淺析機(jī)械加工過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)的成因及措施

（河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000）

【摘要】：在加工過(guò)程中，振動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重影響了加工零件的生產(chǎn)效率和表面質(zhì)量。同時(shí)，也會(huì)造成刀具損壞、噪聲污染。因此，分析機(jī)械加工中機(jī)械振動(dòng)的原因，并采取相應(yīng)的措施，對(duì)于提高機(jī)械加工的質(zhì)量與效率具有重要的價(jià)值。文章分析了機(jī)械加工過(guò)程中振動(dòng)產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)，并提出了相應(yīng)的解決措施，為解決機(jī)械加工過(guò)程中的機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象提供了參考。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械加工；機(jī)械振動(dòng)；振動(dòng)成因；措施

經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)過(guò)程中，缺少不了各種原材料和設(shè)備，所有的過(guò)程都是需要進(jìn)行加工處理的。隨著國(guó)內(nèi)機(jī)械加工先進(jìn)水平的不斷提高，加工效率和經(jīng)濟(jì)效益逐漸增加，為其他領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但我們不能忽視當(dāng)前機(jī)械的過(guò)程中也存在一些問(wèn)題，特別是振動(dòng)產(chǎn)生的對(duì)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品以及加工生產(chǎn)的不利影響，還有其造成的嚴(yán)重的噪音污染，不符合當(dāng)代社會(huì)對(duì)加工行業(yè)的需求。另外，機(jī)械振動(dòng)也造成設(shè)備資源的過(guò)早損壞，因此應(yīng)關(guān)注機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象，詳細(xì)探討其產(chǎn)生的原因，并積極采取相應(yīng)的措施來(lái)改善。

一、機(jī)械加工過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)的原因及特點(diǎn)

（一）自由振動(dòng)產(chǎn)生的原因

在機(jī)械加工中，自由振動(dòng)是最簡(jiǎn)單的振動(dòng)，在機(jī)械振動(dòng)中的比例僅僅只有5%左右。一般情況下，引起機(jī)械自由振動(dòng)的主要原因有以下幾個(gè)方面：一是，在機(jī)械設(shè)備加工過(guò)程中，切削力突然變化，造成自由振動(dòng)；二是，加工設(shè)備在工作的時(shí)候受到外力作用而造成自由振動(dòng)。

（二）自激振動(dòng)產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)

產(chǎn)生自激振動(dòng)的原因主要有以下幾個(gè)方面：其一，在加工過(guò)程中，刀屑與刀具、刀具與工件之間的摩擦發(fā)生變化，引起自激振動(dòng)；其二，由于工件內(nèi)部硬度不均勻，造成刀具崩刀后和加工設(shè)備發(fā)生自激振蕩；其三，加工設(shè)備中刀具安裝剛性差，導(dǎo)致刀桿顫動(dòng)而引發(fā)自激振蕩；其四，機(jī)械加工設(shè)備加工細(xì)長(zhǎng)軸等工件，由于其剛性較差，工件表面不可避免的產(chǎn)生波紋或錐度，進(jìn)而產(chǎn)生自激振蕩；其五，由于積屑瘤不穩(wěn)定，時(shí)生時(shí)滅，同時(shí)刀具前角及切削層橫截面積在機(jī)械加工時(shí)又不斷發(fā)生改變，這些都會(huì)引起自激振動(dòng)。

相比于與其他類(lèi)型的振動(dòng)，自激振動(dòng)的主要特征如下：一是自激振動(dòng)的產(chǎn)生不存在周期性外力干擾。二是其產(chǎn)生的振動(dòng)頻率與機(jī)械加工系統(tǒng)的某一固有頻率接近。三是自激振動(dòng)在振動(dòng)時(shí)，其本身會(huì)導(dǎo)致某種不衰減的周期性變化，振動(dòng)系統(tǒng)會(huì)借助這種周期性變化力，從不具備交變特性的能源中周期性地獲得補(bǔ)充能量，以保持振動(dòng)。振動(dòng)停止后，這種外力的周期性變化與能量的補(bǔ)充過(guò)程均停止。四是自激振動(dòng)的產(chǎn)生及其振幅的大小取決于每一振動(dòng)周期內(nèi)獲得的能量與消耗的能量的比值。

