機(jī)械加工振動(dòng)的分析及控制淺析

李文博，鄭祥東

(大慶油田路橋工程有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163453)

機(jī)械加工振動(dòng)的分析及控制淺析

李文博，鄭祥東

(大慶油田路橋工程有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163453)

介紹以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)機(jī)械加工的振動(dòng)產(chǎn)生的原因以及控制措施進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。對(duì)常見(jiàn)的振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行分析，從多個(gè)角度出發(fā)確定其發(fā)生的原因，采取措施進(jìn)行處理，減少甚至消除振動(dòng)問(wèn)題的發(fā)生。

機(jī)械加工；振動(dòng)；問(wèn)題控制

在機(jī)械加工過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題，將會(huì)直接對(duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量產(chǎn)生影響，無(wú)法達(dá)到專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在機(jī)械加工數(shù)字化與智能化水平不斷提高，設(shè)備工藝也在不斷更新，可以更大程度上來(lái)提高加工效率與產(chǎn)品質(zhì)量。但是就實(shí)際加工現(xiàn)狀來(lái)看，因?yàn)楣ぜc刀具之間為特定周期性運(yùn)動(dòng)，加工時(shí)會(huì)存在不同程度的振動(dòng)問(wèn)題，為消除其對(duì)產(chǎn)品造成的影響，必須要采取有效措施進(jìn)行處理，從根源上來(lái)避免問(wèn)題的發(fā)生。

1 機(jī)械加工振動(dòng)影響分析

防，消除振動(dòng)帶來(lái)的不利影響。

2 機(jī)械加工振動(dòng)問(wèn)題發(fā)生原因

機(jī)械加工振動(dòng)主要包括受迫振動(dòng)、自動(dòng)振動(dòng)以及自激振動(dòng)三種類型，且發(fā)生原因不同，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量以及設(shè)備性能等造成的影響也各不相同。其中，受迫振動(dòng)主要是因?yàn)槭艿较到y(tǒng)內(nèi)外因素干擾，維持一定振幅，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響嚴(yán)重，并且控制處理難度大，只要內(nèi)外干擾因素不完全去除，受迫振動(dòng)強(qiáng)度將不會(huì)減小，產(chǎn)生的影響也依然存在。即便是干擾頻率保持穩(wěn)定不變，在干擾力幅度值不斷增加情況下，受迫振動(dòng)幅度值也會(huì)隨之增加。自由振動(dòng)發(fā)生則是因?yàn)榍邢髁ψ兓黠@，產(chǎn)品受到的外部沖擊力過(guò)大，導(dǎo)致機(jī)械加工生產(chǎn)平衡狀態(tài)被打破，系統(tǒng)僅利用彈性恢復(fù)力進(jìn)行維持。但是因?yàn)槠淇梢圆扇〈胧┨幚恚蛊溲杆偎p，對(duì)產(chǎn)品與設(shè)備產(chǎn)生的影響比較小。

自激振動(dòng)與受迫運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)相反，其整個(gè)過(guò)程不存在衰減情況，其振動(dòng)頻率與系統(tǒng)固定系統(tǒng)規(guī)律相同，為緩解其影響需要掌握各時(shí)間段內(nèi)所獲得以及消耗能量比值，此為自激振動(dòng)產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。無(wú)論是哪種類型的振動(dòng)，在發(fā)生后如果不及時(shí)采取措施處理，均會(huì)對(duì)機(jī)床設(shè)備以及產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。受振動(dòng)影響，加工時(shí)工件與刀具移動(dòng)，造成產(chǎn)品表面粗糙度增加，甚至?xí)a(chǎn)生劃痕，同時(shí)還會(huì)加速刀具的磨損，縮短機(jī)床、夾具服務(wù)壽命，并且還會(huì)伴隨產(chǎn)生噪聲，必須要基于不同振動(dòng)類型發(fā)生原因，有針對(duì)性的采取措施進(jìn)行預(yù)

2.1 受迫振動(dòng)

