机械加工过程中振动问题的研究

机械加工过程中振动问题的研究

作者：朱金华李旭王棽

来源：《中国科技纵横》2019年第16期

摘;;要：在航空维修过程中，零备件的表面质量、尺寸精度尤为关键，直接关系到工件的使用性能，航空装备运行的可靠性。由于机械加工过程中振动问题时常发生，造成机械刀具磨损、加工件报废，以及噪音污染等不利影响，大大影响加工的效率。为此加强对机械加工过程中振动产生的原因及控制措施的探讨研究，对保证加工零件质量，提高产品使用性能，具有较好的指导意义。

关键词：机械加工;振动分类;产生原因;控制措施

中图分类号：TH161+.6;;;文献标识码：A ;;文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00

飞机维修过程中，零备件制造特点是批量少，种类多，机械设备、工装、刀具更换安装频繁。由于机械加工过程中的振动问题，严重影响零备件的尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等要求，因此，分析振动原因，找出振动源，采取相应措施来消除和减小振动，是提高加工件质量、保证飞机修理任务完成的重要途径。

在机械加工过程中，系统发生振动是不可避免的，它是一种十分有害的现象，导致系统振动的类型主要有三种：自由振动、强迫振动、自激振动。

1 机械加工振动产生的原因

振动产生的原因复杂多变，结合自身工作实践经验将加工中出现的振动现象、产生原因进行探讨分析。

1.1 自由振动产生的原因

自由振动是较简单的一种振动，主要有两方面原因：

（1）在切削加工时，因其所形成的切削力聚然产生变化，从而引起自由振动。

（2）外界力对正在加工的设备产生冲击，导致自由振动发生。

1.2 强迫振动产生的原因

外界的持续刺激是强迫振动形成的主要因素，其包括内部、外部两个方面。

1.2.1 工艺系统内部的因素

（1）惯性离心力引起的振动。工艺系统中高速回转体，如卡盘、电动机的转子、联轴器、砂轮、皮带轮等转动不平衡，产生惯性离心力，从而引发强迫振动。

（2）机床的传动机构缺陷。工艺系统中有些传动的部件存在加工精度偏差、装配精度偏差，而导致周期性的干扰力，致使发生强迫振动。

（3）加工过程中存在的间歇特性。加工件在切削过程中与间断位置要有节奏的进行交替，就会产生干扰力，引起振动。

1.2.2 工艺系统的外部因素

（1）地基的振动。正在进行加工的机床通过附近的振动源经过地基传入，从而导致工艺系统的振动，象锻锤、冲床等大型设备。

（2）部附件产生惯性力而引起的振动。机械设备含往复运动部件的在加工中，如进行换向时的运动部件所形生的惯性力，均会导致强迫振动。

1.3 自激振动产生的原因

自激振动的产生主要来源于特定的系统内部。

1.3.1 工件安装夹紧不牢

像铸造、锻造、电焊切割等外形不规则工件，基准面较差，不便于安装，夹紧时受力不均匀，在切削中较易产生松动，切削力变化时，而导致振动。

1.3.2 金属内部切削层硬度不匀实

如補焊后的工件、铸造件等硬度不均匀缺陷，切削时造成刃具崩刃及设备自振现象。

1.3.3 摩擦力产生变化

切削过程中，刀具与切屑、工件之间产生的摩擦力改变时，均会引起自激振动。

1.3.4 切削用量不合理引起振动

切削用量选择不合适，造成工件与刀具的不平衡量加大或径向切削力过大，切削宽而薄的切削易引起振动。

1.3.5 积屑瘤的产生

在切削过程中，刀具几何参数、切削层横截面积随时生时灭的积屑瘤不断发生变化，导致切削力不平稳。

1.3.6 工艺系统的刚性差

工艺系统中，刚度与系统固有频率成正比，刚性较差时，固有频率也降低，易产生共振。

（1）刀具刚性差。如刀杆离固定点悬伸太长、受工件影响直径尺寸小，安装不规范，促使刀杆颤动。

（2）工件刚性差。如加工长筒薄壁件、细长杆等刚性较差工件，容易导致加工表面出现波纹、锥度。

2 机械加工振动产生的影响

在切削过程中引起的振动，对加工质量、效率以及使用性能产生较大影响。

2.1 降低加工质量

2.1.1 加工表面的质量降低

加工中，当振动频率较低时，工件表面会有不均匀的波度产生，振动频率较高时，会导致加工表面粗糙度值大。

2.1.2 刀具使用性能降低

振动的产生，改变了刀具正常切削条件，加速刀具磨损，造成切削刃的崩裂，导致刀具刃具的使用寿命降低。

2.2 降低效率

2.2.1 生产效率降低

振动的产生，限制了切削用量的提升，较为严重的是导致切削过程无法正常进行，降低加工的生产效率。

2.2.2 工作效率降低

振动过程形成的刺耳噪声，造成作业人员的身心健康遭到损害，影响生产进度，工作效率降低。

2.3 降低工装使用性能

加工过程中形成的振动，使机床与夹具等一些机件的连接部位配合精度下降，出现松动现象，导致精度与刚度降低，加快机床零件的磨损，降低机床使用寿命。

2.4 降低工件使用性能

2.4.1 工件表面粗糙度的影响

工件表面的直线度主要是由表面粗糙度值决定的，当粗糙度值大的两个零件相互配合、摩擦时，实际接触面积非常小，造成在单位面积上所承受的压力会非常大，表面的凸峰就被压扁，导致间隙产生，造成配合精度降低。工件表面粗糙度值大耐腐蚀性也较差，部分腐蚀性物质会进入表面凹谷中，使腐蚀性逐渐扩大，影响使用性能。

2.4.2 冷作硬化的影响

加工件表面冷作硬化层如果很深，程度较大，从而温度变高，时间变长，塑性变形会发生剧烈变化，导致工件表面产生一些裂纹，使工件的配合运行强度下降，使用性能受到影响。

3 机械加工振动的控制措施

通过大数据统计，振动产生的比率为：强迫振动约占30%，自激振动约占65%，自由振动占5%。自由振动一般情况下迅速衰减，影响极小。而其余类型的振动在切削中不能自然衰减，产生较大危害。因此，降低机械振动的关键在于降低强迫振动、自激振动。

3.1 降低强迫振动的措施

3.1.1 降低振源的激振力

（1）高速回转体零件运行时，必须满足动平衡要求。对转速600r∕min以上的零部件，如电动机转子、卡盘、砂轮等必须作平衡试验。

（2）提高机床传动装置、元件的加工精度，保证传动平稳。如提高主轴、卡盘、齿轮、皮带轮、轴承等加工精度、装配精度，减少因制造误差引起的振动。

3.1.2 增加工艺系统刚度和阻尼