機(jī)械加工過程中機(jī)械振動(dòng)的成因及解決措施

徐亮　孫躍輝

摘要：我國(guó)的機(jī)械加工技術(shù)和工藝正在不斷的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步是在加工精度的提升基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。但在加工過程中，不論是人工操作的加工方式還是數(shù)字自動(dòng)化的加工方式，在刀具切割工件的時(shí)候，加工系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，這種振動(dòng)分為很多種，對(duì)加工精度產(chǎn)生的影響也是不同的，在現(xiàn)代化的加工生產(chǎn)過程中，機(jī)械振動(dòng)影響的精度誤差已經(jīng)超過了工件的需求范圍，這對(duì)機(jī)械加工的精度提出了更高的要求。

關(guān)鍵詞：機(jī)械 加工精度 震動(dòng)影響

一、機(jī)械振動(dòng)的種類以及現(xiàn)象成因

機(jī)械加工產(chǎn)生的振動(dòng)有很多種，主要分為自激振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)、和自由振動(dòng)三種，這三種振動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)的原因以及對(duì)加工精度產(chǎn)生的影響也各不相同。在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，加工產(chǎn)生的激振力會(huì)使系統(tǒng)失去平衡，自由振動(dòng)現(xiàn)象就是這樣產(chǎn)生的，這種震動(dòng)類型經(jīng)常出現(xiàn)，產(chǎn)生的原因也十分簡(jiǎn)單。如果在加工過程中出現(xiàn)自由震動(dòng)現(xiàn)象，并且不在加工系統(tǒng)上繼續(xù)施加外力，就會(huì)減弱振動(dòng)阻尼。自由振動(dòng)現(xiàn)象如果獨(dú)立出現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)精度產(chǎn)生的影響很微弱。

機(jī)械加工中產(chǎn)生自由振動(dòng)現(xiàn)象主要的起因有兩點(diǎn)，加工過程中，刀具的切削力有時(shí)會(huì)產(chǎn)生突變，這會(huì)使加工系統(tǒng)產(chǎn)生自由振動(dòng)現(xiàn)象，此外，如果加工系統(tǒng)突然受到外力的作用，也會(huì)產(chǎn)生自由振動(dòng)現(xiàn)象，這兩種力的作用時(shí)間會(huì)影響阻尼作用時(shí)間，切削力和外力作用的時(shí)間越短，自由振動(dòng)現(xiàn)象持續(xù)的時(shí)間越短。這種自由振動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生的時(shí)間以及出現(xiàn)變化都只與加工系統(tǒng)自身因素有關(guān)，主要受到系統(tǒng)質(zhì)量好壞，固有頻率大小，剛度大小決定。單獨(dú)的自由振動(dòng)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響，但自由振動(dòng)現(xiàn)象有時(shí)會(huì)伴隨其他種類的震動(dòng)現(xiàn)象一起出現(xiàn)。

機(jī)械加工中如果加工系統(tǒng)持續(xù)受到外力的作用，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，強(qiáng)迫振動(dòng)現(xiàn)象在機(jī)械加工過程中是很常見的振動(dòng)現(xiàn)象，產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的外力不是由加工系統(tǒng)產(chǎn)生的，是系統(tǒng)之外的干擾力，只有干擾力消失，強(qiáng)迫振動(dòng)才會(huì)消失，加工系統(tǒng)受到的力并不是普通力，通常這種干擾力具有周期性，干擾力的這種性質(zhì)使得強(qiáng)迫振動(dòng)對(duì)機(jī)械加工產(chǎn)生的影響很大，會(huì)使加工產(chǎn)品良品率降低，加工周期也會(huì)受到影響。

強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生的原因可分為系統(tǒng)內(nèi)部原因以及外部原因，內(nèi)部原因主要分為幾個(gè)：機(jī)械系統(tǒng)的組成部件在制造時(shí)會(huì)有精密度誤差，零件組裝時(shí)會(huì)由于安裝時(shí)的操作不同產(chǎn)生安裝誤差，同時(shí)系統(tǒng)的傳送帶銜接不緊密也會(huì)對(duì)系統(tǒng)加工產(chǎn)生影響，造成離心力的出現(xiàn)，使系統(tǒng)產(chǎn)生震動(dòng)現(xiàn)象。機(jī)械系統(tǒng)的主軸、砂輪、皮帶輪等在加工過程中都是高速旋轉(zhuǎn)的零件部分，這些零件在回轉(zhuǎn)的過程中無法同步的現(xiàn)象很常見，這會(huì)產(chǎn)生離心慣性力，離心慣性力會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)迫振動(dòng)；有時(shí)機(jī)械加工并不是連貫的，會(huì)在加工過程中斷，中斷會(huì)使加工部位與間斷出現(xiàn)頻率差，產(chǎn)生周期性的離心力，從而產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。系統(tǒng)出現(xiàn)強(qiáng)迫振動(dòng)的外因是加工系統(tǒng)所處的加工環(huán)境造成的，其他加工設(shè)備如沖床、鍛錘和空氣壓縮機(jī)等大型設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會(huì)使地面產(chǎn)生震動(dòng)，地面的震動(dòng)會(huì)對(duì)加工系統(tǒng)造成影響。一些做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的大型設(shè)備如液壓系統(tǒng)在切換運(yùn)行方向時(shí)會(huì)產(chǎn)生慣性力，這些慣性力會(huì)影響離心力，出現(xiàn)強(qiáng)迫振動(dòng)。

