機械加工過程中機械振動的成因及解決措施

郭翔翔，馬愛兵

（湖北工業(yè)大學工程技術學院，湖北 武漢 430000）

在機械加工過程中會經(jīng)常性遇到機械振動情況，其主要體現(xiàn)在工件、設備在加工時出現(xiàn)振幅較大的振動，進而影響機械加工工作。如果機械振動頻率較低，則會出現(xiàn)刀具松動，加工產(chǎn)品不符合生產(chǎn)標準等問題，振動頻率過大時，將會在加工產(chǎn)品外表造成劃痕，嚴重時將會報廢整個生產(chǎn)線的產(chǎn)品。在加工過程中，機械振動還會間接提高刀具速度，縮短使用壽命。因此，需要針對機械振動的成因，采取合理措施，從而降低機械振動所帶來的不良影響，提高機械產(chǎn)品加工質(zhì)量。

1 機械振動的成因

通過分析以往機械加工過程中出現(xiàn)的機械振動情況，其主要分為自由振動、強迫振動和自激振動，以下是介紹兩種振動所產(chǎn)生的原因。

1.1 自由振動

通常情況下，在機械加工過程中，出現(xiàn)自動振動的原因主要有兩種：一是在加工時，由于刀具轉(zhuǎn)速過快，切削力會增加，導致自動振動問題；二是在加工過程中，所使用的設備和技術較多，會受到外界環(huán)境的影響產(chǎn)生一定的沖擊力，影響加工設備，進而造成加工刀具出現(xiàn)振動問題，影響機械產(chǎn)品加工質(zhì)量。[1]

1.2 強迫振動

對于產(chǎn)生強迫振動的原因，通過分析可知其主要存在外部和內(nèi)部兩種影響因素。首先對于內(nèi)部影響因素，在機械加工過程中，會受到離心力過大、傳動設備結(jié)構不合理、加工設備存在間隙性問題等影響，而造成外部影響因素導致加工工藝不符合科學性，出現(xiàn)生產(chǎn)問題。然后在離心力的作用下，加工設備會出現(xiàn)較大的振動情況，在實際機械加工過程中，由于離心力過大，將會造成電動機轉(zhuǎn)子、砂輪等設備在高速工作時出現(xiàn)穩(wěn)定性下降問題，進而造成整體機械加工過程失去平衡性，產(chǎn)生強迫振動問題。其次，對于傳動設備結(jié)構不合理情況，由于在機械加工過程中，會使用較多的傳動設備，如果該旋轉(zhuǎn)零件裝配不符合標準，將會影響設備運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，進而造成強迫振動問題。最后，對于加工工藝主要存在著兩種問題，一是地基振動。在機械加工過程中，會應用大型機械設備，例如大型空氣壓縮機、鍛錘和沖床等，在實際加工過程中，其會產(chǎn)生較大的沖擊力，進而造成地基振動問題。二是由于設備運行所產(chǎn)生的慣性振動。加工設備在往復運動中，會持續(xù)增加動力，如果這時出現(xiàn)突然轉(zhuǎn)向情況，將會直接造成強迫振動問題。[2]

1.3 自激振動

在機械加工過程中，會有較多加工工件共同傳輸，因此會使得象刀具、零部件之間產(chǎn)生較大的摩擦力，進而會影響加工刀具工作狀態(tài)，造成自激振動問題。如果在加工過程中，所加工零件硬度不均勻，會對刀具造成一定的磨損，當其超過安全值后，會出現(xiàn)崩刀，導致自激振動問題。由于所安裝的加工刀具剛性不符合加工標準，使加工過程中出現(xiàn)刀具顫動問題，特別是在加工細長軸工件時，顫動問題更加明顯，由于其受力點不均勻，出現(xiàn)工件波動情況，進而造成自激振動問題，降低機械產(chǎn)品加工質(zhì)量。

2 解決機械振動的措施

通過分析大量以往機械加工過程中出現(xiàn)的機械振動情況，可知，大多數(shù)機械振動類型為強迫振動和自激振動，自由振動所占比例過低，因此重點研究如何解決強迫振動和自激振動問題。

