机械加工过程中机械振动的成因及解决措施

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Vibration Causes and Solutions in M achining ProcessJianxin .YANG Qingling(1.Yantai Engineering＆Technology Colege，Yantai 264006；2.Yantai Vocational Colege，Yantai 264670)Abstract In the process of machining，mechanical vibration seriously influences the production effi-ciency and the work-piece S surface quality on the one hand，an d damages cutting tools an d causes noise pol-lution on the other.Therefore，it has become an important research topic for the industry to an alyze its causein the process of machining an d propose some measures to eliminate it to a low leve1.Combining with work-ing practice，this paper makes an analysis first of all of the vibration causes of the machining process andtheir characteristics.And then some corresponding solutions are proposed as a reference for solving mechani-cal vibration in the process of machining。

Key words mechanical processing；vibration；vibration sourcet， 5I舌随着科学技术的发展 ，数字化控制技术在机械加工中逐步推广应用。其优势是高效、高速、精密加工以及智能化控制。但在机械加工过程中，由于刀具与工件之间产生周期性往复运动，系统发生振动是不可避免的，振动的产生降低了被加工零部件的精准度，影响了生产率。随着工业的迅猛发展，对机械加工工件的精准度要求越来越高，而降低机械加工过程中的振动是提高机械加工工件精准度的首要措施。

收稿日期：2013-01-26作者简介：刘建新(1967- )，男，硕士，副教授。

1 机械加工过程中产生振动的原因及其特征机械加工振动主要有 自由、强迫以及 自激等振动类型。自由振动是在机械加工过程中，加工系统由于受到初始干扰力使其平衡状态遭到破坏，是靠弹性恢复力来维持的振动。强迫振动是机械加工过程中受到-个周期变化的外力作用产生的振动。自激振动是在机械加工系统自身产生的由交变力所引起的不衰减的振动。

第 1期 刘建新，杨庆玲：机械加工过程中机械振动的成因及解决措施 71.1 自由振动产生的原因在机械加工中，自由振动是最简单的振动，所占振动比率仅 5%左右，引起 自由振动的主要原因有：①在机械设备加工过程中，切削力突然发生变化引起 自由振动。②机械加工设备在加工时，外界力对其产生冲击而引起 自由振动。机械加工过程产生的自由振动过程没有外来能量的补充，其振动-般会因阻尼的作用而迅速衰减，可见，自由振动对机械加工过程影响较小，但是自由振动在-定条件下诱发产生 自激振动。

1.2 强迫振动产生的原因及其特征1.2.1 强迫振动产生的原因机械加工过程中强迫振动产生的主要原因有工艺系统内部和外部两方面因素。

工艺系统内部因素造成强迫振动的原因：-是离心惯性力引起的振动。在机械加工工艺系统中，电动机的转子、联轴节、皮带轮、砂轮以及被加工的高速回转工件会发生不平衡现象，这种不平衡会产生离心惯性力，从而引发强迫振动，所引发振动频率与这些元件每秒钟的相应转数大致相等。二是机械加工系统传动机构存在缺陷。有些传动中的旋转零件存在制造误差或者装配误差，这些误差会引发周期性的干扰力，导致强迫振动的产生，如，皮带传动中平皮带的接头，轴承滚道尺寸的不均匀等都会引起强迫振动。三是机械加工时存在的间歇特性。当加工件的加工部位与间断部分具有-定的节奏交替时，很容易产生周期性的激振力，从而引发强迫振动，如，铣削、拉削及周边磨损不均匀的砂轮。

工艺系统外部因素造成强迫振动的原因：-是地基振动因素，典型的有机械加工现场周围存在引起地基强烈振动，如，空气压缩机、大型冲床、大型锻锤等设备等。二是具有往复运动部件的机械加工设备在加工过程中，液压系统中液压件的冲击现象，运动部件进行换向时产生的惯性力均会引起强迫振动。

