機(jī)械加工機(jī)械振動(dòng)的原因及解決

謝忠華

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

企業(yè)生產(chǎn)加工過(guò)程在日益精進(jìn)的科學(xué)技術(shù)幫助下早已實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、數(shù)字化和智能化，不僅使機(jī)械加工過(guò)程更加高效、精準(zhǔn)和便捷，還降低了勞動(dòng)率并提高了生產(chǎn)效率。然而，機(jī)械加工過(guò)程也面臨著一些棘手的問(wèn)題，最明顯的就是機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象[1]。機(jī)械振動(dòng)源自于機(jī)械加工時(shí)刀具和工件之間長(zhǎng)期處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)且產(chǎn)生了周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此導(dǎo)致機(jī)械發(fā)生振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)雖然是一種必然現(xiàn)象，但它降低了被加工零部件的精準(zhǔn)度，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率造成了嚴(yán)重影響。為此，應(yīng)對(duì)機(jī)械加工中的振動(dòng)原因進(jìn)行分析，從而采取有效辦法以減少機(jī)械振動(dòng)的發(fā)生[2]。

1 機(jī)械振動(dòng)形成的原因和特征

機(jī)械振動(dòng)是機(jī)械加工中常見(jiàn)現(xiàn)象，主要包括自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)三種類(lèi)型。自由振動(dòng)是因初始干擾力作用的影響而使整個(gè)加工系統(tǒng)的平衡狀態(tài)被打破時(shí)，為了維持狀態(tài)而受彈性恢復(fù)力作用引起的振動(dòng)；強(qiáng)迫振動(dòng)一般產(chǎn)生于周期性變化的外力作用下；自激振動(dòng)是因交變力作用的影響而使得機(jī)械加工系統(tǒng)本身產(chǎn)生了不衰減的振動(dòng)。

（1）自由振動(dòng)產(chǎn)生的原因

從實(shí)際情況來(lái)看，自由振動(dòng)的形成原理最簡(jiǎn)單，但且難以預(yù)防，與其他振動(dòng)方式不同的是：自由振動(dòng)出現(xiàn)的次數(shù)最少，其產(chǎn)生的原因包括切削力發(fā)生突變以及外界作用力的沖擊而導(dǎo)致。由于發(fā)生自由振動(dòng)時(shí)不存在來(lái)自外界能量的補(bǔ)充，因此阻尼作用會(huì)使得自由振動(dòng)迅速衰減，所以說(shuō)機(jī)械加工基本上不受自由振動(dòng)的影響，一般不予討論[3]。

（2）強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生的原因和特征

強(qiáng)迫振動(dòng)最為常見(jiàn)，其產(chǎn)生原因大體上分為兩類(lèi)：工藝系統(tǒng)內(nèi)部原因和工藝系統(tǒng)外部原因。

強(qiáng)迫振動(dòng)受工藝系統(tǒng)內(nèi)部影響而產(chǎn)生，主要原因在于：一個(gè)是受離心慣性力的波動(dòng)影響。機(jī)械加工工藝系統(tǒng)的內(nèi)部存在大量元件，比如電子機(jī)轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸節(jié)、皮帶輪、砂輪以及被加工的高速回轉(zhuǎn)工件等，這些元件在自然狀態(tài)下都有可能發(fā)生不平衡現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生離心慣性力，其波動(dòng)直接催生了強(qiáng)迫振動(dòng)，且強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率與這些元件每秒鐘的相應(yīng)轉(zhuǎn)數(shù)大體上相同；一個(gè)是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有缺陷存在。在制造或裝配零件的環(huán)節(jié)中，由于操作誤差而導(dǎo)致周期性干擾力的形成，一些零件受此影響而出現(xiàn)了強(qiáng)迫振動(dòng)；一個(gè)是加工過(guò)程的間歇性。當(dāng)加工件的間斷部位和加工部位由于間隙而引發(fā)節(jié)奏交替，則很容易導(dǎo)致周期性的激振力，繼而催生了強(qiáng)迫振動(dòng)，比如：銑削/拉削以及周邊磨損不均勻的砂輪等。

