机械加工过程中振动的影响2

3、振动对工件表面质量的影响及其控制3.1振动对工件表面质量的影响机械加工中产生的振动，一般说来是一种破坏正常切削过程的有害现象。

各种切削和磨削过程都可能发生振动，当速度高、切削金属量大时常会产生较强烈的振动。

切削过程中的振动，会影响加工质量和生产率，严重时甚至会使切削不能继续进行，因此通常都是对切削加工不利的，主要表现在以下几个方面。

(1)影响加工的表而粗糙度。

振动频率低时会产生波度，频率高时会产生微观不平度。

(2)影响生产率。

加工中产生振动，会限制切削用量的进一步提高，严重时甚至会使切削不能继续进行。

(3)影响刀具寿命。

切削过程中的振动可能使刀尖刀刃崩碎，特别是韧性差的刀具材料，如硬质合金、陶瓷等，要注意消振问题。

(4)对机床、夹具等不利。

振动使机床、夹具等的零件连接部分松动，间隙增大，刚度和精度降低，同时使用寿命缩短。

此外，强烈的振动及伴随而来的噪声，还会污染环境，危省操作者的身心健康。

对于精密零件的精密加工和超精密加工,其尺寸精度要求多小于m1μ,表面粗糙度值m.0以下，而且不允许出现波纹。

因此，在切削过程中哪怕出现Raμ02极其微小的振动，也会导致被加工零件达不到设计的质量要求。

振动对机械加工有不利的一面，但又可以利用振动来更好地切削，如振动磨削、振动研抛、超声波加工等都是利用振动来提高表面质量或生产率的。

机械加工中产生的振动，根据其产生的原因，大体可分为自由振动、强迫振动和自激振动三大类，如图1所示。

图1 切削加工中振动的类型3.2自由振动自由振动是当系统所受的外界干扰力去除后系统本身的衰减振动。

由于工艺系统受一些偶然因素的作用(如外界传来的冲击力、机床传动系统中产生的非周期性冲击力、加工材料的局部硬点等引起的冲击力等)，系统的平衡被破坏，只靠其弹性恢复力来维持的振动属于自由振动。

在机械加工中，自由振动是最简单的振动，所占振动比率仅5%左右。

振动的频率就是系统的固有频率。

由于工艺系统的阻尼作用，这类振动会很快衰减。

可见，自由振动对机械加工过程影响较小，但是自由振动在一定条件下会诱发产生自激振动。

3.3强迫振动强迫振动是由外界周期性的干扰力所支持的不衰减振动。

3.3.1切削加工中产生强迫振动的原因工艺系统内部因素造成强迫振动的原因可从机床、刀具和工件3方面来分析。

1）机床中某些零件的制造精度不高，会使机床产生不均匀运动而引起振动。

例如，齿轮的周节误差和周节累积误差，会使齿轮传动的运动不均匀，从而使整个部件产生振动。

主轴与轴承之间的间隙过大、主轴轴颈的椭圆度、轴承制造精度不够，都会引起主轴箱以及整个机床的振动。

另外，皮带接头太粗而使皮带传动的转速不均匀，也会产生振动。

至于某些零件的缺陷，使机床产生振动则更是明显。

2）在刀具方面，多刃、多齿刀具切削时，由于刃口高度的误差，容易产生振动，如铣刀等。

断续切削的刀具，如铣刀、拉刀和滚刀，切削时也很容易引起振动。

3）被切削的工件表面上有断续表面或表面余量不均、硬度不一等，都会在加工中产生振动。

例如，车削或磨削有键槽的外圆表面就会产生强迫振动。

当然，在工艺系统外部也有许多原因会造成切削加工的振动。

例如，相邻机床之间就会有相互影响，一台磨床和一台重型机床相邻，这台磨床就会受重型机床工作的影响而产生振动，影响其加工工件表面的粗糙度。

此外，具有往复运动部件的机械加工设备在加工过程中，液压系统中液压件的冲击现象，运动部件进行换向时产生的惯性力也会引起强迫振动。

3.3.2消除强迫振动的途径机械加工中产生的强迫振动是由周期性激振力引起，强迫振动的频率总是与干扰力的频率相等或是其倍数，因此消除或者减少这种振动的首要问题是找出振动源。

