機械加工過程中機械振動的成因及解決措施

艾天波　白桂森

【摘 要】在進行機械加工的過程中，工件的表面質量尤為關鍵，直接關系到工件的使用性能，進而影響到工業生產的穩定運行。在進行機械加工的過程中，由于生產工藝中多種因素及加工機械本身等綜合作用的影響，機械加工過程會產生振動，由此影響到刀具的加工精度，降低工件的表面質量，進而影響工件的使用。為了保證工件的表面質量， 需要對引起振動的原因進行分析，從而制定出解決的措施，減少振動的發生幾率或者大小，提高機械加工的質量。

【關鍵詞】機械加工；強迫振動；自激振動；預防措施

引言：

在進行機械加工的過程中，如果出現振動，將會產生非常嚴重的后果，最直接后果就是影響到工件的表面質量。在正常情況下，刀具與工件之間的距離是按照一定的規范來固定的，如果產生振動，將會對刀具產生附加的動荷載，由此在工件的表面會出現振痕，影響到工件的表面品質以及使用性能。此外，這種振動會嚴重的磨損到刀具，從而降低刀具的精度和剛度，縮短刀具的使用壽命。振動還會導致機床各連接部位的松動，從而加大間隙，嚴重時可能會影響到加工的持續，甚至加工人員的安全。振動所產生的噪聲還會影響到工作人員的健康，所以采用相應的措施，減少振動的發生具有重要的意義。

1 機械加工振動的表現和特點

1.1 強迫振動

強迫振動是物體受到一個周期變化的外力作用而產生的振動。如在磨削過程中，由于電動機、高速旋轉的砂輪及皮帶輪等不平衡，三角皮帶的厚薄或長短不一致，油泵工作不平穩等，都會引起機床的強迫振動，它將激起機床各部件之間的相對振動，影響機床加工工件的精度，如粗糙度和圓度。對于刀具或做回轉運動的機床，振動還會影響回轉精度。強迫振動的特點是：①強迫振動本身不能改變干擾力，干擾力一般與切削過程無關。干擾力消除，振動停止。②強迫振動的頻率與外界周期干擾力的頻率相同，或是它的整倍數。③干擾力的頻率與系統的固有頻率的比值等于或接近于 1 時，產生共振，振幅達到最大值。

1.2 自激振動

是由振動系統本身在振動過程中激發產生的交變力所引起的不衰減的振動，就是自激振動。即使不受到任何外界周期性干擾力的作用，振動也會發生。如在磨削過程中砂輪對工件產生的摩擦會引起自激振動。工件、機床系統剛性差，或砂輪特性選擇不當，都會使摩擦力加大，從而使自激振動加劇。自激振動的特點是：①自激振動的頻率等于或接近系統的固有頻率。按頻率的高低可分為高頻顫振及低頻顫振。②自激振動能否產生及其振幅的大小，決定于每一振動周期內系統所獲得的能量與阻尼消耗能量的對比情況。③由于持續自激振動的干擾力是由振動過程本身激發的，故振動中止，干擾力及能量補充過程立即消失。

2 振動產生的原因分析

產生振動的原因復雜多變，根據機加工行業出現的振動現象及兩種不同類型振動的表現形式，分析原因，大致如下：

2.1 強迫振動產生的原因

①機床上回轉件不平衡所引起的周期性變化的離心力。如由于電機或卡盤、皮帶輪回轉不平衡引起的。②機床傳動零件缺陷所引起的周期性變化的傳動力。如因刀架、主軸軸承、拖板塞鐵等機床部件松動或齒輪、軸承等傳動零件的制作誤差而引起的周期性振動。③切削過程本身不均勻性所引起的周期性變化的切削力。如車削多邊形或表面不平的工件及在車床上加工外形不規則的毛坯工件。④往復運動部件運動方向改變時產生的慣性沖擊。如平面磨削過程的方向改變或瞬時改變機床的回轉方向。⑤由外界其他振源傳來的干擾力。在鍛造車間附近，因空氣錘的振動引起其他機床的強迫振動，甚至共振。