1.2.2 强迫振动的特征机械加工中强迫振动的主要特征如下：-是其自身不改变干扰力，与加工过程关系不大，通过相应措施消除干扰力，振动即可停止。二是强迫振动的振动频率与外界周期干扰力频率相近，或者是其频率的整倍数。三是强迫振动产生的干扰力频率在-定条件下很容易与系统自身固有频率发生共振现象 ，严重影响机械加工过程。四是强迫振动所产生的振幅与干扰力成正比，与刚度及阻尼成反比。五是强迫振动的位移变化比干扰力在相位上滞后-个相位角。

1.3 自激振动产生的原因及其特征机械加工过程中产生的自激振动也被称为颤振，是频率较高的强烈振动。在机械加工过程中，有时会受到工件材料硬度不均、加工余量发生变化等外界因素的干扰，引起加工系统振动，这种振动势必引起工件、刀具间的相对位置发生周期性变化，使加工过程产生维持振动运动的动态切削力，产生 自激振荡。自激振动的激振机理虽然 自上世纪5O年代开始研究，但至今没有完全成熟的理论，目前运用较多的主要有再生、振型耦合、负摩擦以及滞后等机理。

1.3.1 自激振动产生的原因自激振动产生的原因主要有以下方面：-是在机械加工的切削过程中，切屑与刀具、刀具与工件之间的摩擦力发生了变化引起 自激振动。二是由于机械加工工件内部硬度不均匀造成刀具崩刀后与加工设备发生 自激振荡。三是机械加工装备中的刀具安装刚性差，导致刀杆颤动而引发 自激振荡。四是机械加工设备加工细长轴等工件时，由于其刚性相对较差，加工工件的表面不可避免地产生现波纹或者锥度，导致自激振荡的发生。

五是由于积屑瘤不稳定，时生时灭，同时刀具前角及切削层横截面积在机械加工时又不断发生改变，这些都会引起自激振动。六是在机械加工时，由于切削量选取不当而产生 自激振动。

1.3.2 自激振动的特征相比于与其他类型的振动，自激振动的主要特征如下：-是 自激振动的产生不存在周期性外力干扰。二是其产生的振动频率与机械加工系统的某-固有频率接近 三是自激振动在振动时，其本身会导致某种不衰减的周期性变化，振动系统会借助这种周期性变化力，从不具备交变特性的能源中周期性地获得补充能量，以保持振动。

振动停止后，这种外力的周期性变化与能量的补充过程均停止。四是 自激振动的产生及其振幅的8 常州工学院学报 2013正大小撒于每-振动周期内获得的能量与消耗的能量的比值。

2 降低机械振动的措施据相关资料统计，在机械加工产生的振动比率中，强迫振动约占30%，自激振动约占65%，而自由振动只占5%左右，并且其振动通常情况下迅速衰减，对机械加工过程的影响极校而其他类型的振动不能自然衰减，危害很大。

2.1 减少强迫振动的措施机械加工中产生的强迫振动是由周期性激振力引起，强迫振动的频率总是与干扰力的频率相等或是其倍数，因此消除或者减少这种振动的首要问题是找出振动源。

2.1.1 减肖振力激振力是由机械加工过程中回转的不平衡质量引起的，减肖振力就是减小因回转元件的不平衡所引起的离心惯性力及冲击力，-是对砂轮、电动机转子及刀盘等600 rad/min以上的高速回转元件进行静平衡与动平衡 ，或者设置自动平衡装置。二是提高传动装置的稳定性，如，机械加工设备所用的传动皮带长短-致、无接头或者少接头、尽量用斜齿轮代替直齿轮、在主轴上安装飞轮、高精度与小功率加工设备使动力源与机床脱离等措施。三是提高传动的稳定性，改善以联轴器相联的各轴轴心线间的同轴度，从高速轴或主轴上除去带动润滑油泵的凸轮，同时提高制造精度和装配质量。