（三）強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)

機(jī)械加工過(guò)程中強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生的主要原因有工藝系統(tǒng)內(nèi)部和外部?jī)煞矫嬉蛩亍９に囅到y(tǒng)內(nèi)部因素造成強(qiáng)迫振動(dòng)的原因：一是離心慣性力引起的振動(dòng)。在機(jī)械加工工藝系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸節(jié)、皮帶輪、砂輪以及被加工的高速回轉(zhuǎn)工件會(huì)發(fā)生不平衡現(xiàn)象，這種不平衡會(huì)產(chǎn)生離心慣性力，從而引發(fā)強(qiáng)迫振動(dòng)，所引發(fā)振動(dòng)頻率與這些元件每秒鐘的相應(yīng)轉(zhuǎn)數(shù)大致相等。二是機(jī)械加工系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在缺陷。有些傳動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)零件存在制造誤差或者裝配誤差，這些誤差會(huì)引發(fā)周期性的干擾力，導(dǎo)致強(qiáng)迫振動(dòng)的產(chǎn)生，如，皮帶傳動(dòng)中平皮帶的接頭，軸承滾道尺寸的不均勻等都會(huì)引起強(qiáng)迫振動(dòng)。三是機(jī)械加工時(shí)存在的間歇特性。當(dāng)加工件的加工部位與間斷部分具有一定的節(jié)奏交替時(shí)，很容易產(chǎn)生周期性的激振力，從而引發(fā)強(qiáng)迫振動(dòng)，如，銑削、拉削及周邊磨損不均勻的砂輪。工藝系統(tǒng)外部因素造成強(qiáng)迫振動(dòng)的原因：一是地基振動(dòng)因素，典型的有機(jī)械加工現(xiàn)場(chǎng)周?chē)嬖谝鸬鼗鶑?qiáng)烈振動(dòng)，如，空氣壓縮機(jī)、大型沖床、大型鍛錘等設(shè)備等。二是具有往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件的機(jī)械加工設(shè)備在加工過(guò)程中，液壓系統(tǒng)中液壓件的沖擊現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行換向時(shí)產(chǎn)生的慣性力均會(huì)引起強(qiáng)迫振動(dòng)。

強(qiáng)迫振動(dòng)的特征機(jī)械加工中強(qiáng)迫振動(dòng)的主要特征如下：一是其自身不改變干擾力，與加工過(guò)程關(guān)系不大，通過(guò)相應(yīng)措施消除干擾力，振動(dòng)即可停止。二是強(qiáng)迫振動(dòng)的振動(dòng)頻率與外界周期干擾力頻率相近，或者是其頻率的整倍數(shù)。三是強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生的干擾力頻率在一定條件下很容易與系統(tǒng)自身固有頻率發(fā)生共振現(xiàn)象，嚴(yán)重影響機(jī)械加工過(guò)程。四是強(qiáng)迫振動(dòng)所產(chǎn)生的振幅與干擾力成正比，與剛度及阻尼成反比。五是強(qiáng)迫振動(dòng)的位移變化比干擾力在相位上滯后一個(gè)相位角。

二、機(jī)械加工過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)的改善措施

（一）減少?gòu)?qiáng)迫振動(dòng)的措施

機(jī)械加工中產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)是由周期性激振力引起，強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率總是與干擾力的頻率相等或是其倍數(shù)，因此消除或者減少這種振動(dòng)的首要問(wèn)題是找出振動(dòng)源。

其一，減小激振力。激振力是由機(jī)械加工過(guò)程中回轉(zhuǎn)的不平衡質(zhì)量引起的，減小激振力就是減小因回轉(zhuǎn)元件的不平衡所引起的離心慣性力及沖擊力，一是對(duì)砂輪、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子及刀盤(pán)等600rad/min以上的高速回轉(zhuǎn)元件進(jìn)行靜平衡與動(dòng)平衡，或者設(shè)置自動(dòng)平衡裝置。二是提高傳動(dòng)裝置的穩(wěn)定性，如，機(jī)械加工設(shè)備所用的傳動(dòng)皮帶長(zhǎng)短一致、無(wú)接頭或者少接頭、盡量用斜齒輪代替直齒輪、在主軸上安裝飛輪、高精度與小功率加工設(shè)備使動(dòng)力源與機(jī)床脫 離等措施。三是提高傳動(dòng)的穩(wěn)定性，改善以聯(lián)軸器相聯(lián)的各軸軸心線(xiàn)間的同軸度，從高速軸或主 軸上除去帶動(dòng)潤(rùn)滑油泵的凸輪，同時(shí)提高制造精 度和裝配質(zhì)量。

