機械加工過程中機械振動的因素以及對策探討

仲健維

摘要：在機械加工中，機械振動對生產效率以及工件的加工質量的影響都是非常惡劣的，因此通過對不同類型的機械加工振動的成因以及控制措施進行了分析，為減少機械振動提供一些參考。

關鍵詞：機械加工；振動；預防措施

1.機械加工中振動的類型

在機械加工中，強迫振動比較容易出現，這種由于外界存在固定的周期性的影響，系統在這種影響下，振動表現為強制的、周期性的。

自由振動與強迫振動不同，自由振動是機械系統在最初運行時受到了激振力作用，系統平衡被破壞。不過由于阻尼的存在，自由振動呈減弱趨勢，對系統的影響較之于其他形式的振動小。

在機械加工中，自激振動雖然不易出現，但是其對加工系統的影響是比較大的。是交變力與周期性振動的產物，在切削過程中，也稱作顫振。自激振動是一種頻率較高的振動。系統的振動能夠引發工件、刀具間的位置變化，使得加工過程產生了維持振動運動的動態切削力，系統產生了自然激蕩。

2.不同類型的振動產生的原因

2.1強迫振動

機械加工中，產生振動的原因包括系統外部作用和系統內部，主要包括：

2.1.1系統內部傳動零件缺陷，使得傳動力發生周期性變化而引起的周期性運動。

2.1.2系統內部回轉件不平衡導致離心力的周期性變化。

2.1.3切削本身的不均勻性使得切削力呈周期性變化。

2.1.4慣性沖擊。往復運動部件的運動方向改變時產生的。

2.1.5外界干擾。來自系統外振源的影響，而引起的強迫振動。

2.2自由振動

自由振動是機械加工中最簡單的振動，其產生原因主要是：

2.2.1機械加工中，切削力的突然變化產生的自由振動。

2.2.2機械加工中，外界力的沖擊而造成的振動。

可以了解，機械加工中自由振動的產生是一個突然變化的力的作用，所以這個突然并不是周期性的，也不會提供持續的能量補充，并且在阻尼的作用下，迅速衰減。雖然自由振動對機械加工的影響不大，但仍需對其重視，因為在某些條件具備時可能引發自激振動。

2.3自激振動

自激振動產生的原因主要包括：

2.3.1在機械加工中，刀具與工件以及切屑與刀具間產生的摩擦力可能引發自激振動。

2.3.2加工工件內部硬度不均，刀具崩刀后可能與加工設備發生自激振蕩。

2.3.3刀具安裝剛性差，使刀桿顫動引發自激振蕩。

2.3.4在機械加工中，切削量選取不當產生的自激振蕩。

2.3.5由于積屑瘤時生時滅，機械加工時刀具前角及切削層橫截面積的不斷改變，都是自激振蕩的發生的誘因。

3.機械振動的應對對策

大量數據研究表明，機械加工中，三種振蕩類型其中強迫振動約占30% ，自由振動約5%，而自激振動約占65%。自由振動不僅僅比例小，由于其自身會發生衰減，所以對機械加工過程的影響極小。而另外兩種對系統的危害很大，本文主要針對這兩種形式的振動減少措施進行分析。

3.1強迫振動的減少

機械加工中，周期性的激振力是強迫振動產生的原因，找出振源是消除振動的有效措施。強迫振動的減少措施主要包括：調節振源頻率、減少激振力、阻尼系數的增加以及減少外來振動。

3.1.1對振源頻率進行調節

強迫振動的頻率與振源頻率相等或成倍數關系。在機械加工中，對加工系統的固有頻率的設置，能夠大大減少共振現象的發生，主要措施包括：①調節激振力頻率，避開系統的固有頻率；②調節軸承與鑲條等部件的間隙，使其偏離激振頻率；③對機械加工系統中的運動參數進行調節，有效避免可能產生的強迫振動的振源頻率；④設計機械加工設備的結構時，要協調工藝系統中各部件的固有頻率，使其遠離共振區的頻率。

3.1.2減少激振力

在機械加工過程中，回轉的不平衡質量是激振力產生的原因，所以保證回轉原件的平衡就能夠在源頭，是減少強迫振動的有效措施。首先，對600 rpm/min以上的高速回轉原件，如砂輪、刀盤以及電動機轉子等設置自動平衡裝置；其次通過對設備的維護，例如提高設備參數精度等使得傳動裝置的穩定性得以提高；最后是通過對與聯軸器相聯的各軸軸心線間的同軸度的調整等，提高傳動的穩定性。

3.1.3系統阻尼的增加

增大阻尼的主要方法包括：預緊滾動軸承、電流變液阻尼器的加裝、在支承件的零部件臂填充阻尼材料等。

3.2自激振動的減少

想要對自激振動進行控制，主要從工藝系統內部入手，減小或消除自激振動。

3.2.1重疊系數μ的減小

重疊系數μ=0時，系統中不存在再生型的自激振動；當μ=1時，其再生效應最大。也就是說μ越小，切削的穩定性越高。影響μ值的大小的因素包括切削用量、刀具的幾何形狀以及加工方式，所以可以通過對影響因素的控制，盡量減少μ值。

3.2.2選擇合理的刀具幾何參數

為了減小振動，在機械加工中可以適當增加前角與主偏角。

3.2.3選擇合理的切削用量

一是為減小自激振動，盡量選取較大的進給量與較小的切削深度。二是對沒有要求的加工工件，可采用高速切削或低速切削，避免自激振動。三是在加工表面粗糙度允許的情況下，為有效預防自激振動應選取較大的進給量。

3.2.4提高工藝系統的動態特性以及使用減震裝置

機械加工工藝系統自身的抗振性能對機械振動的影響也是比較大的，所以我們可以通過對工藝系統薄弱環節的剛度的提升、增大工藝系統自身阻尼等，有效的提高工藝系統的抗振性能。

減震裝置的使用同時能夠有效的控制機械加工中的振動問題。主要包括動力減振器、摩擦減振器和沖擊減振器。

4.結語

在機械加工中，造成機械振動的原因很多，且較為復雜，需要在實踐中不斷對振動的形式以及振動原因進行分析，從而減少有害振動的發生，使得零件的加工質量得到保證。

參考文獻：

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