机械加工中的振动分析及控制措施

机械加工中的振动分析及控制措施

摘要：振动现象在机械加工过程中出现最频繁，如何在加工过程中解决振动的问题，一直是机械制造业研究的课题之一。随着科技的不断发展，现代化的数控机床成为了机械制造过程中的主要工具，虽然提高了机械制造的效率，但是也会带来诸多的问题。文章主要分析了振动对机械加工的不良影响，然后对振动的种类和原因进行了阐述，最后对消除振动的方法和途径进行了探讨。

关键词：机械加工；自由振动；受迫振动；自激振动；消除振动

一、前言

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。

二、振动的类型和产生原因

导致振动产生的原因有许多方面，主要有3种类型：自由振动、强迫振动、自激振动。

1、对自由振动进行分析

如果系统工作中外力消失，机床系统自身会产生衰减运动，称为自由振动。产生的原因是工艺系统受到部分作用力，例如外界对系统的冲击力、机床传动系统非周期性引起的冲击力和加工工件时产生的冲击力等，会使系统的本身不平衡，需要靠系统本身的弹性恢复力进行恢复，由此产生的振动主要是自由振动。自由振动的频率同系统自身的频率相同，但是系统会产生阻尼作用力，因此自由振动会慢慢消退。

2、对强迫振动进行分析

强迫振动主要是受到外界周期性的干扰力引起的振动。其产生的主要原因是：在切削加工中，因为构造机床的零件有些精度不高，当机床在工作时会出现不均匀的现象，从而导致振动的产生。同时在刀具反面也会引起振动，各种刀具都具有自己独特的刃口高度，因此在机械加工就会产生振动。如果被切削的工件出现表面不连续以及软硬度不相同等等方面的原因，也能够导致在加工中产生振动。同时在加工系统的外部，也存在着导致车床在工作时产生振动的原因。强迫振动具有自己独特的特点，主要为：因为导致振动产生的稳态是谐振动，所以在干扰力没有消除时，振动不会减退，如果干扰力消除，振动就会立刻停止；根据振动产生的原因，振动的频率等同于干扰力的频率；当系统的阻尼力变小，强迫振动的振幅就会变大，谐波的影响轨迹范围也越大，因此加大阻尼，可以有效地减少强迫振动的振幅；在共振的区域，很小的频率就会导致振幅变化大，同时相位角也会发生变化。

3、对自激振动进行分析

自激振动就是当机床在加工时，振动自身会使部分切削力的周期发生变化，这个产生的切削力又反作用于系统，补充了系统由于阻尼作用减少的能力，使系统的振动得以维持和加强。在机械加工过程中，产生的自激振动主要是频率较高的强烈的振动，会使加工工件的表面的质量下降，大大影响了机床的生产效率。进行磨削工程中，砂轮磨钝之间产生的振动也是自激振动。主要的工作原理如图1所示：

自激振动的主要特点：由于自激振动类型属于不衰减的振动，因此系统本身固有的参数对自激振动产生的频率起到了决定性的作用，这个方面与强迫振动有很大的差别；在振动的每一个周期内，将系统获得振动能量同阻尼引起的消耗能量进行对比，这个值能够决定自激振动的振幅大小；自激振动是由振动过程本身产生的激振和反馈导致的，所以如果加工过程停止，自激振动就会消失。

三、振动消除的措施

在机械加工中强迫振动和自激振动所占比重非常大，而自由振动占的比例非常小。自由振动能够迅速被阻尼力消除，因此在消除振动中，主要根据产生的原因对另外两种振动进行消除。

1、消除自激振动的措施

（1）合理选用刀具的几何参数。试验和理论研究表明，刀具的几何参数中，对振动影响最大的是主偏角和前角。由于切屑越宽越容易产生振动，而Kr越小，切削宽度越宽，因此越易产生振动，前角越大，切削力越小，振幅也越小

（2）对切削过程中的有关参数进行科学的选择。主要是设置切削的速度和工件的进给量还有背吃刀量，如图2，当切削速度在20～60m/min的范围内，振幅增大得很快，当速度高于或者低于此范围后，振动逐渐减弱，振幅减少。如图3进给量和振幅主要成反比的关系，振幅随着进给量的增大而逐渐减少。图4所示，背吃刀量和振幅成正比关系，振幅随着背吃刀量的增大而增大。在切削过程中要根据实际情况选择合理的与切削过程相关的参数。

（3）在加工时增强系统本身的抗振性。在对振动的消除中，占主导地位的是机床系统本身的抗振性，要对该方面加以重视。可以通过以下方式进行改善，首先可以对机床的刚性进行改善，还可以将各个部件根据各自特有的固定频率进行分析，然后进行合理的安排，同时还可以将系统的阻力进行加大。这些措施都能够增大机床的抗振性。对于刀具也要提高其抗振性。对于工件可以提高其刚性，主要是将工件的弯曲刚性提高。

（4）在加工系统中添加消振装置。主要是将吸震器添加到系统中，吸震器主要有两种类型：动力式吸震器、冲击式吸震器。动力式吸震器就是在系统上添加几个大的质量块，通过添加的质量块产生动力，使弹性元件产生的力同激振力互相抵消。冲击式吸震器主要是在振动系统中添加一个与刚性连接的壳体，在添加的壳体内存在一个可以自由运动的质量块，当系统产生振动时，自由振动的质量块冲击壳体，消耗能量，从而减少振动。

（5）调整振型的刚度比。根据振型耦合原理，工艺系统的振动还受到各振型的刚度比以及其组合的影响。合理调整它们之间的关系，就可以有效地提高系统的抗振性，抑制自激振动。

2、减少强迫振动的措施。

根据强迫振动产生的原因，我们在消除振动时需要将振源找出来，再对振源采取措施，来使振动消除。

（1）将振源的激振力进行消除或者减弱。当零件的转速高于600r/min时，需要进行平衡。当零件高速旋转时，零件自身的砂粒不均匀的分布表明，这样在工作时引起的表面磨损也不是均匀的，这样就会导致主轴的振动，因此如果是新换的砂轮，必须经过两次的平衡试验，即修正前的试验和修整后的试验。同时提高齿轮的平稳性，能够使周期性的冲击力导致的振动减少。

（2）尽量使激振力的频率不要临近于系统自身固有的频率，防止共振的产生，可以将电动机的转速进行改变，也可以将主轴的转速改变。同时我们还可以将接触面和结合面的精度提高，减少间隙，来使系统的固有频率升高。

（3）可以采用隔振的手段，在机床的电机和床身的连接处采用柔性的连接