2.2 自激振動產生的原因

①切削過程中，切屑與刀具、刀具與工件之間摩擦力的變化。②切削層金屬內部的硬度不均勻。在車削補焊后的外圃或端面而出現的硬度不均現象，常常引起刀具崩刀及車床自振現象。③刀具的安裝剛性差，如刀桿尺寸太小或伸出過長，會引起刀桿顫動。④工件剛性差。如加工細長軸等剛性較差工件，會導致工件表面出現波紋或錐度。⑤積屑瘤的時生時滅，切削過程中刀具前角及切削層橫截面積不時改變。⑥切削量不合適引起的振動，切削量寬而薄的切削易振動。

3 預防措施

3.1 控制強迫振動的途徑

3.1.1 因為強迫振動的原因來自外部環境，所以對于引起振動的源頭要進行控制。對于轉速較高的工具，在使用之前，要對其進行平衡檢測。像是砂輪等進行高速旋轉的零件，因為其本身的砂粒分布不夠均勻，加之在旋轉的過程中，受到的不均勻磨損，致使表面平整度不均。由此砂輪在旋轉時就會產生振動，容易對主軸造成損傷。所以在新砂輪使用之前，要對修整前后的砂輪進行兩次檢測，以保證砂輪的平穩性，減少在運行時產生的振動。還可以選擇合適的軸承以及傳動帶，以此來減少振動以及噪聲的產生。

3.1.2 在機械加工的過程中，會有多個機械設備同時運轉，如果相鄰的兩個旋轉設備同時運轉，并且由旋轉而造成的振動頻率又相同時，就會造成共振現象。共振將會對機器造成較大的損害，加劇了磨損的范圍。為了解決這類現象，應該對振源進行調整，對相鄰的部件調整振動頻率，將激振力的頻率與系統固有的頻率調整開，防止共振的產生?；蛘哌€可以通過改變電動機的轉速或者是主軸的轉速來進行調整，亦或提高結合面的平整度，這些都可以有效的減少振動的產生。

3.1.3 對強迫振動進行分析

強迫振動主要是受到外界周期性的干擾力引起的振動。其產生的主要原因是：在切削加工中，因為構造機床的零件有些精度不高，當機床在工作時會出現受力不均勻的現象，從而導致振動的產生。同時在刀具刃面也會引起振動，各種刀具都具有自己獨特的刃口高度，因此在機械加工過程中就會產生振動。如果被切削的工件出現表面不連續以及軟硬度不相同等等方面的情況，也能夠導致在加工中產生振動。同時在加工系統的外部，也存在著導致車床在工作時產生振動的原因。強迫振動具有自己獨特的特點，主要為：因為導致振動產生的穩態是諧振動，所以在干擾力沒有消除時，振動不會減退，如果干擾力消除，振動就會立刻停止；根據振動產生的原因，振動的頻率等同于干擾力的頻率；當系統的阻尼力變小，強迫振動的振幅就會變大，諧波的影響軌跡范圍也越大，因此加大阻尼，可以有效地減少強迫振動的振幅；在共振的區域，很小的頻率就會導致振幅變化大，同時相位角也會發生變化。

3.2 控制自激振動的途徑

3.2.1 合理選用刀具的幾何參數

在經過多次的試驗和驗證得出，刀具的幾何參數與振動有很大的關系，所以在選擇刀具時，應該對幾何參數進行合理的選擇。幾何參數中的主偏角和前角與振動的關系最為密切，主偏角與振動的大小成正比例關系，前角與振動成反比例關系。所以合理的確定刀具的幾何參數，可以有效的減少自激振動的產生。

3.2.2 提高工藝系統的抗振性

工藝系統本身的抗振性能對于機器的震顫也有很大的影響，所以為了減少震顫，應該改善工藝系統的性能。對于機器中的接觸面，要不斷的提高剛度，并且進行研磨，嚴格控制主軸和軸承之間的空隙，增加預緊力改善頂尖孔的質量。

3.2.3 采用減振裝置

如果在工藝系統中，采用多種方法都無法減小振動，那么可以在工藝系統中使用減震措施，將減震裝置安放到系統中，以此來吸收振動所產生的能量。減震裝置對于強迫振動和震顫都有很好的效果，可以有效的提高平穩性。

4 結束語

機械加工是工業生產的重要方面，保證機械加工的質量是促進工業生產的重要基礎。在進行機械加工的過程中，會因為各種原因而產生振動，嚴重的影響到工件的質量和使用性能。所以應該分析引起振動的原因，然后采取有針對性的措施，減少振動的產生，提高工件的生產質量和性能，為工業生產打下堅實的基礎。

參考文獻：

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