机械加工过程中的振动特点和预防措施分析

胡健锋

摘要：机械加工过程中的振动会恶化加工表面质量，损坏切削刀具，降低生产率。本文着重介绍振动的两种类型，振动产生的原因及消除方法，供大家参考。

关键词：机械加工 强迫振动 自激振动 预防措施

0 引言

机械加工中的振动对加工表面品质和生产率有很大的影响，是一种十分有害的物理现象。若加工中产生了振动，刀具与工件间将产生相对位移，会使加工表面产生振痕，严重影响零件的表面品质和性能；振动使刀具受到附加动载荷，加速刀具磨损，有时甚至崩刃；同时振动使机床、夹具等的连接部分松动，从而增大间隙，降低刚度和精度，缩短使用寿命，严重时甚至使切削加工无法继续进行；振动中产生的噪声还将危害操作者的身体健康。为减小振动，有时不得不降低切削量，使机床加工的生产效率降低。因此，研究分析机械加工中的振动原因和特性，寻求控制振动的有效途径是很有必要的。

1 机械加工振动的表现和特点

振动分强迫振动和自激振动两种类型。具体表现和特点如下。

1.1 强迫振动 强迫振动是物体受到一个周期变化的外力作用而产生的振动。如在磨削过程中，由于电动机、高速旋转的砂轮及皮带轮等不平衡，三角皮带的厚薄或长短不一致，油泵工作不平稳等，都会引起机床的强迫振动，它将激起机床各部件之间的相对振动幅值，影响机床加工工件的精度，如粗糙度和圆度。对于刀具或做回转运动的机床，振动还会影响回转精度。强迫振动的特点是：①强迫振动本身不能改变干扰力，干扰力一般与切削过程无关(除由切削过程本身所引起的强迫振动外)。干扰力消除，振动停止。如外界振源产生的干扰力，只要振源消除，导致振动的干扰力自然就不存在了。②强迫振动的频率与外界周期干扰力的频率相同，或是它的整倍数。③干扰力的频率与系统的固有频率的比值等于或接近与1时，产生共振，振幅达到最大值。此时对机床9O_T_过程的影响最大。④强迫振动的振幅与干扰力，系统的刚度及阻尼大小有关。干扰力越大、刚度及阻尼越小，则振幅越大，对机床的加工过程影响也就越大。

1.2 自激振动 是由振动系统本身在振动过程中激发产生的交变力所引起的不衰减的振动，就是0激振动。即使不受到任何外界周期性干扰力的作用，振动也会发生。如在磨削过程中砂轮对工件产生的摩擦会引起自激振动。工件、机床系统刚性差，或砂轮特性选择不当，都会使摩擦力加大，从而使自激振动加剧。或由于刀具刚性差、刀具几何角度不正确引起的振动，都属于自激振动。自激振动的特点是：①自激振动的频率等于或接近系统的固有频率。按频率的高低可分为高频颤振(一般频率在500～50O0Hz)及低频颤振(一般频率为50 500Hz o②自激振动能否产生及其振幅的大小，决定于每一振动内系统所获得的能量与阻尼消耗能量的对比情况。③由于持续自激振动的干扰力是由振动过程本身激发的，故振动中止，干扰力及能量补充过程立即消失。

2 振动产生的原因分析

产生振动的原因复杂多变，根据机加工行业出现的振动现象及两种不同类型振动的表现形式，分析原因，大致如下：

2.1 强迫振动产生的原因 ①机床上回转件不平衡所引起的周期性变化的离心力。如由于电机或卡盘、皮带轮回转不平衡引起的。②机床传动零件缺陷所引起的周期性变化的传动力。如因刀架、主轴轴承、拖板塞铁等机床部件松动或齿轮、轴承等传动零件的制作误差而引起的周期性振动。③切削过程本身不均匀性所引起的周期性变化的切削力。如车削多边形或表面不平的工件及在车床上加工外形不规则的毛坯工件。④往复运动部件运动方向改变时产生的惯性冲击。如平面磨削过程的方向改变或瞬时改变机床的回转方向。⑤由外界其他振源传来的干扰力。在锻造车间附近，因空气锤的振动引起其他机床的强迫振动，甚至共振。

