自激振动

摘要：机械加工过程中产生的的自激振动主要分强迫振动与自激振动。

本文主要讲述关于工艺系统中自激振动产生的原因，对其进行全面分析，最后得到控制的方法。

关键词：强迫振动，自激振动，强迫振动的特征，自激振动产生的原理，产生自激振动的条件，自激振动的激振机理，解决方法。

Digest: Generated during machining of the main points from the forced vibration excited vibration and self-excited vibration. This paper describes the system on the process causes self-excited vibration, its comprehensive analysis of the resulting control method
Keywords: Forced vibration, self-excited vibration, forced vibration characteristics, the principle of self-excited vibration, resulting in the conditions of self-excited vibration, the excitation mechanism of self-excited vibration, main solution
序言：振动是在机械加工过程中，因机床工件或刀具发生周期性的跳动。

加工过程中如发生振动，会使工件已加工表面上出现条痕或布纹状痕迹，使表面光洁度显著下降，还会使机床、夹具中的连接零件松动，缩短机床使用寿命，影响工件在夹具中的正确定位。

此外，由于振动，势必降低切削速度，损坏切削工具，降低生产率，造成噪声污染。

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。

中国图书分类号：
∙TG506.1高速切削
∙TG506.2无屑及少屑加工
∙TG506.3低温切削
∙TG506.4加热切削
∙TG506.5振动切削
∙TG506.6成型表面加工（仿型加工）与成型完整加工
∙TG506.7各种材料切削加工
∙TG506.9其他切削工艺
1、机械加工过程中的强迫振动
机械加工中的强迫振动是由于外界（相对于切削过程而言）周期性干扰力的作用而引起的振动。

1.1强迫振动产生的原因
强迫振动的振源有来自机床内部的称为机内振源，也有来自机床外部的，称为机外振源。

机外振源甚多，但它们都是通过地基传给机床的，可以通过加设隔振地基加以消除。

机内振源主要有机床旋转件的不平衡、机床传动机构的缺陷、往复运动部件的惯性力以及切削过程中的冲击等。

1.2强迫振动的特征
机械加工中的强迫振动与一般机械振动中的强迫振动没有本质上的区别：
在机械加工中产生的强迫振动，其振动频率与干扰力的频率相同，或是干扰力频率的整数倍。

强迫振动的幅值既与干扰力的幅值有关，又与工艺系统的动态特性有关：
1.2.1在干扰力源频率不变的情况下，干扰力的幅值越大，强迫振动的幅值将随之增大。

1.2.2工艺系统的动态特性对强迫振动的幅值影响极大。

1.2.3如果干扰力的频率远离了工艺系统各阶模态的固有频率，则强迫振动响应将处于机床动态响应的衰减区，振动幅值很小；
1.2.4当干扰力频率接近工艺系统某一固有频率时，强迫振动的幅值将明显增大；
1.2.5若干扰力频率与工艺系统某一固有频率相同，系统将产生共振。

如工艺系统阻尼较小，则共振振幅将十分大。

2、机械加工中的自激振动（颤振）
2.1概述
机械加工过程中，在没有周期性外力（相对于切削过程而言）作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动，称为自激振动，简称为颤振。

2.2自激振动产生的原理
在实际加工过程中，偶然性的外界干扰（如工件材料硬度不均、加工余量有变化等）总是存在的，这种偶然性外界干扰所产生的切削力的变化，作用在机床系统上，会使系统产生振动运动。

系统的振动运动将引起工件、刀具间的相对位置发生周期性变化，使切削过程产生维持振动运动的动态切削力。

如果工艺系统不存在产生自激振动的条件，这种偶然性的外界干扰将因工艺系统存在阻尼而使振动运动逐渐衰减；如果工艺系统存在产生自激振动的条件，就会使机床加工系统产生持续的振动运动。

维持自激振动的能量来自电动机，电动机通过动态切削过程把能量输给振动系统，以维持振动运动。

与强迫振动相比，自激振动具有以下特征：机械加工中的自激振动是在没有外力（相对于切削过程而言）干扰下所产生的振动运动，这与强迫振动有本质的区别；
与自由振动相比，虽然自激振动的频率接近于系统的固有频率，这就是说颤振频率取决于振动系统的固有特性，这与自由振动相似（但不相同），但自由振动受阻尼作用将迅速衰减，而自激振动却不因有阻尼存在而衰减。