自激振動(dòng)主要由幾方面組成：在機(jī)械加工過程中，切削刀具與加工工件之間有摩擦力，當(dāng)摩擦力發(fā)生變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)自激振動(dòng)；當(dāng)加工工件表面不均勻時(shí)，刀具在切割時(shí)會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定，而引發(fā)自激振動(dòng)；當(dāng)切削刀具質(zhì)量不足，剛度較弱時(shí)也會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定的情況，從而引發(fā)自激振動(dòng)；機(jī)械加工時(shí)切削材料的碎屑沒有被清理時(shí)，刀具會(huì)發(fā)生震顫，以及切削位置處與刀具接觸不斷在變化都會(huì)產(chǎn)生自激振動(dòng)。

二、解決方案

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械加工過程中，自激振動(dòng)占絕大多數(shù)，其余振動(dòng)為強(qiáng)迫振動(dòng)，自由振動(dòng)僅占極少一部分。因?yàn)樽杂烧駝?dòng)出現(xiàn)之后會(huì)很快就消失，對(duì)機(jī)械加工的精度影響很小。其他兩種振動(dòng)如果外部作用不消失便不會(huì)停止。因此本文將對(duì)強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的消除進(jìn)行分析。

強(qiáng)迫振動(dòng)主要是由外部震動(dòng)產(chǎn)生的，因此在解決強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)；應(yīng)先從振源著手，檢測(cè)振源有很多種方式，常見的有空轉(zhuǎn)試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)拾振等方式，現(xiàn)場(chǎng)拾振能夠?qū)C(jī)械加工出現(xiàn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行收集，并與頻譜對(duì)比分析，主要是通過速度傳感器和力傳感器進(jìn)行收集信號(hào)，收集結(jié)果能夠顯示出震動(dòng)成分，從而分析出振動(dòng)影響的來源，這些振動(dòng)信號(hào)，必須是在停機(jī)狀態(tài)下測(cè)量的才有效，空轉(zhuǎn)試驗(yàn)?zāi)軌蛟跓o工件時(shí)進(jìn)行加工操作來產(chǎn)生對(duì)比參數(shù)。

當(dāng)?shù)贸稣饎?dòng)來源時(shí)，我們需要對(duì)振源進(jìn)行處理來消除震動(dòng)影響，可以選擇將振源進(jìn)行隔離，將加工系統(tǒng)遠(yuǎn)離產(chǎn)生振源的設(shè)備，隔離方式可以用隔絕震動(dòng)的材料如厚橡皮或彈性木板等。防震溝也可以有效的隔離加工系統(tǒng)與振源。

自激振動(dòng)的振源受很多因素影響，這些因素可以通過逐步排除法來發(fā)現(xiàn)，自激振動(dòng)的來源只有外部和內(nèi)部?jī)煞N原因，與系統(tǒng)的工藝有極大的相關(guān)性，很容易進(jìn)行檢驗(yàn)，可以通過空轉(zhuǎn)試驗(yàn)來確定內(nèi)部因素，在系統(tǒng)內(nèi)有一些零件由于自身的性質(zhì)很容易引起自激振動(dòng)，這些零件應(yīng)該進(jìn)行重點(diǎn)評(píng)估，同時(shí)通過其他如運(yùn)轉(zhuǎn)譜線圖、外力頻率分析以及參數(shù)計(jì)算都可以用來輔助判斷振源。

刀具這一主要振動(dòng)來源對(duì)自激振動(dòng)的影響是最大的，當(dāng)?shù)谰吲c工件的偏角增大時(shí)，振幅便會(huì)減小，振動(dòng)就會(huì)減弱。加工時(shí)每一次的切削用量都要進(jìn)行合理控制，切削用量主要由三個(gè)參數(shù)組成，切削深度、進(jìn)給量、切削速度。這三個(gè)參數(shù)的總量是不變的，如何平衡三個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系對(duì)自激振動(dòng)有很大的影響，常見的加工方式是進(jìn)給量控制的很大，切削深度一般較小，高速切割后，自激振動(dòng)便會(huì)減小。

三、結(jié)語(yǔ)

機(jī)械加工產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)有很多種，產(chǎn)生的原因也不盡相同，應(yīng)經(jīng)過很多方面的考量來降低振動(dòng)影響，使機(jī)械加工精度增高，提升加工質(zhì)量，提升生產(chǎn)效率。