(1)消振与隔振。

消除强迫振动最有效的办法是找出外界的干扰力(振源)并将其去除。

如果不能去除，则可以采用隔绝的方法。

例如，机床采用防振地基，可以隔绝相邻机床的振动影响。

精密机械、仪器采用空气垫等也是很有效的隔振措施。

(2)消除回转零件的不平衡。

机床和其他机械的振动，大多数是由于回转零件的不平衡所引起的，因此对于高速回转的零件要注意其平衡问题，在可能的条件下能做动平衡最好。

例如对砂轮、电动机转子及刀盘等min600rad以上的高/速回转元件进行静平衡与动平衡，或者设置自动平衡装置。

另外，还要提高传动装置的稳定性，如采用机械加工设备所用的传动皮带长短一致、无接头或者少接头、尽量用斜齿轮代替直齿轮、在主轴上安装飞轮、高精度与小功率加工设备使其动力源与机床脱离等措施。

(3)提高传动件的稳定性和制造精度。

改善以联轴器相联的各轴轴心线间的同轴度，从高速轴或主轴上除去带动润滑油泵的凸轮，同时提高传动件的制造精度和装配质量。

(4)提高系统刚度，增加阻尼。

提高机床、工件、刀具的刚度都会增加系统的抗振性。

增大阻尼是提高动刚度和振动稳定性的有效措施，主要方法是在机床主轴上加装电流变液阻尼器、对滚动轴承适当预紧、将型砂或混凝土等阻尼材料填充在支承件的零部件臂中，在机械加工系统中的承受弯曲振动的支承件的表面喷涂一层有高内阻和较高弹性模量的黏性材料等。

(5)调整振源频率。

由强迫振动的特性可知，当激振力的频率接近系统固有频率时，会发生共振。

因此，在机械加工过程中，合理安排加工系统的固有频率，能够有效预防共振现象的发生，其主要措施如下:一是为有效避开系统的固有频率，可以调节激振力频率。

二是在设计机械加工设备的结构时，让工艺系统各个部件的固有频率远远大于或者远远小于共振区频率。

三是对机械加工设备中的轴承与镶条等部件的间隙加以调整，使其偏离激振频率。

四是调节机械加工系统的一些运动参数，有效避免可能产生的强迫振动的振源频率，远离机械加工设备中薄弱模态的固有频率。

3.4自激振动机械加工过程中，还常常出现一种与强迫振动完全不同形式的强烈振动。

这种振动是由振动过程本身引起某种切削力的周期性变化，又由这个周期性变化的切削力反过来加强和维持振动，使振动系统补充了由阻尼作用消耗的能量，这种类型的振动被称为自激振动。

切削过程中产生的自激振动是频率较高的强烈振动，通常又称为颤振，常常是影响加工表面质量和限制机床生产率提高的主要障碍。

磨削过程中，砂轮磨钝以后产生的振动也往往是自激振动。

3.4.1自激振动的原理金属切削过程中自激振动的原理如图2所示。

它具有两个基本部分:切削过程产生交变力P∆,再反馈给切削过∆，激励工艺系统；工艺系统产生振动位移Y程。

维持振动的能量来源于机床的能源。

图2 机床自激振动系统自激振动的形成和持续，是由于加工过程本身产生的激振和反馈作用，所以若停止切削（或磨削）过程，即使机床仍继续空运转，自激振动也就停止了，这也是与强迫振动的区别之处。

3.4.2消除自激振动的途径（1)减小重叠系数重叠系数对系统再生效应的大小影响很大。

重叠系数值μ由加工方式、刀具的几何形状以及切削用量来决定。

图3是两种加工方式的μ值。

加工螺纹工件时，0=μ，工艺系统不会有再生型自激振动产生。

而切断工件时，1=μ，所产生的再生效应最大。

对于一般外圆，纵向车削时，μ为1~0，因此通过改变切削用量和刀具几何形状，尽量减小μ值，可提高切削的稳定性。

(a)加工螺纹工件时，0=μ (b)切断工件时，1=μ图3 两种加工方式的μ值（2)合理选择与切削过程有关的参数根据图2，自激振动的形成是与切削过程本身是密切相关的，所以可以通过合理地选择切削用量、刀具几何角度和工件材料的可切削性等途径来抑制自激振动。