2.1 強迫振動的解決措施

外力影響因素是產(chǎn)生強迫振動問題的主要因素，因此，在機械加工過程中，需要重點關注外力影響因素，且做好外力控制工作，以此來提高機械產(chǎn)品加工質(zhì)量。為了有效解決強迫振動所帶來的不良影響，還需要綜合考慮振動源頭和振動規(guī)律。首先，由于大多數(shù)產(chǎn)生強迫振動的原因為外部因素，因此其振動源頭在外部，針對于此，通過搜集機械加工過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，將其輸入到系統(tǒng)后臺中，通過數(shù)據(jù)分析技術，使其形成三維數(shù)字模型，對整體的機械加工進行全面模擬和仿真，從而明確振動源頭和振動規(guī)律。當確定以后，為了有效解決強迫振動問題，還需要做好以下幾個方面內(nèi)容。第一，分離外部振源。在實際機械加工過程中，加工條件允許的情況下，應當根據(jù)實際加工情況來分離加工設備、電動機和油泵等設備，使其遠離振動源頭。如果加工條件不允許，還可以將一些硬膠皮墊、彈性模板等降低振動的材料放置到電動機底座和墊板之間，使其降低電動機的振動頻率。除此之外，還能在機械加工車床尾部進行挖掘，將其與地基分離，從而解決強迫振動問題。第二，協(xié)調(diào)振源頻率。如果在機械加工過程中，出現(xiàn)機械振動頻率與加工體系振動頻率一致時，會造成機械共振情況，影響加工質(zhì)量。因此需要先分析機械加工設備情況，在設計前期，就需要重視加工設備的共振問題，不斷優(yōu)化和創(chuàng)新設備結(jié)構，降低出現(xiàn)共振問題的概率。第三，增加系統(tǒng)阻尼。在加工設備周圍加裝相應的阻尼設備，以此來提高整體加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在實際應用中，需要根據(jù)加工設備情況，選擇合理的增加系統(tǒng)阻尼方式，目前主要有噴涂阻尼材料、填充阻尼材料等方式。例如，如果機床主軸存在強迫振動問題，應當在其側(cè)邊加裝電流變液阻尼器，提高機床主軸穩(wěn)定性，從而解決強迫振動問題，提高機械產(chǎn)品加工質(zhì)量。[4]

2.2 自激振動處理措施

對于解決自激振動問題，應當結(jié)合機械加工設備實際情況，來制定合理措施。首先，通過分析機械加工設備，得到準確的刀具系數(shù)。刀具系數(shù)是直接體現(xiàn)加工刀具情況的數(shù)據(jù)，還能根據(jù)機械加工需求來選擇合理的加工刀具。在刀具系數(shù)中，前角、主偏角系數(shù)是產(chǎn)生自激振動的主要原因。在實際機械加工過程中，當主偏角出現(xiàn)變大趨勢時，前角也會隨之變大，會降低刀具振動幅度。根據(jù)這種加工情況，應當適當增加主偏角，來降低出現(xiàn)自激振動的概率。但是在增加過程中，需要控制前角大小。如果前角過大時，將會降低刀具的強度，出現(xiàn)磨損問題。除此之外，綜合主偏角系數(shù)后，還應當確定后角系數(shù)的合理性。需要選擇較小的后角系數(shù)，才能保證機械刀具的穩(wěn)定性，解決機械振動問題。其次，要根據(jù)機械加工情況來選擇合理的切削用量。尤其是切削深度、切削速度，當速度增加時，將會增加切削深度，因此為了降低自激振動產(chǎn)生的概率，需要明確切削用量。針對自激振動問題，應當嚴格控制切削速度，降低切削深度，才能有效解決自激振動所帶來的不良影響。最后，根據(jù)自激振動情況，應當積極采用減振措施。對于機械加工設備，應當提高機械體系強度，例如，在加工設備表面噴涂、鍍鋅、噴油等操作來增加接觸面積；根據(jù)機械加工情況來合理調(diào)整主加工軸承的預緊力；確保頂尖孔打磨質(zhì)量達到機械加工標準。除此之外，還可以使用減振設備和吸振器來消除自激振動。在實際應用中，需要先分析加工設備運行速度和距離等數(shù)據(jù)，然后在振動頻率較強的區(qū)域安裝阻尼器，使其達到降低振動幅度作用，從而消除自激振動問題，提高機械產(chǎn)品加工質(zhì)量。[3]

3 結(jié)語

總而言之，機械振動是影響機械加工質(zhì)量的關鍵因素，因此機械加工企業(yè)需要重視機械振動產(chǎn)生的原因，并提出合理的解決措施，從而有效消除機械振動所帶來的不良影響，提高機械加工質(zhì)量，促進機械加工產(chǎn)業(yè)的長久發(fā)展。