李靜

(新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453000)

機械加工過程中振動作為一種有害的物理現(xiàn)象,對加工表面品質(zhì)和生產(chǎn)率具有很大的影響。機械生產(chǎn)過程中的振動使得道具與工件之前產(chǎn)生位移,加劇加工表面的振動,加速刀具的磨損速度,甚至產(chǎn)生崩刃。同時振動的發(fā)生使得機床、夾具等縫隙增加,降低剛度和精度,縮短使用的壽命,嚴重知識切削無法進行,降低機床的生產(chǎn)效率,因為通過對機械加工中振動的特點和原因進行分析,從而找到有效控制振動的措施和途徑。

1 機械加工中振動的特點

機械加工過程中振動主要有兩種,一種是強迫振動,一種是自激振動。兩種振動有著各自的特點。

1.1 強迫振動

強迫振動主要是在外力的作用下產(chǎn)生的一種振動方式,是物體受外外界一個周期性的作用力。例如在磨削過程中,產(chǎn)生振動主要是由于皮帶輪、高速旋轉(zhuǎn)的砂輪以及電動機之間的不平衡造成的振動。一般在機械加工過程中三角皮帶的長短和厚度不一致也會引起強迫振動。這些振動引起機床各個部件的相對位移,對機床加工的精度產(chǎn)生較大的影響。如果機床的回轉(zhuǎn)運動中產(chǎn)生了較大的振動,那么回轉(zhuǎn)的精度將大大降低,影響零件的加工質(zhì)量。

強迫振動的特點是多方面的,其一,強迫振動不能改變外力的影響,除了由于切削而產(chǎn)生的作用力。干擾力如果徹底消除,那么振動就不會產(chǎn)生。如果干擾力是由于外界的振源產(chǎn)生的,那么只要將振源消除,那么振動也會跟著消除。其二,強迫振源的頻率等于外界周期干擾力的頻率,或者兩者成倍數(shù)關(guān)系。其三,干擾力的頻率與系統(tǒng)的固有頻度之間的比值為1或者近似于1,此時的振動幅度最大,對加工的影響也就最大。其四,強迫振動的振幅還與系統(tǒng)的剛度、阻尼大小以及干擾力之間具有很大的相關(guān)性,強迫振動的振幅與干擾力成正比,與系統(tǒng)剛度和阻尼成反比。強迫振動的位移變化比干擾力在相位上低于一個相位角,位移值與干擾力的頻率和動態(tài)特性有關(guān)。

1.2 自激振動

自激振動是在切削加工時,周期性外力消失,系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)出來的周期性振動,也被成為顫振。其振動的頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率。機床加工系統(tǒng)主要有調(diào)節(jié)系統(tǒng)和振動系統(tǒng)組成的閉環(huán)系統(tǒng),刺激機床所產(chǎn)生的作用力主要是在切削的過程中產(chǎn)生的,但系統(tǒng)自身的作用力又反作用于切削的過程,一旦停止機床的運動,動態(tài)的切削力也就消失。自激振動系統(tǒng)在一個振動的周期內(nèi),能夠維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果在切削的過程中十分平穩(wěn),那么系統(tǒng)就對自激振動產(chǎn)生較大的影響,為其提供條件。在實際的機械加工過程中,總是會受到外界作用力的干擾,從而產(chǎn)生切削力,并且作用于機床系統(tǒng)上,從而產(chǎn)生自激振動。

自激振動主要特點表現(xiàn)為:(1)機械加工過程中,尤其是切削過程中,自激振動沒有外界周期性作用力,這也是與強迫振動相區(qū)別的最重要特點。(2)自激振動的頻率取決于系統(tǒng)的固定頻率,且與系統(tǒng)的某一固定頻率相似。按照頻率的高低可以分為高頻率和低頻率。

高頻一般在500-5000HZ之間,低頻一般在50-500HZ之間。這一點也區(qū)別與強迫振動。(3)自激振動作為一種不衰減的振動,能夠引起某種周期性的變化,且不減退,振動系統(tǒng)能夠運用這個力的變化從能源周期性中獲取能量,從而將這個振動維持下去。一旦運動停止,這種能量的獲取過程也會消失。工藝系統(tǒng)中維持自激振動的主要能量來源于機床電動機。(4)自激振動的振幅取決于在一個周期內(nèi)振動系統(tǒng)獲得和消耗的能量。

