机械加工中的振动特点及预防策略分析

李静

(新乡职业技术学院,河南 新乡 453000)

机械加工过程中振动作为一种有害的物理现象,对加工表面品质和生产率具有很大的影响。机械生产过程中的振动使得道具与工件之前产生位移,加剧加工表面的振动,加速刀具的磨损速度,甚至产生崩刃。同时振动的发生使得机床、夹具等缝隙增加,降低刚度和精度,缩短使用的寿命,严重知识切削无法进行,降低机床的生产效率,因为通过对机械加工中振动的特点和原因进行分析,从而找到有效控制振动的措施和途径。

1 机械加工中振动的特点

机械加工过程中振动主要有两种,一种是强迫振动,一种是自激振动。两种振动有着各自的特点。

1.1 强迫振动

强迫振动主要是在外力的作用下产生的一种振动方式,是物体受外外界一个周期性的作用力。例如在磨削过程中,产生振动主要是由于皮带轮、高速旋转的砂轮以及电动机之间的不平衡造成的振动。一般在机械加工过程中三角皮带的长短和厚度不一致也会引起强迫振动。这些振动引起机床各个部件的相对位移,对机床加工的精度产生较大的影响。如果机床的回转运动中产生了较大的振动,那么回转的精度将大大降低,影响零件的加工质量。

强迫振动的特点是多方面的,其一,强迫振动不能改变外力的影响,除了由于切削而产生的作用力。干扰力如果彻底消除,那么振动就不会产生。如果干扰力是由于外界的振源产生的,那么只要将振源消除,那么振动也会跟着消除。其二,强迫振源的频率等于外界周期干扰力的频率,或者两者成倍数关系。其三,干扰力的频率与系统的固有频度之间的比值为1或者近似于1,此时的振动幅度最大,对加工的影响也就最大。其四,强迫振动的振幅还与系统的刚度、阻尼大小以及干扰力之间具有很大的相关性,强迫振动的振幅与干扰力成正比,与系统刚度和阻尼成反比。强迫振动的位移变化比干扰力在相位上低于一个相位角,位移值与干扰力的频率和动态特性有关。

1.2 自激振动

自激振动是在切削加工时,周期性外力消失,系统内部激发出来的周期性振动,也被成为颤振。其振动的频率接近于系统的固有频率。机床加工系统主要有调节系统和振动系统组成的闭环系统,刺激机床所产生的作用力主要是在切削的过程中产生的,但系统自身的作用力又反作用于切削的过程,一旦停止机床的运动,动态的切削力也就消失。自激振动系统在一个振动的周期内,能够维持系统的稳定性。如果在切削的过程中十分平稳,那么系统就对自激振动产生较大的影响,为其提供条件。在实际的机械加工过程中,总是会受到外界作用力的干扰,从而产生切削力,并且作用于机床系统上,从而产生自激振动。

自激振动主要特点表现为:(1)机械加工过程中,尤其是切削过程中,自激振动没有外界周期性作用力,这也是与强迫振动相区别的最重要特点。(2)自激振动的频率取决于系统的固定频率,且与系统的某一固定频率相似。按照频率的高低可以分为高频率和低频率。

高频一般在500-5000HZ之间,低频一般在50-500HZ之间。这一点也区别与强迫振动。(3)自激振动作为一种不衰减的振动,能够引起某种周期性的变化,且不减退,振动系统能够运用这个力的变化从能源周期性中获取能量,从而将这个振动维持下去。一旦运动停止,这种能量的获取过程也会消失。工艺系统中维持自激振动的主要能量来源于机床电动机。(4)自激振动的振幅取决于在一个周期内振动系统获得和消耗的能量。

