吳舒

（福建省福州市馬尾區(qū)商務(wù)局，福建 福州 350015）

機械加工過程中機械振動成因及改善措施研究

Causes and improvement measures of mechanical vibration during machining process

吳舒

（福建省福州市馬尾區(qū)商務(wù)局，福建 福州 350015）

機械加工是我國工業(yè)化發(fā)展與進步的重要組成部分，而加工過程中產(chǎn)生的機械振動影響工件質(zhì)量與加工效率，已經(jīng)成為不可忽視的制約因素。深入探討分析機械加工過程中振動的類型與成因，并提出合理的解決措施，合理的控制振動，對改善工件質(zhì)量、提升加工效率都有非常重要的現(xiàn)實意義。

機械加工；機械振動；成因；改善措施

1 振動對機械加工的影響與危害

機械加工過程中，會產(chǎn)生不同程度的機械振動，并進一步帶來眾多負面的影響。首先，機械振動會影響工件加工表面的粗糙度，波度會在振動頻率較低的時候出現(xiàn)，在一定程度上影響工件的加工質(zhì)量，制約著最終產(chǎn)品的使用壽命。其次，為控制振動、保證工件質(zhì)量，工人們往往會選擇減少切削量來提高產(chǎn)品的合格率，這就會在很大程度上影響生產(chǎn)效率。再次，振動加劇了刀具的磨損，增加了崩刃的危險，并且明顯降低了夾具、機床等生產(chǎn)部件的使用壽命，無形中增加企業(yè)的生產(chǎn)成本。最后，振動往往會產(chǎn)生噪聲，造成噪聲污染，對工人、附近居民的健康產(chǎn)生危害。

2 機械加工過程中產(chǎn)生振動的類型與特點

2.1 自由振動

振動系統(tǒng)在機械運轉(zhuǎn)時會受到被稱為激振力的外界作用力的影響，從而使系統(tǒng)的平衡狀態(tài)遭受影響，這種情況下產(chǎn)生的振動方式就是自由振動?？傮w來說，自由振動對機械加工的影響并不大，所占比重也相對較小。振動系統(tǒng)本身存在的阻尼使其總是處在逐漸衰減的狀態(tài)，影響甚微[1]。

2.2 強迫振動

在周期性的外力作用下，系統(tǒng)會而產(chǎn)生強迫振動。在磨削過程中產(chǎn)生的機械振動較為典型。泵件狀態(tài)不穩(wěn)定、三角皮帶的長短厚薄不等、輪系結(jié)構(gòu)與電動機的配合不均勻等情況都會不同程度的造成機床的強迫振動。通常，強迫振動會導(dǎo)致機床部件間的相對運動，因此其加工精度、圓度和粗糙度都會受到較大影響。對做回轉(zhuǎn)運動的機床來說，其精度會因強迫振動而大幅下降。強迫振動的干擾力是獨立于振動本身存在的，通常與加工過程無關(guān)，持續(xù)對振動系統(tǒng)產(chǎn)生影響，干擾力停止，振動也隨之停止。其振動頻率與干擾力頻率的密切相關(guān)，通常二者存在整數(shù)倍關(guān)系或保持一致。若出現(xiàn)干擾力的頻率與系統(tǒng)的固有頻率相同或相近的情況，則容易產(chǎn)生共振，此時振幅達到最大值，將會對機床造成嚴重的破壞。

2.3 自激振動

與強迫振動存在明顯的不同，自激振動并不是在外力的作用下產(chǎn)生的，而是自身交變力作用的結(jié)果，且其并不會衰減。例如，在機床磨削工作中，工件與砂輪之間的摩擦?xí)?dǎo)致自激振動，不恰當(dāng)?shù)纳拜嗊x擇、較差的機床與工件剛性都會加劇自激振動。其振動頻率與系統(tǒng)固有頻率相近，它的產(chǎn)生及其強烈程度受振動周期內(nèi)所獲得的能量與所消耗的能量的相對比值影響。自激振動作用力的來源是振動過程本身，因而振動停止，能量的補充過程及相關(guān)干擾力也隨之消失。

