機(jī)械加工過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)的成因及解決措施

劉秉剛 馬旭

摘? ?要：在我國(guó)科學(xué)技術(shù)的大力發(fā)展下，數(shù)控技術(shù)開(kāi)始在我國(guó)機(jī)械加工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。雖然在一定程度上提高了我國(guó)機(jī)械加工的效率和精確度，但由于在加工過(guò)程中，刀具和被加工機(jī)械做周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此加工過(guò)程中產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)十分難以避免。而一旦發(fā)生機(jī)械振動(dòng)不僅會(huì)影響到機(jī)械加工質(zhì)量，甚至也會(huì)導(dǎo)致加工機(jī)械出現(xiàn)損壞。因此，研究機(jī)械加工振動(dòng)的解決措施，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工? 機(jī)械振動(dòng)? 成因? 解決? 措施

中圖分類號(hào)：TH161? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）06（a）-0092-02

1? 機(jī)械加工過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)的類型和成因

1.1 自由振動(dòng)

在機(jī)械對(duì)產(chǎn)品加工過(guò)程中，最常見(jiàn)且最為簡(jiǎn)單的振動(dòng)類型就是自由振動(dòng)。機(jī)械出現(xiàn)自由振動(dòng)的原因大多是機(jī)械在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加工時(shí)，切削力產(chǎn)生的波動(dòng)而引起的，或是機(jī)械對(duì)產(chǎn)品加工中，受到外部力的影響從而引起的。機(jī)械在自由振動(dòng)過(guò)程中，通常會(huì)逐漸減弱，因此，自由振動(dòng)對(duì)機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)品加工的影響不大，但是要考慮到一個(gè)問(wèn)題，就是自由振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)械產(chǎn)生自激振動(dòng)。

1.2 自激振動(dòng)

自激振動(dòng)是指機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，出現(xiàn)的高頻率劇烈振動(dòng)。自激振動(dòng)產(chǎn)生的原因通常有以下幾點(diǎn)：①機(jī)械在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)加工時(shí)，刀具與產(chǎn)品之間的摩擦力在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生巨大的變化，從而引起自激振動(dòng)。②機(jī)械在加工零件時(shí)，因加工零件硬度變化較大，導(dǎo)致刀具產(chǎn)生崩刀的現(xiàn)象，從而引發(fā)機(jī)械自身的自激振動(dòng)。③機(jī)械對(duì)零件進(jìn)行加工過(guò)程中，刀具的剛性過(guò)差，刀桿便會(huì)產(chǎn)生自激振動(dòng)。④在機(jī)械加工的過(guò)程中，因選擇的切削量不合理，從而也會(huì)導(dǎo)致機(jī)械自激振動(dòng)。⑤機(jī)械設(shè)備的組裝中存在某些問(wèn)題，例如部分零件沒(méi)有緊密連接，也會(huì)出現(xiàn)機(jī)械自激振動(dòng)。自激振動(dòng)主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①自激振動(dòng)是無(wú)周期性外力影響的。②自激振動(dòng)會(huì)使機(jī)械自身出現(xiàn)不會(huì)衰減的周期性變化，系統(tǒng)振動(dòng)會(huì)因外力影響而進(jìn)行補(bǔ)充，從而確保長(zhǎng)期振動(dòng)，當(dāng)機(jī)械振動(dòng)停止之后，對(duì)這種外力周期性能量的補(bǔ)充將會(huì)停止。

1.3 強(qiáng)迫振動(dòng)

在機(jī)械加工過(guò)程中，強(qiáng)迫振動(dòng)是常見(jiàn)的振動(dòng)類型。產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的原因分別有內(nèi)部原因和外部原因。內(nèi)因通常有以下幾點(diǎn)：①機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，產(chǎn)生離心慣性，從而所導(dǎo)致的振動(dòng)。離心慣性出現(xiàn)的原因是機(jī)械加工設(shè)備中皮帶輪、砂輪、電機(jī)轉(zhuǎn)子和快速運(yùn)轉(zhuǎn)的加工零部件等都會(huì)產(chǎn)生的不平衡現(xiàn)象，由此產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。②機(jī)械自身存在的問(wèn)題，例如尺寸規(guī)格設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，也會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)迫振動(dòng)。③機(jī)械加工過(guò)程中因時(shí)間規(guī)律性的間隔，會(huì)有一定的節(jié)奏變換，使機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)周期性的反應(yīng)，從而產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。外部原因通常是機(jī)械附近有能夠引起周期性振動(dòng)的某些大型機(jī)械，例如沖床和空壓機(jī)等，這些都會(huì)引起機(jī)械產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。強(qiáng)迫振動(dòng)主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①機(jī)械自身無(wú)法改變干擾力，與加工過(guò)程中關(guān)聯(lián)性小，用與之相關(guān)的技術(shù)除去干擾力，即可以使強(qiáng)迫振動(dòng)停止。②強(qiáng)迫振動(dòng)易使機(jī)械引發(fā)共振現(xiàn)象，因此在機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生干擾。③機(jī)械產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅與外界干擾力成正比。④強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率和外界的干擾力周期相似。

