关于机械加工过程中的机械振动的

【摘 要】机械加工中的振动有自由振动、强迫振动和自激振动.文章分别对这几类振动的产生原因和控制方法进行了研究.

【关 键 词】机械加工；振动；原因；控制方法

1机械加工过程中的振动分类

1.1自由振动

当振动系统受到初始干扰力（又称激振力）的作用而破坏了平衡状态后,去掉激振力或约束后所发生的振动,称为自由振动.由于系统总是存在阻尼,故自由振动总是衰减的,因此,一般来说,自由振动对加工过程的影响不大.自由振动的特性取决于系统本身,即其固有频率,振型取决于振动系统的质量和刚度.

1.2强迫振动

在外界周期性干扰力的作用下,系统受迫产生的振动称为强迫振动.由于有外界周期性干扰力作能量补充,所以振动能够持续进行.只要外界周期性干扰力存在,振动就不会因阻尼而停止.强迫振动的频率等于外界周期性干扰力的频率或者是它的整数倍.

1.3自激振动

由振动系统自身产生的交变力激发和维持的一种周期性振动称为自激振动.切削过程中产生的自激振动也称为颤振.

2机械加工过程中振动产生的原因分析

2.1自由振动产生的原因

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,引起自由振动的主要原因有：（1）在机械设备加工过程中,切削力突然发生变化引起自由振动.（2）机械加工设备在加工时,外界力对其产生冲击而引起自由振动.机械加工过程产生的自由振动过程没有外来能量的补充,其振动一般会因阻尼的作用而迅速衰减,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诱发产生自激振动.

2.2强迫振动产生的原因

机械加工过程中强迫振动产生的主要原因有工艺系统内部和外部两方面因素.

工艺系统内部因素造成强迫振动的原因：一是离心惯性力引起的振动.在机械加工工艺系统中,电动机的转子、联轴节、皮带轮、砂轮以及被加工的高速回转工件会发生不平衡现象,这种不平衡会产生离心惯性力,从而引发强迫振动,所引发振动频率与这些元件每秒钟的相应转数大致相等.二是机械加工系统传动机构存在缺陷.有些传动中的旋转零件存在制造误差或者装配误差,这些误差会引发周期性的干扰力,导致强迫振动的产生.三是机械加工时存在的间歇特性.当加工件的加工部位与间断部分具有一定的节奏交替时,很容易产生周期性的激振力,从而引发强迫振动.

工艺系统外部因素造成强迫振动的原因：一是地基振动因素,典型的有机械加工现场周围存在引起地基强烈振动,如,空气压缩机、大型冲床、大型锻锤等设备等.二是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均会引起强迫振动.

2.3自激振动产生的原因

自激振动产生的原因主要有以下方面：一是在机械加工的切削过程中,切屑与刀具、刀具与工件之间的摩擦力发生了变化引起自激振动.二是由于机械加工工件内部硬度不均匀造成刀具崩刀后与加工设备发生自激振荡.三是机械加工装备中的刀具安装刚性差,导致刀杆颤动而引发自激振荡.四是机械加工设备加工细长轴等工件时,由于其刚性相对较差,加工工件的表面不可避免地产生现波纹或者锥度,导致自激振荡的发生.

3降低机械振动的措施

据相关资料统计,在机械加工产生的振动比率中,强迫振动约占30%,自激振动约占65%,而自由振动只占5%左右,并且其振动通常情况下迅速衰减,对机械加工过程的影响极小.而其他类型的振动不能自然衰减,危害很大.因此,降低机械振动的关键在于降低强迫振动和自激振动.

3.1减少强迫振动的措施

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.

3.1.1减小激振力

激振力是由机械加工过程中回转的不平衡质量引起的,减小激振力就是减小因回转元件的不平衡所引起的离心惯性力及冲击力,一是对砂轮、电动机转子及刀盘等600rad/min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.二是提高传动装置的稳定性,如,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动力源与机床脱离等措施.三是提高传动的稳定性,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,同时提高制造精度和装配质量.

3.1.2隔离外来振动的影响

将机械加工系统的电动机、油泵等某些动力源与机床分开,或用隔振材料将机械加工设备与地面隔开,如,将具有弹性的木板或者硬胶皮垫在磨床砂轮电动机底座与垫板之间,在机械加工设备机床周围挖防振沟,等等.

3.1.3增加系统阻尼

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.提高系统结构动刚度的主要方法是提高加工设备的结构件刚度.

3.2减少自激振动的措施

自激振动主要影响因素来源于受切削过程中的工艺系统内部,因此对自激振动控制应该从机械加工中的切削用量、刀具几何参数以及切削过程中的阻尼进行控制,减小或消除自激振动.

3.2.1合理选择切削用量

切削用量是指切削速度、进给量和切削深度三者的总称.切削速度对刀具寿命有非常大的影响.提高切削速度时,切削温度就上升,而使刀具寿命大大缩短.加工不同种类、硬度的工件,切削速度会有相应的变化.3.2.2合理选择刀具几何角度

基本角度分别是在正交平面内的前角、后角；在切削平面内的刃倾角；在基面内的主偏角、副偏角.派生角度是刀尖角、楔角.因为前角、后角和楔角之和等于90°.在不同的测量面内,都可以定义前角或后角.例如：在正交平面、法平面、切深平面、进给平面内都有其对应的前角和后角.

（1）阻尼器的应用.阻尼器是利用固体或液体的阻尼来消耗振动的能量,实现减振.阻尼器的减振效果与其运动速度的快慢、行程的大小有关.运动越快、行程越长,则减振效果越好.故阻尼器应装在振动体相对运动最大的地方.

（2）吸振器的应用.吸振器又分为动力式吸振器和冲击式吸振器两种：①动力式吸振器它是利用弹性元件把一个附加质量块连接到系统上,利用附加质量的动力作用,以此来减弱振动；

②冲击式吸振器它是由一个在壳体内自由冲击的质量块和一个与振动系统刚性连接的壳体组成的.每当机械系统发生振动时,由物体往复运动冲击壳体消耗了振动的能量,所以可减小振动.

3.2.3合理调整振型的刚度比,提高加工系统动态特性

（1）提高加工系统的刚度

提高加工系统的刚度,特别是薄弱环节的刚度,便可有效提高机械系统的稳定性.对滚动轴承施加预载荷、提高各零件结合面间的接触刚度、镗孔时镗杆加上镗套、加工细长轴时采用中心架或跟刀架等等措施都可提高加工系统刚度.

（2）增加加工系统的阻尼

阻尼比用于表达结构阻尼的大小,是结构的动力特性之一,是描述结构在振动过程中某种能量耗散的术语,引起结构能量耗散的因素（或称之为影响结构阻尼比的因素）很多,加工系统的阻尼来源于结合面上的摩擦阻尼、工件材料的内阻尼（材料内摩擦产生的阻尼称内阻尼）及其它附加阻尼.不同材料的内阻尼不同,机床床身、立柱等大型支承件一般用铸铁制造,因为铸铁的内阻尼比钢大,如何增加加工系统的阻尼这方面需要我们进行认真的研究.