強(qiáng)迫振動(dòng)受工藝系統(tǒng)外部影響而產(chǎn)生的原因包括兩部分：一個(gè)是在機(jī)械加工現(xiàn)場(chǎng)周?chē)捎诳諝鈮嚎s機(jī)、大型沖床和大型鍛錘等設(shè)備施工而引起的地基振動(dòng)；另一個(gè)是由于液壓件沖擊或者運(yùn)動(dòng)部件換向時(shí)的慣性力等具有往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件的機(jī)械在施工過(guò)程中自發(fā)引起的。

強(qiáng)迫振動(dòng)的特征體現(xiàn)在四個(gè)方面：首先，強(qiáng)迫振動(dòng)對(duì)干擾力變化和加工過(guò)程都不具有影響，所以可通過(guò)消除干擾力來(lái)停止強(qiáng)迫振動(dòng)；其次，強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率與外界周期干擾力頻率接近；再者，由強(qiáng)迫振動(dòng)而引起的干擾頻率在條件滿(mǎn)足時(shí)很容易與系統(tǒng)自身的固有頻率發(fā)生共振，從而影響整個(gè)機(jī)械加工過(guò)程；最后，強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅隨干擾力增大（減?。┒龃螅p少），隨剛度或阻尼的增大（減小）而減?。ㄔ龃螅覐奈灰谱兓现v滯后于干擾力一個(gè)相位角。

（3）自激振動(dòng)產(chǎn)生的原因和特征

自激振動(dòng)出現(xiàn)頻繁，通常也稱(chēng)之為“顫振”。機(jī)械加工時(shí)如果某些工件材料的硬度不均勻，或者加工余量有變動(dòng)，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)加工系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，進(jìn)而導(dǎo)致工件和刀具間的相對(duì)位移出現(xiàn)周期性變化，從而產(chǎn)生自激振蕩。到目前為止，自激振蕩的激振機(jī)理還未完全研究出來(lái)，應(yīng)用較多的機(jī)理有再生、振型耦合、負(fù)摩擦以及滯后。

2 機(jī)械加工過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)的解決方法

據(jù)資料統(tǒng)計(jì)顯示，各類(lèi)型振動(dòng)在機(jī)械加工中產(chǎn)生的比率分別為：自由振動(dòng)5%、強(qiáng)迫振動(dòng)30%、自激振動(dòng)65%，這其中自由振動(dòng)對(duì)機(jī)械加工過(guò)程的影響最小，其余類(lèi)型振動(dòng)的影響最大。

（1）降低強(qiáng)迫振動(dòng)的措施

已經(jīng)得出的結(jié)論表明周期性激振力是引發(fā)強(qiáng)迫振動(dòng)的主要原因，其振動(dòng)頻率也與干擾力的頻率想接近，或者是干擾力頻率的數(shù)倍，因此想要降低或者消除強(qiáng)迫振動(dòng)，必須找出其振動(dòng)源。具體來(lái)說(shuō)，減少?gòu)?qiáng)迫振動(dòng)的措施包括：

第一，對(duì)激振力進(jìn)行控制。機(jī)械加工中回轉(zhuǎn)元件的不平衡是產(chǎn)生激振力的關(guān)鍵，因此應(yīng)減少由不平衡所引起的離心慣性力和沖擊力即可減少激振力。

第二，對(duì)振源頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。從加工系統(tǒng)的固有頻率入手，對(duì)其進(jìn)行合理安排以預(yù)防共振，具體的實(shí)施措施如下：首先調(diào)節(jié)激振力頻率來(lái)有效避開(kāi)系統(tǒng)的固有頻率；其次在機(jī)械加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)工藝系統(tǒng)各個(gè)部件的固有頻率進(jìn)行調(diào)整，令其明顯區(qū)別于共振區(qū)頻率；再者調(diào)整加工設(shè)備中的軸承與鑲條等部件間隙，從而確保其與振蕩頻率相距甚遠(yuǎn)；最后調(diào)節(jié)機(jī)械加工系統(tǒng)中的一些運(yùn)動(dòng)參數(shù)，提前預(yù)防可能引發(fā)強(qiáng)迫振動(dòng)的振源頻率，并盡量遠(yuǎn)離薄弱模態(tài)的固有頻率。

