機械加工過程中的振動特點和預防措施分析

摘要：機械加工過程中的振動會惡化加工表面質量，損壞切削刀具，降低生產率。本文著重介紹振動的兩種類型，振動產生的原因及消除方法，供大家參考。

關鍵詞：機械加工 強迫振動 自激振動 預防措施

0 引言

機械加工中的振動對加工表面品質和生產率有很大的影響，是一種十分有害的物理現象。若加工中產生了振動，刀具與工件間將產生相對位移，會使加工表面產生振痕，嚴重影響零件的表面品質和性能；振動使刀具受到附加動載荷，加速刀具磨損，有時甚至崩刃；同時振動使機床、夾具等的連接部分松動，從而增大間隙，降低剛度和精度，縮短使用壽命，嚴重時甚至使切削加工無法繼續進行；振動中產生的噪聲還將危害操作者的身體健康。為減小振動，有時不得不降低切削量，使機床加工的生產效率降低。因此，研究分析機械加工中的振動原因和特性，尋求控制振動的有效途徑是很有必要的。

1 機械加工振動的表現和特點

振動分強迫振動和自激振動兩種類型。具體表現和特點如下。

1.1 強迫振動 強迫振動是物體受到一個周期變化的外力作用而產生的振動。如在磨削過程中，由于電動機、高速旋轉的砂輪及皮帶輪等不平衡，三角皮帶的厚薄或長短不一致，油泵工作不平穩等，都會引起機床的強迫振動，它將激起機床各部件之間的相對振動幅值，影響機床加工工件的精度，如粗糙度和圓度。對于刀具或做回轉運動的機床，振動還會影響回轉精度。強迫振動的特點是：①強迫振動本身不能改變干擾力，干擾力一般與切削過程無關(除由切削過程本身所引起的強迫振動外)。干擾力消除，振動停止。如外界振源產生的干擾力，只要振源消除，導致振動的干擾力自然就不存在了。②強迫振動的頻率與外界周期干擾力的頻率相同，或是它的整倍數。③干擾力的頻率與系統的固有頻率的比值等于或接近與1時，產生共振，振幅達到最大值。此時對機床9O_T_過程的影響最大。④強迫振動的振幅與干擾力，系統的剛度及阻尼大小有關。干擾力越大、剛度及阻尼越小，則振幅越大，對機床的加工過程影響也就越大。

1.2 自激振動 是由振動系統本身在振動過程中激發產生的交變力所引起的不衰減的振動，就是0激振動。即使不受到任何外界周期性干擾力的作用，振動也會發生。如在磨削過程中砂輪對工件產生的摩擦會引起自激振動。工件、機床系統剛性差，或砂輪特性選擇不當，都會使摩擦力加大，從而使自激振動加劇。或由于刀具剛性差、刀具幾何角度不正確引起的振動，都屬于自激振動。自激振動的特點是：①自激振動的頻率等于或接近系統的固有頻率。按頻率的高低可分為高頻顫振(一般頻率在500～50O0Hz)及低頻顫振(一般頻率為50 500Hz o②自激振動能否產生及其振幅的大小，決定于每一振動內系統所獲得的能量與阻尼消耗能量的對比情況。③由于持續自激振動的干擾力是由振動過程本身激發的，故振動中止，干擾力及能量補充過程立即消失。

2 振動產生的原因分析

產生振動的原因復雜多變，根據機加工行業出現的振動現象及兩種不同類型振動的表現形式，分析原因，大致如下：

2.1 強迫振動產生的原因 ①機床上回轉件不平衡所引起的周期性變化的離心力。如由于電機或卡盤、皮帶輪回轉不平衡引起的。②機床傳動零件缺陷所引起的周期性變化的傳動力。如因刀架、主軸軸承、拖板塞鐵等機床部件松動或齒輪、軸承等傳動零件的制作誤差而引起的周期性振動。③切削過程本身不均勻性所引起的周期性變化的切削力。如車削多邊形或表面不平的工件及在車床上加工外形不規則的毛坯工件。④往復運動部件運動方向改變時產生的慣性沖擊。如平面磨削過程的方向改變或瞬時改變機床的回轉方向。⑤由外界其他振源傳來的干擾力。在鍛造車間附近，因空氣錘的振動引起其他機床的強迫振動，甚至共振。