3 機械加工過程中出現(xiàn)機械振動的原因

3.1 自由振動的成因

一般說來，在機械加工中，自由振動的產(chǎn)生原因主要有兩個。第一，機械加工過程中，切削力并不是恒定的，切削力的驟然變化會產(chǎn)生自由振動。第二，外界的沖擊力會造成設(shè)備運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生振動。綜上所述，自由振動是由系統(tǒng)自身決定的，其特性受振動系統(tǒng)的固有頻率、系統(tǒng)的剛度和質(zhì)量所影響。

3.2 強迫振動的成因

作為機械加工過程中產(chǎn)生的最主要的振動形式，在機械加工過程中很容易發(fā)生強迫振動。強迫振動的形成原因可從內(nèi)部和外部兩個方面的因素去考慮，而內(nèi)部因素又是其主要成因，主要可歸納為以下幾點。第一，加工機床整體存在不平衡性問題，整體離心力成為一個具有周期性特點的作用力，通常這一狀況發(fā)生在皮帶、卡盤或者電機回轉(zhuǎn)不平衡的時候。第二，機床的傳動性零件往往存在一定的缺陷，產(chǎn)生周期性的傳動力，引起強迫振動。例如軸承零件存在缺陷、松動，刀架安裝不牢固，安裝精度不高等都容易引起此類問題。第三，切削過程的不均勻性，也是強迫振動的形成原因[2]。從外部因素來說，地基的振動可能造成強迫振動。這種情況最常出現(xiàn)在沖壓機械的工作過程中，劇烈的地基振動可能進一步導(dǎo)致強迫振動。強迫振動對機械設(shè)備、加工工件的影響極大，必須加以控制。

3.3 自激振動的成因

自激振動是機械加工過程中另一種較為常見的振動形式。其主要的產(chǎn)生原因為：第一，對于切削加工來說，工件與刀具、刀具與產(chǎn)生的切屑之間存在摩擦力，容易引發(fā)自激振動。第二，工件的材料往往存在不均勻性，軟硬程度存在差別，這就可能會使刀具出現(xiàn)崩刀現(xiàn)象，進而引發(fā)自激振動。第三，刀具可能存在安裝剛性差的問題，引起刀桿的振動，也可能引起自激振動。第四，由于細長軸的剛性較差，一旦機械加工設(shè)備需要加工細長軸時，很容易在工件加工表面形成錐度或者波紋，引起自激振動。第五，由于積屑瘤的存在，其存在不穩(wěn)定性，時有時無，而切削層的橫截面積與刀具的前角又不是恒定不變的，這就很容易引起自激振動。另外，機械加工過程中進刀量、切削量選取不合適，也容易導(dǎo)致自激振動的發(fā)生。

4 機械加工過程中機械振動的控制措施

資料顯示，在機械加工過程中產(chǎn)生的振動中，自激振動占65%左右，強迫振動為30%。與前兩種情況相比，自由振動僅為5%上下。并且，自由振動的比率較低，也會在短時間內(nèi)衰減到很小，因而它對機械加工的影響遠小于其它兩種情況。相比之下，這兩種振動形式不會自然衰減，對機械加工的影響更為明顯。因而強迫振動與自激振應(yīng)著重考慮，并采取控制措施。

4.1 強迫振動的控制措施

第一，外部環(huán)境是強迫振動的主要起因，所以，應(yīng)首先對引起振動的源頭進行控制。對于轉(zhuǎn)速要求較高的加工工具，應(yīng)在使用前進行平衡性的檢測。以砂輪為例，砂輪是一種需要高速旋轉(zhuǎn)的零部件，而其制造特點預(yù)示著其本身質(zhì)量分布的不均勻。再者，其高速旋轉(zhuǎn)過程中也會加劇其磨損受力的不平衡性。因而，砂輪自身的特點決定其在使用過程中很容易造成振動，并損傷主軸。這就需要在使用之前對其進行多次檢測，在運行時最大程度上避免振動，以確保平穩(wěn)性。另外，合適的傳送帶與軸承可減少噪聲與振動。

