夏 歡 吉 方 陶繼忠

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621900）

目前，精密加工是指加工精度為1～0.1 μm，表面粗糙度為Ra0.1～0.01 μm的加工技術(shù);超精密加工是指加工誤差小于0.1 μm，表面粗糙度小于Ra0.025 μm的加工技術(shù)，也稱為亞微米級加工［1］。

工作環(huán)境如溫度、濕度、凈化和防振等，對精密、超精密加工的質(zhì)量影響很大。振動使被加工零件精度降低，粗糙度值增大，無法保證加工質(zhì)量要求。本文從機床獨立地基的結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析不同結(jié)構(gòu)地基對外界振動的隔振效果，從而建立適合精密、超精密加工隔振要求的獨立地基模型。

1 振動的類型

振動主要分為強迫振動和自激振動兩種。

強迫振動是物體受到一個周期變化的外力作用而產(chǎn)生的振動。如回轉(zhuǎn)零部件不平衡，傳動系統(tǒng)中的齒輪、軸承等沖擊，機床導(dǎo)軌的磨損，附近有產(chǎn)生振動的大型設(shè)備，重型車輛頻繁在附近行駛等。

自激振動（顫振）由振動系統(tǒng)本身在振動過程中激發(fā)產(chǎn)生的交變力所引起的不衰減的振動。即使不受到任何外界周期性干擾力的作用，振動也會發(fā)生。對于運動的機床，振動還會影響回轉(zhuǎn)精度。如毛坯局部有氣孔、砂眼等缺陷導(dǎo)致工件材料硬度變化，刀具的選擇不當(dāng)或安裝剛性差，積屑瘤的時生時滅導(dǎo)致刀具與工件之間摩擦力的變化，切削量不合適或在切削過程中發(fā)生變化。

本文針對強迫振動中外界環(huán)境的振動的隔振進(jìn)行討論。外界振動在土壤中的衰減有兩種原因:一是土壤阻尼對振動能量的消耗吸收;二是振動隨著距振源中心的幾何距離增大而擴散［2］?，F(xiàn)代化的工廠為了提高生產(chǎn)效率，減少運輸?shù)容o助加工時間，設(shè)備之間的間距越來越小，如精密加工機床之間距離只有1 m左右;在機加工機床旁設(shè)有三坐標(biāo)測量機;在鍛造車間附近往往又是精加工車間，精加工設(shè)備及精加工機床非常靈敏，對環(huán)境振動要求很高。因此，精密、超精密加工和檢測設(shè)備都應(yīng)安裝在獨立隔振地基之上，減小或消除附近產(chǎn)生振動設(shè)備的影響。

2 隔振地基模型

4種隔振地基模型如圖1所示，其中圖1a為混凝土獨立地基，地基周圍無隔振溝;圖1b為雙層地基疊加，下面一層為混凝土地基，上面一層為鋼筋混凝土，兩層之間和鋼筋混凝土地基周圍有聚苯乙烯隔振墊板，地基周圍無隔振溝;圖1c為多層材料地基從下至上分別有細(xì)沙、碳花、水泥封裝、聚苯乙烯墊板、混凝土、聚苯乙烯墊板和混凝土，地基周圍有封裝磚，而且設(shè)有隔振溝;圖1d也為多層結(jié)構(gòu)，從下至上分別有減振橡膠、吸振材料、膠合板、混凝土地基，中間有低碳鋼加強筋一處，地基周圍有吸振材料，吸振材料外設(shè)有隔振溝，溝內(nèi)填充細(xì)沙、泡沫等材料。

對于通過地表傳播的振動，地面振動隔離的方法可分為緩沖隔振和屏障隔振［3］。緩沖隔振是一種簡便、有效、實用的方法，如4種隔振地基中a和b的結(jié)構(gòu)形式，但交通引起的地面振動不能采用緩沖隔振;而屏障隔振可隔離任何原因引起的地面振動。屏障隔振是在振源和被保護(hù)物體之間設(shè)置一個垂直于地表的隔離層，當(dāng)振動波遇到隔離層時，可以達(dá)到減小振動的目的，如4種隔振地基中c和d的結(jié)構(gòu)形式。

3 測試結(jié)果及分析

為保證外界的振源相同，盡量在同一時間段內(nèi)對4種不同結(jié)構(gòu)的獨立地基進(jìn)行測試，每個測量點都有3個方向的振動，測量中發(fā)現(xiàn)兩水平方向振動基本相同，所以只給出垂直和水平兩組振動測試結(jié)果。圖2所示為垂直方向振動的位移幅值（放大5倍）與頻率之間的關(guān)系。

圖2a中振動頻率分布在0～50 Hz之間，隔振效果不好;圖2b中振動頻率基本分布在0～40 Hz之間，10 Hz以上有局部突出點，但對于低頻段隔振效果不佳;圖2c中頻帶分布在0～35 Hz，幅值小于0.08 μm，具有一定的隔振效果。圖2d中振動頻率分布在0～25 Hz之間，在隔振頻率方面效果最好，但10 Hz以下有突出點，幅值很大。

圖3為水方向振動的位移幅值（放大5倍）與頻率之間的關(guān)系。圖3a中振動頻率分布在0～50 Hz之間，幅值在0.1 μm以內(nèi)，隔振效果不好;圖3b中振動頻率基本分布在0～50 Hz之間，有局部突出點，隔振效果也不好;圖3c中頻帶分布在0～35 Hz，幅值小于0.08 μm，具有一定的隔振效果。圖3d中振動頻率分布在0～15 Hz之間，幅值小于0.08 μm，在隔振頻率和振動幅值方面效果都是最好的。

綜上所述，第一種隔振地基最下面沒有減振材料，也沒有隔振溝，隔振效果最差;第二種地基中間有聚苯乙烯夾層起到一定的隔振效果，但該地基沒有隔振溝，20 Hz以上有些點的振動無法消除;第三種地基結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，分多層隔振并設(shè)有隔振溝，對振動幅值的消減起到了很好的作用，但在消除隔振頻率方面不如第四種地基;第四種地基結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，混凝土中混合有低碳鋼加強筋，由于低碳鋼加強筋存在使得它的水平隔振效果最好，但同時垂直方向的振幅也有所增加，沒有達(dá)到最佳狀態(tài)。

4 結(jié)語

針對不同機床的使用要求不同，隔振地基結(jié)構(gòu)形式也有不同。如機床對垂直方向要求高，水平方向振動要求不高時，可采用分體多層隔振地基，減小垂直方向的振幅;但機床對垂直和水平方向振動要求都高時，盡量采用一體式地基，使垂直和水平方向的振幅都能滿足要求。另外隔振地基的厚度與機床的質(zhì)量、外形尺寸、地質(zhì)情況等因素也有關(guān)，設(shè)計隔振地基時，應(yīng)充分考慮，而且隔振地基底部和四周應(yīng)有吸振材料，并設(shè)有隔振溝。

［1］鄧英劍.精密及超精密加工中的振動控制［J］.湖南冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2003（9）:230－231.

［2］尹學(xué)軍.振動控制在工業(yè)設(shè)備中的應(yīng)用（一）［J］.工程建設(shè)與設(shè)計，2003（8）:11－13.

［3］陳智鋒，張紹宗，呂海寶，等.隔振設(shè)計在超精密加工與測量中的應(yīng)用［J］.航空精密制造技術(shù)，2002（6）:10－13.