機械加工過程中振動問題的研究

朱金華 李旭 王棽

摘要：在航空維修過程中，零備件的表面質量、尺寸精度尤為關鍵，直接關系到工件的使用性能，航空裝備運行的可靠性。由于機械加工過程中振動問題時常發生，造成機械刀具磨損、加工件報廢，以及噪音污染等不利影響，大大影響加工的效率。為此加強對機械加工過程中振動產生的原因及控制措施的探討研究，對保證加工零件質量，提高產品使用性能，具有較好的指導意義。

關鍵詞：機械加工;振動分類;產生原因;控制措施

中圖分類號：TH161+.6?文獻標識碼：A??文章編號：1671-2064（2019）16-0000-00

飛機維修過程中，零備件制造特點是批量少，種類多，機械設備、工裝、刀具更換安裝頻繁。由于機械加工過程中的振動問題，嚴重影響零備件的尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等要求，因此，分析振動原因，找出振動源，采取相應措施來消除和減小振動，是提高加工件質量、保證飛機修理任務完成的重要途徑。

在機械加工過程中，系統發生振動是不可避免的，它是一種十分有害的現象，導致系統振動的類型主要有三種：自由振動、強迫振動、自激振動。

1 機械加工振動產生的原因

振動產生的原因復雜多變，結合自身工作實踐經驗將加工中出現的振動現象、產生原因進行探討分析。

1.1 自由振動產生的原因

自由振動是較簡單的一種振動，主要有兩方面原因：

（1）在切削加工時，因其所形成的切削力聚然產生變化，從而引起自由振動。

（2）外界力對正在加工的設備產生沖擊，導致自由振動發生。

1.2 強迫振動產生的原因

外界的持續刺激是強迫振動形成的主要因素，其包括內部、外部兩個方面。

1.2.1 工藝系統內部的因素

（1）慣性離心力引起的振動。工藝系統中高速回轉體，如卡盤、電動機的轉子、聯軸器、砂輪、皮帶輪等轉動不平衡，產生慣性離心力，從而引發強迫振動。

（2）機床的傳動機構缺陷。工藝系統中有些傳動的部件存在加工精度偏差、裝配精度偏差，而導致周期性的干擾力，致使發生強迫振動。

（3）加工過程中存在的間歇特性。加工件在切削過程中與間斷位置要有節奏的進行交替，就會產生干擾力，引起振動。

1.2.2 工藝系統的外部因素

（1）地基的振動。正在進行加工的機床通過附近的振動源經過地基傳入，從而導致工藝系統的振動，象鍛錘、沖床等大型設備。

（2）部附件產生慣性力而引起的振動。機械設備含往復運動部件的在加工中，如進行換向時的運動部件所形生的慣性力，均會導致強迫振動。

1.3 自激振動產生的原因

自激振動的產生主要來源于特定的系統內部。

1.3.1 工件安裝夾緊不牢

像鑄造、鍛造、電焊切割等外形不規則工件，基準面較差，不便于安裝，夾緊時受力不均勻，在切削中較易產生松動，切削力變化時，而導致振動。

1.3.2 金屬內部切削層硬度不勻實

如補焊后的工件、鑄造件等硬度不均勻缺陷，切削時造成刃具崩刃及設備自振現象。

1.3.3 摩擦力產生變化

切削過程中，刀具與切屑、工件之間產生的摩擦力改變時，均會引起自激振動。

1.3.4 切削用量不合理引起振動

切削用量選擇不合適，造成工件與刀具的不平衡量加大或徑向切削力過大，切削寬而薄的切削易引起振動。

1.3.5 積屑瘤的產生

在切削過程中，刀具幾何參數、切削層橫截面積隨時生時滅的積屑瘤不斷發生變化，導致切削力不平穩。

1.3.6 工藝系統的剛性差

工藝系統中，剛度與系統固有頻率成正比，剛性較差時，固有頻率也降低，易產生共振。

（1）刀具剛性差。如刀桿離固定點懸伸太長、受工件影響直徑尺寸小，安裝不規范，促使刀桿顫動。

（2）工件剛性差。如加工長筒薄壁件、細長桿等剛性較差工件，容易導致加工表面出現波紋、錐度。

2 機械加工振動產生的影響

在切削過程中引起的振動，對加工質量、效率以及使用性能產生較大影響。

2.1 降低加工質量

2.1.1 加工表面的質量降低

加工中，當振動頻率較低時，工件表面會有不均勻的波度產生，振動頻率較高時，會導致加工表面粗糙度值大。

2.1.2 刀具使用性能降低

振動的產生，改變了刀具正常切削條件，加速刀具磨損，造成切削刃的崩裂，導致刀具刃具的使用壽命降低。

2.2 降低效率

2.2.1 生產效率降低