2? 機(jī)械加工中機(jī)械振動(dòng)控制方法

從機(jī)械加工中機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的類型來(lái)看，對(duì)機(jī)械加工質(zhì)量具有直接影響的主要是自激振動(dòng)和受迫振動(dòng)。因此，在研究機(jī)械振動(dòng)控制措施的過(guò)程中，應(yīng)主要從受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，具體如下。

2.1 自激振動(dòng)控制措施

在機(jī)械振動(dòng)中對(duì)自激振動(dòng)的控制措施主要可以從三個(gè)方面進(jìn)行：第一，由于振型剛度比和其它組合對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)具有較大的影響，因此為了避免自激振動(dòng)的發(fā)生，工作人員必須要合理的調(diào)整振型剛度比，并完善設(shè)備之間的組合，從而減少自激振動(dòng)發(fā)生的概率;第二，由于在機(jī)械加工過(guò)程中，與振動(dòng)相關(guān)的系統(tǒng)主要是機(jī)床系統(tǒng)，因此為了減少自激振動(dòng)的發(fā)生概率，對(duì)機(jī)床系統(tǒng)抗震性能進(jìn)行一定的優(yōu)化，也能夠有效地減少自激振動(dòng)的發(fā)生;第三，在我國(guó)科技技術(shù)的不斷發(fā)展，一些先進(jìn)的減震設(shè)備儀器開(kāi)始出現(xiàn)在人們的眼前，為了減少機(jī)械加工中自激振動(dòng)的發(fā)生概率，合理的應(yīng)用一些減震設(shè)備也是一個(gè)較為有效地措施。

2.2 受迫振動(dòng)控制措施

在機(jī)械加工中受迫振動(dòng)的發(fā)生同樣對(duì)機(jī)床設(shè)備以及加工工件質(zhì)量影響重大，通常來(lái)說(shuō)對(duì)受迫振動(dòng)的控制主要可以從三個(gè)方面進(jìn)行，具體如下：第一，由于提高系統(tǒng)剛度和增大阻尼可以有效地防止受迫振動(dòng)的發(fā)生，因此實(shí)現(xiàn)提高工藝系統(tǒng)剛度和阻尼是一個(gè)極為重要的措施。具體來(lái)說(shuō)，在提升剛度方面，主要可采用強(qiáng)化連接處部件接觸剛度的方法以及減少滾動(dòng)軸承間隙等等，而對(duì)于阻尼的提升則主要是通過(guò)使用阻尼較大的材料得以實(shí)現(xiàn);第二，由于振動(dòng)的發(fā)生都是存在振源的，因此為了對(duì)受迫振動(dòng)進(jìn)行控制，從振源上著手也是一個(gè)極為有效地措施。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于一些旋轉(zhuǎn)速度較高的零件，為了減少其振動(dòng)應(yīng)進(jìn)行多次的平衡調(diào)整，另外，在針對(duì)周期性振動(dòng)方面，應(yīng)通過(guò)優(yōu)化齒輪性能來(lái)提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)而減少周期性運(yùn)動(dòng)的影響。此外，工作人員還可以通過(guò)提高滾動(dòng)軸承的制造精度來(lái)減少設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的往復(fù)振動(dòng);第三，采用一些有效地隔震措施，通常來(lái)說(shuō)可采用柔性連接機(jī)床的床身和電機(jī)對(duì)電機(jī)振動(dòng)進(jìn)行控制，另外，也可以使用木材將機(jī)床和地基隔離，從而有效地減少周圍振源對(duì)機(jī)床的影響。