第二，嚴格預(yù)防共振的產(chǎn)生。共振現(xiàn)象是指振動頻率相同或相近的兩個振動系統(tǒng)，在振動過程中相互呼應(yīng)，造成振幅的疊加，造成破壞的現(xiàn)象。在機械加工時，往往存在多個設(shè)備的共同使用，假如兩個或多個振動系統(tǒng)的振動頻率相近，就可能造成巨大的損害，減少設(shè)備的使用壽命。為避免共振現(xiàn)象的產(chǎn)生，應(yīng)盡量差別化相鄰機器的振動頻率，對其進行相應(yīng)的調(diào)整。也可以通過提高結(jié)合面平整度、改變發(fā)動機轉(zhuǎn)速，這些措施都能有效的降低振動的危害。

第三，使用減振裝置和一定的隔振措施是控制強迫振動行之有效的方法。內(nèi)嵌在工藝中的減振裝置以消耗、吸收振動能量來達到減振的目的。彈性隔振裝置的工作原理是將振源與需要防振的機床間分隔開來，大量的吸收振動能量，以減小振源的危害。例如，機床與電機之間用橡膠墊隔開、四周配有隔振溝并填充木屑等隔振材料、下部配備隔振器等。機床應(yīng)盡量與動力源實現(xiàn)分離[3]。

4.2 自激振動的控制措施

首先，對于自激振動，應(yīng)當(dāng)選取合適的刀具，振動的產(chǎn)生與刀具的幾何參數(shù)的選取密不可分。幾何參數(shù)應(yīng)該作為選取刀具的重要參考因素。最為重要的是刀具的前角與主偏角，二者分別與振動的強烈程度呈反比例關(guān)系和正比例關(guān)系。另外，在機床切削過程中，自激振動的產(chǎn)生與切削量的大小密切相關(guān)，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)需要選取合適的切削量，既滿足生產(chǎn)需求，又在最大程度上控制振動。

其次，應(yīng)加強對工藝系統(tǒng)抗振性的推敲。其自身的抗振性在很大程度上決定顫振幅度，決定自激振動的產(chǎn)生。提高其解除剛度，具體可采用減小軸承間隙、刮研接觸面、施加合適的預(yù)緊力等措施。在加工細長工件時，可選用刀架或中心架，減少刀具的懸空幅度，選取彈性刀桿等方法都能有效的控制振動。

5 結(jié)語

機械振動是機械加工過程中經(jīng)常會出現(xiàn)的現(xiàn)象，根據(jù)振動的特點可將其分為自由振動、強迫振動和自激振動三種類型。其中，自由振動所占比重小，且可自行衰減，影響相對較小，可不必進行控制。但強迫振動與自激振動出現(xiàn)頻率高，危害極大，必須采取相應(yīng)措施加以控制。對強迫振動可采用控制振源、避免共振、采用防振裝置等措施。對于自激振動可通過對刀具幾何參數(shù)的合理選取、加強工藝系統(tǒng)的抗振性等措施來有效削減振動。這些控制措施對提高工件加工質(zhì)量與加工效率，防止振動產(chǎn)生的危害具有明顯的作用。

[1] 黃洪根. 機械加工過程中的振動因素影響探討[J]. 商品與質(zhì)量，2014（4）.

[2] 劉新建，楊慶齡. 機械加工過程中機械振動的成因及解決措施[J]. 常州工程學(xué)院學(xué)報，2013（2）.

[3] 仲健維. 機械加工過程中機械振動的因素以及對策探討 [J].中國機械，2015（6）.

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TH16

1009-797X (2015) 24-0081-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.031

吳舒（1957-），男，大學(xué)本科，機械設(shè)計制造工藝工程師，研究方向為機械設(shè)計、制造工藝及材料。

2015-11-08