受迫振動(dòng)產(chǎn)生的原因主要是受到加工系統(tǒng)內(nèi)外因素的干擾，外界存在持續(xù)刺激，并且加工時(shí)系統(tǒng)內(nèi)外交替變化而對(duì)產(chǎn)品以及設(shè)備產(chǎn)生影響。其中，外部因素可能是受附近機(jī)床運(yùn)行影響，設(shè)備安裝時(shí)間距控制不當(dāng)，機(jī)床或機(jī)器之間運(yùn)行存在較大影響，加工時(shí)引起振動(dòng)，并且可以通過(guò)地基進(jìn)行傳播，在預(yù)防處理上存在較大難度，因?yàn)槠湓趯?shí)際生產(chǎn)中是無(wú)法完全避免的。而內(nèi)部因素的存在主要為機(jī)床自身電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、高速回旋零件不平衡、機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)自身缺陷等產(chǎn)生的振動(dòng)。另外如果產(chǎn)品在加工切削環(huán)節(jié)操作失誤均勻性不達(dá)標(biāo)，或者是無(wú)法連續(xù)作業(yè)，也會(huì)造成機(jī)械振動(dòng)。機(jī)械加工過(guò)程中受迫振動(dòng)干擾存在一定干擾性，并且與一般機(jī)械振動(dòng)中的受迫振動(dòng)相比差異非常小，可以基于以往經(jīng)驗(yàn)來(lái)制定預(yù)防控制方案，最大程度上來(lái)降低其對(duì)產(chǎn)品加工質(zhì)量的影響。

2.2 自由振動(dòng)

自由振動(dòng)主要是受到外部環(huán)境因素的干擾，切削力變化明顯產(chǎn)生沖擊，機(jī)械加工系統(tǒng)平衡被打破。本質(zhì)上就是將激勵(lì)或者約束去除后機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)，與其他類型的振動(dòng)問(wèn)題相比，在預(yù)防和控制上難度較小，可以取得良好的效果。

2.3 自激振動(dòng)

自激振動(dòng)的產(chǎn)生不會(huì)受外力周期性干擾，主要是因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)部刺激造成的周期性振動(dòng)。在機(jī)械加工過(guò)程中，很多情況下加工刀具會(huì)與工件處于相對(duì)狀態(tài)，便會(huì)在產(chǎn)品表面上產(chǎn)生明顯的振紋，影響產(chǎn)品質(zhì)量。就機(jī)械加工自激振動(dòng)問(wèn)題的研究現(xiàn)狀來(lái)看，并沒(méi)有統(tǒng)一確定其產(chǎn)生原因，相應(yīng)的在加工階段中對(duì)控制措施的選擇具有更大的靈活性，但是想要獲得明顯的效果，還需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上持續(xù)研究。

3 機(jī)械加工振動(dòng)控制措施

3.1 受迫振動(dòng)控制

對(duì)于機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生的受迫振動(dòng)問(wèn)題，因?yàn)槠浞€(wěn)定狀態(tài)為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，在消除交變激振力后，系統(tǒng)內(nèi)所受大的受迫振動(dòng)將會(huì)停止。并且，受迫振動(dòng)保持與外界激振力頻率一致，不受系統(tǒng)固有頻率影響。另外，受迫振動(dòng)幅值與激振力幅值以及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性有關(guān)，需要進(jìn)行綜合分析。想要消除受迫振動(dòng)，避免其對(duì)加工系統(tǒng)的影響，首先需要確定振源，然后根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)措施處理。據(jù)此可以從以下幾個(gè)方面來(lái)采取措施控制。

（1）減小激振力。對(duì)于轉(zhuǎn)速超過(guò)600r/min的機(jī)床零件，如卡盤、砂輪、刀盤以及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等，需要進(jìn)行平衡達(dá)到降低甚至消除激振力的目的。同時(shí)還可以提高鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等傳動(dòng)裝置的穩(wěn)定性，常見(jiàn)的如利用完善帶接頭膠合平帶，或者是利用斜齒輪代替直齒輪等，降低系統(tǒng)換向速度。

