工過程更加高效、精準和便捷，還降低了勞動率并提高了生產效率。然而，機械加工過程也面臨著一些棘手的問題，最明顯的就是機械振動現象[1]。機械振動源自于機械加工時刀具和工件之間長期處于轉動狀態且產生了周期性往復運動，因此導致機械發生振動。機械振動雖然是一種必然現象，但它降低了被加工零部件的精準度，進而對產品質量和生產效率造成了嚴重影響。為此，應對機械加工中的振動原因進行分析，從而采取有效辦法以減少機械振動的發生[2]。

1 機械振動形成的原因和特征

機械振動是機械加工中常見現象，主要包括自由振動、強迫振動和自激振動三種類型。自由振動是因初始干擾力作用的影響而使整個加工系統的平衡狀態被打破時，為了維持狀態而受彈性恢復力作用引起的振動；強迫振動一般產生于周期性變化的外力作用下；自激振動是因交變力作用的影響而使得機械加工系統本身產生了不衰減的振動。

（1）自由振動產生的原因

從實際情況來看，自由振動的形成原理最簡單，但且難以預防，與其他振動方式不同的是：自由振動出現的次數最少，其產生的原因包括切削力發生突變以及外界作用力的沖擊而導致。由于發生自由振動時不存在來自外界能量的補充，因此阻尼作用會使得自由振動迅速衰減，所以說機械加工基本上不受自由振動的影響，一般不予討論[3]。

（2）強迫振動產生的原因和特征

強迫振動最為常見，其產生原因大體上分為兩類：工藝系統內部原因和工藝系統外部原因。

強迫振動受工藝系統內部影響而產生，主要原因在于：一個是受離心慣性力的波動影響。機械加工工藝系統的內部存在大量元件，比如電子機轉子、聯軸節、皮帶輪、砂輪以及被加工的高速回轉工件等，這些元件在自然狀態下都有可能發生不平衡現象，進而產生離心慣性力，其波動直接催生了強迫振動，且強迫振動的頻率與這些元件每秒鐘的相應轉數大體上相同；一個是轉動機構有缺陷存在。在制造或裝配零件的環節中，由于操作誤差而導致周期性干擾力的形成，一些零件受此影響而出現了強迫振動；一個是加工過程的間歇性。當加工件的間斷部位和加工部位由于間隙而引發節奏交替，則很容易導致周期性的激振力，繼而催生了強迫振動，比如：銑削/拉削以及周邊磨損不均勻的砂輪等。

強迫振動受工藝系統外部影響而產生的原因包括兩部分：一個是在機械加工現場周圍由于空氣壓縮機、大型沖床和大型鍛錘等設備施工而引起的地基振動；另一個是由于液壓件沖擊或者運動部件換向時的慣性力等具有往復運動部件的機械在施工過程中自發引起的。

強迫振動的特征體現在四個方面：首先，強迫振動對干擾力變化和加工過程都不具有影響，所以可通過消除干擾力來停止強迫振動；其次，強迫振動的頻率與外界周期干擾力頻率接近；再者，由強迫振動而引起的干擾頻率在條件滿足時很容易與系統自身的固有頻率發生共振，從而影響整個機械加工過程；最后，強迫振動的振幅隨干擾力增大（減小）而增大（減少），隨剛度或阻尼的增大（減小）而減小（增大），且從位移變化上講滯后于干擾力一個相位角。

（3）自激振動產生的原因和特征

自激振動出現頻繁，通常也稱之為“顫振”。機械加工時如果某些工件材料的硬度不均勻，或者加工余量有變動，都會導致整個加工系統出現振蕩，進而導致工件和刀具間的相對位移出現周期性變化，從而產生自激振蕩。到目前為止，自激振蕩的激振機理還未完全研究出來，應用較多的機理有再生、振型耦合、負摩擦以及滯后。

2 機械加工過程中機械振動的解決方法

據資料統計顯示，各類型振動在機械加工中產生的比率分別為：自由振動5%、強迫振動30%、自激振動65%，這其中自由振動對機械加工過程的影響最小，其余類型振動的影響最大。

（1）降低強迫振動的措施

已經得出的結論表明周期性激振力是引發強迫振動的主要原因，其振動頻率也與干擾力的頻率想接近，或者是干擾力頻率的數倍，因此想要降低或者消除強迫振動，必須找出其振動源。具體來說，減少強迫振動的措施包括：