第三，加強(qiáng)系統(tǒng)阻尼。系統(tǒng)阻尼得到增強(qiáng)有助于動(dòng)剛度和振動(dòng)穩(wěn)定性的提高，有效的措施為：將電流變液阻尼器加裝在機(jī)床主軸上、預(yù)先禁錮滾地軸承、在支撐件的零部件臂中填充型砂或混凝土等阻尼材料、將具有高內(nèi)阻和較高彈性模量的黏性材料噴涂在機(jī)械加工系統(tǒng)中承受彎曲振動(dòng)的支撐件的表面等。

第四，隔離外來(lái)振動(dòng)影響。分隔機(jī)床與電視機(jī)、油泵等動(dòng)力源，或者使用隔振材料隔離地面與機(jī)械加工設(shè)備，比如：在磨床砂輪電動(dòng)機(jī)底座與墊板之間墊上具有彈性的木板或者硬膠皮，在機(jī)械加工設(shè)備機(jī)床的周?chē)诜勒駵系取?/p>

（2）降低自激振動(dòng)的措施

如上述分析，受切削過(guò)程中的工藝系統(tǒng)內(nèi)部是自激振動(dòng)主要影響因素的來(lái)源，所以應(yīng)通過(guò)控制機(jī)械加工中的切削用量、刀具幾何參數(shù)、切削過(guò)程中的阻尼等措施來(lái)有效減少自激振動(dòng)。實(shí)施措施如下：

第一，使重疊系數(shù)變小。重疊系數(shù)對(duì)系統(tǒng)再生效應(yīng)有直接影響，而加工方式、刀具的幾何形狀以及切削用量直接決定了重疊系數(shù)值μ。如圖1所示，當(dāng)加工螺紋工件時(shí)μ=0，此時(shí)不會(huì)引發(fā)再生型自激振蕩；而在切斷工件時(shí)μ=1，此時(shí)再生效應(yīng)最大。通常情況下，μ值位于0—1之間時(shí)進(jìn)行的是縱向切削，此時(shí)可以通過(guò)改變刀具幾何形狀以及切削用量來(lái)減少μ值，從而使切削穩(wěn)定性得以提高。

圖1 兩種加工方式的μ值

第二，合理選擇刀具幾何參數(shù)。刀具幾何參數(shù)中對(duì)自激振蕩有嚴(yán)重影響的參數(shù)為主偏角κr和γ0，當(dāng)主偏角增大、κr=90°時(shí)，自激振動(dòng)的振幅最小，與此同時(shí)切削力和振幅分別與前角成反比關(guān)系。因此，減小振動(dòng)的有效方法就是使前角和主偏角得到適當(dāng)增大，而后角則盡量取小。精加工時(shí)若選擇的切削深度較小、后角過(guò)小，則不容易使刀刃切入工件，同時(shí)加工表面與刀具的摩擦?xí)患觿?，更容易引發(fā)自激振動(dòng)，因此可在刀具的主后面上磨出一段后角為負(fù)的窄棱面來(lái)增大工件和后刀面之間的摩擦阻尼，如圖2所示。

圖2 磨出一段后角為負(fù)的窄棱面示意圖

第三，合理選擇切削用量。切削時(shí)用ap、f、v分別表示切削用量三要素，其與金屬切除率保持線性關(guān)系，其中無(wú)論那個(gè)參數(shù)增大一倍，都會(huì)造成生產(chǎn)率增高同樣的倍數(shù)，但此時(shí)其他參數(shù)必須減小。因此，必須保證三要素組合最佳，依次為前提來(lái)合理選擇切削用量。具體方法為：首先，盡量選取較大的進(jìn)給量和較小的切削深度，從而使自激振動(dòng)變??；其次，盡量采用高速切削或低速切削法來(lái)處理加工工件，預(yù)防自激振動(dòng)的產(chǎn)生；再者，如果加工表面的粗糙度滿(mǎn)足條件，則可選取較大的進(jìn)給量以實(shí)現(xiàn)對(duì)自激振動(dòng)的有效預(yù)防。

3 結(jié)語(yǔ)

雖然振動(dòng)常發(fā)生在機(jī)械加工過(guò)程中，但因其會(huì)導(dǎo)致機(jī)械加工精確度下降，還會(huì)影響到產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)效率，所以必須對(duì)不同類(lèi)型的振動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)分析，從而制定出具體可行的策略以減少振動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

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