機(jī)械零件加工中工藝系統(tǒng)自激振動(dòng)原因及消除措施分析

畢帥 任海霞

摘要：機(jī)械振動(dòng)在加工過(guò)程中很常見(jiàn)。如果加工過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)的頻率比較高，不僅會(huì)產(chǎn)生惱人的噪音，降低生產(chǎn)效率，還會(huì)影響加工產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)還會(huì)損壞加工刀具。機(jī)械振動(dòng)在加工過(guò)程中是不可避免的，但我們可以盡量減少振動(dòng)，所以必須采取有效的措施來(lái)減少機(jī)械振動(dòng)的頻率，這樣既可以延長(zhǎng)加工刀具的使用壽命，又可以提高加工效率。 本文分析了機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象的原因和特點(diǎn)，提出有針對(duì)性的解決方案，希望對(duì)從事機(jī)械加工的人員提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工;工藝系統(tǒng)振動(dòng);自由振動(dòng);控制措施

1.機(jī)械加工過(guò)程中振動(dòng)的分類(lèi)

機(jī)械加工過(guò)程中振動(dòng)主要就是有下面三點(diǎn)，首先就是強(qiáng)迫振動(dòng)。強(qiáng)迫振動(dòng)主要是在機(jī)械加工過(guò)程中受到有規(guī)律的外力的作用出現(xiàn)的一種振動(dòng)，這是系統(tǒng)被迫產(chǎn)生的振動(dòng)。強(qiáng)迫振動(dòng)可以分為機(jī)內(nèi)振源和機(jī)外振源振動(dòng)。其次就是自由振動(dòng)。

當(dāng)系統(tǒng)受到初始干擾力而破壞了其平衡狀態(tài)后，僅靠彈性恢復(fù)力來(lái)維持的振動(dòng)稱(chēng)為自由振動(dòng)。最后就是自激振動(dòng)。自激振動(dòng)的產(chǎn)生主要是系統(tǒng)在工作是本身的振動(dòng)產(chǎn)生的外力，這種外力的產(chǎn)生也會(huì)一想到其它工作部位的振動(dòng)。

2.自激振動(dòng)的含義及其產(chǎn)生：

橫過(guò)工件的一把銑刀，產(chǎn)生刀具與工件之間的相互作用。刀具與主軸一起振動(dòng)。這振動(dòng)在零件上留下許多細(xì)微的波紋。這些波紋會(huì)使刀刃受到變動(dòng)的載荷。把這種效果稱(chēng)為振顫。正像小提琴的聲音一樣，高速銑銷(xiāo)過(guò)程也可能是刺耳的或悅耳的。有時(shí)候振動(dòng)系統(tǒng)雖未受周期性干擾力持續(xù)作用，也會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的振動(dòng)，則稱(chēng)之為自激振動(dòng)，一般也稱(chēng)之為切削顫振。維持這種振動(dòng)的交變力是振動(dòng)系統(tǒng)在自身系統(tǒng)中激發(fā)出來(lái)的，自激系統(tǒng)是機(jī)床振動(dòng)系統(tǒng)本身的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)把外界固定能源的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫S持振動(dòng)的交變力，從而引起的刀具刀件之間持續(xù)的周期性振動(dòng)，若切削過(guò)程一旦停止，即使機(jī)床仍繼續(xù)空運(yùn)轉(zhuǎn)，自激振動(dòng)也就停止，這也是與強(qiáng)迫振動(dòng)的區(qū)別之處。所以可通過(guò)切削試驗(yàn)來(lái)研究工藝系統(tǒng)或機(jī)床的自激振動(dòng)。也可以通過(guò)改變對(duì)切削過(guò)程有影響的工藝參數(shù)來(lái)控制切削過(guò)程，從而限制自激振動(dòng)的產(chǎn)生。

自激振動(dòng)的產(chǎn)生：

工藝系統(tǒng)中誘發(fā)自激振動(dòng)產(chǎn)生方式有多種，如負(fù)摩擦顫振，再生顫振和主振模態(tài)耦合顫振等。

3.自激振動(dòng)的消除

消除機(jī)床自激振動(dòng)對(duì)于提高表面質(zhì)量有重要意義，主要途徑有：

3.1合理選擇與切削過(guò)程有關(guān)的參數(shù)。由于自激振動(dòng)的形成是與切削過(guò)程本身密切相關(guān)的，所以可通過(guò)合理的選擇切削用量、刀具幾何角度和工件材料的可切削性等途徑來(lái)抑制自激振動(dòng)。