第一，對激振力進行控制。機械加工中回轉元件的不平衡是產生激振力的關鍵，因此應減少由不平衡所引起的離心慣性力和沖擊力即可減少激振力。

第二，對振源頻率進行調節。從加工系統的固有頻率入手，對其進行合理安排以預防共振，具體的實施措施如下：首先調節激振力頻率來有效避開系統的固有頻率；其次在機械加工設備的結構設計中，對工藝系統各個部件的固有頻率進行調整，令其明顯區別于共振區頻率；再者調整加工設備中的軸承與鑲條等部件間隙，從而確保其與振蕩頻率相距甚遠；最后調節機械加工系統中的一些運動參數，提前預防可能引發強迫振動的振源頻率，并盡量遠離薄弱模態的固有頻率。

第三，加強系統阻尼。系統阻尼得到增強有助于動剛度和振動穩定性的提高，有效的措施為：將電流變液阻尼器加裝在機床主軸上、預先禁錮滾地軸承、在支撐件的零部件臂中填充型砂或混凝土等阻尼材料、將具有高內阻和較高彈性模量的黏性材料噴涂在機械加工系統中承受彎曲振動的支撐件的表面等。

第四，隔離外來振動影響。分隔機床與電視機、油泵等動力源，或者使用隔振材料隔離地面與機械加工設備，比如：在磨床砂輪電動機底座與墊板之間墊上具有彈性的木板或者硬膠皮，在機械加工設備機床的周圍挖防振溝等。

（2）降低自激振動的措施

如上述分析，受切削過程中的工藝系統內部是自激振動主要影響因素的來源，所以應通過控制機械加工中的切削用量、刀具幾何參數、切削過程中的阻尼等措施來有效減少自激振動。實施措施如下：

第一，使重疊系數變小。重疊系數對系統再生效應有直接影響，而加工方式、刀具的幾何形狀以及切削用量直接決定了重疊系數值μ。如圖1所示，當加工螺紋工件時μ=0，此時不會引發再生型自激振蕩；而在切斷工件時μ=1，此時再生效應最大。通常情況下，μ值位于0—1之間時進行的是縱向切削，此時可以通過改變刀具幾何形狀以及切削用量來減少μ值，從而使切削穩定性得以提高。

圖1 兩種加工方式的μ值

第二，合理選擇刀具幾何參數。刀具幾何參數中對自激振蕩有嚴重影響的參數為主偏角κr和γ0，當主偏角增大、κr=90°時，自激振動的振幅最小，與此同時切削力和振幅分別與前角成反比關系。因此，減小振動的有效方法就是使前角和主偏角得到適當增大，而后角則盡量取小。精加工時若選擇的切削深度較小、后角過小，則不容易使刀刃切入工件，同時加工表面與刀具的摩擦會被加劇，更容易引發自激振動，因此可在刀具的主后面上磨出一段后角為負的窄棱面來增大工件和后刀面之間的摩擦阻尼，如圖2所示。

圖2 磨出一段后角為負的窄棱面示意圖

第三，合理選擇切削用量。切削時用ap、f、v分別表示切削用量三要素，其與金屬切除率保持線性關系，其中無論那個參數增大一倍，都會造成生產率增高同樣的倍數，但此時其他參數必須減小。因此，必須保證三要素組合最佳，依次為前提來合理選擇切削用量。具體方法為：首先，盡量選取較大的進給量和較小的切削深度，從而使自激振動變小；其次，盡量采用高速切削或低速切削法來處理加工工件，預防自激振動的產生；再者，如果加工表面的粗糙度滿足條件，則可選取較大的進給量以實現對自激振動的有效預防。

3 結語

雖然振動常發生在機械加工過程中，但因其會導致機械加工精確度下降，還會影響到產品質量以及生產效率，所以必須對不同類型的振動進行詳細分析，從而制定出具體可行的策略以減少振動。

參考文獻

[1]吳舒.機械加工過程中機械振動成因及改善措施研究[J].橡塑技術與裝備,2015(24).

[2]劉建新,楊慶玲.機械加工過程中機械振動的成因及解決措施[J].常州工學院學報,2013(01).

[3]睢雪亮,馬兆賓.機械加工過程中振動產生的原因及預防措施的探討[J].職業技術,2015年06期.