机械加工过程中振动产生和控制措施
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一、引言
机械加工过程中,工艺系统:工件、夹具、刀具与机床之间经常会产生振动,对于零件的加工精度产生不良影响。振动会导致工艺系统承受动态交变载荷作用,刀具易于磨损，有时甚至崩刃。振动使零件加工表面产生振痕,降低了零件的加工精度,振动会导致机床、夹具的零件连接松动,增大间隙,降低刚度和精度,并缩短使用寿命;强烈的振动和伴随而来的噪声污染环境,危害操作者的身心健康。由于振动限制了切削用量的进一步提高,影响了生产效率,严重时甚至不能正常切削,因此,研究机械加工过程中的振动,消除振动的措施是十分必要的。
二、机械加工过程振动类型按其产生的原因来分类
（一）机加工过程中的强迫振动
强迫振动产生的原因机械加工中的受迫振功，是一种由工艺系统内部或外部周期交变的激振力(即振源)作用下引起的振动。由于有外界周期性干扰力作能量补充,所以强迫振动能够持续进行。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。只要外界周期性干扰力存在,振动就不会因阻尼而停止。
（二）机加工过程中的自由振动
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。
（三）机加工过程中的自激振动机械加工中的自激振动是在没有周期性外力（相对于切削过程而言）干扰下所产生的振动运动。
三、机械加工过程中强迫振动产生原因和控制措施
（一）强迫振动产生的原因
强迫振动是由于工艺系统外界周期性干扰力的作用而引起的振动。机械加工中的强迫振动与一般机械中的强迫振动没有什么区别,强迫振动的频率与干扰力的频率相同或是它的倍数。强迫振动产生的原因:强迫振动的振源又来自机床内部的机内振源和来自机床外部的机外振源两大类。机外振源甚多,但它们都是通过地基传给机床的,可通过加设隔振地基来隔离。机内振源主要有如下几个。1.切削过程中的冲击引起的振动。在具有往复运动部件的机床中，往复运动部件改变方向时所产生冲击；2.机床电机的振动。3.机床传动机构缺陷引起的振动,制造或不精确或安装不良的齿轮、皮带张紧力的变化等。4.机床高速旋转件不平衡引起的振动。电动机带轮、转子、连轴节、砂轮以及被加工工件旋转不平衡引起的周期性激振力，是加工过程产生振动。5.往复运动部件的惯性力引起的振动。在具有往复运动的机床中，往复运动部件改变方向时所产生的惯性冲击。
（二）控制强迫振动的措施
1.消除或减弱产生自激振动的条件。2.减小机内外干扰力:使振源产生的部分振动被隔振装置所隔离或吸收。3.提高工艺系统的阻尼和刚度。4.机床上高速旋转的零部件，必须进行平衡，使质量不平衡控制在允许范围内。
四、机械加工过程中自激振动产生原因及消除办法
（一）自激振动产生的原因
当系统受到外界或本身某些偶然的瞬时的干扰力作用而触发自由振动时，由振动过程本身的某种原因使得切削力产生周期性的变化，并由这个周期性变化的动态力反过来加强和维持振动，使振动系统补充由阻尼作用所消耗的能量，这种类型的振动称为自激振动。
（二）自激振动主要的特征
自激振动的能量来自机床电动机，电动机除了供给切除切屑的能量外，还通过切屑过程把能量输给振动系统，使机床产生振动运动。自激振动振幅大小取决于每一振动周期内系统获得的能量与消耗能量的比值。当获得的能量大于消耗的能量时，则振幅将不断增加，一直到两者能量相等为止。反之振幅将不断减小。当获得的能量小于消耗的能量时，自激振动也随之消失。自激振动是一种不衰减的振动。振动过程本身能引起周期性变化的力，此力可从非交变特性的能源中周期性地获得能量的补充，以维持这个振动。自激振动频率等于或接近系统的固有频率，即由系统本身的参数决定。到目前为止尚无完全成熟的理论来解释各种情况下发生自激振动的原因。目前克服和消除机械加工中的自激振动的途径，仍是通过各种实验，在设备、工具和实际操作等方面解决。
（三）减小自激振动的方法
1.提高工艺系统刚度,可提高抗振性。增强联接结合面的接触刚度、对滚动轴承施加预载荷，镗孔时对镗杆设置镗套等措施，加工细长工件外圆时采用中心架。2.合理选择刀具几何角度。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°。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。增加切削阻尼;适当减小刀具的后角;在后刀面上磨出消振棱;适当增大钻头的横刃;适当使刀尖高于(车外圆)、低于(樘内孔)工件中心线,以获得小的工作后角。为消减刀具的高频振动,宜增大刀具的后角和前角。3.适当提高切削速度;改善被加工材料的可加工性。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.。采用合适的切削用量。可采用减少切削宽度,同时增加切削厚度。调整切削速度,避开临界切削速度。在切断、车端面或使用宽刃刀具、成形刀具和螺纹刀具时,宜取切削速度小于临界切削速度。纵车和切环形工件端面时,切削速度大于临界切削速度等。
五、结论
机械加工过程产生的振动对于零件加工精度和表面质量是有害的，振动形成原因是非常复杂的,只有通过不断总结,根据不同情况分析产生的原因,才能更好的采取措施加以消除和控制,以保证加工工件的质量要求,提高生产效率,改善工作环境。
作者：周大伟 单位：永城职业学院