a.合理選擇切削用量

車(chē)銷(xiāo)中，當(dāng)切削速度v在20到60m/min范圍內(nèi)時(shí)，自激振動(dòng)振幅增加很快，而當(dāng)v超過(guò)此范圍以后，則振動(dòng)又逐漸減弱了，通常切削速度v在50到60m/min左右穩(wěn)定性最低，最容易產(chǎn)生自激振動(dòng)，所以可以選擇高速或低速切削以避免自激振動(dòng)。關(guān)于進(jìn)給量f，通常當(dāng)f較小時(shí)振幅較大，隨著f的增大振幅反而會(huì)變小，所以可以在加工粗糙度許可條件下選取較大的進(jìn)給量來(lái)避免自激振動(dòng)。切削深度越大，切削力越大，越容易產(chǎn)生振動(dòng)。

b.合理選擇刀具的幾何參數(shù)

使當(dāng)?shù)卦龃笄敖?、主偏角，能夠減小切削力而減小振動(dòng)。后角可盡量取小，但精加工中由于切深較小，刀刃不容易切入工件，而且切深過(guò)小時(shí)，刀具后刀面與加工表面間的摩擦可能過(guò)大，這樣反而容易引起自激振動(dòng)。通常在刀具的主后刀面下磨出一段后角為負(fù)的窄棱面，具有很好的抗振性。

3.2提高工藝系統(tǒng)本身的抗振性

a、工藝系統(tǒng)本身的抗振性能是影響顫振的主要因素之一。首先應(yīng)設(shè)法提高工藝系 統(tǒng)的接觸剛度，如對(duì)接觸面進(jìn)行刮研，減小主軸系統(tǒng)的軸 承間隙，對(duì)滾動(dòng)軸承施加一定的預(yù)緊力，提高頂尖孔的研 磨品質(zhì)等。

加工細(xì)長(zhǎng)軸（L/D>12）時(shí)，工件剛性差，易彎曲變形產(chǎn)生振動(dòng)，此時(shí)應(yīng)在采用彈性頂尖及輔助支承（中心架或 跟刀架）來(lái)提高工件抗振性能的同時(shí)，用冷卻液冷卻以減小工件的熱膨脹變形。

當(dāng)用細(xì)長(zhǎng)刀桿進(jìn)行孔加工時(shí)，應(yīng)采用中間導(dǎo)向支承來(lái)提高刀具的抗振性能;減小刀具懸伸長(zhǎng)度，一般情況下刀具伸出長(zhǎng)度不宜超過(guò)刀桿高度的兩倍;采用如圖8所示的切向剛度較高的彈性刀桿，將不易產(chǎn)生刀桿的彎曲高頻振動(dòng)。刀具高速自振時(shí)，宜提高轉(zhuǎn)速和切削速度，以提高切削溫度，消除刀具后刀面摩擦力下降特性和由此引起的自 振，但切削速度不宜>1.33 rn/s[80（m/rain）]。在增加工藝系統(tǒng)剛度的同時(shí)，應(yīng)盡量減小構(gòu)件的自身質(zhì)量，應(yīng)“以最輕的質(zhì)量獲得最大的剛度”作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則。

b、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(dòng)還受到各振型的剛度比以及其組合的影響。合理調(diào)整它們之間的關(guān)系，就可以有效地提高系統(tǒng)的抗振性，制自激振動(dòng)。

c、采用減振裝置

當(dāng)采用上述各種措施仍無(wú)法控制振動(dòng)時(shí)，可考慮使用消振減振裝置。減振裝置通常都是附加在工藝系統(tǒng)中，通過(guò)吸收或消耗振動(dòng)能量，達(dá)到減振的目的。它對(duì)抑制自激振動(dòng)有同樣的效果，是提高工藝系統(tǒng)抗振性的一個(gè)重要途徑。

d、提高工件安裝時(shí)的剛性

主要是提高工件的彎曲剛性，如細(xì)長(zhǎng)軸的車(chē)銷(xiāo)中，可以使用中心架和刀架等。

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)切削加工過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)的原因和特性的分析，采取相應(yīng)的減振措施，可使切削加工中的振動(dòng)現(xiàn)象明顯減小，大大提高工件表面品質(zhì)及生產(chǎn)率。但完全消除振動(dòng)現(xiàn)象，尚待進(jìn)一步深入研究振動(dòng)機(jī)理、尋找產(chǎn)生原因及消除措施。另一方面，近幾十年來(lái)，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，如果科學(xué)合理地利用振動(dòng)，反而可以更好地進(jìn)行切削，如振動(dòng)切削和磨削，都是利用振動(dòng)來(lái)提高表面品質(zhì)和生產(chǎn)率的先進(jìn)加工技術(shù)。如何科學(xué)合理地利用振動(dòng)是機(jī)械加工研究的又一課題。

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