（2）調(diào)整振源頻率。在確定系統(tǒng)加工轉(zhuǎn)速時(shí)，盡量將引起受迫振動(dòng)的振源頻率遠(yuǎn)離系統(tǒng)固有頻率，以免在加工過(guò)程中產(chǎn)生共振加大影響。同時(shí)，還應(yīng)設(shè)置減振設(shè)備，將消振、減振附件添加到加工系統(tǒng)內(nèi)，有效吸收或者消除振動(dòng)能量，降低振動(dòng)產(chǎn)生的影響，同時(shí)還可以在一定程度上抑制自激振動(dòng)，具有良好的實(shí)用效果。

（3）隔振措施。對(duì)加工系統(tǒng)應(yīng)用隔振措施，即利用彈性隔振裝置對(duì)需要防振處理的機(jī)床或部件與振源進(jìn)行有效隔離，通過(guò)吸收的大部分振動(dòng)能量后，減少對(duì)系統(tǒng)的影響。常見(jiàn)的如對(duì)電動(dòng)機(jī)與機(jī)床設(shè)置橡膠墊隔離振源，并在機(jī)床下安裝隔振器，或者是在機(jī)床四周開(kāi)挖隔振溝，并在溝內(nèi)填充纖維、鋸木屑、軟木等。另外，還應(yīng)對(duì)加工系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高其剛度與阻尼，增強(qiáng)系統(tǒng)抗振能力。例如提高聯(lián)接部件接觸剛度，應(yīng)用阻尼較大材料制造相關(guān)材料等。

3.2 自激振動(dòng)控制

自激振動(dòng)主要是因?yàn)楫a(chǎn)品切削加工過(guò)程中產(chǎn)生顫振造成，其雖然具有不衰減特點(diǎn)，但是當(dāng)切削工藝停止后，顫振將會(huì)隨之消失。對(duì)其運(yùn)行特點(diǎn)來(lái)看，顫振頻率接近于系統(tǒng)固有頻率，顫振能否產(chǎn)生以及維持主要受每個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)輸入和消耗能量比。基于此在對(duì)自激振動(dòng)進(jìn)行控制時(shí)，可以從以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行。

（1）科學(xué)確定切削用量。為提高產(chǎn)品加工效率，一般會(huì)選擇較高的切削速度，在速度為20～70m/min時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生自振的概率大，除去此范圍則振動(dòng)會(huì)相對(duì)較低，可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定切削速度。另外，就以往經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，進(jìn)給量和背吃刀量均與振幅有著密切聯(lián)系，并且在應(yīng)用較大進(jìn)給量與較小背吃刀量時(shí)系統(tǒng)顫振最小。

（2）提高系統(tǒng)抗振性。加工系統(tǒng)自身具有較高的抗振性能，將會(huì)降低自激振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品加工結(jié)果的影響。因此，可以采取措施來(lái)提高系統(tǒng)接觸剛度，例如刮研接觸面，減少主軸系統(tǒng)軸承間隙，并對(duì)滾動(dòng)軸施加一定預(yù)緊力來(lái)提高頂尖孔研磨質(zhì)量。另外，在對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸進(jìn)行加工時(shí)，如果工件剛性比較差，很容易因?yàn)閺澢冃萎a(chǎn)生振動(dòng)，因此需要設(shè)置彈性頂尖與輔助支承提高工件抗振性，并且還要利用切削液來(lái)減小工件的熱膨脹變形。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械加工過(guò)程中受工藝系統(tǒng)內(nèi)外因素影響而產(chǎn)生振動(dòng)，并且振動(dòng)類型不同產(chǎn)生的原因以及影響差異較大，對(duì)其控制措施進(jìn)行分析，需要確定各類型振動(dòng)產(chǎn)生原因，從多個(gè)方面著手，提高系統(tǒng)抗振性，減少振動(dòng)問(wèn)題的發(fā)生。

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TH161+.6

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1671-0711（2017）10（上）-0135-02