2.2 自激振动产生的原因 ①切削过程中，切屑与刀具、刀具与工件之间摩擦力的变化。②切削层金属内部的硬度不均匀。在车削补焊后的外圃或端面而出现的硬度不均现象，常常引起刀具崩刀及车床自振现象。③刀具的安装刚性差，如刀杆尺寸太小或伸出过长，会引起刀杆颤动。④工件刚性差。如加工细长轴等刚性较差工件，会导致工件表面出现波纹或锥度。⑤积屑瘤的时生时灭，时切削过程中刀具前角及切削层横截面积不时改变。⑥切削量不合适引起的振动，切削宽而薄的切削易振动。

3 预防措施

3.1 控制强迫振动的途径 强迫振动是由于外界周期性干扰力引起的，因此为了消除受迫振动，应先找出振源，然后采取适应的措施加以控制。

3.1.1 减小或消除振源的激振力。对转速在600r／min以上的零件如砂轮、卡盘、电动机转子等必须经过平衡，特别是高速旋转的零件，如砂轮，因其本身砂粒的分布不均匀和工作时表面磨损不均匀等原因，容易造成主轴的振动，因此对于新换的砂轮必须进行修整前和修整后的两次平衡。提高齿轮的制造精度和装配精度，特别是提高齿轮的工作平稳性精度，从而减少因周期性的冲击而引起的振动，并可减少噪声；提高滚动轴承的制造和装配精度，以减少因滚动轴承的缺陷而引起的振动：选用长短一致、厚薄均匀的传动带等。

3.1.2 调整振源频率。避免激振力的频率与系统的固有频率接近，以防止共振。采取更换电动机的转速或改变主轴的转速来避开共振区；用提高接触面精度、降低结合面的粗糙度、消除间隙、提高接触刚度等方法，来提高系统的刚度和固有频率。

3.1.3 采用隔振措施。机床的电机与床身采用柔性联接以隔离电机本身的振动；把液压部分与机床分开；采用液压缓冲装置以减少部件换向时的冲击；采用厚橡皮、木材将机床地基隔离，用防振沟隔开设备的基础和地面的联系，以防止周围的振源通过地面和基础传给机床等。

3.2 控制自激振动的途径

3.2.1 合理选用刀具的几何参数 试验和理论研究表明，刀具的几何参数中，对振动影响最大的是主偏角Kr和前角γ0。由于切屑越宽越容易产生振动，而Kr越小，切削宽度越宽，因此越易产生振动，前角γ0越大，切削力越小，振幅也越小。

3.2.2 提高工艺系统的抗振性 工艺系统本身的抗振性能是影响颤振的主要因素之一。应设法提高工艺系统的接触刚度，如对接触面进行刮研，减小主轴系统的轴承间隙，对滚动轴承施加一定的预紧力，提高顶尖孔的研磨质量等。加工细长轴时，使用中心架或跟刀架，尽量缩短镗杆和刀具的悬伸量，用死顶尖代活顶尖，采用弹性刀杆等都能收到较好的减振效果。

3.2.3 采用减振装置 当采用上述措施仍然达不到消振的目的时，可考虑使用减振装置。减振装置通常都是附加在工艺系统中，用来吸收或消耗振动时的能量，达到减振的目的。它对抑制强迫振动和颤振同样有效，是提高工艺系统抗振性的一个重要途径，但它并不能提高工艺系统的刚度。

3.2.4 调整振型的刚度比 根据振型耦合原理，工艺系统的振动还受到各振型的刚度比以及其组合的影响。合理调整它们之间的关系，就可以有效地提高系统的抗振性，抑制自激振动。

4 结束语

机械加工过程产生的振动非常复杂，是需要日常的不断分析和总结，根据不同情况分析原因，采取措施加以消除和控制，以保证加工工件的质量要求，提高生产率，创造良好工作环境。