机械加工振动简介

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    一、振动对机械加工过程的影响

　　机械加工过程中，工艺系统常常会发生振动，即在工件和刀具的切削刃之间，除了名义上的切削运动外，还会出现一种周期性的相对运动。产生振动时，工艺系统的正常切削过程便受到干扰和破坏，从而使零件加工表面出现振纹，降低了零件的加工精度和表面质量，频率低时产生波度，频率高时产生微观不平度。强烈的振动会使切削过程无法进行，甚至造成刀具 “崩刃 ”。为此，常被迫降低切削用量，致使机床、刀具的工作性能得不到充分的发挥，限制了生产率的提高。振动还影响刀具的耐用度和机床的寿命，发出噪声，恶化工作环境，影响工人健康。

　　振动按其产生的原因来分类有三种：自由振动、受迫振动和自激振动。据统计，受迫振动约占 30%，自激振动约占 65%，自由振动占比重则很小。自由振动往往是由于切削力的突然变化或其它外界力的冲击等原因所引起的。这种振动一般可以迅速衰减，因此对机械加工过程的影响较小。而受迫振动和自激振动都是不能自然衰减而且危害较大的振动。下面就这两种振动形式进行简单的分析。

　　二、机械加工中的受迫振动

　　（一）受迫振动产生的原因

　　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。机械加工中引起工艺系统受迫振动的激振力，主要来自以下几方面

　　1 ．机床上高速回转零件的不平衡 机床上高速回转的零件较多，如电动机转子、带轮、主轴、卡盘和工件、磨床的砂轮等，由于不平衡而产生激振力 F（即离心惯性力 ）。

　　2 ．机床传动系统中的误差 机床传动系统中的齿轮，由于制造和装配误差而产生周期性的激振力。此外，皮带接缝、轴承滚动体尺寸差和液压传动中油液脉动等各种因素均可能引起工艺系统 受 迫振动。

　　3 ．切削过程本身的不均匀性 切削过程的间歇特性，如铣削、拉削及车削带有键槽的断续表面等，由于间歇切削而引起切削力的周期性变化，从而激起振动。

　　4 ．外部振源 由邻近设备 （如冲压设备、龙门刨等 ）工作时的强烈振动通过地基传来，使工艺系统产生相同 （或整倍数 ）频率的受迫振动。

　　（二）减少受迫振动的途径

　　受迫振动是由于外界周期性干扰力引起的，因此为了消除受迫振动，应先找出振源，然后采取适应的措施加以控制。

　　1 ．减小或消除振源的激振力

　　对转速在 600r/min以上的零件必须经过平衡 ,特别是高速旋转的零件 ,如砂轮 ,因其本身砂粒的分布不均匀和工作时表面磨损不均匀等原因 ,容易造成主轴的振动 ,因此对于新换的砂轮必须进行修整前和修整后的两次平衡。

　　提高齿轮的制造精度和装配精度，特别是提高齿轮的工作平稳性精度，从而减少因周期性的冲击而引起的振动，并可减少噪声；提高滚动轴承的制造和装配精度，以减少因滚动轴承的缺陷而引起的振动；选用长短一致、厚薄均匀的传动带等。

　　2 ．避免激振力的频率与系统的固有频率接近，以防止共振。

　　如采取更换电动机的转速或改变主轴的转速来避开共振区；用提高接触面精度、降低结合面的粗糙度；消除间隙、提高接触刚度等方法，来提高系统的刚度和固有频率。

　　3 ．采用隔振措施

　　如使机床的电机与床身采用柔性联接以隔离电机本身的振动；把液压部分与机床分开；采用液压缓冲装置以减少部件换向时的冲击；采用厚橡皮、木材将机床与地基隔离，用防振沟隔开设备的基础和地面的联系，以防止周围的振源通过地面和基础传给机床等。

　　三、机械加工中的自激振动

　　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。切削过程中产生的自激振动是频率较高的强烈振动，通常又称为颤振。

　　（ 一 ）自激振动的特点

　　1 ．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。

　　2 ．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。

　　3 ．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。

　　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。

　　（二）控制自激振动的途径

　　1 ．合理选择切削用量

　　图 5— 5所示是车削时切削速度 与振幅 A的关系曲线。 在 20～ 60m/min范围内时， A增大很快，而 高于或低于此范围时，振动逐渐减弱。

　　图 5— 6所示是进给量 f与振幅 A的关系曲线， f较小时 A较大，随着 f的增大 A反而减小。

　　图 5— 7所示是背吃刀量 与振幅 A的关系曲线， 越大 A也越大。

 

轴承间隙，对滚动轴承施加一定的预紧力，提高顶尖孔的研磨质量等。加工细长轴时，使用中心架或跟刀架，尽量缩短镗杆和刀具的悬伸量，用死顶尖代替活顶尖，采用弹性刀杆等都能收到较好的减振效果。

　　4 ．采用减振装置当采用上述措施仍然达不到消振的目的时，可考虑使用减振装置。减振装置通常都是附加在工艺系统中，用来吸收或消耗振动时的能量，达到减振的目的。它对抑制强迫振动和颤振同样有效，是提高工艺系统抗振性的一个重要途径，但它并不能提高工艺系统的刚度。减振装置主要有阻尼器和吸振器两种类型。

　　（ 1）阻尼器的原理及应用 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。图 5— 9所示为利用多层弹簧片相互摩擦，消除振动能量的干摩擦阻尼器。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）吸振器的原理及应用 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，是弹性元件加在系统的力与系统的激振力相互抵消，以此来减弱振动。

 

　　图 5— 10所示为用于镗刀杆的动力吸振器。这种吸振器用微孔橡皮衬垫做弹性元件，并有附加阻尼作用，因而能得到较好的消振作用。

　　②冲击式吸振器 它是由一个与振动系统刚性连接的壳体和一个在壳体内自由冲击的质量块组成。当系统振动时，由于自由质量的往复运动而冲击壳体，消耗了振动的能量，故可减小振动。

　　图 5— 11所示为螺栓式冲击吸振器。 当刀具振动时自由质量 1也振动，但由于自由质量与刀具是弹性连接，振动相位相差 180 0 。当刀具向下挠曲时，自由质量却克服弹簧 2的弹力向上移动。这时自由质量与刀杆之间形成间隙。当刀具向上运动时，自由质量以一定速度向下运动，产生冲击而消耗能量。

　　5 ．合理调整振型的刚度比 根据振型耦合原理，工艺系统的振动还受到各振型的刚度比以及其组合的影响。合理调整它们之间的关系，就可以有效地提高系统的抗振性，抑制自激振动。

　　图 5— 12a所示为削扁镗杆，刀头 2用螺钉 3固定在镗杆的任意角度位置上。镗杆 1削扁部分的厚度 a=（ 0.6～ 0.8） d,其中 d为镗杆直径。镗杆削扁后，两个互相垂直的主振型模态具有不同的刚度 k 1、 k 2,再通过刀头 2在镗杆上的转位调整，即可找到稳定性较高的方位角α（α为加工表面法向与镗杆削边垂线的夹角）。

　　取镗杆 a =0.8d，，镗杆悬伸长度为 550mm。由图 5— 12b可知，当 时，不产生自激振动。图 5— 12c所示的“ 8”字形区域可知，最适宜的方位角在之间。