3? 機(jī)械加工過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)的成因與解決對(duì)策

3.1 自激振動(dòng)的解決措施

通過(guò)以上內(nèi)容分析，可得知自激振動(dòng)是因切削過(guò)程中機(jī)械內(nèi)部系統(tǒng)導(dǎo)致的。對(duì)此有以下三種方法。

（1）選擇合理刀具。在機(jī)械加工過(guò)程中，刀具的選擇對(duì)自激振動(dòng)的產(chǎn)生有密切聯(lián)系。因此在機(jī)械加工過(guò)程中，需要合理擴(kuò)大前角和主偏角，從而達(dá)到降低振動(dòng)的目的。

（2）布置機(jī)械位置。從上文對(duì)自激振動(dòng)原理的分析，可知零部件、刀具和機(jī)床的位置如進(jìn)行合理設(shè)置，能夠有效降低自激振動(dòng)發(fā)生的頻率。因此在機(jī)械加工過(guò)程中，需根據(jù)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)原理，對(duì)相關(guān)機(jī)械進(jìn)行合理安排。

（3）降低重疊系數(shù)。系統(tǒng)重疊系數(shù)和再生效果有著密切聯(lián)系。重疊系數(shù)是根據(jù)使用刀具紋理樣式和加工形式以及切削作業(yè)過(guò)程中的用量，這三種數(shù)據(jù)來(lái)判定的。因此，可適度調(diào)節(jié)加工形式、刀具紋理樣式以及切削作業(yè)過(guò)程中的用量三種數(shù)據(jù)來(lái)降低重疊系數(shù)。

3.2 強(qiáng)迫振動(dòng)的解決措施

通過(guò)上文對(duì)機(jī)械加工過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)的類型和成因的分析，同樣可知強(qiáng)迫振動(dòng)的引發(fā)是因?yàn)榇嬖谥芷谛缘耐饬?，因此找到周期性外力源頭是關(guān)鍵所在。

（1）調(diào)試振源頻率。機(jī)械對(duì)零件進(jìn)行加工的過(guò)程中，對(duì)加工系統(tǒng)原有頻率進(jìn)行合理的調(diào)試，能有效降低共振現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率。通常對(duì)機(jī)械設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，將各個(gè)系統(tǒng)中的零件原有的頻率調(diào)試超過(guò)共振區(qū)的頻率。

（2）對(duì)外來(lái)振動(dòng)源進(jìn)行隔離。在機(jī)械加工過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際條件對(duì)振動(dòng)源進(jìn)行隔離，例如在機(jī)械和地面之間放置軟性墊板，從而減弱強(qiáng)迫振動(dòng)。

（3）降低激振力。因機(jī)械在對(duì)零件進(jìn)行加工過(guò)程中，不均勻的轉(zhuǎn)動(dòng)速度而引起不同程度的激振力。一方面，降低機(jī)械因轉(zhuǎn)動(dòng)速度不均衡而引起的沖擊力和離心慣性力，可以減弱強(qiáng)迫振動(dòng)。例如技術(shù)人員可以通過(guò)對(duì)砂輪、電機(jī)轉(zhuǎn)子和高速運(yùn)轉(zhuǎn)元件等機(jī)械設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，并且安裝相應(yīng)的平衡裝置。另一方面，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的穩(wěn)定性進(jìn)行加強(qiáng)，從而減弱強(qiáng)迫振動(dòng)。通常將機(jī)械中傳動(dòng)皮帶尺寸規(guī)格設(shè)計(jì)一致，盡可能減少在機(jī)械自身方面的問(wèn)題。

4? 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用性能與機(jī)械零部件的質(zhì)量有著密切的關(guān)系，各個(gè)行業(yè)的迅速發(fā)展使得人們對(duì)行業(yè)的發(fā)展要求越來(lái)越高，國(guó)家在發(fā)展的過(guò)程中也加大了對(duì)工業(yè)行業(yè)的重視，加強(qiáng)對(duì)機(jī)械設(shè)備的建設(shè)是非常重要的。機(jī)械零部件加工質(zhì)量影響著機(jī)械設(shè)備的整體質(zhì)量，而在實(shí)際加工過(guò)程中，很容易出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象影響機(jī)械零部件的加工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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