2 機械加工過程中振動產(chǎn)生的原因分析

強迫振動產(chǎn)生的振源可分為機床內(nèi)部和外部的振源。機床外振源主要與機床的環(huán)境有關(guān),主要是通過地基傳導(dǎo)到機床上,從而引起振動。機床內(nèi)振源造成的原因是多方面的。一是不平衡造成的離心慣性力。在機械加工的過程中,由于機床處于高速的旋轉(zhuǎn)狀態(tài),存在著質(zhì)量的偏心,產(chǎn)生了離心慣性力,在該作用力的刺激下機床的振源發(fā)生振動,振動的頻率也逐漸增大。二是機床傳動機構(gòu)的缺陷。對于機床上傳動中能夠旋轉(zhuǎn)的零部件,在制造的過程中會存在著一些精度差異,由于多種原因的作用在機床的轉(zhuǎn)動時受到周期性干擾力的作用,從而引起機床的振動。例如機床上的齒輪在制造時存在著一定的誤差,這樣使得齒輪在轉(zhuǎn)動的過程中產(chǎn)生三個方向的作用力,如徑向力、切向力和軸向力,通過軸承造成其他部件的振動。如果滾動軸承的精度存在著很大的誤差,那么也會造成強迫振動。三是車削形狀不規(guī)則的斷續(xù)切削。在機械加工中,刀具和工件之間會產(chǎn)生摩擦力,這時如果兩者之間存在著較大的間隙,那么就會產(chǎn)生一個周期性的作用力,進而產(chǎn)生振動。四是地基振動。地基振動原因是多方面的,一方面是臨近的設(shè)備的振動強度,另一方面是地基的諧振特性。因此在加工高精度的零件時,機床和地基必須進行隔絕。

3 機械加工中預(yù)防振動的措施

3.1 預(yù)防強迫振動的措施 (1)對于機械加工中零件的旋轉(zhuǎn)速度在600r/min以上的高速狀態(tài),設(shè)置自動平衡裝置或者減振裝置,保持靜平衡和動平衡。(2)減小軸承和鑲條等的間隙,改變系統(tǒng)的固定頻率,能夠與刺激振動的頻率之間保持一定的距離。改變運動的參數(shù),能夠降低固定頻率,與機床加工的固有頻率錯開一定的距離。(3)增強裝置的穩(wěn)定性和牢固度,盡量減少磨床上的接頭,采用無接頭的皮帶運轉(zhuǎn),傳動皮帶的選擇一定要長短厚薄一致。采用斜齒輪,或者安裝飛輪裝置在主軸上。(4)將葉片泵替換齒輪泵安裝在精密磨床上,將穿沖裝置安裝在液壓系統(tǒng)上,防止運動中產(chǎn)生的振動。(5)選擇合適的砂輪硬度和粒度,及時調(diào)整砂輪的角度,清理砂輪上的堵塞物,減少磨削力帶來的振動。(6)銑刀直徑、齒數(shù)以及螺旋角的選擇要根據(jù)銑削條件進行選擇,增加銑刀齒數(shù),以順銑替代逆銑。采用合適的刀齒結(jié)構(gòu),這樣能夠破壞外界的周期作用力。(7)及時刮研接觸面,提高接觸面的剛度。系統(tǒng)的剛度采用中心架、跟刀架。砂輪架導(dǎo)軌要選擇合適的。(8)床身的選擇可以采用封砂結(jié)構(gòu),增加阻尼,減少外界的作用力,減少振動。(9)隔離外來對機床的影響,

可以在機床與電機之間墊上減振物體,達到有效的減振效果,一般采用硬膠皮,這樣效果會更好。

3.2 預(yù)防自激振動的措施 (1)減小重疊系數(shù)μ。重疊系數(shù)μ決定著再生效應(yīng)的大小。重疊系數(shù)數(shù)值的大小與加工的方式、刀具的形狀、切削量等密切相關(guān)。例如在機械加工中,車螺紋加工方式,重疊系數(shù)μ等于0,工藝系統(tǒng)不會再產(chǎn)生自激振動的條件。在切斷工件加工中,重疊系數(shù)等于1,產(chǎn)生的再生效應(yīng)比較大。對于一般外圓,縱向車削的方式,重疊系數(shù)一般在0-1之間,這時可以改變刀具的幾何形狀和切削量,降低重疊系數(shù)的數(shù)值,從而降低再生效應(yīng),保持加工過程的穩(wěn)定性。(2)合理選擇刀具的幾何參數(shù)。刀具的幾何參數(shù)對振動影響最大的就是主偏角kr和 Y0。主偏角越大,在加工表面垂直方向上的切削分力就會相應(yīng)的減小,自身就不會產(chǎn)生。例如在機械加工的過程中,kr等于90度時,產(chǎn)生的振動越小。前角越大,產(chǎn)生的振幅越小。(3)合理選擇切削量。在低速或者高速切削時,振動最小。如果在加工表面粗糙度允許的情況下,可以增加切削量,防止振動的增強。切削的深度和寬度與振動的強度之間成正比,因此在切削時要選擇合適的切削寬度和深度。(4)提高工藝系統(tǒng)的剛度。例如在外圓磨床的主軸系統(tǒng)中要減少軸承之間的間隙,增強接觸的剛度。工件與刀具之間如果抗振性能低時可以采用中心架來提高其性能。如果加工用細長刀桿加工孔時,可以用中間導(dǎo)向支撐。(5)采用減振裝置。常用的減振裝置有阻尼減振器和沖擊減振器。在車床中應(yīng)用都能夠起到良好的抗振性能。

4 結(jié)語

機械加工過程中產(chǎn)生的振動原因十分復(fù)雜,需要在實際的生產(chǎn)過程中抓住振動的特點,根據(jù)振動產(chǎn)生的機理分析振動產(chǎn)生的原因,采取預(yù)防和處理措施進行控制,進而提高生產(chǎn)的質(zhì)量和效率,延長機床的使用壽命。

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