①合理选择切削用量。

图4所示是车削时切削速度c v 与振幅A 的关系曲线。

c v 在min /70~20m 范围内时，很容易产生自振，而c v 高于或低于此范围时，振动逐渐减弱。

图4 切削速度c v 与振幅A 的关系图5所示是进给量f 与振幅A 的关系曲线，f 较小时A 较大，随着f 的增大A 反而减小。

图 6所示是切削深度与振幅A 的关系曲线，切削深度越大，A 也越大。

图5 进给量f与振幅A的关系图6 切削深度与振幅A的关系②合理选择刀具的几何参数。

主要影响参数为主偏角ϕ和前角γ。

如图7ϕ时振幅最小，此时切削力在y方向上最小、x方向上最大。

由于所示，当︒=90一般工艺系统的刚度在x方向比y方向上好得多，因此不易起振。

由图8可见，在相同切削速度v时，随前角γ的增大，切削力减小，振幅也减小。

因此通常采用双前角消振刀(见图9)以减小切削力，可取得很好的减振效果。

减小后角有利于减振。

一般后角取︒2为宜，必要时在后刀而上磨出带负后角的消振棱，~︒3形成倒棱减振车刀（如图10所示）。

其特点是刀尖不易切入金属，且后角小，有减振作用，切削时稳定性好。

图7 主偏角对振动的影响图8 前角的影响图9 双前角消振刀图10 倒棱减振车刀另外，实际生产中用油石使新刃磨的刃口稍稍钝化，也很有效。

关于刀尖圆弧半径，它本来就和加工表面粗糙度有关，对加工中的振动而言，一般不要取得太大。

如果车削中刀尖圆弧半径与切深近似相等，切削力就会很大，容易振动。

车削时装刀位置过低或镗孔时装刀位置过高，都易于产生自激振动。

使用“油”性非常高的润滑剂也是加工中经常使用的一种防振办法。

（3)提高工艺系统本身的抗振性系统工艺统本身的抗振性能是影响颤振的主要因素之一。

首先应设法提高工艺系统的接触刚度，如对接触面进行刮研，减小主轴系统的轴承间隙，对滚动轴承施加一定的预紧力，提高顶尖孔的研磨品质等。

①提高机床的抗振性。

机床的抗振性能往往是占主导地位的，可以从改善机床刚性、合理安排各部件的固有频率、增大其阻尼以及提高加工和装配的质量等来提高其抗振性。

图11所示就是具有显著阻尼特性的薄壁封砂结构床身。

图11 薄壁封砂床身图12 钢-硬质合金的组合刀杆1-环氧结合剂；2-硬质合金；3-钢②提高刀具的抗振性。

提高刀具的抗振性，希望刀具具有高的弯曲与扭转刚度、高的阻尼系数，因此要求改善刀杆等的惯性矩、弹性模量和阻尼系数。

例如，硬质合金虽有高弹性模量，但阻尼性能较差，所以可以和钢组合使用。

图12所示的组合刀杆就能发挥钢和硬质合金两者的优点。

当用细长刀杆进行孔加工时，应采用中间导向支承来提高刀具的抗振性能；减小刀具悬伸长度，一般情况下刀具伸出长度不宜超过刀杆高度的两倍；采用如图13所示的切向刚度较高的弹性刀杆，将不易产生刀杆的弯曲高频振动。

图13 弹性刀杆车刀③提高工件安装时的刚性。

主要是提高工件的弯曲刚性。

例如，车削加工细长轴(12L)时，工件刚性差，易弯曲变形产生振动，此时应在采用弹性顶/>D尖及辅助支承(中心架或跟刀架)来提高工件抗振性能的同时，用冷却液冷却以减小工件的热膨胀变形；当用拨盘传动销拨动夹头传动时，要保持切削中传动销和夹头不发生脱离等。

（4)采用减振装置当采用上述措施仍然达不到消振的目的时，可考虑使用减振装置。