2.2 自激振動產生的原因 ①切削過程中，切屑與刀具、刀具與工件之間摩擦力的變化。②切削層金屬內部的硬度不均勻。在車削補焊后的外圃或端面而出現的硬度不均現象，常常引起刀具崩刀及車床自振現象。③刀具的安裝剛性差，如刀桿尺寸太小或伸出過長，會引起刀桿顫動。④工件剛性差。如加工細長軸等剛性較差工件，會導致工件表面出現波紋或錐度。⑤積屑瘤的時生時滅，時切削過程中刀具前角及切削層橫截面積不時改變。⑥切削量不合適引起的振動，切削寬而薄的切削易振動。

3 預防措施

3.1 控制強迫振動的途徑 強迫振動是由于外界周期性干擾力引起的，因此為了消除受迫振動，應先找出振源，然后采取適應的措施加以控制。

3.1.1 減小或消除振源的激振力。對轉速在600r／min以上的零件如砂輪、卡盤、電動機轉子等必須經過平衡，特別是高速旋轉的零件，如砂輪，因其本身砂粒的分布不均勻和工作時表面磨損不均勻等原因，容易造成主軸的振動，因此對于新換的砂輪必須進行修整前和修整后的兩次平衡。提高齒輪的制造精度和裝配精度，特別是提高齒輪的工作平穩性精度，從而減少因周期性的沖擊而引起的振動，并可減少噪聲；提高滾動軸承的制造和裝配精度，以減少因滾動軸承的缺陷而引起的振動：選用長短一致、厚薄均勻的傳動帶等。

3.1.2 調整振源頻率。避免激振力的頻率與系統的固有頻率接近，以防止共振。采取更換電動機的轉速或改變主軸的轉速來避開共振區；用提高接觸面精度、降低結合面的粗糙度、消除間隙、提高接觸剛度等方法，來提高系統的剛度和固有頻率。

3.1.3 采用隔振措施。機床的電機與床身采用柔性聯接以隔離電機本身的振動；把液壓部分與機床分開；采用液壓緩沖裝置以減少部件換向時的沖擊；采用厚橡皮、木材將機床地基隔離，用防振溝隔開設備的基礎和地面的聯系，以防止周圍的振源通過地面和基礎傳給機床等。

3.2 控制自激振動的途徑

3.2.1 合理選用刀具的幾何參數 試驗和理論研究表明，刀具的幾何參數中，對振動影響最大的是主偏角Kr和前角γ0。由于切屑越寬越容易產生振動，而Kr越小，切削寬度越寬，因此越易產生振動，前角γ0越大，切削力越小，振幅也越小。

3.2.2 提高工藝系統的抗振性 工藝系統本身的抗振性能是影響顫振的主要因素之一。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，提高頂尖孔的研磨質量等。加工細長軸時，使用中心架或跟刀架，盡量縮短鏜桿和刀具的懸伸量，用死頂尖代活頂尖，采用彈性刀桿等都能收到較好的減振效果。

3.2.3 采用減振裝置 當采用上述措施仍然達不到消振的目的時，可考慮使用減振裝置。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。它對抑制強迫振動和顫振同樣有效，是提高工藝系統抗振性的一個重要途徑，但它并不能提高工藝系統的剛度。

3.2.4 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，抑制自激振動。

4 結束語

機械加工過程產生的振動非常復雜，是需要日常的不斷分析和總結，根據不同情況分析原因，采取措施加以消除和控制，以保證加工工件的質量要求，提高生產率，創造良好工作環境。