機械加工自激振動研究

黃慶杰 唐山冀東水泥股份有限公司唐山分公司

1 自激振動的產(chǎn)生

所有實系統(tǒng)都躲不過能源損耗，而后由振動不斷減退從而靜止。所以維持持久的等幅振動是靠能量的補充。補充系統(tǒng)外界能量形式有兩種：1受迫振動。周期變化產(chǎn)生激力，系統(tǒng)會在此作用下來補充能量，系統(tǒng)維持等幅振動就是通過交變的能量。2自振系統(tǒng)。能量補充也是從外界接受，但不同的是能源不是周期變化的而是恒定的。系統(tǒng)控制能量的輸入是靠本身的狀態(tài)，來擬定一個調(diào)節(jié)器。交變性的能量就是調(diào)節(jié)器的作用。輸入與耗散的能量達到平衡而接近一定振幅的振動，就是自激振動。自振系統(tǒng)的構(gòu)成有三部分（耗散系統(tǒng)、恒定的能源、受系統(tǒng)運動狀態(tài)反饋的調(diào)節(jié)器）如下圖1所示：

圖1 自振系統(tǒng)的構(gòu)成

2 自激振動的特征

2.1 自振系統(tǒng)為非保守系統(tǒng)，因振動過程存在能量的輸入與耗散。

2.2 能源恒定，能量的輸入受位移、速度調(diào)節(jié)影響，為自治系統(tǒng)。自激振動頻率等于或接近系統(tǒng)的固有頻率，即由系統(tǒng)本身的參數(shù)決定 。

2.3 它是在切削加工過程中通過不斷吸取能量來維持自身穩(wěn)定的振動.而不是由外界千擾所引起。

2.4 自激振動振幅大小取決于每一振動周期內(nèi)系統(tǒng)獲得的能量與消耗能量的比值。當(dāng)獲得的能量大于消耗的能量時，則振幅將不斷增加，一直到兩者能量相等為止。反之振幅將不斷減小。當(dāng)獲得的能量小于消耗的能量時，自激振動也隨之消失。

3 產(chǎn)生自激振動的機理

自激振動與周期激勵的響應(yīng)相比較，依然是一種周期振動，它也是靠外界能源的驅(qū)動形成。切削過程中產(chǎn)生的自激振動是一種頻率較高的強烈振動，通常又稱為顫振。對于它的產(chǎn)生機理，進行了許多研究，但一直沒有找到完全成熟的理論，還不能用一種理論來闡明各種狀況下的切削(磨削)自激振動。目前運用較多的主要有再生顫振原理、振型耦合顫振原理兩種系統(tǒng)理論。

3.1 再生顫振原理

在穩(wěn)定的切削過程中， 由于偶然的擾動（如刀具碰到工件材料上的硬質(zhì)點、余量不均勻等），引起工件與刀具發(fā)生相對的自由振動，從而在切削表面上留下振紋，當(dāng)?shù)诙蔚毒呖偸峭耆貜?fù)或部分重復(fù)地切削到前一次切削過的表面。

3.2 振型耦合顫振原理

當(dāng)縱車方牙螺紋的外圓表面時(圖2)，刀具并不發(fā)生重疊切削，若按再生顫振的解釋已排除了產(chǎn)生顫振的可能性。但實際加工中，當(dāng)切削深度達到一定值時，仍會產(chǎn)生顫振，其原因可用“振型耦合理論”說明。

圖2 縱車方牙螺紋的外圓表面

4 減少自激振動的途徑

4.1 合理選擇切削用量

切削用量不僅是在機床調(diào)整前必須確定的重要參數(shù)，而且其數(shù)值合理與否對加工質(zhì)量、加工效率、生產(chǎn)成本等有著非常重要的影響。所謂“合理的”切削用量是指充分利用刀具切削性能和機床動力性能(功率、扭矩),在保證質(zhì)量的前提下，獲得高的生產(chǎn)率和低的加工成本的切削用量。

4.2 提高工藝系統(tǒng)的抗振性

提高機床抗振性，改善機床剛度、各部件的固有頻率要合理安排，特別是增加機床主軸部件、刀架部件、尾座部件和床身等的剛度。提高機床的制造和裝配質(zhì)童可使接觸剛度增加，并能增加阻尼系數(shù)，從而使抗振能力增強.

4.3 合理選擇刀具幾何角度

當(dāng)合理的刀具材料選定之后，能否使刀具材料發(fā)揮應(yīng)有的效用與刀具是否具有合理的幾何形狀和結(jié)構(gòu)，以及是否正確使用刀具密切相關(guān)，即合理選擇切削參數(shù)將直接影響到刀具切削能力的發(fā)揮，同時對于保證加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低加工成本都具有十分重要的意義。

4.4 采用減振裝置

當(dāng)上面所述的措施依舊不能夠達到消振的目的，就可以選擇減振裝置。減振裝置通常都是附加在工藝系統(tǒng)中，用來吸收或消耗振動時的能量 ，達到減振的目的。減振裝置可分為阻尼減振器、動力減振器、摩擦減振器和沖擊減振器。在設(shè)計，使用減振器時，要考慮減振效果、體積、重量、結(jié)構(gòu)、使用護以及經(jīng)濟效益等各種因素。

4.5 合理調(diào)整振型的剛度比

根據(jù)振型耦合原理，工藝系統(tǒng)的振動還受到各振型的剛度比及其組合的影響。合理調(diào)整它們之間的關(guān)系，可以有效地提高系統(tǒng)的抗振性，抑制自激振動。

5 加工波紋面的關(guān)鍵技術(shù)

車波紋面時應(yīng)注意以下幾點：切削進給速度一定要合理選擇，不能過高或過低，要和

刀具材料相匹配；盡量使粗車刀和精車刀1次裝夾完成加工任務(wù)，以減少頻繁換刀造成的對刀誤差。

6 總結(jié)

機械制造技術(shù)的發(fā)展日新月異，需要我們學(xué)習(xí)和掌握的東西非常多，而技術(shù)工人只局限于操作是遠遠不夠的。企業(yè)要發(fā)展，就必須融入越來越多的先進制造技術(shù)的理念和實踐。

[1]江志國.淺析機械振動的原因及其防止措施[J].現(xiàn)代經(jīng)濟信息.2017(08)

[2]丁向陽,馮高頭,編.機械加工常見異常現(xiàn)象分析及解決方法[M].機械工業(yè)出版社, 2017