2.2产生自激振动的条件
在振出过程中，切削力凡对振动系统作功，振动系统则从切削过程中吸收一部分能量（W振出=W12345），贮存在振动系统中。

刀架的振入运动则是在弹性恢复力F弹作用下产生的，振入运动与切削力方向相反，振动系统对切削过程作功，即振动系统要消耗能量（W振入=W54621）。

当W振出<W振入时，由于振动系统吸收的能量小于消耗的能量，故不会有自激振动产生，加工系统是稳定的。

当W振出=W振入时，由于在实际机械加工系统中必然存在阻尼，系统在振入过程中为克服阻尼尚需消耗能量W摩阻（振入）。

由此可知，在每一个振动周期中，振动系统从外界获得的能量
ΔW= W振出-（W振入+ W摩阻（振入））
若W振出=W振入，则ΔW<0，即振动系统每振动一次，系统便会损失一部分能量。

因此，系统也不会有自激振动产生，加工系统仍是稳定的。

当W振出>W振入时，加工系统将有持续的自激振动产生，加工系统处于不稳定状态。

根据W
振出与W振入的差值大小又可分为以下三种情况：
1）W振出=W振入+ W摩阻（振入），加工系统有稳幅自激振动产生。

2）W振出>W振入+ W摩阻（振入），加工系统将出现振幅递增的自激振动，待振幅增至一定程度出现新的能量平衡W‘振出=W’振入+W‘摩阻（振入）时，加工系统才会有稳幅自激振动产生。

3）W振出<W振入+W摩阻（振入），加工系统将出现振幅递减的自激振动，待振幅减至一定程度出现新的能量平衡W"振出=W"振入+ W"摩阻（振入）时，加工系统才会有稳幅自激振动产生。

综上所述，加工系统产生自激振动的基本条件为W振出>W振入，在力与位移的关系图中，要求振出过程曲线应在振入过程曲线的上部，如图4-29所示。

2.3自激振动的激振机理
对于自激振动的激振机理，许多学者曾提出过许多不同的学说，比较公认的有再生原理、振型耦合原理、负摩擦原理和滞后原理。

2.3.1．再生原理
在金属切削过程中，除极少数情况外，刀具总是完全地或部分地在带有波纹的表面上进行切削的。

首先来研究车刀作自由正交切削的情况，此时，车刀只做横向进给，车刀将完全地在前一转切削时留下的波纹表面上进行切削，如图4-30所示。

假定切削过程受到一个瞬时的偶然性扰动，刀具与工件便发生相对振动（自由振动），振动的幅值将因有阻尼存在而逐渐衰减。

但此时会在加工表面上留下一段振纹，如图4-31b所示。

当工件转过一转后，刀具要在留有振纹的表面上进行切削（图4-31c），切削厚度将发生波动，这就有交变的动态切削力产生。

如果切削过程中各种条件的匹配是促进振动的，那么将会进一步发展到图4-31d那样的颤振状态。

通常，将这种由于切削厚度变化效应引起的自激振动，称为再生型颤振。

在自由正交切削条件下，工件前一转（次）切削所产生的振纹和本转（次）切削产生的振纹完全重叠、此时重叠系数μ=1。

在一般加工中，0<μ<1。

重叠系数μ反映了再生效应（切削厚度变化效应）的程度，μ越小，就越不容易产生再生型颤
3. 消减自激振动的措施：
3.1.1调整振动系统小刚度主轴的位置，使其处于切削力F与加工表面的法线方向的夹角范围之外，如镗孔时采用削扁镗杆，车外圆时，车刀反装。

3.1.2通过改变切削用量和刀具几何形状，减小重叠系数，如采用直角偏刀车外圆。

3.1.3减小切削速度，增大进给、主偏角、前角。

3.1.4适当提高切削速度；改善被加工材料的可加工性。

3.1.5增加切削阻尼；适当减小刀具的后角；在后刀面上磨出消振棱；适当增大钻头的横刃；适当使刀尖高于(车外圆)、低于(樘内孔)工件中心线，以获得小的工作后角。

为消减刀具的高频振动，宜增大刀具的后角和前角。

3.1.6调整切削速度，避开临界切削速度。

在切断、车端面或使用宽刃刀具、成形刀具和螺纹刀具时，宜取切削速度小于临界切削速度。

纵车和切环形工件端面时，切削速度大于临界切削速度等。

3.1.7提高工艺系统刚度，可提高抗振性。

车刀安装时不宜伸出过长，镗刀尽可能选得短而粗；尽量缩短尾座套筒的伸出长度；加工细长轴时，采用中心架或跟刀架，或用主偏角很大的细长轴车刀来消除振动。

3.1.8尽可能不采用容易产生积屑瘤的切削速度。

3.1.9采用合适的切削用量。

可采用减少切削宽度，同时增加切削厚度。

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.
参考文献：
[1]李华. 机械制造基础[M] 北京机械工业出版社1997
[2]机械制造工艺学[M] 北京机械工业出版社1985。