其二，調(diào)節(jié)振源頻率。在機(jī)械加工過(guò)程中，合理安排加工系統(tǒng)的固有頻率，能夠有效預(yù)防共振現(xiàn)象的發(fā)生，其主要措施如下：一是為有效避開(kāi)系統(tǒng)的固有頻率，可以調(diào)節(jié)激振力頻率。二是在設(shè)計(jì)機(jī)械加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)時(shí)，讓工藝系統(tǒng)各個(gè)部件的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于或者遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于共振區(qū)頻率。三是對(duì)機(jī)械加工設(shè)備中的軸承與鑲條等部件的間隙加以調(diào)整，使其偏離激振頻率。四是調(diào)節(jié)機(jī)械加工系統(tǒng)的一些運(yùn)動(dòng)參數(shù)，有效避免可能產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)的振源頻率，遠(yuǎn)離機(jī)械加工設(shè)備中薄弱模態(tài)的固有頻率。

其三，增加系統(tǒng)阻尼。增大阻尼是提高動(dòng)剛度和振動(dòng)穩(wěn)定性的有效措施，主要方法是在機(jī)床主軸上加裝電流變液阻尼器、對(duì)滾動(dòng)軸承適當(dāng)預(yù)緊、將型砂或混凝土等阻尼材料填充在支承件的零部件臂中，在機(jī)械加工系統(tǒng)中的承受彎曲振動(dòng)的支承件的表面噴涂一層有高內(nèi)阻和較高彈性模量的黏性材料等。提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度的主要方法是提高加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)件剛度。

（二）自激振動(dòng)控制措施

自激振動(dòng)主要影響因素來(lái)源于受切削過(guò)程中的工藝系統(tǒng)內(nèi)部，因此對(duì)自激振動(dòng)控制應(yīng)該從機(jī)械加工中的切削用量、刀具幾何參數(shù)以及切削過(guò)程中的阻尼進(jìn)行控制，減小或消除自激振動(dòng)。

其一，減小重疊系數(shù)。重疊系數(shù)對(duì)系統(tǒng)再生效應(yīng)的大小影響很大，因此，通過(guò)改變切削用量和刀具幾何形狀，盡量減小μ值，可提高切削的穩(wěn)定性。其二，合理選擇刀具幾何參數(shù)。在機(jī)械加工中所用的刀具幾何參數(shù)中，適當(dāng)?shù)卦龃笄敖桥c主偏角，能減小振動(dòng)。同時(shí)后角要盡量取小。在精加工時(shí)，如果切削深度選擇較小，后角過(guò)小，刀刃不容易切入工件，同時(shí)刀具后面與加工表面間的摩擦?xí)觿?，更容易產(chǎn)生自激振動(dòng)，因此為增大工件和后刀面之間的摩擦阻尼，可在刀具的主后面上磨出一段后角為負(fù)的窄棱面。

參考文獻(xiàn)：

[1]余建國(guó). 機(jī)械加工過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)的成因分析[J]. 山東工業(yè)技術(shù)，2014，24：10.

[2]李淵. 分析機(jī)械加工過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題的解決[J]. 民營(yíng)科技，2015，05：37.

[3]潘學(xué)民. 機(jī)械加工過(guò)程中的機(jī)械振動(dòng)分析[J]. 科技視界，2015，19：69.

[4]史功赫，劉貴強(qiáng)，韓文達(dá)，毛瑩晶，劉春德. 淺談機(jī)械加工過(guò)程中的振動(dòng)[J]. 科技資訊，2011，05：126.

[5]于濤. 機(jī)械加工過(guò)程中的振動(dòng)特點(diǎn)及預(yù)防措施[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，09：59.