2 机械加工过程中振动产生的原因分析

强迫振动产生的振源可分为机床内部和外部的振源。机床外振源主要与机床的环境有关,主要是通过地基传导到机床上,从而引起振动。机床内振源造成的原因是多方面的。一是不平衡造成的离心惯性力。在机械加工的过程中,由于机床处于高速的旋转状态,存在着质量的偏心,产生了离心惯性力,在该作用力的刺激下机床的振源发生振动,振动的频率也逐渐增大。二是机床传动机构的缺陷。对于机床上传动中能够旋转的零部件,在制造的过程中会存在着一些精度差异,由于多种原因的作用在机床的转动时受到周期性干扰力的作用,从而引起机床的振动。例如机床上的齿轮在制造时存在着一定的误差,这样使得齿轮在转动的过程中产生三个方向的作用力,如径向力、切向力和轴向力,通过轴承造成其他部件的振动。如果滚动轴承的精度存在着很大的误差,那么也会造成强迫振动。三是车削形状不规则的断续切削。在机械加工中,刀具和工件之间会产生摩擦力,这时如果两者之间存在着较大的间隙,那么就会产生一个周期性的作用力,进而产生振动。四是地基振动。地基振动原因是多方面的,一方面是临近的设备的振动强度,另一方面是地基的谐振特性。因此在加工高精度的零件时,机床和地基必须进行隔绝。

3 机械加工中预防振动的措施

3.1 预防强迫振动的措施 (1)对于机械加工中零件的旋转速度在600r/min以上的高速状态,设置自动平衡装置或者减振装置,保持静平衡和动平衡。(2)减小轴承和镶条等的间隙,改变系统的固定频率,能够与刺激振动的频率之间保持一定的距离。改变运动的参数,能够降低固定频率,与机床加工的固有频率错开一定的距离。(3)增强装置的稳定性和牢固度,尽量减少磨床上的接头,采用无接头的皮带运转,传动皮带的选择一定要长短厚薄一致。采用斜齿轮,或者安装飞轮装置在主轴上。(4)将叶片泵替换齿轮泵安装在精密磨床上,将穿冲装置安装在液压系统上,防止运动中产生的振动。(5)选择合适的砂轮硬度和粒度,及时调整砂轮的角度,清理砂轮上的堵塞物,减少磨削力带来的振动。(6)铣刀直径、齿数以及螺旋角的选择要根据铣削条件进行选择,增加铣刀齿数,以顺铣替代逆铣。采用合适的刀齿结构,这样能够破坏外界的周期作用力。(7)及时刮研接触面,提高接触面的刚度。系统的刚度采用中心架、跟刀架。砂轮架导轨要选择合适的。(8)床身的选择可以采用封砂结构,增加阻尼,减少外界的作用力,减少振动。(9)隔离外来对机床的影响,

可以在机床与电机之间垫上减振物体,达到有效的减振效果,一般采用硬胶皮,这样效果会更好。

3.2 预防自激振动的措施 (1)减小重叠系数μ。重叠系数μ决定着再生效应的大小。重叠系数数值的大小与加工的方式、刀具的形状、切削量等密切相关。例如在机械加工中,车螺纹加工方式,重叠系数μ等于0,工艺系统不会再产生自激振动的条件。在切断工件加工中,重叠系数等于1,产生的再生效应比较大。对于一般外圆,纵向车削的方式,重叠系数一般在0-1之间,这时可以改变刀具的几何形状和切削量,降低重叠系数的数值,从而降低再生效应,保持加工过程的稳定性。(2)合理选择刀具的几何参数。刀具的几何参数对振动影响最大的就是主偏角kr和 Y0。主偏角越大,在加工表面垂直方向上的切削分力就会相应的减小,自身就不会产生。例如在机械加工的过程中,kr等于90度时,产生的振动越小。前角越大,产生的振幅越小。(3)合理选择切削量。在低速或者高速切削时,振动最小。如果在加工表面粗糙度允许的情况下,可以增加切削量,防止振动的增强。切削的深度和宽度与振动的强度之间成正比,因此在切削时要选择合适的切削宽度和深度。(4)提高工艺系统的刚度。例如在外圆磨床的主轴系统中要减少轴承之间的间隙,增强接触的刚度。工件与刀具之间如果抗振性能低时可以采用中心架来提高其性能。如果加工用细长刀杆加工孔时,可以用中间导向支撑。(5)采用减振装置。常用的减振装置有阻尼减振器和冲击减振器。在车床中应用都能够起到良好的抗振性能。

4 结语

机械加工过程中产生的振动原因十分复杂,需要在实际的生产过程中抓住振动的特点,根据振动产生的机理分析振动产生的原因,采取预防和处理措施进行控制,进而提高生产的质量和效率,延长机床的使用寿命。

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