2.1.2 调节振源频率在机械加工过程中，合理安排加工系统的固有频率，能够有效预防共振现象的发生，其主要措施如下：-是为有效避开系统的固有频率，可以调节激振力频率。二是在设计机械加工设备的结构时，让工艺系统各个部件的固有频率远远大于或者远远小于共振区频率。三是对机械加工设备中的轴承与镶条等部件的间隙加以调整，使其偏离激振频率。四是调节机械加工系统的-些运动参数，有效避免可能产生的强迫振动的振源频率，远离机械加工设备中薄弱模态的固有频率。

2.1.3 增加系统阻尼增大阻尼是提高动刚度和振动稳定性的有效措施，主要方法是在机床主轴上加装电流变液阻尼器、对滚动轴承适当预紧、将型砂或混凝土等阻尼材料填充在支承件的零部件臂中，在机械加工系统中的承受弯曲振动的支承件的表面喷涂-层有高内阻和较高弹性模量的黏性材料等。提高系统结构动刚度的主要方法是提高加工设备的结构件刚度。

2.1.4 隔离外来振动的影响将机械加工系统的电动机、油泵等某些动力源与机粗开，或用隔振材料将机械加工设备与地面隔开，如，将具有弹性的木板或者硬胶皮垫在磨床砂轮电动机底座与垫板之间，在机械加工设备机床周围挖防振沟，等等。

2.2 自激振动控制措施白激振动主要影响因素来源于受切削过程中的工艺系统内部，因此对 自激振动控制应该从机械加工中的切削用量、刀具几何参数以及切削过程中的阻尼进行控制，减序消除自激振动。

2.2.1 减小重叠系数重叠系数对系统再生效应的大小影响很大。

重叠系数值 由加工方式、刀具的几何形状以及切削用量来决定。图 1是两种加工方式的 值。

加工螺纹工件时， 0，工艺系统不会有再生型自激振动产生。而切断工件时，肛l，所产生的再生效应最大。对于-般外圆，纵向车削时， 为0～1，因此通过改变切削用量和刀具几何形状，尽量减小 值，可提高切削的稳定性。

(b)切断工件时， 1图1 两种加工方式的 值2.2.2 合理选择刀具几何参数在机械加工中所用的刀具几何参数中，主偏第 1期 刘建新，杨庆玲：机械加工过程中机械振动的成因及解决措施 9角 K 和Y。对自激振动影响最大，主偏角增大，当K 90。时，所产生的振幅最小，同时前角与切削力成反比，前角越大，振幅越校因此，在机械加工中适当地增大前角与主偏角，能减小振动。同时后角要尽量取校在精加工时，如果切削深度选择较小，后角过小，刀刃不容易切人工件，同时刀具后面与加工表面间的摩擦会加剧 ，更容易产生自激振动，因此为增大工件和后刀面之间的摩擦阻尼，可在刀具的主后面上磨出-段后角为负的窄棱面，如图2所示。

- l图2 磨出-段后角为负的窄棱面示意图2.2.3 合理选择切削用量切削中，金属切除率与切削用量三要素 a。

v是线性关系，其中任-参数增大-倍 ，都可使生产率提高-倍。但任-参数增大时，其他参数必须减校因此，切削用量合理选择的前提是三要素组合最佳，-是在选择时，为减小自激振动，尽量选认大的进给量与较小的切削深度。二是对没有要求的加工工件，可采用高速切削或低速切削，避免 自激振动。三是在加工表面粗糙度允许的情况下，为有效预防自激振动应选认大的进给量。

2.2.4 合理安排机床、工件以及刀具的相对位置根据振型耦合自激振动原理，刚度比及方位角的合理选择可以提高抗振性 ，抑制 自激振动。

同时工件的正转与反转对振动的影响往往不同，为提高切削的稳定性，工件反转切削时，使切削力方向与系统的高刚度方向保持-致。

3 结语机械加工中机械振动的成因是多方面的，也是非常复杂的，要根据实际情况不断地分析和总结不同类型的振动机理，根据总结的实践经验采取相应的措施，保证机械零件的加工质量和工艺过程的科学性，提升劳动生产率。