述机械加工中振动原因及控制措施

论述机械加工中振动原因及控制措施

摘要：随着我国经济的飞速发展，机械化加工技术在我国得到了前所未有的发展，机械加工中的振动是一种十分有害的物理现象。通过分析机械加工中各种振动产生的原因和特性,提出了相应的减振措施。在实际生产中,合理采用这些措施对保证零件表面品质、提高生产率有着积极的意义。

关键词:机械加工；振动；控制措施

中图分类号：th161 文献标识码：a 文章编号：

1、引言

随着机械加工技术的不断广泛的应用，显现的问题也越来越突出，机械加工中的振动对加工表面质量和生产率有很大的影响，是一种十分有害的物理现象。若加工中产生了振动，刀具与工件间将产生相对位移，会使加工表面产生振痕，严重影响零件的表面质量和性能；振动使刀具受到附加动载荷，加速刀具磨损，有时甚至崩刃；同时振动使机床、夹具等的连接部分松动，从而增大间隙，降低刚度和精度，缩短使用寿命，严重时甚至使切削加工无法继续进行，振动中产生的噪声还将危害操作者的身体健康。为减小振动，有时不得不降低切削用量，使机床加工的生产效率降低。因此，研究分析机械加工中的振动原因和特性，寻求控制振动的有效途径是很有必要的。机械振动的类型分为自由振动、受迫振动和自激振动三类。自由振动是在初始干扰力的作用下破坏了系统的平衡,仅靠弹性恢复力来维持的振动。由于系统中总存在阻尼,自由振动会迅

速衰减,所以对机械加工的影响不大。受迫振动和自激振动都属于不衰减的振动,对机械加工的影响不容忽视。下面主要分析这两种振动。

2、振动的类型及特征

机械加工中产生的振动主要有受迫振动和自激振动（颤振）两种类型。

2.1受迫振动

由外界周期性干扰力（工艺系统内部或外部振源）所激发的振动。其主要特征是：

（1）除由切削过程本身不均匀性所引起的受迫振动外，干扰力一般同切削过程无关。干扰力消除，受迫振动停止。

（2）受迫振动的频率与外界周期性干扰力的频率相同或是它的整数倍。

（3）受迫振动的振幅与干扰力的振幅、工艺系统的刚度及阻尼大小有关。在干扰力频率不变时，干扰力幅值越大，工艺系统的刚度及阻尼越小，则受迫振动幅越大。

（4）干扰力的频率与工艺系统某一固有频率的比值等于或接近于1时，系统将产生共振，振幅达到最大值。

减小受迫振动的措施:受迫振动是由于外界周期性干扰力引起的,因此为了消除受迫振动,应首先找出振源,然后采取相应的措施加

以控制。

（1）减小激振力:对于机床上转速在600r/min以上的零件,如砂

轮、卡盘、电动机转子及刀盘等,必须进行平衡以减小和消除激振力;提高带传动、链传动、齿轮传动及其他传动装置的稳定性,如采用完善的带接头或无接头的胶合平皮带,以斜齿轮或人字齿轮代替直齿轮,采用缓冲装置、降低换向速度等,使动力源与机床本体放在两个分离的基础上。

（2）调整振源频率:在选择转速时,尽可能使引起受迫振动的振源(电机转速)频率远离系统固有频率,避免共振。

（3）提高工艺系统的刚度和阻尼:提高刚度、增大阻尼是增强系统抗振能力的基本措施。如提高联结部件的接触刚度,预加载荷减小滚动轴承的间隙,采用内阻尼较大的材料制造某些零件能收到较好的效果。

（4）采用隔振措施:隔振就是用弹性隔振装置将需防振的机床或部件与振源之间分开,使大部分振动被吸收,从而达到减小振源危害的目的。如用橡胶垫将电机与机床隔开,机床下装隔振器,机床四周挖隔振沟,沟内充满锯木屑、纤维、软木、碳渣等。对于某些动力源,如电机、液压站等,最好与机床分离。

（5）采用减振装置:当采用上述各种措施仍无法控制振动时,可考虑使用消振减振装置。减振装置通常都是附加在工艺系统中,通过吸收或消耗振动能量,达到减振的目的。它对抑制自激振动有同样的效果,是提高工艺系统抗振性的一个重要途径。

2.2自激振动（颤振）

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。其主要特征如下：（1）由于维持自激振动的干扰力是由振动（切削）过程本身激发的，故振动（切削）一旦中止，干扰力及能量补充过程立即消失。（2）自激振动能否产生及其振幅的大小，决定于每一振动周期内系统所获得的能量与系统阻尼消耗能量的对比情况。

（3）自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率。

目前，国内外对加工过程中振动纹理的控制技术进行了较深入的研究。提出：利用变速切削加工方法抑制切削颤动；利用非线性颤振理论研究切削振动，并指出切削振动不仅取决于切削力的动态特性，而且也取决于机床机构的动态特性；利用实验方法研究动态切削噪音的“动态切削条件”，提出振动频率主要由机床切削系统的模态固有频率所决定。

控制自激振动的措施:

图1车削时切削速度与振幅的关系曲线图2 前角的影响

（1）合理选择切削用量:图1是车削时切削速度与振幅的关系曲线。可以看出,在v=20~60m/min时容易产生自振,高于或低于此范围则振动减弱。若同时考虑提高生产率,则采用高速切削有利。（2）合理选择刀具几何参数:主要影响参数为主偏角u和前角γ。当u=90°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2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°~3°为宜,必要时在后刀面上磨出带负后角的消振棱,形成倒棱减振车刀。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。

（3）提高工艺系统的抗振性:工艺系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。

3、实例分析

以某公司一台德国liebherr数控滚齿机lc3000为原型，对加工中出现的振动（蹦刀）问题进行振源诊断：该设备在安装调试完毕后，进行内齿切削时产生严重的振动、蹦刀且噪音大，加工出的齿轮工件齿面有振纹，零件达不到产品的质量要求。为解决此问题：第一步，降低了切削速度和切削进给量，多次试验后无变化；第二步，对夹具进行了改进，改为由原来的8个m24的螺栓，增加到12个m24的螺栓，同时在工件上端加一个圆环形的压板以提高夹具的稳定性，防止在盘铣刀进给时引起工件振动。从装夹改进后的实验结果看，只是振动幅度稍有减小，振动还依然存在，没有真正找到振源。

第三步，现场拾振，进行频谱分析。在现场加工条件下，沿加工部位附近的振动敏感方向，用传感器（加速度计和力传感器等）拾取过程中的振动信号，做频谱分析，画频谱图。频谱图上较为明显