振動的產生，限制了切削用量的提升，較為嚴重的是導致切削過程無法正常進行，降低加工的生產效率。

2.2.2 工作效率降低

振動過程形成的刺耳噪聲，造成作業人員的身心健康遭到損害，影響生產進度，工作效率降低。

2.3 降低工裝使用性能

加工過程中形成的振動，使機床與夾具等一些機件的連接部位配合精度下降，出現松動現象，導致精度與剛度降低，加快機床零件的磨損，降低機床使用壽命。

2.4 降低工件使用性能

2.4.1 工件表面粗糙度的影響

工件表面的直線度主要是由表面粗糙度值決定的，當粗糙度值大的兩個零件相互配合、摩擦時，實際接觸面積非常小，造成在單位面積上所承受的壓力會非常大，表面的凸峰就被壓扁，導致間隙產生，造成配合精度降低。工件表面粗糙度值大耐腐蝕性也較差，部分腐蝕性物質會進入表面凹谷中，使腐蝕性逐漸擴大，影響使用性能。

2.4.2 冷作硬化的影響

加工件表面冷作硬化層如果很深，程度較大，從而溫度變高，時間變長，塑性變形會發生劇烈變化，導致工件表面產生一些裂紋，使工件的配合運行強度下降，使用性能受到影響。

3 機械加工振動的控制措施

通過大數據統計，振動產生的比率為：強迫振動約占30%，自激振動約占65%，自由振動占5%。自由振動一般情況下迅速衰減，影響極小。而其余類型的振動在切削中不能自然衰減，產生較大危害。因此，降低機械振動的關鍵在于降低強迫振動、自激振動。

3.1 降低強迫振動的措施

3.1.1 降低振源的激振力

（1）高速回轉體零件運行時，必須滿足動平衡要求。對轉速600r∕min以上的零部件，如電動機轉子、卡盤、砂輪等必須作平衡試驗。

（2）提高機床傳動裝置、元件的加工精度，保證傳動平穩。如提高主軸、卡盤、齒輪、皮帶輪、軸承等加工精度、裝配精度，減少因制造誤差引起的振動。

3.1.2 增加工藝系統剛度和阻尼

增加振動系統的剛度和阻尼，是提升工藝系統振動穩定性的有效措施。可用提高接觸面精度、提高接觸剛度，在設備的主軸上安裝阻尼器等手段，來提高抗振性能，增強穩定性。

3.1.3 采用隔振及減振措施

在振動路線中安裝具備彈性性能的隔振裝置，使振源產生的部分振動被隔振裝置所吸收或隔離。比如將電動機與床身采用柔性聯接方式，減小電動機振動;將設備安置在防振地基上，用木材、橡皮墊等隔振材料將設備與地面隔離。用減振溝分離設備基礎與周邊振動源的聯系，從而降低振動的發生。

3.1.4合理規化工作場所

精密設備、儀器安裝時，盡可能同往復運動、粗加工設備分開布局。盡量減少周邊環境對精密設備、儀器的影響。

3.2 降低自激振動的措施

3.2.1合理選擇裝夾方法

工件裝夾時，夾緊點要選接觸面積大、剛性好、變形小的部位。盡量靠近工件承受切削力大的部位，減小因力矩的作用產生變形，從而引起振動。

3.2.2 正確選擇切削用量

切削時，切削用量三要素與金屬切削率是線性關系。盡可能選取較大的進給量與較小的切削深度;對工件精度如要求不高進，可采用高速切削或低速切削，避免自激振動;在確保表面粗糙度符合標準時，應采用較大的進給量來預防自激振動。

3.2.3 合理選擇刀具的幾何參數

切削中，所有的刀具幾何參數，對自激振動影響最大的是前角和主偏角。前角與切削力成反比，前角越大，振幅越小;同樣主偏角與振幅也成反比，主偏角增大到90度，所產生的振幅最小。為減小振動要適當地增大主偏角、前角，盡量取小的后角;精加工時，在主偏角后面磨出一小段后角為負的窄棱面，把新刃磨的刃口用油石磨鈍，選用圓弧半徑較小的刀尖。

3.2.4提高工藝系統抗振性

提高工藝系統的接觸剛度，即可有效提高機械系統的穩定性。如提高頂尖孔的加工質量、調整系統元件的配合間隙;細長桿加工中，盡量縮短刃具、刀桿的懸伸量;深孔加工時鏜桿安裝導向塊;盡量使用工裝來輔助增加接觸剛度，以起到減振效果。

4 結語

振動產生的原因在機械加工中是多方面的，錯綜復雜。在實際工作中，只有認真地進行詳細探討研究，掌握切削過程中產生振動的基本類型，準確找出產生振動的原因，才能采取有效措施來控制和消除振動的發生，保證加工件質量，確保飛機可靠性維修，為飛行安全奠定堅實的基礎。

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收稿日期：2019-07-05

作者簡介：朱金華（1964—），男，山東德州人，本科，高級工程師，主要從事機械設計、航空修理工作。