机械加工过程中机械振动的因素以及对策探讨

2015-05-30仲健维

中国机械 2015年6期

关键词：机械加工预防措施振动

仲健维

摘要：在机械加工中，机械振动对生产效率以及工件的加工质量的影响都是非常恶劣的，因此通过对不同类型的机械加工振动的成因以及控制措施进行了分析，为减少机械振动提供一些参考。

关键词：机械加工；振动；预防措施

1.机械加工中振动的类型

在机械加工中，强迫振动比较容易出现，这种由于外界存在固定的周期性的影响，系统在这种影响下，振动表现为强制的、周期性的。

自由振动与强迫振动不同，自由振动是机械系统在最初运行时受到了激振力作用，系统平衡被破坏。不过由于阻尼的存在，自由振动呈减弱趋势，对系统的影响较之于其他形式的振动小。

在机械加工中，自激振动虽然不易出现，但是其对加工系统的影响是比较大的。是交变力与周期性振动的产物，在切削过程中，也称作颤振。自激振动是一种频率较高的振动。系统的振动能够引发工件、刀具间的位置变化，使得加工过程产生了维持振动运动的动态切削力，系统产生了自然激荡。

2.不同类型的振动产生的原因

2.1强迫振动

机械加工中，产生振动的原因包括系统外部作用和系统内部，主要包括：

2.1.1系统内部传动零件缺陷，使得传动力发生周期性变化而引起的周期性运动。

2.1.2系统内部回转件不平衡导致离心力的周期性变化。

2.1.3切削本身的不均匀性使得切削力呈周期性变化。

2.1.4惯性冲击。往复运动部件的运动方向改变时产生的。

2.1.5外界干扰。来自系统外振源的影响，而引起的强迫振动。

2.2自由振动

自由振动是机械加工中最简单的振动，其产生原因主要是：

2.2.1机械加工中，切削力的突然变化产生的自由振动。

2.2.2机械加工中，外界力的冲击而造成的振动。

可以了解，机械加工中自由振动的产生是一个突然变化的力的作用，所以这个突然并不是周期性的，也不会提供持续的能量补充，并且在阻尼的作用下，迅速衰减。虽然自由振动对机械加工的影响不大，但仍需对其重视，因为在某些条件具备时可能引发自激振动。

2.3自激振动

自激振动产生的原因主要包括：

2.3.1在机械加工中，刀具与工件以及切屑与刀具间产生的摩擦力可能引发自激振动。

2.3.2加工工件内部硬度不均，刀具崩刀后可能与加工设备发生自激振荡。

2.3.3刀具安装刚性差，使刀杆颤动引发自激振荡。

2.3.4在机械加工中，切削量选取不当产生的自激振荡。

2.3.5由于积屑瘤时生时灭，机械加工时刀具前角及切削层横截面积的不断改变，都是自激振荡的发生的诱因。

3.机械振动的应对对策

大量数据研究表明，机械加工中，三种振荡类型其中强迫振动约占30% ，自由振动约5%，而自激振动约占65%。自由振动不仅仅比例小，由于其自身会发生衰减，所以对机械加工过程的影响极小。而另外两种对系统的危害很大，本文主要针对这两种形式的振动减少措施进行分析。

3.1强迫振动的减少

机械加工中，周期性的激振力是强迫振动产生的原因，找出振源是消除振动的有效措施。强迫振动的减少措施主要包括：调节振源频率、减少激振力、阻尼系数的增加以及减少外来振动。

3.1.1对振源频率进行调节

强迫振动的频率与振源频率相等或成倍数关系。在机械加工中，对加工系统的固有频率的设置，能够大大减少共振现象的发生，主要措施包括：①调节激振力频率，避开系统的固有频率；②调节轴承与镶条等部件的间隙，使其偏离激振频率；③对机械加工系统中的运动参数进行调节，有效避免可能产生的强迫振动的振源频率；④设计机械加工设备的结构时，要协调工艺系统中各部件的固有频率，使其远离共振区的频率。

3.1.2减少激振力

在机械加工过程中，回转的不平衡质量是激振力产生的原因，所以保证回转原件的平衡就能够在源头，是减少强迫振动的有效措施。首先，对600 rpm/min以上的高速回转原件，如砂轮、刀盘以及电动机转子等设置自动平衡装置；其次通过对设备的维护，例如提高设备参数精度等使得传动装置的稳定性得以提高；最后是通过对与联轴器相联的各轴轴心线间的同轴度的调整等，提高传动的稳定性。

3.1.3系统阻尼的增加

增大阻尼的主要方法包括：预紧滚动轴承、电流变液阻尼器的加装、在支承件的零部件臂填充阻尼材料等。

3.2自激振动的减少

想要对自激振动进行控制，主要从工艺系统内部入手，减小或消除自激振动。

3.2.1重叠系数μ的减小

重叠系数μ=0时，系统中不存在再生型的自激振动；当μ=1时，其再生效应最大。也就是说μ越小，切削的稳定性越高。影响μ值的大小的因素包括切削用量、刀具的几何形状以及加工方式，所以可以通过对影响因素的控制，尽量减少μ值。

3.2.2选择合理的刀具几何参数

为了减小振动，在机械加工中可以适当增加前角与主偏角。

3.2.3选择合理的切削用量

一是为减小自激振动，尽量选取较大的进给量与较小的切削深度。二是对没有要求的加工工件，可采用高速切削或低速切削，避免自激振动。三是在加工表面粗糙度允许的情况下，为有效预防自激振动应选取较大的进给量。

3.2.4提高工艺系统的动态特性以及使用减震装置

机械加工工艺系统自身的抗振性能对机械振动的影响也是比较大的，所以我们可以通过对工艺系统薄弱环节的刚度的提升、增大工艺系统自身阻尼等，有效的提高工艺系统的抗振性能。