機械零件加工中系統振動的控制措施分析

于沚汕

摘 要：在機械加工過程中，工藝系統振動是一種常見的現象，會影響加工質量和降低生產率，甚至會使切削不能繼續進行，對切削加工非常不利，其中工藝系統振動類型主要包括自由振動，強迫振動以及自激振動，其中消除自激振動對于提高表面質量有著重要意義。本文對此進行了分析。

關鍵詞：機械加工;工藝系統振動;控制措施

引言

機械振動在機械加工過程中是常見的。如果機械加工過程中機械振動的頻率比較高，不僅會產生令人感到厭煩的噪音，降低生產效率，而且會影響加工產品的質量，與此同時，會損壞加工工具。機械加工過程中機械振動在所難免，但是我們可以把振動降到最低，所以必須采取的有效措施，使機械振動的頻率最小化，不僅延長加工工具的使用壽命，而且可以提高加工效率。本文對機械加工過程中振動現象產生的原因及其特征進行了分析，并提出了針對性的解決措施，希望能為從事機械加工的人員提供一定的參考價值。

1 機械加工過程中振動的分類

機械加工過程中振動主要就是有下面三點，首先就是強迫振動。強迫振動主要是在機械加工過程中受到有規律的外力的作用出現的一種振動，這是系統被迫產生的振動。強迫振動可以分為機內振源和機外振源振動。其次就是自由振動。

當系統受到初始干擾力而破壞了其平衡狀態后，僅靠彈性恢復力來維持的振動稱為自由振動。最后就是自激振動。自激振動的產生主要是系統在工作是本身的振動產生的外力，這種外力的產生也會一想到其它工作部位的振動。

2 自激振動的含義及其產生

一把橫過小提琴弦的琴弓，產生弓和弦之間的相互作用，從而產生聲音。聲音或是悅耳，或是刺耳，則取決于小提琴手的技巧。同樣的，橫過工件的一把銑刀，產生刀具與工件之間的相互作用。刀具與主軸一起振動。這振動在零件上留下許多細微的波紋。這些波紋會使刀刃受到變動的載荷。把這種效果稱為振顫。正像小提琴的聲音一樣，高速銑銷過程也可能是刺耳的或悅耳的。有時候振動系統雖未受周期性干擾力持續作用，也會產生持續的振動，則稱之為自激振動，一般也稱之為切削顫振。維持這種振動的交變力是振動系統在自身系統中激發出來的，自激系統是機床振動系統本身的調節環節把外界固定能源的能量轉變為維持振動的交變力，從而引起的刀具刀件之間持續的周期性振動，若切削過程一旦停止，即使機床仍繼續空運轉，自激振動也就停止，這也是與強迫振動的區別之處。所以可通過切削試驗來研究工藝系統或機床的自激振動。也可以通過改變對切削過程有影響的工藝參數來控制切削過程，從而限制自激振動的產生。

3 自激振動的產生

工藝系統中誘發自激振動產生方式有多種，如負摩擦顫振，再生顫振和主振模態耦合顫振等。

4 自激振動的消除

消除機床自激振動對于提高表面質量有重要意義，主要途徑有：

4.1 合理選擇與切削過程有關的參數

由于自激振動的形成是與切削過程本身密切相關的，所以可通過合理的選擇切削用量、刀具幾何角度和工件材料的可切削性等途徑來抑制自激振動。

（1）合理選擇切削用量

車銷中，當切削速度v在20到60m/min范圍內時，自激振動振幅增加很快，而當v超過此范圍以后，則振動又逐漸減弱了，通常切削速度v在50到60m/min左右穩定性最低，最容易產生自激振動，所以可以選擇高速或低速切削以避免自激振動。關于進給量f，通常當f較小時振幅較大，隨著f的增大振幅反而會變小，所以可以在加工粗糙度許可條件下選取較大的進給量來避免自激振動。切削深度越大，切削力越大，越容易產生振動。

（2）合理選擇刀具的幾何參數

使當地增大前角、主偏角，能夠減小切削力而減小振動。后角可盡量取小，但精加工中由于切深較小，刀刃不容易切入工件，而且切深過小時，刀具后刀面與加工表面間的摩擦可能過大，這樣反而容易引起自激振動。通常在刀具的主后刀面下磨出一段后角為負的窄棱面，具有很好的抗振性。

4.2 提高工藝系統本身的抗振性

（1）工藝系統本身的抗振性能是影響顫振的主要因素之一。首先應設法提高工藝系 統的接觸剛度，如對接觸面進行刮研，減小主軸系統的軸 承間隙，對滾動軸承施加一定的預緊力，提高頂尖孔的研 磨品質等。

加工細長軸（L/D>12）時，工件剛性差，易彎曲變形產生振動，此時應在采用彈性頂尖及輔助支承（中心架或 跟刀架）來提高工件抗振性能的同時，用冷卻液冷卻以減 小工件的熱膨脹變形。

當用細長刀桿進行孔加工時，應采用中間導向支承來提高刀具的抗振性能;減小刀具懸伸長度，一般情況下刀具伸出長度不宜超過刀桿高度的兩倍;采用如圖8所示的切向剛度較高的彈性刀桿，將不易產生刀桿的彎曲高頻振動。刀具高速自振時，宜提高轉速和切削速度，以提高切削溫度，消除刀具后刀面摩擦力下降特性和由此引起的自 振，但切削速度不宜>1.33 rn/s[80（m/rain）]。在增加工藝系統剛度的同時，應盡量減小構件的自身質量，應“以最輕的質量獲得最大的剛度”作為結構設計的一個重要原則。

（2）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以及其組合的影響。合理調整它們之間的關系，就可以有效地提高系統的抗振性，制自激振動。

（3）采用減振裝置

當采用上述各種措施仍無法控制振動時，可考慮使用消振減振裝置。減振裝置通常都是附加在工藝系統中，通過吸收或消耗振動能量，達到減振的目的。它對抑制自激振動有同樣的效果，是提高工藝系統抗振性的一個重要途徑。

（4）提高工件安裝時的剛性

主要是提高工件的彎曲剛性，如細長軸的車銷中，可以使用中心架和刀架等。

5 結語

通過對切削加工過程中產生振動的原因和特性的分析，采取相應的減振措施，可使切削加工中的振動現象明顯減小，大大提高工件表面品質及生產率。但完全消除振動現象，尚待進一步深入研究振動機理、尋找產生原因及消除措施。另一方面，近幾十年來，通過研究發現，如果科學合理地利用振動，反而可以更好地進行切削，如振動切削和磨削，都是利用振動來提高表面品質和生產率的先進加工技術。如何科學合理地利用振動是機械加工研究的又一課題。

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